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。
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。

压差是影响滤失量的另一个因素。如果 滤失介质恒定，滤失将随着压差的平方根 成正比变化。在有滤饼的情况下则非如此。 因为滤饼容易压缩，并且物质将不断沉积 到滤饼上，因此其孔隙度和渗透性也会变 化。
3温度对滤失量的影响

钻井液的温度随着钻井深度的加深，温度 (一般为2.7～3℃/1000m)也随着上升，使 滤失量增大，如果其它因素不变，温度会 使液相的粘度降低，这也将滤失量增加。 所有其它因素不变时，滤失量将随着液相 粘度的平方根而变化，也就是说滤失量Q1 比滤失量Q2等于液相粘度Vis2的平方根比 液相粘度Vis1的平方根。


滤饼压缩性主要受基质内水化膨胀颗粒的影响。 填充在孔隙和空隙及吼道中的颗粒在压力作用下 可变形或改变形状，因而，使渗透率减小。膨润 土、淀粉、改性纤维聚合物以及一些其它的水溶 物有机聚合物都属于具有这种性质的材料。膨润 土对电解质污染十分敏感。 水溶有机聚合物的种类较多，因而在通常情况下 可选用，也可达到理想的滤饼压缩性。不过在选 择过程中最高的井眼温度和流体矿化度是重要的 考虑因素。
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。
4、滤饼的渗透性对滤失量的影响

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。因为它可以 形成致密的滤饼。如果颗粒受压后能变形，滤饼 就会变的致密，粘土颗粒很小，形状扁而薄，也 可以形成压缩的滤饼使滤失量降低。
⑶润滑性能

已证明滤饼的润滑性能是难以测定的，多 数润滑测定仪是测金属与金属或金属与岩 石间摩阻的，只有少数仪器能测定金属与 滤饼的摩阻系数。通常都认为坚韧和耐久 的滤饼是最理想的结构。这种滤饼形式可 能来自铁铬盐处理剂的粘土钻井液。这种 滤饼通过测试，滑过滤饼表面的阻力很大。

值得注意的是，降滤失剂在钻井液中的浓 度必须足够高，以利于拆散的粘土颗粒包 围起来。这样一方面给粘土颗粒表面带来 较高的负电荷密度，提高ζ电位，增大颗粒 间的斥力；另一方面因水化基团的水化作 用而形成较厚的水化膜，使粘土颗粒不易 合并变大。如果加入的降滤失剂低于保护 作用所需的浓度时降滤失剂不但对胶体颗 粒没有保护作用，反而会使粘土颗粒更容 易聚沉。
（b）胶体颗粒类型：

滤饼渗透性的高低不仅与钻井液中所含胶 体及细颗粒的尺寸分布、数量有关，而且 更与胶体颗粒类型密切相关。如果胶体颗 粒扁平，水化性好，则在压力作用下容易 变形，形成的滤饼渗透率自然就低。
3、降滤失剂的作用机理

降滤失剂是指能降低钻井液滤失量的化学 处理剂。降滤失剂多为水溶性高分子化合 物，它们可通过下列途径降低钻井液的滤 失量。
⑵滤饼压缩性
在其它参数不变的情况下，滤饼的压 缩性在3.5MPa压差下和0.7MPa压差下的 滤失量之比。滤饼无压缩性时的比值应为 2.24，计算方法如下：

大多数的水基钻井液都具有可压缩性，而 且通常的比值在1.5～2.0之间。现场的经 验数据表明，维持比值不超过1.3，特别在 过压力条件下钻井时，有减少压差卡钻的 趋势。

钻井液的滤失量与地层的渗透率密切相关。 但钻井液发生滤失的同时就有滤饼形成， 钻井液再发生滤失时，必须经过已经形成 的滤饼。因此，决定滤失量大小的主要因 素是滤饼的渗透率。如何形成渗透率的高 质量滤饼，阻止钻井液的进一步滤失，是 钻井过程中首要考虑的问题。
⑴静滤失方程

钻井液的滤失可分为瞬时滤失、静滤失和 动滤失。瞬时滤失在整改滤失过程中占的 比重较小；动滤失比较符合井下情况，但 现场是难以测定的；静滤失尽管与实际情 况有一定差距，但评价方法简单，能很好 地反映钻井液滤失的性能。因此，通常用 静滤失方程来描述静滤失量：
5、控制滤失不当会产生的问题

①缩径造成阻卡； ②厚滤饼引起的泥页岩地层膨胀，产生井 塌。 ③由于滤失量太大易损害油气产层。
5、影响滤失量的主要原因

1.时间对滤失量的影响 在井壁内随着时间的增长，滤失量会慢 慢的下降。时间与滤失量的关系，简化或 最简单的数学式为：
2.压差对滤失量的影响



1、滤失性能主要是指钻井液滤失量的大小 和所形成的滤饼质量。 2、润滑性能包括钻井液自身的润滑性能和 所形成滤饼的润滑性能。 钻井液的滤失性和润滑性都与滤饼质量有 关。
一、钻井液的滤失与造壁性

钻井液的滤失与造壁性能在钻井过程中是 非常重要的，也是影响钻井速度的主要因 素，因此必须控制钻井液的滤失性能和滤 饼质量。
4、动滤失与静滤失


①动滤失：钻井液在钻进或循环(动态)过程 中产生的滤失。 ②静滤失：钻井液在静止(停钻、起下钻)时 产生的滤失。

动滤失与静滤失的不同点，在于钻井液沿着井壁 流动时会冲掉滤失过程中形成的滤饼，当形成速 度大于冲掉速度时才慢慢形成。当滤饼达到固定 厚度时，滤失率便慢慢减小，成为常数。这与静 滤失不同，在静滤失中滤饼随时间不断增厚，滤 失率便慢慢下降。在同样的一段时间里，静滤失 的滤饼比动滤失的滤饼厚，而静滤失速率比动滤 失的速率低。因此，为了控制渗入地层的滤失量， 必须控制动滤失。如果要防止形成渗入地层的滤 失量，必须控制动滤失。如果要防止形成厚滤饼， 就应该控制静滤失。

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。

当地层具有渗透性，既具有液体通过地层 之间的孔隙时，钻井液中的液体(通常是水) 渗入地层。如果缝隙大些，钻井液很快会 流入井壁缝隙。然后，当更少的液体漏失 时，钻井液中的固体在井壁上形成滤饼， 此滤失量才慢慢下降。滤饼有钻井液中的 固体颗粒组成，包括裸眼井段得到的天然 固体和加入到钻井液的各类固体。
1、钻井液滤失和造壁性的概念

水作为钻井液的连续相，钻钻井液体系中以三种 形态存在，即吸附水、化学结晶水和自由水。钻 井过程中，在液柱压差作用下，钻井液中的自由 水通过可渗透地层和地层裂缝或空隙向地层渗透， 称为钻井液的滤失作用。通常用滤失量或失水量 来表示滤失性的强弱。钻井液滤失的两个前天条 件是，存在压差和裂隙或空隙性的岩石。在滤失 过程中，随着钻井液中的自由水进入地层，钻井 液中的悬浮固相颗粒便附着在井壁上形成滤饼， 这便是钻井液的造壁性。井壁上形成滤饼后，渗 透性减小，阻止或减慢了钻井液继续侵入地层。
②提高滤液粘度

由静滤失方程可知，滤失量与钻井液的滤 液粘度的二分之一次方成反比。高分子降 滤失剂加入钻井液中可提高滤液粘度，使 滤失量降低。但值得注意的是，粘度升高 会使钻速降低。固一般要求降滤失剂不要 大幅度地增加粘度。