第四章鉆井液的濾失性

1、第四章第四章 鉆井液的濾失造壁性鉆井液的濾失造壁性本章要點：本章要點：1、掌握有關的基本概念；2、鉆井液濾失過程、濾失方程、影響因素及其調(diào)整；3、了解鉆井液濾失造壁性與鉆井的關系第四章第四章 鉆井液的濾失造壁性鉆井液的濾失造壁性濾失造壁性：濾失造壁性：鉆井液的濾失造壁性能主要是指鉆井液濾失量的大小和所形成的泥餅的質(zhì)量 ； 與鉆井液濾失造壁性有關的鉆井問題：與鉆井液濾失造壁性有關的鉆井問題： （1）井下事故的發(fā)生 ； （2）井壁穩(wěn)定； （3）提高鉆井速度 （4）保持井眼規(guī)則和保證井下安全。第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念1、濾失： 在壓力差的作用下，鉆井液中的自由水向井壁巖石的孔隙或縫隙中滲透的現(xiàn)

2、象，稱為鉆井液的濾失作用。通常我們用濾失量（Filtration Loss）或失水量(Water Loss)來表示濾失性的強弱。兩個基本條件：存在壓差和存在孔隙或裂縫 2、造壁性：隨著鉆井液在井壁的濾失，自由水進入地層，鉆井液中的固相顆粒（包括鉆井液添加劑分子或顆粒、鉆屑的細分散顆粒等）便附著在井壁上形成泥餅（Mud Cake或Filter Cake），也可以進入地層一定深度，即鉆井液的造壁性。 第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念 鉆井液中粘土顆粒越多、分散越細、膠體體系越穩(wěn)定（沒有被鹽、鈣或其他因素所破壞），形成的泥餅就會薄而致密，鉆井液濾失量小，而且井壁越穩(wěn)定，井下復雜事故越少。如果固相顆粒分

3、散較粗，細顆粒少，形成的泥餅就會厚而發(fā)虛，鉆井液濾失量大，容易造成井壁不穩(wěn)定，泥包鉆頭、起鉆遇阻等現(xiàn)象。 第一節(jié)第一節(jié) 基本概念基本概念3、鉆井液濾失過程 （1）、瞬時濾失（Spurt Loss）特點：沒有泥餅，濾失速率很大，濾失時間很短，濾失量不大。（2）、動濾失（Dynamic Filtration）特點：壓差大，等于靜液柱壓力加上環(huán)空壓力降和地層壓力之差，泥餅厚度厚度維持不變，且較薄，單位時間的濾失量開始較大，隨后逐漸減小，最后穩(wěn)定在某一固定值。（3）、靜濾失（Static Filtration）特點：壓差不太大，泥餅較厚，單位時間濾失量一般比動濾失量小。 第二節(jié)第二節(jié)鉆井液濾失量的測定

4、及其影響因素鉆井液濾失量的測定及其影響因素 鉆井液濾失量的測定包括靜濾失和動濾失，靜濾失量的測定通常采用API測試，測試裝置主要有低溫低壓濾失儀和高溫高壓濾失儀兩種，高溫高壓濾失儀又分為42型（3.5MPa/150）和71型（180）。動濾失量的測定儀器較多，但沒有統(tǒng)一的評價標準，鉆井液濾失量的研究與測定主要為靜濾失量。1、API濾失量測定儀（HAPI Filter Press） API濾失量測定儀是最常用的低溫低壓條件下的評價鉆井液濾失量的裝置，其滲濾面積為45.82，實驗壓差為實驗壓差為0.69MPa（100psi），），測試溫度一般為室溫，濾失時間30分鐘，濾失材料為符合標準的直徑為90

