鉆井液工藝學(xué)-第四章

第四章鉆井液的濾失和潤(rùn)滑性能

1.掌握三個(gè)（瞬、靜、動(dòng)）失水概念。

2.掌握五個(gè)公式。

3.熟悉七個(gè)影響因素。

4.鉆井液潤(rùn)滑性及其評(píng)價(jià)。與鉆井液濾失有關(guān)的鉆井問(wèn)題：1、井壁穩(wěn)定2、油氣層保護(hù)3、鉆井速度4、井下安全與鉆井液潤(rùn)滑性有關(guān)的鉆井問(wèn)題：1、鉆具的扭矩、磨損和疲勞2、起下鉆鉆柱的摩擦阻力3、鉆柱的旋轉(zhuǎn)阻力4、壓差卡鉆、鉆頭泥包水基鉆井液中的水水基鉆井液=固相+水+處理劑鉆井液中的水由三部分組成：結(jié)晶水（化學(xué)結(jié)合水）——粘土礦物晶體構(gòu)造的組成部分。吸附水（束縛水）——由固相顆粒分子間力吸附的水化膜。自由水

——鉆井液中自由移動(dòng)的水，分散介質(zhì)。特點(diǎn)：占總水量中的絕大部分。水在泥漿中所呈狀態(tài)吸附水結(jié)晶水自由水2第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素濾失：在壓差作用下，鉆井液中的自由水向井壁巖石的裂隙或孔隙中滲透的現(xiàn)象。造壁性：在濾失過(guò)程中，隨著鉆井液中的自由水進(jìn)入巖層，鉆井液中的固相顆粒便附著在井壁形成泥餅。泥餅的作用降低濾失量保護(hù)井壁第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素1）瞬時(shí)濾失濾失類(lèi)型及特點(diǎn)鉆井液與新地層接觸的瞬間，泥餅尚未形成時(shí)的濾失。特點(diǎn)：時(shí)間短（t<2秒)；比例小。

主要是向井底失水。時(shí)間短而量大（濾失速率大），伴有少量泥漿滲失。存在于整個(gè)鉆井過(guò)程中。第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素2）動(dòng)濾失鉆井液在循環(huán)過(guò)程中的濾失。特點(diǎn)：泥餅形成、增厚與沖蝕處于動(dòng)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漸恒定（高滲透率低滲透率=C）存在于整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，時(shí)間長(zhǎng)，累積失水量大。

第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素3）靜濾失鉆井液停止循環(huán)時(shí)發(fā)生的濾失。特點(diǎn)：失水速率小、失水量較小。泥餅厚（無(wú)沖蝕作用）。

同時(shí)向井壁井底失水，以井壁為主。泥餅在動(dòng)失水的基礎(chǔ)上隨時(shí)間增長(zhǎng)而增厚。失水速度隨靜止時(shí)間的增長(zhǎng)而減少。靜失水量<動(dòng)失水量失水造壁性與鉆井工作的關(guān)系1.失水量過(guò)大兩個(gè)害處：導(dǎo)致水敏性泥頁(yè)巖縮徑、垮塌。油氣層內(nèi)粘土水化膨脹使產(chǎn)層滲透率下降，從而損害油氣層。2.泥餅過(guò)厚兩個(gè)害處：井徑縮小——易引起起下鉆遇阻遇卡。泥餅粘附卡鉆。3.現(xiàn)場(chǎng)要求泥餅

——薄、密、韌。失水量

——適當(dāng)（并非越小越好）。對(duì)于一般地層：API失水：1015ml/30min；

對(duì)于水敏地層：API失水<5ml/30min。10失水與鉆井的關(guān)系

向井壁的失水有害①易造成井塌和縮徑

阻、卡、劃②易損害油氣層：阻、堵、沉淀·向井底的失水有利①降低井底巖石強(qiáng)度，增加可鉆性，有利鉆速提高。②消除壓持效應(yīng)，避免重復(fù)切削，有利鉆速提高。顯然：瞬失失水越大，鉆速越高。第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素濾失量影響因素一、靜濾失1、靜濾失方程推導(dǎo)第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素（2）濾失速率第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素（3）hmc~Vf設(shè)在濾失時(shí)間t內(nèi)，有V的鉆井液被濾失掉，則有：又有：第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素聯(lián)立（2）式和（3）式：（4）式代入（1）式并積分，得到：第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素2、靜濾失影響因素（1）濾失時(shí)間t①瞬時(shí)濾失量Vsp=0②瞬時(shí)濾失量Vsp≠0Vf

