钻井液滤失造壁性及润滑性
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第四章钻井液的滤失性
（3）、静滤失（Static Filtration） 特点：压差不太大，泥饼较厚，单位时间滤失量一般比动滤失量小。
第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素
一、滤失量的测定
钻井液滤失量的测定包括静滤失和动滤失，静滤失量的测定通常采 用API测试，测试装置主要有低温低压滤失仪和高温高压滤失仪两种，高 温高压滤失仪又分为42型（3.5MPa/150℃）和71型（180℃）。动滤失量 的测定仪器较多，但没有统一的评价标准，钻井液滤失量的研究与测定 主要为静滤失量。
前面讲粘土胶体化学时，我们讲过，粘土颗粒在水中分散，表面吸附
了一层水化反离子，形成了吸附溶剂化层，所以沉积过程中携带着吸附水
（水化膜）一起沉积。
所以：
f sm hmc A V f f schmc A
可以推出：
hmc
A
f smV f f sc f sm
第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素
另外，我们认为在渗滤期间，在任何时间t 内，渗滤体积Vm 的钻井液中被过滤的固相体积等于沉积在泥饼上的固相体积（与 动滤失的区别）：
所以：
f smVm f schmc A
其中： f sm —钻井液中的固相分数；
f sc —泥饼中固相的体积分数
第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素
反之
K
QL
APt
＝10-8cm2=达西（μm2）
第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素
在这些假设的基础上，根据达西渗透定律，可以推导出泥饼
的滤失速率方程
其中：
dVf KAp
dt hmc
（1）
dV f dt
—滤失速率，cm3/s；Vf—滤失体积，即滤失量，cm3；t—滤
第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素
一、滤失量的测定
钻井液滤失量的测定包括静滤失和动滤失，静滤失量的测定通常采 用API测试，测试装置主要有低温低压滤失仪和高温高压滤失仪两种，高 温高压滤失仪又分为42型（3.5MPa/150℃）和71型（180℃）。动滤失量 的测定仪器较多，但没有统一的评价标准，钻井液滤失量的研究与测定 主要为静滤失量。
前面讲粘土胶体化学时，我们讲过，粘土颗粒在水中分散，表面吸附
了一层水化反离子，形成了吸附溶剂化层，所以沉积过程中携带着吸附水
（水化膜）一起沉积。
所以：
f sm hmc A V f f schmc A
可以推出：
hmc
A
f smV f f sc f sm
第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素
另外，我们认为在渗滤期间，在任何时间t 内，渗滤体积Vm 的钻井液中被过滤的固相体积等于沉积在泥饼上的固相体积（与 动滤失的区别）：
所以：
f smVm f schmc A
其中： f sm —钻井液中的固相分数；
f sc —泥饼中固相的体积分数
第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素
反之
K
QL
APt
＝10-8cm2=达西（μm2）
第二节钻井液滤失量的测定及其影响因素
在这些假设的基础上，根据达西渗透定律，可以推导出泥饼
的滤失速率方程
其中：
dVf KAp
dt hmc
（1）
dV f dt
—滤失速率，cm3/s；Vf—滤失体积，即滤失量，cm3；t—滤
钻井液参数测定及维护
钻井液流变模式
钻井液流变性与钻井的关系
1、流变性与悬浮携带岩屑和净化井眼的关 系。钻井液粘度的作用是将井底的钻屑有 效地携带到地面，这是关系到能否安全快 速钻井的问题。实践表明：钻井液粘度、 切力越大，钻井液悬浮和携带岩屑的能力 越强，井眼的净化效果越好。反之钻井液 粘度、切力降低，钻井液悬浮和携带岩屑 的能力变差，井眼的净化效果差。
3．动切力
• 钻井液的动切应力反映的是钻井液在层流 时，粘土颗粒之间及高聚物分子之间相互 作用力的大小，即钻井液内部形成的网状 结构能力的强弱。用YP或者τ0表示，单位 是Pa（帕）。
4．表观粘度
• 钻井液的表观粘度又称有效粘度或视粘度， 是钻井液在某一速度梯度下，剪切应力与 速度梯度的比值，用AV表示，单位是 mPa·S（毫帕·秒）。
2、钻井液流变性与机械钻速的关系。实践 表明：在钻井过程中，钻井液粘度、切力 升高，钻速下降。原因是：一钻井液粘度、 切力大，流动阻力大，消耗的功率也大， 在泵功率一定的情况下，钻井液泵的排量 相应降低，降低了钻井速度。二是钻井液 粘度大，钻头在破碎岩石时，高粘度钻井 液在井底形成一个粘性垫层，粘性垫层缓 和了钻头牙齿对井底岩石的冲击切削作用， 使机械钻速降低。
钻井液流变性是钻井液的一项基本性能， 它在解决下列钻井问题是起着十分重要的作用： （1）携带岩屑，保证井底和井眼的清洁； （2）悬浮岩屑； （3）提高机械钻速； （4）保持井眼的规则和保证井下安全。
钻井液的流变性对钻井工作的影响主要体 现在悬浮岩屑、护壁、减阻、提高钻速和冷却钻 具5个方面。
液体的基本流型通过实验研究，归纳 为四种基本流型：牛顿流型、塑性流型、 假塑性流型和膨胀流型。一般钻井液属于 塑性流型。
按照API推荐的钻井液 性能测试标准， 需检测的钻井液常规性能包括：密度、漏 斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API 滤失量、HTHP滤失量、pH值、碱度、含砂 量、固相含量、膨润土含量和滤液中各种 离子的质量浓度等。
第四章 钻井液的滤失和润滑性能
钻井液开始接触新的自由面，钻井液中的自由水向岩石 孔隙中渗透，直到钻井液中的固相颗粒及高聚物在井壁 上开始出现泥饼，这段时间的滤失称为瞬时滤失。
2019/9/12
石油工程学院
7
瞬时滤失特点： 时间短（t < 2秒) 、井底岩石表面尚无泥
饼，滤失速率很高，亦称初滤失。主要是向井 底失水。
时间短而量大，伴有少量泥浆渗失。存在 于整个钻井过程中。
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13
温度和压力差对钻井液滤失量有很大影响。可分低 温低压滤失量(或称为API滤失量)和高温高压滤失量。
滤失量的评价，国内外通常采用API滤失量，在规定 的压力差下以通过一定的渗滤断面(通常用滤纸作为渗 滤介质）30min内的滤失量来衡量，单位为m1／30min。
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28
（7）泥饼的压实性和渗透性 滤失量测定的结果往往是泥饼厚滤失量大，泥饼
薄滤失量小，这主要是因为厚泥饼的渗透性大，薄泥 饼的渗透性小。泥饼的渗透性是决定因素。泥饼的渗 透性取决于泥饼中固相的种类，固相颗粒的大小、形 状和级配，处理剂的种类和含量，以及过滤压差等。
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响泥饼的渗透率。
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30
胶体种类、数量及颗粒尺寸影响泥饼渗透率。例 如在淡水里膨润土悬浮液的泥饼有极低的渗透率。因 为粘土是扁平小片、薄膜状特点，使这粘土能在流动 的垂直方向将孔隙封死。
在钻井液加入沥青，当沥青是胶体状态时具有控 制滤失的效果。油基钻井液通过使用乳化剂来形成油 包水乳化液、体系中细小且稳定的水滴像可变形的固 相，产生低渗透率泥饼，控制滤失量。
2019/9/12
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瞬时滤失特点： 时间短（t < 2秒) 、井底岩石表面尚无泥
饼，滤失速率很高，亦称初滤失。主要是向井 底失水。
时间短而量大，伴有少量泥浆渗失。存在 于整个钻井过程中。
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温度和压力差对钻井液滤失量有很大影响。可分低 温低压滤失量(或称为API滤失量)和高温高压滤失量。
