第四章钻井液的滤失和润滑性能

井内钻井液滤失的全过程
动滤失(Dynamic Filtration) 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。 特点：压力差较大，它等于静液柱压力加上环空压 力降和地层压力之差，泥饼厚度维持在较薄的水平， 单位时间的滤失量开始较大，其后逐渐咸小，直至稳 定在某一值。
影响钻井液滤失量的因素
滤液的粘度、温度对滤失量的影响 由静滤失方程可知，钻井液滤失量与滤液粘度的 平方根成反比。即可以通过提高滤液粘度以降低滤 失量。 温度升高可以几种方式导致滤失量增加 1）温度升高，溶液的粘度降低，滤失量便增大。 2）温度可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 性等方面起作用。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，从而影响泥饼的 渗透性。造成滤失量上升。
影响钻井液滤失量的因素
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 (右图)，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。
影响钻井液滤失量的因素
影响钻井液滤失量的因素
压差对滤失量的影响： 由静滤失方程可知，滤失量与压力差的平方根成 正比。而钻井液滤失量不—定与压差成平方根关系。 因为钻井液的组成不同，滤失时所形成泥饼的压缩 性也不相同。随压差增大，渗透量减小的程度也有 差异，因而滤失量与压力的关系也不同。
影响钻井液滤失量的因素
从左图可见，在低压差时， 不同钻井液所测得的滤失量 虽然相近，但高压差下却可 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，这对正确选择配浆粘 土和处理剂方案是有意义的。
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：
滤断面（通常用滤纸作为渗滤介质）30分钟
内的滤失量来衡量，单位为：ml/30min。
影响钻井液滤失量的因素
静滤失 钻井液的滤失是一个渗透过程，静滤失的特点是钻 井液处于静止状态。可用静失水方程表示：
影响钻井液滤失量的因素
由上式可以看出，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。 滤失时间对滤失量的影响 从上式我们可以看出，理想状态下，滤失量与时间 的平方根成正比，两者所绘制的直线通过原点。因此， 7.5min的滤失量将是30min滤失量的一半。然而，由于 存在瞬时滤失，在纵轴上形成一定的截距。显然， 7.5min的滤失量乘以2将大于30min滤失量。采用， 7.5min的滤失量乘以2来推导，30min滤失量将带来较 大的误差。
和测量方法。
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，它对松散、
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。 水基钻井液中水以三种形态存在，
水在泥浆中所呈状态
吸附水 结晶水 自由水
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空隙中渗 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。
钻井液的滤失与造壁性
在滤失过程中、随钻井液的自由水进入岩层， 钻井液中固相颗粒便附着在井壁上形成泥饼(Mud cake或Filter cake)(细小颗粒也可能渗入岩层至 一定深度)，这便是钻井液的造壁性，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。
钻井液的滤失与造壁性
泥饼形成示意图
影响钻井液滤失量的因素
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Vf与[(fsc/fsm)-1] 成正比，也就是说钻井液中的固相含量愈高，泥饼中 的固相愈小、则钻井液的滤失量愈小。然而钻井液中 的固相含量增大，机械钻速要显著降低，泥饼要增厚， 因而通过增大fsm值来降低滤失量是不可取的。通常的 办法是减少fsc值，降低泥饼中固相含量的办法是采用 优质土造浆和用有机处理剂。研究结果表明，当钻井 液中的固相含量相同时，随着泥饼中固相含量降低， 钻井液的滤失量会相应地下降(表4—2)。
影响钻井液滤失量的因素
瞬时滤失
此外，在钻进到孔隙大、裂缝发育的砂岩、石灰 岩或白云岩储层时，瞬时滤失会使较多的钻井液和 滤液进入储层，造成储层渗透率下降。因此对用于 储层的钻井液，要求其滤失量越小越好。
钻井液滤失性能的调整与控制
本节主要介绍钻井液滤失性能的评价方法、
其与钻井工作的关系、钻井过程中对钻井液滤 失性能的要求以及如何调整和控制钻井液的性 能等几个方面的问题。
影响钻井液滤失量的因素
实验研究表明，钻井液动滤失时的泥饼厚度是 剪切速率、流态以及泥饼剪切强度的函数。动滤 失量和泥饼厚度与剪切速率的关系，如图4—7和 4—8所示。
影响钻井液滤失量的因素
影响钻井液滤失量的因素