與t的關(guān)系t1/20Vft1

1/2Vf1t2

1/2Vf2該式實(shí)際上表明了任意時(shí)刻失水量之間的關(guān)系。如果：t1=7.5分鐘；t2=30分鐘；則：Vf30’=2Vf7.5’第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素（2）壓差△P△P↑Vf↑泥餅越致密K↓→Vf↓第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素（3）泥餅滲透率K滲透率K影響因素：第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素（4）固相含量選擇優(yōu)質(zhì)粘土配漿（顆粒水化膜厚）→fsc↓→Vf↓缺點(diǎn)鉆速↓油層損害↑流變性變差鉆井液固含↑→fsm↑→vf↓第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素（5）濾液粘度μ濾液粘度μ影響因素：溫度↑→μ↓高分子處理劑→μ

↑（6）滲濾面積A靜失水影響因素有：①時(shí)間：t↗，Vf↗。②壓差：ΔP↗，Vf↗。泥餅可壓縮性好時(shí)則不然。③固相含量、類(lèi)型及級(jí)配④泥餅滲透濾：K↘，Vf↘。⑤濾液粘度：μ↗，Vf↘。⑥溫度：溫度↗，μ↘則Vf↗。上述因素中，泥餅滲透率的影響是關(guān)鍵。

第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素3、靜濾失測(cè)量（1）API濾失量（2）HTHP濾失量例：測(cè)得鉆井液1min濾失量為6.5ml,7.5min濾失量為14.2ml,試求這種鉆井液瞬時(shí)濾失量和API濾失量?解:由靜濾失基本方程可推出如下方程(兩點(diǎn)法)

鉆井液瞬時(shí)濾失量為:

Vsp=6.5－(14.2－6.5)/(7.50.5－10.5)=2.07(ml)

鉆井液API濾失量為:VAPI=2V7.5－Vsp=2×14.2-2.07

=26.33(ml)V30=26.33(ml)Vsp=2.07(ml)第一節(jié)鉆井液濾失量的影響因素二、瞬時(shí)濾失瞬時(shí)濾失的影響因素：

①壓差：ΔP↗，瞬時(shí)失水量↗。②粘度：粘度↗，瞬時(shí)失水量↘。③固相顆粒大小與多少。三、動(dòng)濾失影響動(dòng)失水的因素：①影響靜失水的因素同樣影響動(dòng)失水。②環(huán)空返速