滤失量的评价，国内外通常采用API滤失量，在规定 的压力差下以通过一定的渗滤断面(通常用滤纸作为渗 滤介质）30min内的滤失量来衡量，单位为m1／30min。
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（7）泥饼的压实性和渗透性 滤失量测定的结果往往是泥饼厚滤失量大，泥饼
薄滤失量小，这主要是因为厚泥饼的渗透性大，薄泥 饼的渗透性小。泥饼的渗透性是决定因素。泥饼的渗 透性取决于泥饼中固相的种类，固相颗粒的大小、形 状和级配，处理剂的种类和含量，以及过滤压差等。
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响泥饼的渗透率。
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胶体种类、数量及颗粒尺寸影响泥饼渗透率。例 如在淡水里膨润土悬浮液的泥饼有极低的渗透率。因 为粘土是扁平小片、薄膜状特点，使这粘土能在流动 的垂直方向将孔隙封死。
在钻井液加入沥青，当沥青是胶体状态时具有控 制滤失的效果。油基钻井液通过使用乳化剂来形成油 包水乳化液、体系中细小且稳定的水滴像可变形的固 相，产生低渗透率泥饼，控制滤失量。
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第四章 钻井液的滤失和润滑性能
V30 2 V7.5 Vsp Vsp 2V7.5 Vsp
b、滤失压差
Vf
A
2Kp
f sc f sm
1
t
从公式可以推出，钻井液的滤失量与滤失压差的平 方根成正比，即如果泥饼不可压缩，压差增大，滤失 量增加。但是泥饼具有压缩性，渗透率降低，所以滤 失压差对钻井液滤失量的影响是一分为二的，具体哪 个因素对钻井液的滤失量影响更大一些，要看具体情 况，主要是钻井液性质、泥饼的可压缩性。
减小泥饼固相含量的方法，一是采用优质膨润土配浆，优质膨润土 分散性好、固相颗粒细、水化好、水化膜厚，所以形成的泥饼固相含量 分数低。二是加入有机高分子处理剂，可以吸附在粘土颗粒表面，有效 降低泥饼固相含量。
e. 泥饼压实性与渗透性对滤失量的影响
对于钻井液，往往泥饼是泥饼越厚钻井液的滤失量越 大，泥饼越薄滤失量越小。主要原因是泥饼的渗透性存在 差别。一般情况下（以API失水为例），泥饼越薄说明泥 饼的压实程度比较大，比较致密，渗透性差，所以滤失量 小。
泥饼的渗透性还受粘土颗粒直径、处理剂种类、性能 等因素有关。粘土颗粒细泥饼的孔隙小且少，泥饼比较致 密，降滤失剂的存在也会通过不同的方式影响滤失量，化 学吸附、物理封堵等等，使渗透率降低。
f、地层渗透率对钻井液滤失量的影响 在泥饼尚未形成之前，地层是泥浆滤失的第一渗透介 质，所以地层渗透性大小决定了钻井液瞬时滤失量的大 小。泥饼形成之后，才逐渐对滤失起主要作用，地层成 为第二滤失介质。室内试验也是一样，你得首先给它一 个渗滤介质（滤纸），它的渗透率比较小，允许液相和 部分小颗粒通过，而留下大的颗粒，才能逐渐形成泥饼。
g. 絮凝与聚结对泥饼渗透率的影响 钻井液的絮凝使得颗粒之间形成网架结构，钻井液 中自由水增加，渗透率会有所增加，如前所讲受钙污染 钻井液产生絮凝，粘度增加但失水增加。网架结构的存 在，使其对滤失压差具有一定的抵抗力，絮凝程度越高， 颗粒间的引力越大，其结构越强，对压差的抵抗能力越 强，越不容易形成致密泥饼，泥饼的渗透率就愈大。如 果钻井液不但絮凝而且伴随着聚结则泥饼的渗透率就会 进一步增大。
b、滤失压差
Vf
A
2Kp
f sc f sm
1
t
从公式可以推出，钻井液的滤失量与滤失压差的平 方根成正比，即如果泥饼不可压缩，压差增大，滤失 量增加。但是泥饼具有压缩性，渗透率降低，所以滤 失压差对钻井液滤失量的影响是一分为二的，具体哪 个因素对钻井液的滤失量影响更大一些，要看具体情 况，主要是钻井液性质、泥饼的可压缩性。
减小泥饼固相含量的方法，一是采用优质膨润土配浆，优质膨润土 分散性好、固相颗粒细、水化好、水化膜厚，所以形成的泥饼固相含量 分数低。二是加入有机高分子处理剂，可以吸附在粘土颗粒表面，有效 降低泥饼固相含量。
e. 泥饼压实性与渗透性对滤失量的影响
对于钻井液，往往泥饼是泥饼越厚钻井液的滤失量越 大，泥饼越薄滤失量越小。主要原因是泥饼的渗透性存在 差别。一般情况下（以API失水为例），泥饼越薄说明泥 饼的压实程度比较大，比较致密，渗透性差，所以滤失量 小。
泥饼的渗透性还受粘土颗粒直径、处理剂种类、性能 等因素有关。粘土颗粒细泥饼的孔隙小且少，泥饼比较致 密，降滤失剂的存在也会通过不同的方式影响滤失量，化 学吸附、物理封堵等等，使渗透率降低。
f、地层渗透率对钻井液滤失量的影响 在泥饼尚未形成之前，地层是泥浆滤失的第一渗透介 质，所以地层渗透性大小决定了钻井液瞬时滤失量的大 小。泥饼形成之后，才逐渐对滤失起主要作用，地层成 为第二滤失介质。室内试验也是一样，你得首先给它一 个渗滤介质（滤纸），它的渗透率比较小，允许液相和 部分小颗粒通过，而留下大的颗粒，才能逐渐形成泥饼。
g. 絮凝与聚结对泥饼渗透率的影响 钻井液的絮凝使得颗粒之间形成网架结构，钻井液 中自由水增加，渗透率会有所增加，如前所讲受钙污染 钻井液产生絮凝，粘度增加但失水增加。网架结构的存 在，使其对滤失压差具有一定的抵抗力，絮凝程度越高， 颗粒间的引力越大，其结构越强，对压差的抵抗能力越 强，越不容易形成致密泥饼，泥饼的渗透率就愈大。如 果钻井液不但絮凝而且伴随着聚结则泥饼的渗透率就会 进一步增大。
第四章 钻井液滤失造壁
（二）静滤失影响因素
1、滤失时间t (1) Vsp=0
Vf C
t
V 30 V 7.5
（2）Vsp ≠ 0
30 V 30 2V 7.5 7.5
Vf Vsp C t V 30 2V 7.5 Vsp
2、压差ΔP
Vf C
ΔP Vf
P
Vf
泥饼越致密K
3、泥饼渗透率K
热稳定性好、耐160℃ 抗盐能力强
加量小
第四节 钻井液润滑性及其调整
一、前言
钻井液的润滑性能通常包括泥饼的润滑性能和钻井液这种流体自身 的润滑性两方面。 主要技术指标：钻井液和泥饼的摩阻系数。
钻井液的润滑性对钻井工作影响很大。特别是钻超深井、大斜度井、
水平井和丛式井时，钻柱的旋转阻力和提拉阻力会大幅度提高。由于影 响钻井扭矩和阻力以及钻具磨损的主要可调节因素是钻井液的润滑性能， 因此钻井液的润滑性能对减少卡钻等井下复杂情况，保证安全、快速钻 进起着至关重要的作用。
71型高温高压失水仪，可以做180℃以上钻井液滤失量，压力也可以更高
一点。当温度高于204℃时，滤纸容易发生焦糊，一般采用金属过滤介质或与 之相当的多孔过滤介质盘。
二、 瞬时滤失Vsp
（一） 瞬时滤失的影响因素
（1）压差ΔP （2） 滤液粘度 Vsp Vsp
（3）泥饼形成速度
（4）岩层的渗透性
Vsp
（ 1）边界摩擦：两接触面间有一层极薄的润滑膜，摩擦和磨损不取 决润滑剂的粘度，而是与两表面和润滑剂的特性有关，如润滑膜的厚度和 强度、粗糙表面的相互作用以及液体中固相颗粒间的相互作用。有钻井液
的情况下，钻铤在井眼中的运动等属边界摩擦。
（ 2）干摩擦（无润滑摩擦）：又称为障碍摩擦，如空气钻井中钻具 与岩石的摩 擦，或井壁极不规则情况下，钻具直接与部分井壁岩石接触时
04-钻井液的滤失及其他性能
A = the area of the filter cake, cm2;
P = differential pressure in atmospheres, (105Pa);
viscosity of the filtrate in centipoises
t = time seconds
Vf=Filtration Volume
（损害） to, potentially productive horizons（生产 层）.
泥浆的失水造壁性
在井中液体压力差的作用下，泥浆中的自由水通过井壁孔隙或裂 隙向地层中渗透，称为泥浆的失水。失水的同时，泥浆中的固相 颗粒附着在井壁上形成泥皮（泥饼），称为造壁。
➢ 水，作为水基钻井液的分散介质，在钻井液中以三种形态存 在，即化学结合水、吸附水和自由水。
钻井液中膨润土分散状态图
Dispersion：分散 Flocculation：絮凝 Aggregation：聚结
11. The Bridging
1. An external filter cake（外泥饼）Process
on the walls of the borehole.