5、mm的濾紙。但是室內(nèi)試驗往往測定0.7 Mpa，7.5min的濾失量，為什么？濾失方程和影響因素時再講。一、濾失量的測定一、濾失量的測定第二節(jié)第二節(jié)鉆井液濾失量的測定及其影響因素鉆井液濾失量的測定及其影響因素2、高溫高壓濾失量測定儀、高溫高壓濾失量測定儀（HTHP Filter Press） 我們有時候需要了解鉆井液在井下的性能，包括高溫高壓流變性，高溫高壓濾失性等。因此，我們需要測定鉆井液的高溫高壓濾失量。測量儀器主要為高溫高壓濾失儀，符合API高溫高壓濾失量標準，國內(nèi)使用的主要是模擬Baroid公司GGS-42型，實驗條件為：3.5Mpa壓差，溫度150。測量時間30min，當然濾失面積比

6、常溫API濾失儀小一半。因此，測得的濾失量應該乘以2，才為鉆井液的實際高溫高壓濾失量。強調(diào)一點濾紙必須符合API標準，因為濾紙的差別，濾失量差別會非常大。 71型高溫高壓失水儀，可以做180以下鉆井液濾失量，壓力也可以更高一點。當溫度高于204時，濾紙容易發(fā)生焦糊，一般采用金屬過濾介質(zhì)或與之相當?shù)亩嗫走^濾介質(zhì)盤。3、動濾失量測定儀、動濾失量測定儀動濾失量的測定至今沒有統(tǒng)一的國際標準，因此，動濾失儀也就各不相同。第二節(jié)第二節(jié)鉆井液濾失量的測定及其影響因素鉆井液濾失量的測定及其影響因素二、鉆井液靜濾失量的影響因素二、鉆井液靜濾失量的影響因素1、靜濾失方程、靜濾失方程靜濾失量的特點是鉆井液處于靜止狀

7、態(tài)，在壓差作用下形成泥餅，且泥餅厚度隨濾失時間延長而增厚，是一個變量。為了研究鉆井液的濾失規(guī)律，首先我們需要作以下假設：a. 假設泥餅的滲透率應該遠遠小于地層滲透率；b. 假設鉆井液的濾失規(guī)律與流體在地層中的滲透規(guī)律類似，應該遵守達西滲透定律；c. 泥餅的厚度與井眼直徑相比非常?。籨. 泥餅為平面型；e. 泥餅在研究過程中厚度不變；f. 泥餅不可壓縮，因此泥餅的滲透率為定值，在研究過程中不變。第二節(jié)第二節(jié)鉆井液濾失量的測定及其影響因素鉆井液濾失量的測定及其影響因素 達西定律：在單位時間內(nèi)單位壓差下通過單位長度滲透介質(zhì)單位截面積的流體的量。LPtAKQ 其中：Q體積流量，3；K滲透率，達西 ，m

8、2，但是達西的單位太大，一般使用毫達西，mm2；A滲透面積，2；P壓差，大氣壓，atm；t滲濾時間，s；流體的粘度，厘泊（cp），mPas；L滲濾介質(zhì)長度，。 反之 PtALQK10-8cm2=達西（m2）第二節(jié)第二節(jié)鉆井液濾失量的測定及其影響因素鉆井液濾失量的測定及其影響因素mcfhpKAdtdVdtdVf在這些假設的基礎上，根據(jù)達西滲透定律，可以推導出泥餅的濾失速率方程 其中： 濾失速率，cm3/s；Vf濾失體積，即濾失量，cm3；t濾失時間，s；hmc泥餅厚度，cm。流體的粘度， mPas （1）第二節(jié)第二節(jié)鉆井液濾失量的測定及其影響因素鉆井液濾失量的測定及其影響因素 另外，我們認為在滲

9、濾期間，在任何時間t 內(nèi)，滲濾體積Vm的鉆井液中被過濾的固相體積等于沉積在泥餅上的固相體積（與動濾失的區(qū)別）：AhfVfmcscmsm所以： smfscf其中：鉆井液中的固相分數(shù)；泥餅中固相的體積分數(shù) 前面講粘土膠體化學時，我們講過，粘土顆粒在水中分散，表面吸附了一層水化反離子，形成了吸附溶劑化層，所以沉積過程中攜帶著吸附水（水化膜）一起沉積。 AhfVAhfmcscfmcsm所以： 1smscfsmscfsmmcffAVffAVfh可以推出： 第二節(jié)第二節(jié)鉆井液濾失量的測定及其影響因素鉆井液濾失量的測定及其影響因素代入（1）式得：tffpKAVsmscf12第二節(jié)第二節(jié)鉆井液濾失量的測定及其