·紊流：返速高，沖蝕大，動(dòng)失水大。

·層流：返速低，沖蝕小，動(dòng)失水小。

·平板型層流：返速低，沖蝕小，動(dòng)失水小。③泥餅強(qiáng)度：強(qiáng)度高，不易沖蝕，動(dòng)失水小。第二節(jié)鉆井液濾失造壁性與鉆井的關(guān)系一.濾失量與鉆井的關(guān)系濾失量大井壁不穩(wěn)定損害油層濾失量小增加成本影響鉆速鉆井要求：濾失量適中一般地層FLAPI<10mlFLHTHP<20ml易塌地層FLAPI<5mlFLHTHP<15ml控制失水量原則：五嚴(yán)五寬五嚴(yán)：井深、裸眼長(zhǎng)、礦化度低、油氣層段、易塌層段。五寬：井淺、裸眼短、礦化度高、非油氣層、穩(wěn)定井段。11第二節(jié)鉆井液濾失造壁性與鉆井的關(guān)系二.濾液性質(zhì)與鉆井的關(guān)系1、濾液pH值一般要求鉆井液pH值在8~11之間。2、礦化度礦化度↑井壁穩(wěn)定性↑處理劑使用效果↓第二節(jié)鉆井液濾失造壁性與鉆井的關(guān)系三.造壁性（泥餅）與鉆井的關(guān)系1、泥餅厚度泥餅過(guò)厚壓差卡鉆測(cè)量工具遇阻鉆頭泥包固井質(zhì)量2、泥餅滲透率K：K↓→濾失量Vf↓3、泥餅韌性好，抗鉆井液沖刷能力強(qiáng)4、潤(rùn)滑性要好鉆井要求：泥餅薄、致密、韌性好、摩阻小第二節(jié)鉆井液濾失造壁性與鉆井的關(guān)系四.鉆井液濾失造壁性調(diào)節(jié)1、調(diào)節(jié)依據(jù)：調(diào)節(jié)泥餅滲透率2、調(diào)節(jié)方法第三節(jié)鉆井液的潤(rùn)滑性能一.鉆井對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性要求鉆井要求鉆井液具有良好的潤(rùn)滑性注：鉆井液的潤(rùn)滑性在大斜度井、水平井、開(kāi)窗側(cè)鉆、叢式井鉆井中尤為重要。

第三節(jié)鉆井液的潤(rùn)滑性能二.鉆井液潤(rùn)滑性的影響因素1、鉆井作業(yè)中摩擦現(xiàn)象的特點(diǎn)在鉆井過(guò)程中，按摩擦副表面潤(rùn)滑情況，摩擦可分為以下三種情況：

a-邊界摩擦；b-干摩擦或障礙摩擦c-流體摩擦三種不同潤(rùn)滑模式示意圖

第三節(jié)鉆井液的潤(rùn)滑性能

①邊界摩擦：兩接觸面間有一層極薄的潤(rùn)滑膜，摩擦和磨損不取決于潤(rùn)滑劑的粘度，而是與兩表面和潤(rùn)滑劑的特性有關(guān)，如潤(rùn)滑膜的厚度和強(qiáng)度、粗糙表面的相互作用以及液體中固相顆粒間的相互作用。有鉆井液的情況下，鉆鋌在井眼中的運(yùn)動(dòng)等屬邊界摩擦。

②干摩擦（無(wú)潤(rùn)滑摩擦）：又稱(chēng)為障礙摩擦，如空氣鉆井中鉆具與巖石的摩擦，或井壁不規(guī)則情況下，鉆具直接與部分井壁巖石接觸時(shí)的摩擦.

③流體摩擦：由兩接觸面間流體的粘滯性引起的摩擦。實(shí)際上，鉆井過(guò)程中的摩擦多微混合摩擦①③共存為主。第三節(jié)鉆井液的潤(rùn)滑性能2、鉆井液潤(rùn)滑性的主要影響因素1）固相類(lèi)型，顆粒形狀及尺寸,粘度粘土>鉆屑>加重劑不規(guī)則>片狀>球狀小尺寸>大尺寸2）泥餅質(zhì)量：越致密、均勻、薄而光滑越好（井壁巖石特性）3）有機(jī)高分子處理劑改善泥餅質(zhì)量，在井壁上形成吸附膜，降低摩擦力4）潤(rùn)滑劑：多級(jí)復(fù)配優(yōu)于單劑，混油不如潤(rùn)滑劑。5）濾失性、巖石條件、地下水和濾液PH值的影響第三節(jié)鉆井液的潤(rùn)滑性能三.鉆井液潤(rùn)滑劑1、液體類(lèi)潤(rùn)滑劑類(lèi)型：礦物油、植物油和表面活性劑作用原理：通過(guò)在金屬、巖石和粘土表面形成吸附膜，減少鉆具對(duì)井壁和套管的摩擦。第三節(jié)鉆井液的潤(rùn)滑性能2、固體類(lèi)潤(rùn)滑劑類(lèi)型：塑料小球、石墨、玻璃微珠等作用原理：多數(shù)固體潤(rùn)滑劑類(lèi)似細(xì)小滾珠，將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，因而可以大幅度降低扭矩和阻力。第三節(jié)鉆井液的潤(rùn)滑性能瀝青類(lèi)處理劑的潤(rùn)滑機(jī)理