2. An internal filter cake（内泥饼）,
Mud solids are filtered out onto the walls of the hole, forming a cake of relatively low permeability（渗透
率）, through which only filtrate（滤液） can pass.
the formation.
Fig.4-6 Invasion of a permeable formation by mud solids.
P = differential pressure in atmospheres, (105Pa);
viscosity of the filtrate in centipoises
t = time seconds
Vf=Filtration Volume
（损害） to, potentially productive horizons（生产 层）.
泥浆的失水造壁性
在井中液体压力差的作用下，泥浆中的自由水通过井壁孔隙或裂 隙向地层中渗透，称为泥浆的失水。失水的同时，泥浆中的固相 颗粒附着在井壁上形成泥皮（泥饼），称为造壁。
➢ 水，作为水基钻井液的分散介质，在钻井液中以三种形态存 在，即化学结合水、吸附水和自由水。
钻井液中膨润土分散状态图
Dispersion：分散 Flocculation：絮凝 Aggregation：聚结
11. The Bridging
1. An external filter cake（外泥饼）Process
on the walls of the borehole.
2. An internal filter cake（内泥饼）,
Mud solids are filtered out onto the walls of the hole, forming a cake of relatively low permeability（渗透
率）, through which only filtrate（滤液） can pass.
the formation.
Fig.4-6 Invasion of a permeable formation by mud solids.
第四章钻井液的滤失和润滑性能
素：絮凝钻井液与分散钻井液的泥饼渗透率相 差二个数量级。
四、滤失影响因素—泥饼
· 一般控制滤失量的方法是控制滤饼的渗透性。 固相颗粒的大小、形状和压差下的变形能力都是控
制渗透性的重要因素。 小颗粒形成滤饼的渗透性比大颗粒形成滤饼的渗透
性低。因此小于1微米的小颗粒作为滤失量的控制剂最 好。薄而扁平的颗粒比球形式不规则的颗粒更有效。因
三、滤失方程-瞬时滤失方程
·瞬时滤失时间很短，其滤失量占总滤失量的比例不大。
·因其时间短到测定时很难与静滤失分开，故其滤失没有相 应方程。 ·瞬时滤失因素除与静滤失相似外，重要一点就是钻井液在
地层孔隙入口处能否迅速形成“桥点”。 ·瞬时滤失量的确定遵循
Vf = Vf 0 + b t1/2
通过Vf - t1/2 关系图来确定Vf0，可以分别读取1.0和7.5 对应的滤失量，从而可以确定。
一、基本概念
·钻井液中水的三种存在形态： 化学结合水 吸附水 自由水
一、基本概念
·钻井液中水的三种存在形态： 化学结合水 吸附水 自由水
一、基本概念
·滤失作用： 在压力差作用下，钻井液中的自由水向井壁岩石的
裂隙或孔隙中渗透的现象。
·滤失性强弱表示方法：
滤失量或失水量
·滤失的两个前提条件： 压力差 裂隙或孔隙
泥饼厚度维持在较薄水平
滤失量初期较大，维持在一固定值。
一、基本概念
·静滤失：
在停止循环情况下，液流无冲刷，随着滤失的进行， 泥饼逐渐增厚，单位时间滤失逐渐减小至一固定值，
这段时间的滤失称为静滤失。
·静滤失特点： 压差小：（静液柱压力 - 地层压力）
泥饼较厚 滤失量相对动滤失小。
特点：
钻井液的滤失与造壁性和润滑性
钻井液的滤失与造壁性和润滑
中原钻井三公司 刘俊章
长期以来，人们以把控制钻井液的滤失量 视为良好作业的一部分。过高的扭矩和摩 阻，压差卡钻以及产层伤害。 控制钻井液的滤失性能不仅指的是控制单 位面积在单位时间的滤失量，还包括形成 滤饼的质量。人们对滤失速率注意较多， 而对滤饼质量却注意较少。定义ຫໍສະໝຸດ 6、控制滤失量的办法
通过离子交换、调节PH值、水分散、絮凝、 沉淀、络合、溶胶等都能控制钻井液的滤 失量。
美国过滤协会（American Filetion Soiety） 承认电驱动螺旋浆动滤失仪，这种装置 （见下图）主要装配了电驱动轴和螺旋浆 的滤失槽组成式，以提供对滤饼的动态冲 蚀。
二、影响滤饼质量的因素
颗粒尺寸的分布； 滤饼的可压缩性； 润滑性能； 絮凝状态； 滤饼厚度。
⑴颗粒尺寸的分布
在静态条件下，假定在滤失期间不发生固相沉淀，则钻 井液的颗粒尺寸分布反应了滤饼颗粒尺寸的分布。然而， 在动态条件下，当滤饼形成时，总是选择特定尺寸的颗 粒来充填某些尺寸的微裂缝、孔隙、空隙及孔道。如果 沉积的颗粒不合适，那么，很快被扫除掉，而等待另一 尺寸合适的颗粒。这种多少类似在方孔中镶入方桩和圆 孔中镶入圆桩。一旦颗粒紧紧的镶入到合适的微裂缝， 就很难将它们驱除掉。通过这一选择过程，动态滤饼有 导致最大颗粒充填结构的倾向。这就是使滤饼的渗透率 和孔隙度低于静态下所形成滤饼的值。
5、分散作用对滤饼的影响
适当地分散钻井液中的粘土颗粒对控制滤失量 也很重要。颗粒密集并有良好的滤失性能，絮凝 钻井液可以清楚的表明为什么滤失量增大，因为 液体很容易从聚结体之间流过，所以滤失量增大， 再适当的分散就会使滤失量降低。加入化学分散 剂，除分散固相外，还可以形成坚韧的滤饼，从 而有利于降低滤失量。在某些情况下，将水加入 到钻井液体系中滤失率可以降低，因为加水后产 生较好的分散性，从而降低滤失量。
中原钻井三公司 刘俊章
长期以来，人们以把控制钻井液的滤失量 视为良好作业的一部分。过高的扭矩和摩 阻，压差卡钻以及产层伤害。 控制钻井液的滤失性能不仅指的是控制单 位面积在单位时间的滤失量，还包括形成 滤饼的质量。人们对滤失速率注意较多， 而对滤饼质量却注意较少。定义ຫໍສະໝຸດ 6、控制滤失量的办法
通过离子交换、调节PH值、水分散、絮凝、 沉淀、络合、溶胶等都能控制钻井液的滤 失量。
美国过滤协会（American Filetion Soiety） 承认电驱动螺旋浆动滤失仪，这种装置 （见下图）主要装配了电驱动轴和螺旋浆 的滤失槽组成式，以提供对滤饼的动态冲 蚀。
二、影响滤饼质量的因素
颗粒尺寸的分布； 滤饼的可压缩性； 润滑性能； 絮凝状态； 滤饼厚度。
⑴颗粒尺寸的分布
在静态条件下，假定在滤失期间不发生固相沉淀，则钻 井液的颗粒尺寸分布反应了滤饼颗粒尺寸的分布。然而， 在动态条件下，当滤饼形成时，总是选择特定尺寸的颗 粒来充填某些尺寸的微裂缝、孔隙、空隙及孔道。如果 沉积的颗粒不合适，那么，很快被扫除掉，而等待另一 尺寸合适的颗粒。这种多少类似在方孔中镶入方桩和圆 孔中镶入圆桩。一旦颗粒紧紧的镶入到合适的微裂缝， 就很难将它们驱除掉。通过这一选择过程，动态滤饼有 导致最大颗粒充填结构的倾向。这就是使滤饼的渗透率 和孔隙度低于静态下所形成滤饼的值。
5、分散作用对滤饼的影响
适当地分散钻井液中的粘土颗粒对控制滤失量 也很重要。颗粒密集并有良好的滤失性能，絮凝 钻井液可以清楚的表明为什么滤失量增大，因为 液体很容易从聚结体之间流过，所以滤失量增大， 再适当的分散就会使滤失量降低。加入化学分散 剂，除分散固相外，还可以形成坚韧的滤饼，从 而有利于降低滤失量。在某些情况下，将水加入 到钻井液体系中滤失率可以降低，因为加水后产 生较好的分散性，从而降低滤失量。
钻井液的滤失和润滑性—钻井液的滤失与造壁性
知识点2：影响钻井液滤失量的因素
低压差不同钻井液滤失 量相近，高压差相差较大； 在深井和对滤失量要求严格 井段钻进前需进行高压差滤 失实验，来选择配浆黏土和 处理剂。
