第十章 钻井液的滤失与润滑性

第十章钻井液的滤失造壁性和润滑性

一、钻井液滤失和造壁性

在钻井过程中，为了防止地层流体进入井内，一般控制钻井液液柱压力高于地层压力，在钻井液液柱与地层压力的压差作用下，钻井液中自由水向井壁岩石裂隙或空隙中渗透，这一过程叫钻井液的滤失作用。

在滤失过程中钻井液中的一些固体颗粒便附着在井壁上，形成泥饼。固相颗粒附着在井壁上形成泥饼的过程叫钻井液的造壁性。井壁上形成泥饼后又会阻止或减慢钻井液中水继续侵入地层。因此，钻井液的滤失和造壁性能对井壁稳定有十分重要的影响，特别是松散、破碎和水敏性地层。

影响钻井液滤失性的因素有钻井液内固相颗粒尺寸、温度、压差、岩石渗透率等。固相颗粒粗，形成泥饼后而松，滤失量大；砂岩、砾岩、裂缝发育的灰岩形成的泥饼厚；页岩、泥岩、石灰岩形成的泥饼薄。

为了维持井眼的稳定以及减少钻井液固、液相侵入地层与损害油气层，就必须控制钻井液的滤失性能，其有效途径是在井壁上形成薄而致密的泥饼。如果井内钻井液滤失性控制不当，必然要产生两方面问题，即滤失量过大和泥饼过厚。这两者之间既有区别，又是相互联系的。

钻井液的滤失控制是钻井液工艺中的一个十分重要的问题，这里首要的是控制泥饼的厚度，而泥饼的厚度是随滤失总量的增加而增厚的，故应控制钻井液的滤失量。然而，滤失量并不是决定泥饼厚度的惟一因素，对于不同的钻井液，泥饼厚度相同，而滤失量却不一定相同；反之，滤失量相同，泥饼厚度亦可能不同。滤失量过大固然不好，但过小的滤失量也会造成钻井液成本增加，钻速下降。

钻井液滤液矿化度不同，对井壁岩层稳定性的影响也是不同的。与淡水滤液、碱性强的滤液相比较，高矿化度、碱性弱的滤液和含高聚物(例如聚丙烯酰胺)的滤液不易引起井壁岩层的膨胀和坍塌。实践证明，即使滤失量大些，使用这类钻井液要安全得多。因此，对于井壁稳定来说，不仅要注意滤失量的大小，还要考虑滤液的性质及其对井壁稳定造成的影响。

综上所述，钻井液形成的泥饼一定要薄、致密、坚韧；而钻井液的滤失量则要控制适当，应根据岩石的特点、井深、井身结构等因素来确定，同时应考虑钻井液的类型。

二、钻井液的滤失过程

钻井液滤失过程分三个阶段：即瞬时滤失、动滤失、静滤失。

⑴、瞬时滤失特点：时间短，滤失速率高。指从钻头破碎岩石出现新界面开始直到钻井液中固相和高聚物在井壁上开始形成泥饼这段时间。

⑵、动滤失特点：开始滤失量较大，随后逐渐减小直至稳定在某一定值。在钻井

液循环情况下，瞬时滤失之后直到泥饼增厚速度与被冲刷速度达到平衡止。

⑶、静滤失特点：随滤失进行，泥饼逐渐增厚滤失量逐渐减小。指钻井液停止循环时发生的滤失。

钻井液滤失作用的评价方法：用API 滤失量和HTHP 滤失量衡量。

API 滤失量指常温下,压差0.69MPa,渗滤面积为45.8cm 2,30min 滤出的滤液体积(ml)。

三、影响钻井液滤失的因素

1、静滤失的影响因素：

静滤失方程可以近似反映钻井液的滤失规律。（此公式推导前提是泥饼厚度与渗透率不变，与实际情况有出入）

A — 渗滤面积，cm 2；

K —泥饼渗透率，μm 2；

△p —渗滤压力，105 Pa ；

μ—滤液粘度，0.1mPa.s ；

t —渗滤时间，s ；

f sc —泥饼中固相体积分数；

f sm —钻井液中固相体积分数；

由静滤失方程可知，静滤失量与时间的平方根、压力差的平方根成正比，与滤液黏度的平方根成反比。此外，温度越高静滤失量越大，固相含量少，固相颗粒尺寸范围分布宽静滤失量越低。