10、影響因素鉆井液濾失量的測定及其影響因素2、影響鉆井液濾失量的因素、影響鉆井液濾失量的因素a.濾失時間濾失時間 把濾失面積除過來，VfA，稱為單位面積濾失量，與哪些因素有關呢？從公式可以看出，與滲透率、濾失壓差、濾失時間、濾液粘度以及泥餅固相含量與鉆井液固相含量的比值有關。VfAt1/2，如果不考慮鉆井液的瞬時濾失量，單位面積濾失量與時間的平方根成直線關系。測定鉆井液API濾失量時，應該以30min計算，但我們一般只測7.5min，然后乘以2。但實際上鉆井液存在瞬時濾失，如果瞬時濾失比較大，或者確實需要準確計量的時候，可以利用濾失量與濾失時間的平方根的關系曲線來確定。瞬時濾失的計算可以根據(jù)下式：

11、spspspVVVVVV5 . 75 . 73022第二節(jié)第二節(jié)鉆井液濾失量的測定及其影響因素鉆井液濾失量的測定及其影響因素b、濾失壓差、濾失壓差 從公式可以推出，鉆井液的濾失量與濾失壓差的平方根成正比，即如果泥餅不可壓縮，壓差增大，濾失量增加。但是泥餅具有壓縮性，滲透率降低，所以濾失壓差對鉆井液濾失量的影響是一分為二的，具體哪個因素對鉆井液的濾失量影響更大一些，要看具體情況，主要是鉆井液性質(zhì)、泥餅的可壓縮性。c、濾液的粘度和溫度對濾失量的影響、濾液的粘度和溫度對濾失量的影響 從公式可以看出，濾失量與濾液粘度的平方根成反比，即隨著鉆井液粘度的增加濾失量降低。濾液粘度與有機高分子處理機的加量以及

12、鉆井液的大溫度有關。一般情況下，流體的粘度隨著高分子加量的增大而升高，隨溫度的增加而降低。對于相同溫度下的鉆井液我們可以通過提高鉆井液粘度的方法降低濾失量。第二節(jié)第二節(jié)鉆井液濾失量的測定及其影響因素鉆井液濾失量的測定及其影響因素d、固相含量和類型的影響、固相含量和類型的影響1smscff鉆井液固相含量越高，而泥餅中固相含量越小，濾失量越小。但是我們知道鉆井液的固相含量會嚴重影響鉆速，固相含量越高鉆速越低，因此，鉆井液的固相含量不能夠提得很高，我們只能從泥餅著手，減小泥餅固相含量。 減小泥餅固相含量的方法，一是采用優(yōu)質(zhì)膨潤土配漿，優(yōu)質(zhì)膨潤土分散性好、固相顆粒細、水化好、水化膜厚，所以形成的泥餅固

13、相含量分數(shù)低。二是加入有機高分子處理劑，可以吸附在粘土顆粒表面，有效降低泥餅固相含量。成正比根據(jù)鉆井液靜濾失方程，濾失量應該與也就是說：第二節(jié)第二節(jié)鉆井液濾失量的測定及其影響因素鉆井液濾失量的測定及其影響因素PALQKLPAKQ達西定律： 但實際上就某一均勻介質(zhì)，其滲透率是一定的，變化的是流量。也就是說： 對于鉆井液，往往泥餅是泥餅越厚鉆井液的濾失量越大，泥餅越薄濾失量越小。主要原因是泥餅的滲透性存在差別。一般情況下（以API失水為例），泥餅越薄說明泥餅的壓實程度比較大，比較致密，滲透性差，所以濾失量小。 泥餅的滲透性還受粘土顆粒直徑、處理劑種類、性能等因素有關。粘土顆粒細泥餅的孔隙小且少，泥