知识点2：影响钻井液滤失量的因素
滤液粘度越小，钻井液 滤失量越大。有机处理剂入 CMC、PHP加入量越大， 滤液粘度越大。可提高滤液 粘度来降低滤失量。油基钻 井液滤失液粘度随压力增加 而增加，滤失量随压力增加 而减小。
V30 2(V7.5 Vsp ) Vsp
若7.5min滤失量小于8mL，2V7.5 与V30相差较大，对 于滤失量小的钻井液，滤失时间应取30min。
知识点2：影响钻井液滤失量的因素
（2）压差和滤液粘度对滤失量的影响 假设条件下滤失量Vf与渗透压差ΔP的平方根成正
比，实际钻井液组成不同，滤失形成的泥饼压缩性也不 同。不同造浆土、不同处理剂，滤失量随压差变化规律 如下图：
知识点2：影响钻井液滤失量的因素
（5）孔隙度和渗透性对滤失量的影响
岩层的孔隙和裂缝是钻井液滤失的天然通道，不同井位、 层位和岩层，钻井液滤失量不同，泥饼厚度也不同。
知识点2：影响钻井液滤失量的因素
渗透性大的砂岩、砾岩、裂 缝发育的石灰岩井壁形成较厚泥 饼；渗透性小的页岩、泥岩、石 灰岩和其他致密岩石井壁上形成 的泥饼较薄，甚至不形成泥饼。
知识点1：钻井液的滤失过程
2、动滤失
瞬时滤失后，泥饼不断增厚，循环的钻井液对新出现的 泥饼产生冲刷作用，泥饼增厚速度与泥饼被冲刷速度相等时， 厚度不再变化，达到动态平衡，此为动滤失。
特点：压差较大（静液柱压力与环空压力降之和与地层 压力之差），泥饼较薄，滤失速率逐渐减小稳定在某数值。
知识点1：钻井液的滤失过程
钻井液的滤失和润滑性—钻井液的润滑性能
知识点1：钻井液润滑性及影响因素
➢钻井液固相 随着钻井液固相含量增加，密度、粘度、切力相应增大，钻
井液的润滑性能变差。这时其润滑性能取决于固相的类型及含量。 随着钻井液固相含量增加，除使泥饼粘附性增大外，还会使
泥饼增厚，易产生压差粘附卡钻。
知识点1：钻井液润滑性及影响因素
钻井液在一定时间内通过不断剪切循环，其固相颗粒尺 寸随剪切时间增加而减小，其结果是双重性的：钻井液滤失 有所减小，从而钻柱摩阻力也有所降低；颗粒分散得更细微， 使比表面积增大，从而造成摩阻力增大。可见，严格控制钻 井液粘土含量，搞好固相控制和净化，尽量用低固相钻井液， 是改善和提高钻井液润滑性能的最重要的措施之一。
知识点2：钻井液润滑性的调整
通常用于测定钻井液润滑性的仪器有滑板式泥饼摩阻系 数测定仪、钻井液极压润滑仪、泥饼针入度仪、LEM润滑性 评价及钻头泥包测定分析系统等。
项目四：钻井液的滤失和润滑性
任务二：
钻井液的润滑性能
课程名称：泥浆材料检测与应用
知识点 01 钻井液的润滑性能及其影响因素 知识点 02 钻井液润滑性的调整
项目四：钻井液的滤失和润滑性
任务 02 钻井液的润滑性能
知识点 1 钻井液润滑性及影响因素
知识点1：钻井液润滑性及影响因素
钻井液的润滑性能一般包括钻井液形成的滤饼的润滑性 能和钻井液流体自身的润滑性能。钻井液和泥饼的摩阻系数， 是评价钻井液润滑性能的两个主要技术指标。
知识点1：钻井液润滑性及影响因素
知识点2：钻井液润滑性的调整
固体润滑剂能够在接触面之间产生物理分离，其作用是 在摩擦表面上形成一种隔离润滑薄膜，多数固体类润滑剂类 似于细小滚珠，可以存在于钻柱与井壁之间，将滑动摩擦转 化为滚动摩擦，从而大幅度降低扭矩和阻力。固体类润滑剂 的热稳定性、化学稳定性和防腐蚀能力均良好，适合高温、 低转速的条件下使用，但不适合在高转速条件下使用。
@钻井液性能解析
• 幂律流体
– n=0.4-0.7
34
钻井液流变性与钻井的关系
• 钻井液的流变性与井眼净化的关系
– 实现平板型层流的方法
• 加适量的电解质，提高0
• 加入大分子量的聚合物，提高0、塑
• 强化泥浆固相控制措施，以降低塑
d0
0 /塑 (D d)2 24v 3 0 /塑 (D d)
35
钻井液流变性与钻井的关系
当量循环密度和环空密度 当量循环密度：考虑了由于泥浆流动而增加的附加压耗 环空密度：在当量循环密度基础上考虑了由于井筒内岩
屑产生的附加压耗
4
密度和压力平衡
• 钻井液密度的作用
– 平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地 层流体的污染；
– 平衡地层压力，保持井壁稳定，防止井塌； – 实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机
– 流体静止状态下的静切力悬浮
• 悬浮球形岩屑或加重材料所需要的静切力为：
s (Pa) 5ds (s m ) / 3
• ρs——岩石密度,g/cm3; • ρm——钻井液密度,g/cm3; • ds——球形岩屑颗粒直径，mm
– 如岩• 果屑V—岩的—屑当岩颗量屑粒直体不径积,呈予cm球以3. 形修，正可：根据d体p积相3 等6V的关系计算
– 钻井液的切力是指静切力，其胶体化学的实质是凝胶强 度，凝胶强度取决于单位体积中结构链环的数目和单个
链环的强度。
– 钻井液的动切力：反映层流流动时，粘土颗粒之间及高 聚物分子之间的相互作用力（形成空间网架结构的能
力）。
• 触变性(thixotropy)
– 定义:搅拌后泥浆变稀（切力降低），静置后变性
• 流变参数的调整
– 降低PV：通过合理使用固控设备、加水稀释 或化学絮凝等方法，尽量减小固相含量。
– n=0.4-0.7
34
钻井液流变性与钻井的关系
• 钻井液的流变性与井眼净化的关系
– 实现平板型层流的方法
• 加适量的电解质，提高0
• 加入大分子量的聚合物，提高0、塑
• 强化泥浆固相控制措施，以降低塑
d0
0 /塑 (D d)2 24v 3 0 /塑 (D d)
35
钻井液流变性与钻井的关系
当量循环密度和环空密度 当量循环密度：考虑了由于泥浆流动而增加的附加压耗 环空密度：在当量循环密度基础上考虑了由于井筒内岩
屑产生的附加压耗
4
密度和压力平衡
• 钻井液密度的作用
– 平衡地层压力，防止井喷、井漏和钻井液受地 层流体的污染；
– 平衡地层压力，保持井壁稳定，防止井塌； – 实现近平衡钻井技术，减少压持效应，提高机
– 流体静止状态下的静切力悬浮
• 悬浮球形岩屑或加重材料所需要的静切力为：
s (Pa) 5ds (s m ) / 3
• ρs——岩石密度,g/cm3; • ρm——钻井液密度,g/cm3; • ds——球形岩屑颗粒直径，mm
– 如岩• 果屑V—岩的—屑当岩颗量屑粒直体不径积,呈予cm球以3. 形修，正可：根据d体p积相3 等6V的关系计算
– 钻井液的切力是指静切力，其胶体化学的实质是凝胶强 度，凝胶强度取决于单位体积中结构链环的数目和单个
链环的强度。
– 钻井液的动切力：反映层流流动时，粘土颗粒之间及高 聚物分子之间的相互作用力（形成空间网架结构的能
力）。
• 触变性(thixotropy)
– 定义:搅拌后泥浆变稀（切力降低），静置后变性
• 流变参数的调整
– 降低PV：通过合理使用固控设备、加水稀释 或化学絮凝等方法，尽量减小固相含量。
钻井液的滤失与造壁性和润滑性
在钻井液中必须有大、中、小各种颗粒，并有合 理的分布。钻井液中必须含有比被钻地层最大孔 隙小的和直到相当于地层最大孔隙尺寸三分之一 的桥堵颗粒。这样有利于尽快桥堵刚钻开地层的 大孔隙，减少瞬时滤失量。另外，钻井液必须含 有尺寸由大到小、直至小到相当于溶胶颗粒的一 系列颗粒。这样在钻井过程中，由大到小的颗粒 相继桥堵由大到小的孔隙，如此循序渐进，孔隙 越堵越小，滤饼越来越致密，其渗透性越来越小。 钻井液中的固相颗粒大小分布越合适，形成致密 滤饼的时间就越短，滤饼渗透性越低。
2、钻井液的滤失及滤饼的形成
在钻井过程中钻井液的滤液损失是必然的，通 过滤失可形成滤饼保护井壁。但是钻井液滤失量 过大，易引起泥岩、页岩膨胀和坍塌，造成井壁 不稳定。此外，滤失量增大的同时滤饼增厚，其 危害是使井径缩小，给旋转的钻具造成较大的扭 矩，起下钻时引起抽吸和压力波动，易造成压差 卡钻。因此，适当地控制滤失量是钻井液的重要 性能之一。
