第四章 钻井液的滤失和润滑性能

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泥饼的压实性，高压差有利于泥饼的压实，影响泥
饼的渗透性能。泥饼中颗粒尺寸分布同样也影响泥饼
的渗透能力。颗粒尺寸均匀变化时，得到较小孔隙度，
较小的颗粒致密地填充较大颗粒的孔隙之间。较大范
围颗粒尺寸分布的混合物。小颗粒客要比大颗粒多形
成的泥饼孔隙度小，处理剂的种类和加量决定颗粒是
分散、絮凝以及颗粒四周可压缩性水化膜的厚度，影
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2、动滤失
(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。不同的是动滤失还与钻井液流动有关，
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，泥饼增长较快，随着时间的推移，泥饼的
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(8)絮凝与聚结对泥饼渗透的影响
钻井液的絮凝使得颗粒间形成网架结构、网架结 构使渗透率有一定的提高。滤失压差越高，这种结构 越难形成，孔隙度与渗透率随压力的增加减小。
在钻井液里添加稀释剂，稀释剂反絮凝作用使泥饼 的渗透率降低。大多数的稀释剂是钠盐，钠离子可以 交换粘土晶片上的多价阳离子，使聚结状态转变为分 散状态，降低泥饼的渗透率。
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通常可表示为Vfp x，钻井液不同指数x不同， 但小于0.5。在低压差时，不同钻井液所测得的滤失量 相近，但高压差下可能有较大的差别。在深井和对滤 失量要求严格的井段钻进前，最好进行高压差滤失实 验。
油基钻井液滤失液(一般为柴油)的粘度随压力的 增加而增加，根据滤失方程可随粘度增加滤失量是减 小的。
性能和润滑性能控制不好对钻井和地质工作产生多方
面的不利影响。
主要讨论钻井液滤失量的影响因素，滤失量的测
量与控制方法以及钻井液润滑性能的影响因素和测量
方法。
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一、钻井液的滤失与造壁性
钻井液的滤失与造壁性是钻井液的重要性能，对松散、破 碎和遇水失稳地层(如水化膨胀性地层)的井壁稳定有十分重要的 影响。
增长速率减小，直到最终等于冲蚀影响的速率。泥饼厚度不再
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发生变化。动滤量与泥饼渗透率成正比，与泥饼厚度成反比，
与渗透时间成正比。
形成较薄的泥饼，甚至不形成泥饼。
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泥饼形成示意图
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2.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瞬时滤失、动滤 失和静滤失三个阶段组成，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。
（1）瞬时滤失 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。
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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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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。
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3.现场要求
泥 饼 —— 薄、密、韧。 失水量 —— 适当（并非越小越好）。
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在滤失过程中，钻井液中 的固体颗粒在井壁岩层中的堆 积一般形成三个过滤层，即瞬 时滤失渗入层，瞬时滤失时细 颗粒渗入深度可达25—30mm； 架桥层，较粗的颗粒在岩层孔 隙内部架桥而减小岩层的孔隙 度，或称为内泥饼；井壁表面 形成具有一定渗透性的外泥饼。
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瞬失失水越大，钻速越高。
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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。 五宽：
井浅、裸眼短、矿化度高、非油气层、稳定井段。
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三、影响钻井液滤失量的因素
1.静滤失 （1）钻井液静滤失方程：
单位渗滤面积的滤失量与泥饼的渗透率、固体含 量因素、渗滤压差、渗滤时间的平方根成正比；与滤 液粘度的平方根成反比。
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在滤失过程中、随钻井液的自由水进入岩 层，钻井液中固相颗粒附着在井壁上形成泥饼 (细小颗粒也可能渗入岩层至一定深度)，这是 钻井液的造壁性，井壁上形成泥饼后，渗透性 减小，阻止或减慢了钻井液继续侵入地层。
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钻井液中细粘土颗粒多，而粗颗粒少。形成的泥 饼薄而致密，钻井液滤失量小。粗粒多而细颗粒少， 形成的泥饼厚疏松，钻井液的滤失量大。钻井液的滤 失量和压差、井下温度及岩石有关。不同井位和层位 ，岩层的孔隙度和渗透率是不同的，同一种组成具有 相同性能的钻井液，在不同岩层的滤失量不同，在井 壁上形成的泥饼厚度不一样的。在渗透性大的砂岩、 砾岩、裂缝发育的灰岩井壁形成的泥饼较厚；在渗透 性小的页岩、泥岩、石灰岩和其它致密岩石的井壁上
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温度升高导致滤失量增加： 1）温度升高，溶液液的粘度降低，滤失量越大。 2）温度改变钻井液中粘土颗粒的分散程度、水化程度、粘土颗
粒对处理剂的吸附以及改变处理剂特性等。随着温度上升，水分 子热运动加剧，粘土颗粒对水分子和处理剂的吸附减弱，解吸附 的趋势加强，使粘土颗粒聚结和去水化，影响泥饼的渗透性。造 成滤失量上升。
V30 = 2V7.5- Vsp
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(3)压差对滤失量的影响： 静滤失方程中滤失量与压力