14、餅比較致密，降濾失劑的存在也會通過不同的方式影響濾失量，化學吸附、物理封堵等等，使?jié)B透率降低。 就公式而言，滲透率與滲透介質(zhì)長度成正比，才是本質(zhì)公式。滲透率只是一個計算式。e. 泥餅壓實性與滲透性對濾失量的影響泥餅壓實性與滲透性對濾失量的影響第二節(jié)第二節(jié)鉆井液濾失量的測定及其影響因素鉆井液濾失量的測定及其影響因素f、地層滲透率對鉆井液濾失量的影響、地層滲透率對鉆井液濾失量的影響 在推導鉆井液靜濾失量公式時我們曾經(jīng)假設，泥餅的滲透率遠遠小于地層滲透率，不考慮地層滲透率對鉆井液靜濾失的影響。實際上地層存在大量的孔隙和裂縫，具有一定滲透性。要不我們的油從哪兒來，即使有油又怎么采出來。也正因為地層存在

15、滲透性，鉆井液才會在壓差作用下向地層濾失形成泥餅。在泥餅尚未形成之前，地層是泥漿濾失的第一滲透介質(zhì)，所以地層滲透性大小決定了鉆井液瞬時濾失量的大小。泥餅形成之后，才逐漸對濾失起主要作用，地層成為第二濾失介質(zhì)。室內(nèi)試驗也是一樣，你得首先給它一個滲濾介質(zhì)（濾紙），它的滲透率比較小，允許液相和部分小顆粒通過，而留下大的顆粒，才能逐漸形成泥餅。 如果地層滲透率很大或者有裂縫存在，甚至會發(fā)生漏失，鉆井液固相顆粒太小，不能夠堵塞或架橋在井壁處形成泥餅，此時的濾失量就非常大了。第二節(jié)第二節(jié)鉆井液濾失量的測定及其影響因素鉆井液濾失量的測定及其影響因素g. 絮凝與聚結對泥餅滲透率的影響絮凝與聚結對泥餅滲透率的影

16、響 鉆井液的絮凝使得顆粒之間形成網(wǎng)架結構，鉆井液中自由水增加，滲透率會有所增加，如前所講受鈣污染鉆井液產(chǎn)生絮凝，粘度增加但失水增加。網(wǎng)架結構的存在，使其對濾失壓差具有一定的抵抗力，絮凝程度越高，顆粒間的引力越大，其結構越強，對壓差的抵抗能力越強，越不容易形成致密泥餅，泥餅的滲透率就愈大。如果鉆井液不但絮凝而且伴隨著聚結則泥餅的滲透率就會進一步增大。 例：樹脂類產(chǎn)品檢測。三人檢測一個樣品例：樹脂類產(chǎn)品檢測。三人檢測一個樣品4個數(shù)據(jù)各不相同個數(shù)據(jù)各不相同。 在鉆井液中加入降粘劑（稀釋劑），其作用產(chǎn)生反絮凝，或者說使絮凝顆粒分散，拆散網(wǎng)架結構，就會使泥餅滲透率降低。大多數(shù)降粘劑是一價鹽：鈉鹽或銨鹽，

17、一價陽離子可以與粘土顆粒表面上的高價陽離子發(fā)生離子交換，使聚結狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚顟B(tài)，從而降低泥餅滲透率。 第二節(jié)第二節(jié)鉆井液濾失量的測定及其影響因素鉆井液濾失量的測定及其影響因素3、動濾失、動濾失 a. 鉆井液流動的影響鉆井液流動的影響 鉆井液在循環(huán)流動過程中的濾失過程稱為動濾失。影響動濾失的因素與靜濾失相似，時間、壓差、粘土類型、處理劑等，除此之外還受鉆井液流動的影響，主要表現(xiàn)為剪切速率和鉆井液流態(tài)對動濾失的影響。動濾失過程中，泥餅受鉆井液流動的影響，泥餅的厚度受到限制，剛開始，厚度增加較快，值后會逐漸變慢，到形成速度等于沖蝕速度時泥餅厚度不再增加。 鉆井液流態(tài)不同對井壁的沖刷能力不同，紊流的