由静滤失方程可知，单位面积上滤失量的 大小与滤饼的渗透率、滤饼两侧的压差、 渗滤时间、滤液粘度以及钻井液中固相的 类型和数量等因素有关。其中渗滤时间和 压差是与滤饼本身性质无关的操作条件因 素。提高滤液粘度虽可降低滤失量，但这 与钻井液流变性要求是矛盾的。因此，可 以说调整钻井液滤失量大小的主要途径是 调整滤液的渗透率。
这一使钻井液中的颗粒在井壁和地层中形 成以下三种分布。
①井壁上的外滤饼；
②进入地层的颗粒形成的内滤饼；
③钻井液瞬时滤失时形成的初损侵入带， 这些颗粒经过运移将阻塞地层孔隙伤害产 层。
因此，要形成低渗透率、滤失量小的滤饼， 在钻井液配制时必须具备两个条件：
（a）合理的多级分散的颗粒分布：
⑵滤饼形成过程
在现场是利用滤失量测定仪来测定滤失量的。测定中， 在浆杯中的钻井液经过滤纸而流出。在滤饼形成前滤液 流出的速度较快，1～2秒钟后，滤液流出的速度渐渐变 慢，经过一定趋于匀速。滤饼形成前经过滤纸的滤失称 为瞬时滤失（也称初损），此间的滤失量称为瞬时滤失 量。在钻经渗透性的地层时也存在这一过程。为减少瞬 时滤失量，钻井液中需要含有适当大的固相颗粒来桥堵 岩石孔隙，当这些较大的颗粒在岩石孔隙喉处形成桥堵 后，较小的颗粒再堵塞在较大颗粒之间所形成的孔隙中， 一直进行下去，直至小的溶胶颗粒将滤饼的小孔隙堵死， 这时只有水分才能渗入地层。
2、钻井液的滤失及滤饼的形成
在钻井过程中钻井液的滤液损失是必然的，通 过滤失可形成滤饼保护井壁。但是钻井液滤失量 过大，易引起泥岩、页岩膨胀和坍塌，造成井壁 不稳定。此外，滤失量增大的同时滤饼增厚，其 危害是使井径缩小，给旋转的钻具造成较大的扭 矩，起下钻时引起抽吸和压力波动，易造成压差 卡钻。因此，适当地控制滤失量是钻井液的重要 性能之一。
由静滤失方程可知，单位面积上滤失量的 大小与滤饼的渗透率、滤饼两侧的压差、 渗滤时间、滤液粘度以及钻井液中固相的 类型和数量等因素有关。其中渗滤时间和 压差是与滤饼本身性质无关的操作条件因 素。提高滤液粘度虽可降低滤失量，但这 与钻井液流变性要求是矛盾的。因此，可 以说调整钻井液滤失量大小的主要途径是 调整滤液的渗透率。
这一使钻井液中的颗粒在井壁和地层中形 成以下三种分布。
①井壁上的外滤饼；
②进入地层的颗粒形成的内滤饼；
③钻井液瞬时滤失时形成的初损侵入带， 这些颗粒经过运移将阻塞地层孔隙伤害产 层。
因此，要形成低渗透率、滤失量小的滤饼， 在钻井液配制时必须具备两个条件：
（a）合理的多级分散的颗粒分布：
⑵滤饼形成过程
在现场是利用滤失量测定仪来测定滤失量的。测定中， 在浆杯中的钻井液经过滤纸而流出。在滤饼形成前滤液 流出的速度较快，1～2秒钟后，滤液流出的速度渐渐变 慢，经过一定趋于匀速。滤饼形成前经过滤纸的滤失称 为瞬时滤失（也称初损），此间的滤失量称为瞬时滤失 量。在钻经渗透性的地层时也存在这一过程。为减少瞬 时滤失量，钻井液中需要含有适当大的固相颗粒来桥堵 岩石孔隙，当这些较大的颗粒在岩石孔隙喉处形成桥堵 后，较小的颗粒再堵塞在较大颗粒之间所形成的孔隙中， 一直进行下去，直至小的溶胶颗粒将滤饼的小孔隙堵死， 这时只有水分才能渗入地层。
钻井液滤失造壁性及润滑性
1
57
动失水 Dynamic Filtration
—— 钻井液循环时的失水量。
特点：泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡。
失水速率大、失水量大。 向井壁失水
失水速度由大到小逐渐恒定（高渗透率 低 渗透率 = C）
存在于整个循环过程中，时间长，累积失水 量大。
1
68
静失水 Static Filtration
Vf A Ct t
2kP( C c 1)
C
Cm
在直角坐标上任取两点，可以得到：
Vf2 V f1 Vf2
t2 t1
t2 t1
V f1
该式实际上表明了任意时刻失水量之间的关系
如果：t1 =7.5分钟；t2 =30分钟；则： Vf30’ = 2Vf7.5’
1
14
实际计算应注意考虑瞬时失水
理论上： LgVf = 1/2 LgP +1/2 LgC
即：
Vf P1/2 条件：k = 常数。
实际上： Vf Px 原因：k ≠ 常数。
指数 x 的实质：
反映压力对泥饼可压缩性，x 越小，泥饼可压缩性越好，k 越小。
x 是直线斜率，一般小于0.5。
LgV
x 与固相粒子形状和大小有关。
Larsen 方程：Vf’= Vsp + C t1/2
得到：
Vf
’ 30
-
Vsp
=
c(30)1/2
Vf 7.5’- Vsp = c(7.5)1/2
联立解之，得到：
Vf 30’= 2 Vf 7.5’- Vsp
Vf
VsP t1/2
Vf 与t的关系
1
115 6
钻井液的滤失与造壁性
6
钻井液的滤失与造壁性
2、动滤失的影响因素： KAPt 动滤失方程： Vf .hmc 由动滤失方程可以看出 ⑴动滤失量与泥饼厚度成反比，而泥饼的厚度与 钻井液流态有关。 紊流时对泥饼冲蚀作用强，形成的泥饼较薄，平板 型层流次之，尖峰型层流形成的泥饼最厚。 ⑵与泥饼的渗透率成正比，而泥饼的渗透率与处 理剂种类和加量有关。
10
钻井液的滤失与造壁性
㈡泥饼质量不好的危害： ⒈泥饼厚而松散，摩擦系数高，使钻具与井壁接触 面积增大，泥饼粘附卡钻风险大。 ⒉易泥包钻头或堵死钻头水眼。 ⒊泥饼厚度大使井径缩小，易引起起下钻遇阻遇卡， 起钻时上提力增加。 ⒋妨碍套管下入，影响固井水泥浆与井壁间的胶结。 ⒌电测易遇阻遇卡，影响井壁取样。
7
钻井液的滤失与造壁性
图4-9是几种处理剂对动静滤失的影响。 曲线4、5说明木质素磺酸盐复合物和栲胶这两种 处理剂能很好降低动滤失量，但不能很好降低静滤 失量。 曲线1、2说明聚丙烯酸脂和CMC能较好的降低钻 井液静滤失量但对动滤失量却改变不大。 曲线3说明淀粉能使钻井液的 动静滤失量都得到有效控制
一、钻井液润滑性的主要影响因素 1、钻井液密度、固相含量增大，其粘度切力也会 相应增大钻井液 润滑性变差。特别是砂岩和加重 材料的含量增大时更为明显。固相含量增大会使泥 饼增厚，泥饼的黏附性增大。 2、有机处理剂和润滑剂可提高泥饼的润滑性许多 有机处理剂具有良好的降滤失、改善泥饼质量的作 用，比如磺化沥青、聚阴离子纤维素、磺化酚醛树 脂都会降低泥饼的渗透率，使形成的泥饼不仅薄而 致密，而且表面光滑。润滑剂对提高钻井液的润滑 性效果是明显的，通常加入千分之几的润滑剂就能 明显改变钻井液的润滑性。
11Biblioteka 井液的滤失与造壁性五、钻井液滤失性控制原则： 井浅放宽，井深从严； 裸眼时间短放宽，裸眼时间长从严； 使用不分散处理剂时放宽，使用分散处理剂时从严； 钻井液矿化度高时放宽，矿化度低时从严。 具体要求： 钻一般地层，API滤失量≤10ml， HTHP滤失量≤20ml； 钻易塌地层，API滤失量≤5ml 钻储层，API滤失量＜5ml，HTHP滤失量＜15ml
钻井液的滤失与造壁性
2、动滤失的影响因素： KAPt 动滤失方程： Vf .hmc 由动滤失方程可以看出 ⑴动滤失量与泥饼厚度成反比，而泥饼的厚度与 钻井液流态有关。 紊流时对泥饼冲蚀作用强，形成的泥饼较薄，平板 型层流次之，尖峰型层流形成的泥饼最厚。 ⑵与泥饼的渗透率成正比，而泥饼的渗透率与处 理剂种类和加量有关。
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钻井液的滤失与造壁性
㈡泥饼质量不好的危害： ⒈泥饼厚而松散，摩擦系数高，使钻具与井壁接触 面积增大，泥饼粘附卡钻风险大。 ⒉易泥包钻头或堵死钻头水眼。 ⒊泥饼厚度大使井径缩小，易引起起下钻遇阻遇卡， 起钻时上提力增加。 ⒋妨碍套管下入，影响固井水泥浆与井壁间的胶结。 ⒌电测易遇阻遇卡，影响井壁取样。
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钻井液的滤失与造壁性