差的平方根成正比。钻井液滤失 量不一定与压差成平方根关系。 钻井液的组成不同，滤失时形成 泥饼的压缩性不相同。随压差增 大，渗透量减小的程度有差异， 滤失量与压力的关系也不同。
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（5）固相含量和类型对滤失量的影响
根据静滤失方程，钻井液的滤失量与[(fsc/fsm)-1]成正比， 钻井液中的固相含量越高，泥饼中的固相含量越小，钻井液的
滤失量越小。钻井液中的固相含量增大，机械钻速降低，泥饼
增厚，通过增大钻井液中的固相含量来降低滤失量是不可取。
通常的办法是减少泥饼中的固相含量，降低泥饼中固相含量的
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（2）滤失时间对滤失量的影响
理想状态下，滤失量与时间的平方根成正比，不 考虑瞬时滤失，7.5min的滤失量将是30min滤失量的一 半，通常用7.5min的滤失量乘以2作为API滤失量。由 于存在瞬时滤失，对于滤失量较小的钻井液，测量时 间应取30min,如果用7.5min的滤失量乘以2来推导， 30min滤失量将带来较大的误差。
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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。
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静滤失：
在起下钻或其它原因停止钻进时，钻井液停止循环，液流的 冲刷作用消失，此时压力差为静液往压力和地层压力之差。随着 滤失的进行，泥饼逐渐增厚，单位时间的滤失量逐渐减小。
第四章 钻井液的滤失和润滑性能 本章要求：
1. 掌握三个（瞬、静、动）失水概念。 2. 熟悉七个影响因素。 3. 钻井液润滑性及其评价。
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钻井液的滤失性能主要是指钻井液滤失量的大小
和所形成泥饼的质量。润滑性能：包括钻井液自身的
润滑性能和所形成的泥饼的润滑性能。钻井液的滤失
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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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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。
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向井壁的失水有害
①易造成井塌和缩径 阻、卡、划
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。
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（4）滤液的粘度、温度对滤失量的影响 根据静滤失方程，钻井液滤失量与滤液粘度的平
方根成反比。滤液粘度越小，钻井液的滤失量越大。 滤液的粘度与有机处理剂的加入量有关，有机处理剂 如CMC，HPAM等加入量越大，滤液的粘度越大。可以通 过提高滤液粘度降低滤失量。
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3）高温还会引起钻井液中粘土颗粒的去水化和处理 剂的脱附，使液相粘度降低，以及处理剂本身特性改 变，导致滤失量增大。在高温的作用下，钻井液中的 某些处理剂会发生不同程度的降解，并且会随着温度 升高降解程度加剧，最后失去维持滤失性能的作用。
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1.钻井液滤失和造壁性的概念
水基钻井液中水以三种形态存在，化学结合水、吸附水以
及自由水。在压差作用下，钻井液中的自由水向井壁岩石的裂缝
或孔隙中渗透，称为钻井液的滤失作用，通常采用滤失量或失水
量表示滤失性的强弱。钻井液滤失的两个前提条件是：存在压力
差和存在裂隙或孔隙性岩石。
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动滤失： 紧接着瞬时滤失，在井内钻井液循环的情况下滤失 继续进行并开始形成泥饼，随着滤失过程的进行，泥饼 不断增厚，直至泥饼的增厚速度与泥饼被冲刷的速度相 等，即达到动平衡。此后钻井液在循环下继续滤失但泥 饼不再增厚。这段时间的滤失量称为动滤失量。
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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。
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
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起下钻结束后，又继续钻进，钻井液重新循环，于 是滤失过程由静滤失转为动滤失。此时的动滤失是在 经历一段静滤失后的动滤失，开始时泥饼被冲蚀掉一 部分，随滤失的进行，直至稳定(泥饼再变薄或增厚)。 这一阶段的动滤失比前一次动滤失要小一些。此后停 钻又开始静滤失，这是新水平上的静滤失。
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通过对井内钻井液发生滤失的全过程进行分析， 可以看出；瞬时滤失时间很短，但滤失速率最大；动 滤失时间最长，滤失速率中等；静滤失时间较长，滤 失速率最小。滤失速率是指单位时间内滤失液体的体 积。
井内钻井掖的滤失作用是在不同温度和不同压力
差下向岩层渗透的。
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办法是采用优质土造浆和用有机处理剂。
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（6）岩层的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。岩
层有一定的孔隙性，钻井液在压差作用下，产生滤失 形成泥饼。岩层的孔隙性和渗透性，在瞬时滤失阶段 和泥饼开始形成时，对滤失起重要作用。在形成第二 过滤介质—泥饼之后，岩层的孔隙性和渗透性对钻井 液的滤失不起主要作用，这是由于泥饼的渗透性一般 远远小于岩层的渗透性。
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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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