18、沖刷力最強，泥餅最薄，平板型層流泥餅厚度居中。尖峰型層流泥餅最厚。 b. 鉆井液處理劑的影響鉆井液處理劑的影響 鉆井液處理劑對動濾失量的影響規(guī)律與靜濾失影響規(guī)律不同，這可能與處理劑在泥餅中作用有關，對泥餅剪切強度增加較大的降濾失效果較好，泥餅剪切強度增加較小的處理劑，降低濾失量效果也較差。4、瞬時濾失、瞬時濾失一般說瞬時濾失時間很短，濾失量很小，在總濾失量當中所占比例較小。第三節(jié)第三節(jié) 鉆井液濾失性與鉆井的關系鉆井液濾失性與鉆井的關系一、鉆井液濾失量與鉆井作業(yè)的關系一、鉆井液濾失量與鉆井作業(yè)的關系 一般說鉆井液液柱壓力要大于地層孔隙壓力，以防止地層流體進入井眼，發(fā)生井下復雜。鉆井液與地層之間存

19、在一定壓差，鉆井液在壓差作用下進入地層孔隙，即使有些情況下液柱壓力小與地層孔隙壓力，鉆井液自由水相也可能由于毛細管作用，裂縫或顆粒表面進入地層（前面講過粘土礦物的水化機理之一，毛細管作用）。 鉆井液濾液進入地層會產(chǎn)生什么樣的危害呢？對于裂縫性地層、硬脆性地層、活性泥頁巖地層等會引起地層粘土礦物水化膨脹分散、剝落掉塊等井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象；如果是油氣層，濾液侵入會引起儲層粘土礦物膨脹，減小油氣流動通道，降低油氣層滲透率，鉆井液固相的侵入會堵塞儲層孔隙，降低儲層滲透率，總之都會造成油氣層損害，降低油氣層產(chǎn)能，造成能源的巨大浪費。 鑒于以上原因，我們希望鉆井液濾失量越小越好。由于要考慮鉆井液的流動性、成本

20、等因素，鉆井液的濾失量不可能很小。只能根據(jù)具體情況，井深、巖層滲透性、井身結構等具體考慮。 第三節(jié)第三節(jié) 鉆井液濾失性與鉆井的關系鉆井液濾失性與鉆井的關系 在實際鉆進過程中，鉆井液的濾失量是不斷變化的，總的原則是：淺層可以稍大，深層必須減小，非儲層可以稍大，儲層必須減小；盡快在井壁形成薄而致密、滲透率小的泥餅，有利于保護井壁、避免壓差卡鉆。書上給出了對鉆井液濾失性能的一般要求，我想這只是一個死數(shù)字，沒有實際意義，在此也就不多加解釋。因為鉆井液濾失量的大小與鉆井液選型、地層滲透率、鉆井液成本有關。 對于大斜度井、大位移井、水平井等特殊工藝井，不僅要求鉆井液濾失量低，還要求泥餅具有良好的潤滑性，防止粘附卡鉆、鍵槽卡鉆等。 另外，適當?shù)臑V失量對提高機械鉆速是有利的，瞬時濾失量較大時，鉆頭下面的已經(jīng)被鉆頭破碎的巖石在各個方向上的壓力能夠迅速達到平衡，使巖屑能及時離開井底，減輕壓持效應，提高鉆頭的破巖效率。二、地層對鉆井液濾失性能的要求二、地層對鉆井液濾失性能的要求 第三節(jié)第三節(jié) 鉆井液濾失性與鉆井的關系鉆井液濾失