图4-9是几种处理剂对动静滤失的影响。 曲线4、5说明木质素磺酸盐复合物和栲胶这两种 处理剂能很好降低动滤失量，但不能很好降低静滤 失量。 曲线1、2说明聚丙烯酸脂和CMC能较好的降低钻 井液静滤失量但对动滤失量却改变不大。 曲线3说明淀粉能使钻井液的 动静滤失量都得到有效控制
一、钻井液润滑性的主要影响因素 1、钻井液密度、固相含量增大，其粘度切力也会 相应增大钻井液 润滑性变差。特别是砂岩和加重 材料的含量增大时更为明显。固相含量增大会使泥 饼增厚，泥饼的黏附性增大。 2、有机处理剂和润滑剂可提高泥饼的润滑性许多 有机处理剂具有良好的降滤失、改善泥饼质量的作 用，比如磺化沥青、聚阴离子纤维素、磺化酚醛树 脂都会降低泥饼的渗透率，使形成的泥饼不仅薄而 致密，而且表面光滑。润滑剂对提高钻井液的润滑 性效果是明显的，通常加入千分之几的润滑剂就能 明显改变钻井液的润滑性。
11Biblioteka 井液的滤失与造壁性五、钻井液滤失性控制原则： 井浅放宽，井深从严； 裸眼时间短放宽，裸眼时间长从严； 使用不分散处理剂时放宽，使用分散处理剂时从严； 钻井液矿化度高时放宽，矿化度低时从严。 具体要求： 钻一般地层，API滤失量≤10ml， HTHP滤失量≤20ml； 钻易塌地层，API滤失量≤5ml 钻储层，API滤失量＜5ml，HTHP滤失量＜15ml
钻井液性能及其测试
烧碱（即工业用NaOH）是调节钻井液pH值
的主要添加剂，有时也使用纯碱和石灰。
在常温下，它们的水溶液具有如下的pH值：
10% NaOH 溶液，pH＝12.9； 10% Na2CO3 溶液，pH＝11.1； 饱和Ca(OH)2溶液，pH＝12.1。
通常使用pH试纸测量钻井液的pH值，如要
二、钻井液流变性
钻井液的流变性是指钻井液流动和变形的特性。
该特性通常是由不同的流变模式及其参数来表示的，最
常用的流变模式为宾汉和幂律模式。其中宾汉模式的参 数为塑性粘度和动切力；幂律模式的参数为流性指数和 稠度系数。此外，漏斗粘度表观粘度和静切力等也是钻 井液的重要流变参数
由于钻井液的流变性与携岩、井壁稳定、提高机械钻速
钻井液性能及其测试
崔克敏
同学们好： 钻井液是钻井过程中在钻具管内和钻具与 井壁的环形空间中流动的一种工作液。有钻井 的血液之称。最初常用粘土和水配制而成，故 又称“泥浆”。钻井液常规性能包括：密度、 流变性（漏斗粘度、表观粘度、塑性粘度、动 切力、静切力等）、滤失造壁性（滤失量、滤 饼厚度、滤饼性能等）、pH值、含砂量等。 在钻井生产中，掌握好钻井液的常规性能，对 钻井生产起着至关重要的作用，作为一名钻工 不但要了解每口井的钻井液性能要求，还要学 会正确地测量钻井液性能，这节课的重点讲解 如何测量钻井液的性能，采用的是现场操作和 动画、文字演示的方法，其主要内容如下：
苏式漏斗粘度计
该粘度计由漏斗和量
筒组成。构造如图。 量筒由隔板分成两部 分，大头为500ml，小 头为200ml，漏斗下端 是直径为5mm，长为 100mm的管子。
动画演示钻井液漏斗粘度的测定
旋转粘度计
第四章钻井液的滤失和润滑性能
影响钻井液滤失量的因素
瞬时滤失 瞬时滤失时间很短。其滤失量—般占总滤失量 的比例不大。但对于固相含量低、分散和水化很好 的不分散低固相钻井液，瞬时滤失占的比例则较大。 对于相同的钻井液，如果渗滤介质不同，其瞬时滤 失量也是不同的。 影响瞬时滤失的因素主要有压差，岩层的渗透 性，滤液的粘度，钻井液中固相颗粒的含量、尺寸 和分布，水化程度以及钻井液在地层孔隙人口处能 否迅速形成“桥点” 。
影响钻井液滤失量的因素
动滤失的影响因素 (1)钻井液流动的影响 钻井液在循环流动中的滤失过程称为动滤失。影响 动滤失的因素与静滤失类似。不同之处是动滤失还与钻 井液流动有关，表现为剪切速率和钻井液流态对动滤失 的影响。在动滤失条件下、泥饼的增长受到钻井液冲蚀 作用的限制。当岩层的表面最初暴露时，滤失速率较高、 此时泥饼增长较快，但随着时间的推移，泥饼的增长速 率减小了，直到最终等于冲蚀影响的速率。此后、泥饼 厚度将不再发生变化。根据达西定律得到的滤失率表达 式积分，得到如下动滤失方程：
钻井液的滤失与造壁性
若钻井液中细粘土颗粒多，
而粗颗粒少，则形成的泥饼薄
而致密，钻井液滤失量则小。 反之粗多而细颗粒少，则形成 的泥饼厚而疏松，钻井液的滤 失量则大。 钻井液的滤失量以及泥饼 的厚度还和压差、井下温度以
及岩石的性质有关。
井内钻井液滤失的全过程
钻井液在井内发生滤失的全过程由三个阶段组成， 与此相对应的三种滤失量分别称为瞬时滤失量、动滤 失量和静滤失量。 瞬时滤失(Spurt loss) 从钻头破碎井底岩石，形成新的自由面的瞬间开始， 钻井液开始接触新的自由面，钻井液中的自由水便向 岩石孔隙中渗透，直到钻井液中的固相颗粒及高聚物 在井壁上开始出现泥饼，这段时间的滤失称为瞬时滤 失。 瞬时滤失特点：时间短、井底岩石表面尚无泥饼， 滤失速率很高，亦称初滤失。
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第四章 钻井液的滤失造壁和润滑性能
The Filtration Properties of Drilling Fluids
本章要求：
1. 静滤失方程
3. 影响滤失的因素
4. 钻井液润滑性及其评价
1
1
一、滤失造壁性的基本概念 1. 水基钻井液中的水
水基钻井液组成： 固相+水+处理剂
钻井液中的水由三部分组成： 结晶水（化学结合水） —— 粘土矿物晶体构造的组成部分。 吸附水（束缚水） —— 由固相颗粒分子间力吸附的水化膜。 自由水 —— 钻井液中自由移动的水，分散介质。
4)润滑剂
多级复配优于单剂 5)滤失性、岩石条件、地下水和滤液PH值的影响
—— 室内：指定静态条件下，静失水仪器测得的失水。
特点：
失水速率小、失水量较小。
泥饼厚（无冲蚀作用）。 · 同时向井壁井底失水，以井壁为主。 · 泥饼在动失水的基础上随时间增长而增厚。 · 失水速度随静止时间的增长而减少。 · 静失水量<动失水量
1 7
9
二、失水造壁性与钻井的关系
1. 失水量过大 两个害处： 导致水敏性泥页岩缩径、垮塌。 油气层内粘土水化膨胀使产层渗透率下降， 从而损害油气层。 2.泥饼过厚 两个害处： 井径缩小 —— 易引起起下钻遇阻遇卡。 泥饼粘附卡钻。 3.现场要求 泥 饼 —— 薄、密、韧。 失水量 —— 适当（并非越小越好）。 对于一般地层：API失水：10 15 ml/ 30 min； 对于水敏地层：API失水 < 5 ml/30 min。
(1)
式中， vf ——滤失量，cm3； k —— 泥饼渗透率，darcy; —— 滤液粘度，mPa.s；
1 A —— 滤失面积，cm2。
t ——滤失时间，s； P ——滤失压力,kg/cm2; h ——泥饼厚度，cm；
11 12
如果一定体积的钻井液Vm全部滤失完，则在Vm当中，有Vf 的滤液体积从Vm中挤压出去，剩下Vc的泥饼体积挤不出去，于 是可以得到： Vm = Vf + Vc = Ah + Vf Vc / Vf = R = 常数
( a) K 与 vf 的关系式
h
Vf Vf Cc C A( c A(1) 1) C m Cm
h V h Vf Vc
得到：
f Vf k h 2APt c2A 2 pt Vf V k 2 APt 2 A 2 pt
（1）
式中单位：
h —— cm； Vf —— cm3 ； —— mPa.s ； t —— s ； P —— kg/cm2 ； A —— cm2 ； Vc ——泥饼体积 cm3 ； k —— darcy (1d =103 md )；
Vf h Cc A( 1) Cm
影响规律： a. Vf ↓ → h ↓ 。 b. 当钻井液固含 Cm ≈ Cc ，h ↑ ↑ 。
C.当固含Cm一定时，孔隙度 ↑→泥饼疏松 → h ↑ 。
实验发现：
固相粒度分布越宽 → ↓ → h ↓ ； 小粒子越多 → ↓ → h ↓ 。
1
19
20
泥饼薄、密、韧条件： Cc 低 （土的膨胀性好）
粒度分布宽
细小粒子多
1
20
21
Permeability of the Filter Cake