钻井液处理剂的影响 钻井液处理剂的加入对 静滤失和动滤失的影响是不 同的。用某种处理剂使静滤 失达到最小值时，动滤失并 不一定达到最小；有些物质 (如油类)在降低静滤失的同 时，却使动滤失增加。图 4—9给出了部分试验结果。
井内钻井液滤失的全过程
静滤失(Static filtration)： 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。在这一阶段，因
压力差较小，泥饼较厚，故大多数情况下单位时间 内的滤失量比动滤失量小。
井内钻井液滤失的全过程
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。但此时的动滤失 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)。故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。 这样交替进行动滤失和静滤失阶段，便是井内发生滤 失的全过程(如图4—2所示)。
影响钻井液滤失量的因素
3）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进度加剧， 最后失去维持滤失性能的作用。 随着井深增加和地热资源的开发，井内温度和液 柱压力不断增大，人们愈加感到低温低压下的滤失特 性不能说明井下高温高压下的滤失特性。为此，有必 要进行高温高压下滤失特性的研究。
滤失性能的评价方法
滤失性能的评价方法
高温高压滤失量测定仪（HTHP Filter Press) 对于深井钻井液,必须进行高温高压条件的滤失量 评价。API给出了测量高温高压条件下API滤失量的标 准。测量仪器为Baroid公司生产的高温高压滤失仪， 测量压差为3.5MPa，测量时间为30min。由于渗滤面积 只有低温低压滤失仪的一半、因此，按照API标准、应 将30min的滤失员乘以2才是HTHP滤失量。当温度低于 204℃时，使用一种特制的滤纸，当温度高于204℃时， 则使用一种金属过滤介质或相当的穿孔过滤介质盘。 目前国内青岛海信光学通讯有限公司专用仪器厂也生 产符合API标准的高温高压滤失仪。
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” 。
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。
泥饼的渗透性
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，这主要是由于厚泥饼的渗透性大，薄泥 饼的渗透性小的缘故。因此，决定因素是泥饼的渗透 性。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。
影响钻井液滤失量的因素
泥饼的压实性 高压差有利于泥饼的压实，从而影响泥饼的渗透 性能。同时，泥饼的孔隙度受泥饼中颗粒尺寸分布 的影响，因此，泥饼中颗粒尺寸分布同样也影响泥 饼的渗透能力。另外，泥饼的渗透性能还与处理剂 种类和加量有关等。
钻井液与完井液化学
第四章 钻井液Fra Baidu bibliotek滤失和润滑性能
第四章 钻井液的滤失和润滑性能
钻井液的滤失性能(Filtration Properties)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(Lubircity)包括钻井液自身的润滑性能和所
形成的泥饼的润滑性能。这两项性能如控制不好对钻 井和地质工作产生多方面的不利影响。 本章节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
滤失性能的评价方法
滤失性能包括滤失量和泥饼质量、静滤失量的评 价。国内外通常采用API滤失量，测试装置包括低温 低压和高温高压滤失仪两种。动滤失量目前尚未建立 评价标准，所用的仪器有Baroid 动滤失仪以及各自研制的动滤失 装置。 API滤失量测定仪(HAPI Filter Press)：API滤失量测定 仪是最常用的低温低压条件下评 价钻井液滤失量的装置。(见右 图）
影响钻井液滤失量的因素
瞬时滤失 瞬时滤失量的大小对机械钻速有较大的影响。研 究表明，瞬时滤失发生时，高的滤失速率可使滤液分 子迅速进到钻头破碎岩体形成的薄层岩屑底下，可协 助将岩屑薄层从岩体上剥离下来并立即冲走，而不会 在液柱压差下压实，造成重复破碎；并且高的滤失速 率可使破碎岩石的微裂缝扩大，或者使它们不闭合。 因而当瞬时滤失量较大时，特有利于提高机械钻速。 不分散低固相钻井液的钻速高，其原因之一就是因为 它瞬时滤失量明显大于其它钻井液。
影响钻井液滤失量的因素
固相含量和类型对滤失量的影响
影响钻井液滤失量的因素
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，才 能产生滤失，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便不起主要 作用，这是由于泥饼的渗透性一般远远小于岩层 的渗透性。
井内钻井液滤失的全过程
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。
滤失量的评价
滤失量的评价，国内外通常采用API滤
失量，即在规定的压力差下以通过一定的渗