2、动滤失的影响因素：

式中各符号代表的意义同前。

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。

μt f f p k A V sm sc f ⋅-∆=)1(2mc f h Pt KA V .μ∆=

图中给出了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。从曲线的变化趋势看出，每一种降滤失剂都有一个最优加量。不是加量越大越好。同一处理剂对动、静滤失效果控制不一致，可以从处理剂形成泥饼的抗剪切强度去分析。泥饼抗剪切强度低，在钻井液循环液流冲刷下，泥饼厚度变薄导致滤失量增大。

四、钻井液滤失性对钻井的影响

钻井要求钻井液具有低失水量和薄而致密的泥饼，在失水和泥饼质量这两个因素中，泥饼质量是主要的。应根据地层特点，适当控制滤失量。

1、钻井液滤失量大会引起以下问题：

（1）水敏性泥页岩地层被长时间浸泡后对泥页岩地层，引起岩层水化膨胀、剥落，井径缩小或扩大，进而引起卡钻、起下钻遇阻或其它井下复杂情况。

（2）对裂隙发育的破碎性地层，滤液渗入裂隙会降低岩层层面之间的摩擦阻力，钻进过程，在钻具的敲击下引起岩块坍塌，进而引起卡钻。

（3）水分渗入储层使储层粘土膨胀，油气层渗透率降低，从而损害油气层，使生产能力下降。

2、引起高滤失量的主要原因：

（1）污染物（水泥、石膏、盐、碳酸根离子等）进入钻井液体系引起固相絮凝

（2）用水或盐水过分稀释；

（3）离心机除去胶体固相过多，膨润土含量降低；

（4）钻井液中固相颗粒大小分布不好；

（5）缺少控制滤失的处理剂

（6）聚合物降滤失剂高温降解

（7）钻井液没有得到应有的反絮凝处理。

3、泥饼质量不好的危害：

（1）钻井液循环时，如果在井壁上形成的泥饼过厚，则会减小井的有效直径，钻具与井壁的接触面积增大，从而有可能引起各种钻井问题，如旋转时扭距增大，起下钻遇阻以及高的抽吸与波动压力，功率消耗增加，甚至引起井壁垮塌或造成井漏、井涌等事故。在液柱压力和地层压力作用下，厚的泥饼易引起粘附卡钻事敢；而处理卡钻事故的费用是相当昂贵的。

（2）易泥包钻头或堵死钻头水眼。

（3）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。

（4）妨碍套管下入，影响固井水泥浆与井壁间的胶结。

（5）电测易遇阻遇卡，影响井壁取样。

（6）此外，泥饼过厚会造成测井工具、打捞工具不能顺利下至井底；同时泥饼过厚，还会影响测试结果的正确性，甚至会影响发现低压生产层。

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；使用不分散处理剂放宽，使用分散处理剂从严；钻井液矿化度高时放宽，矿化度低时从严。

总之，要从钻井实际出发，以井下情况是否正常为依据，适时测定并及时调整钻井液的滤失量。

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，HTHP滤失量＜12ml

钻储层：API滤失量＜5ml，HTHP滤失量＜10ml

0——3000m：API滤失量≤15ml，

3000-5000m：API滤失量≤5ml，HTHP滤失量＜15ml

超过 5000m：API滤失量≤5ml，HTHP滤失量＜10ml

要注意提高滤饼质量，尽可能形成薄、韧、致密及润滑性好的滤饼，以利于固壁和避免压差卡钻。在我国，大多数油田要求，钻开储层时API滤失实验测得的滤饼厚度不得超过1 mm。

加强对钻井液滤失性能的检测。正常钻进时，应每4h测一次常规滤失量。对定向井、丛式井、水平井、深井和复杂井要增测HTHP滤失量和泥饼的润滑性，对其要