由：
Vf 与 k 的关系 Relationship Between The
Cc C) 1 C mPt( c 1) 2k Vf A Cm Vf A 2k Pt(
1
5
7
动失水 Dynamic Filtration —— 钻井液循环时的失水量。
特点：泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡。
失水速率大、失水量大。 向井壁失水 失水速度由大到小逐渐恒定（高渗透率 低渗透率 = C） 存在于整个循环过程中，时间长，累积失 水量大。
1
6
8
静失水 Static Filtration —— 井下：钻井液停止循环后的失水。
粘土聚结和絮凝状态改变 → k ↑ → Vf ↑ ；
粘土去水化，吸附水↓ →自由水↑ → Vf ↑ 。
降失水剂要降解，若超过处理剂的抗温能力，失水量急剧增加。
1 17
Vf 与固相含量及类型的关系
Vf (Cc/Cm -1)1/2 显然，若要降低失水量Vf ，可以采取的方法为：
提高钻井液中的固相含量Cm .
五宽： 井浅、裸眼短、矿化度高、非油气层、稳定井段。
1
10
11
三、钻井液的静失水
1. 静失水方程
Static Filtration
假设条件： 泥饼厚度 h << 井眼直径； 滤失过程为线性关系 —— K = C；
滤失为恒温恒压过程。
静失水方程推导： 利用达西渗滤公式：
dv f k AP dt h
（5）
1
22
23
( b) K的影响因素
粒度和粒度分布对k 的影响
规律： 细粒子越多，平均粒径越小，k 越小； 粒度分布 越宽，k 越小。
胶体粒子浓度（含量）对k 的影响
规律： k完全取决于钻井液中胶体粒子（ d <10 的比例和含量。
-5
m）
某种钻井液中如果胶粒浓度高,k = (0.31-1.5)10 如果胶粒浓度趋于零,k （高得不能测定）
1 8 10
向井壁的失水有害 ①易造成井塌和缩径、阻、卡 ②易损害油气层：阻、堵、水锁、沉淀 向井底的失水有利 ①降低井底岩石强度，增加可钻性， 有利钻速提高。 ②消除压持效应，避免重复切削，有利 钻速提高。 显然：瞬失失水越大，钻速越高。
1 9
4. 控制失水量原则：五严五宽
五严：
井深、裸眼长、矿化度低、油气层段、易塌层段。
-3
md，Байду номын сангаас
1
23
24
四、钻井液润滑性
超深井、水平井、大位移井等的关键技术
• 降低摩阻扭矩的技术
钻柱的旋转阻力和提拉阻力会大幅度提高
影响钻井扭矩和阻力以及钻具磨损的主要可调节因素是钻井液的润滑
性能，因此钻井液的润滑性能对减少卡钻等井下复杂情况，保证安全、
快速钻进起着至关重要的作用。
• 井壁稳定技术 • 井眼净化技术
1
21
22
将上式（1）换为现场通用单位： 代入： k (d ) → 103 k( md )； t (s ) → 60t (min )。得到：
Vf Vc 103 25 Vf Vc k 2 60 3 2A pt 2A 2 pt
再代入： h = Vc /A
（2）
（3） 最后代入测定静失水的API标准条件： A = 45 cm2 ；P = 6.8 kg/cm2 ；t = 30 min。 由（2）式得计算渗透率k 的公式： k = 1.01 10 -5 Vf Vc （4） 由（3）式得计算 k 的公式： k = 9.08 10 -4 Vf h
and Filtrate Volume
由静失水方程可知： Vf -1/2 ； 而： 1/ 温度T
所以： 影响规律：
Vf = f (T)
T↑→ ↓→ Vf ↑
例如：用纯水配制的钻井液，在20 0C与100 0C比较。
Vf 100 Vf 20
T ↑ T ↑
20 100
1.005 mPa .s 1.88 0.284 mPa .s
1 3
5
3.井下失水过程
累计失水量
h=0 h h=c h h h=c
V静 V动 V瞬 To T1 T2 T3 T4 T5 T6
时间
1
4
6
瞬时失水 Spurt Loss
—— 钻井液泥饼尚未完全形成之前很短时间内的
失水。
特点： 时间短（t < 2秒)；比例小。
主要是向井底失水。 时间短而量大，伴有少量泥浆渗失。
h Vf Cc A( 1) Cm
将（6）式代入达西公式（1）中，并积分得：(7)
2k Pt( Vf A
1 2 k PA2 t Vf 2 R
Cc 1) Cm
比较（7）式与（5）式，可以看到：
Vf2 2k Pt Vf . Vc
Cc /Cm-1 = Vf /Vc
1 13
2. 影响静失水的因素
Vf 与t的关系 Relationship Between Filtration and Time
Vf A C t 2k P( C Cc 1) Cm t
在直角坐标上任取两点，可以得到：
Vf 2 Vf 1 Vf 2 t2 t1 t2 Vf 1 t1
该式实际上表明了任意时刻失水量之间的关系 如果：t1 =7.5分钟；t2 =30分钟；则：
dv f kAP dt h
(2) (3)
将（2）、（3）式代入达西公式（1）中，得到(4) ：
1 2 k PA2 t Vf 对（4）式两边积分，得(5) ： 2 R 2k Pt Vf . Vc
1 12
dVf kPA2 dt RVf
V
2 f
根据假设可知，泥饼中干固体体积等于泥饼体积与泥饼中固相体 积分数的乘积。即： Vc = h A Cc 钻井液中固相体积百分数为：Cm = Vc /Vf= h A Cc/ (hA+Vf) 联立解以上两式，得： (6)
Vf 与t的关系
1 15
16
Vf与P的关系 Relationship Between Pressure and
Filtration Volume
理论上： LgVf = 1/2 LgP +1/2 LgC 即： Vf P1/2 条件：k = 常数。 原因：k ≠ 常数。 实际上： Vf Px 指数 x 的实质：
The Filtration Properties of Drilling Fluids
本章要求：
1. 静滤失方程
3. 影响滤失的因素
4. 钻井液润滑性及其评价
1
1
一、滤失造壁性的基本概念 1. 水基钻井液中的水
水基钻井液组成： 固相+水+处理剂
钻井液中的水由三部分组成： 结晶水（化学结合水） —— 粘土矿物晶体构造的组成部分。 吸附水（束缚水） —— 由固相颗粒分子间力吸附的水化膜。 自由水 —— 钻井液中自由移动的水，分散介质。
4)润滑剂
多级复配优于单剂 5)滤失性、岩石条件、地下水和滤液PH值的影响
—— 室内：指定静态条件下，静失水仪器测得的失水。
特点：
失水速率小、失水量较小。
泥饼厚（无冲蚀作用）。 · 同时向井壁井底失水，以井壁为主。 · 泥饼在动失水的基础上随时间增长而增厚。 · 失水速度随静止时间的增长而减少。 · 静失水量<动失水量
1 7
9
二、失水造壁性与钻井的关系
1. 失水量过大 两个害处： 导致水敏性泥页岩缩径、垮塌。 油气层内粘土水化膨胀使产层渗透率下降， 从而损害油气层。 2.泥饼过厚 两个害处： 井径缩小 —— 易引起起下钻遇阻遇卡。 泥饼粘附卡钻。 3.现场要求 泥 饼 —— 薄、密、韧。 失水量 —— 适当（并非越小越好）。 对于一般地层：API失水：10 15 ml/ 30 min； 对于水敏地层：API失水 < 5 ml/30 min。
(1)
式中， vf ——滤失量，cm3； k —— 泥饼渗透率，darcy; —— 滤液粘度，mPa.s；
1 A —— 滤失面积，cm2。
t ——滤失时间，s； P ——滤失压力,kg/cm2; h ——泥饼厚度，cm；
11 12
如果一定体积的钻井液Vm全部滤失完，则在Vm当中，有Vf 的滤液体积从Vm中挤压出去，剩下Vc的泥饼体积挤不出去，于 是可以得到： Vm = Vf + Vc = Ah + Vf Vc / Vf = R = 常数
( a) K 与 vf 的关系式
h
Vf Vf Cc C A( c A(1) 1) C m Cm
h V h Vf Vc
得到：