瀝青類(lèi)處理劑主要用于改善泥餅質(zhì)量和提高其潤(rùn)滑性。瀝青類(lèi)物質(zhì)親水性弱，親油性強(qiáng)，可有效地涂敷在井壁上、在井壁上形成一層油膜。這樣，即可減輕鉆具對(duì)井壁的摩擦，又可減輕鉆具對(duì)井壁的沖力作用。由于瀝青類(lèi)處理劑的作用，井壁巖石由親水轉(zhuǎn)變?yōu)樵魉?，所以，可阻止濾液向地層滲透。第三節(jié)鉆井液的潤(rùn)滑性能潤(rùn)滑性能測(cè)定儀器滑板式泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)測(cè)定儀泥餅粘附系數(shù)測(cè)定儀鉆井液極壓潤(rùn)滑儀(簡(jiǎn)稱(chēng)EP潤(rùn)滑儀)潤(rùn)滑性能評(píng)價(jià)儀(簡(jiǎn)稱(chēng)LEM潤(rùn)滑儀)泥餅針入度計(jì)(FilterCakePenetrometer)井眼摩擦模擬裝置卡鉆系數(shù)測(cè)定儀第三節(jié)鉆井液的潤(rùn)滑性能粘滯系數(shù)測(cè)定儀EP潤(rùn)滑儀第三節(jié)鉆井液的潤(rùn)滑性能泥餅?zāi)ψ柘禂?shù)測(cè)定儀在儀器臺(tái)面傾斜的條件下，放在泥餅上的滑塊受到向下的重力作用，當(dāng)滑塊的重力克服泥餅的粘滯力后開(kāi)始滑動(dòng)。測(cè)量開(kāi)始時(shí)，將由濾失試驗(yàn)得到的新鮮泥餅放在儀器臺(tái)面上，滑塊壓在泥餅中心停放5min。然后開(kāi)動(dòng)儀器，使臺(tái)面升起，直至滑塊開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)為止。讀出臺(tái)面升起的角度。此升起角度的正切值即為泥餅的粘滯系數(shù)。第三節(jié)鉆井液的潤(rùn)滑性能不同鉆井液的摩阻系數(shù)（極壓潤(rùn)滑儀測(cè)得）空氣與油處于潤(rùn)滑性的兩個(gè)極端位置，而水基鉆井液的潤(rùn)滑性處于其間。摩擦系數(shù)空氣為0.5，清水為0.35，柴油為0.07。大部分油基鉆井液的摩阻系數(shù)在0.08～0.09之間，各種水基鉆井液的摩阻系數(shù)在0.20～0.35之間，如加有油品或各類(lèi)潤(rùn)滑劑，則可降到0.10以下。第三節(jié)鉆井液的潤(rùn)滑性能對(duì)大多數(shù)水基鉆井液來(lái)說(shuō)，摩阻系數(shù)維持在0.20左右時(shí)可認(rèn)為是合格的。水平井要求鉆井液的摩阻系數(shù)應(yīng)盡可能保持在0.08～0.10范圍內(nèi)，以保持較好的摩阻控制。因此，除油基鉆井液外，其它類(lèi)型鉆井液的潤(rùn)滑性能很難滿(mǎn)足水平井鉆井的需要，但可以選用有效的潤(rùn)滑劑改善其潤(rùn)滑性能，以滿(mǎn)足實(shí)際需要。

改善鉆井液潤(rùn)滑性能方法：合理使用潤(rùn)滑劑降低摩阻系數(shù)；通過(guò)改善泥餅質(zhì)量增強(qiáng)泥餅潤(rùn)滑性

55.510.5141726φ,格數(shù)36100200300600n,rpm①判斷該漿的剪切稀釋性是否符合鉆井一般要求。②試求流速梯度（剪切速率）γ=200s-1和γ=7000s-1