f Vf k h 2APt c2A 2 pt Vf V k 2 APt 2 A 2 pt
（1）
式中单位：
h —— cm； Vf —— cm3 ； —— mPa.s ； t —— s ； P —— kg/cm2 ； A —— cm2 ； Vc ——泥饼体积 cm3 ； k —— darcy (1d =103 md )；
Vf h Cc A( 1) Cm
影响规律： a. Vf ↓ → h ↓ 。 b. 当钻井液固含 Cm ≈ Cc ，h ↑ ↑ 。
C.当固含Cm一定时，孔隙度 ↑→泥饼疏松 → h ↑ 。
实验发现：
固相粒度分布越宽 → ↓ → h ↓ ； 小粒子越多 → ↓ → h ↓ 。
1
19
20
泥饼薄、密、韧条件： Cc 低 （土的膨胀性好）
粒度分布宽
细小粒子多
1
20
21
Permeability of the Filter Cake
由：
Vf 与 k 的关系 Relationship Between The
Cc C) 1 C mPt( c 1) 2k Vf A Cm Vf A 2k Pt(
1
5
7
动失水 Dynamic Filtration —— 钻井液循环时的失水量。
特点：泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡。
失水速率大、失水量大。 向井壁失水 失水速度由大到小逐渐恒定（高渗透率 低渗透率 = C） 存在于整个循环过程中，时间长，累积失 水量大。
1
6
8
静失水 Static Filtration —— 井下：钻井液停止循环后的失水。
粘土聚结和絮凝状态改变 → k ↑ → Vf ↑ ；
粘土去水化，吸附水↓ →自由水↑ → Vf ↑ 。
降失水剂要降解，若超过处理剂的抗温能力，失水量急剧增加。
1 17
Vf 与固相含量及类型的关系
Vf (Cc/Cm -1)1/2 显然，若要降低失水量Vf ，可以采取的方法为：
提高钻井液中的固相含量Cm .
五宽： 井浅、裸眼短、矿化度高、非油气层、稳定井段。
1
10
11
三、钻井液的静失水
1. 静失水方程
Static Filtration
假设条件： 泥饼厚度 h << 井眼直径； 滤失过程为线性关系 —— K = C；
滤失为恒温恒压过程。
静失水方程推导： 利用达西渗滤公式：
dv f k AP dt h
（5）
1
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( b) K的影响因素
粒度和粒度分布对k 的影响
规律： 细粒子越多，平均粒径越小，k 越小； 粒度分布 越宽，k 越小。
胶体粒子浓度（含量）对k 的影响
规律： k完全取决于钻井液中胶体粒子（ d <10 的比例和含量。
-5
m）
某种钻井液中如果胶粒浓度高,k = (0.31-1.5)10 如果胶粒浓度趋于零,k （高得不能测定）
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向井壁的失水有害 ①易造成井塌和缩径、阻、卡 ②易损害油气层：阻、堵、水锁、沉淀 向井底的失水有利 ①降低井底岩石强度，增加可钻性， 有利钻速提高。 ②消除压持效应，避免重复切削，有利 钻速提高。 显然：瞬失失水越大，钻速越高。
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4. 控制失水量原则：五严五宽
五严：
井深、裸眼长、矿化度低、油气层段、易塌层段。
-3
md，Байду номын сангаас
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四、钻井液润滑性
超深井、水平井、大位移井等的关键技术
• 降低摩阻扭矩的技术
钻柱的旋转阻力和提拉阻力会大幅度提高
影响钻井扭矩和阻力以及钻具磨损的主要可调节因素是钻井液的润滑
性能，因此钻井液的润滑性能对减少卡钻等井下复杂情况，保证安全、
快速钻进起着至关重要的作用。
• 井壁稳定技术 • 井眼净化技术
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将上式（1）换为现场通用单位： 代入： k (d ) → 103 k( md )； t (s ) → 60t (min )。得到：
Vf Vc 103 25 Vf Vc k 2 60 3 2A pt 2A 2 pt
再代入： h = Vc /A
（2）
（3） 最后代入测定静失水的API标准条件： A = 45 cm2 ；P = 6.8 kg/cm2 ；t = 30 min。 由（2）式得计算渗透率k 的公式： k = 1.01 10 -5 Vf Vc （4） 由（3）式得计算 k 的公式： k = 9.08 10 -4 Vf h
and Filtrate Volume
由静失水方程可知： Vf -1/2 ； 而： 1/ 温度T
所以： 影响规律：
Vf = f (T)
T↑→ ↓→ Vf ↑
例如：用纯水配制的钻井液，在20 0C与100 0C比较。
Vf 100 Vf 20
T ↑ T ↑
20 100
1.005 mPa .s 1.88 0.284 mPa .s
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3.井下失水过程
累计失水量
h=0 h h=c h h h=c
V静 V动 V瞬 To T1 T2 T3 T4 T5 T6
时间
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瞬时失水 Spurt Loss
—— 钻井液泥饼尚未完全形成之前很短时间内的
失水。
特点： 时间短（t < 2秒)；比例小。
主要是向井底失水。 时间短而量大，伴有少量泥浆渗失。
h Vf Cc A( 1) Cm
将（6）式代入达西公式（1）中，并积分得：(7)
2k Pt( Vf A
1 2 k PA2 t Vf 2 R
Cc 1) Cm
比较（7）式与（5）式，可以看到：
Vf2 2k Pt Vf . Vc
Cc /Cm-1 = Vf /Vc
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2. 影响静失水的因素
Vf 与t的关系 Relationship Between Filtration and Time
Vf A C t 2k P( C Cc 1) Cm t
在直角坐标上任取两点，可以得到：
Vf 2 Vf 1 Vf 2 t2 t1 t2 Vf 1 t1
该式实际上表明了任意时刻失水量之间的关系 如果：t1 =7.5分钟；t2 =30分钟；则：
dv f kAP dt h
(2) (3)
将（2）、（3）式代入达西公式（1）中，得到(4) ：
1 2 k PA2 t Vf 对（4）式两边积分，得(5) ： 2 R 2k Pt Vf . Vc
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dVf kPA2 dt RVf
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根据假设可知，泥饼中干固体体积等于泥饼体积与泥饼中固相体 积分数的乘积。即： Vc = h A Cc 钻井液中固相体积百分数为：Cm = Vc /Vf= h A Cc/ (hA+Vf) 联立解以上两式，得： (6)
Vf 与t的关系
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Vf与P的关系 Relationship Between Pressure and
Filtration Volume
理论上： LgVf = 1/2 LgP +1/2 LgC 即： Vf P1/2 条件：k = 常数。 原因：k ≠ 常数。 实际上： Vf Px 指数 x 的实质：