第四章 鉆井液的濾失和潤滑性能.ppt

1、1,2020/10/15,第四章 鉆井液的濾失和潤滑性能,本章要求： 1. 掌握三個（瞬、靜、動）失水概念。 2. 熟悉七個影響因素。 3. 鉆井液潤滑性及其評價。,2,2020/10/15,鉆井液的濾失性能主要是指鉆井液濾失量的大小和所形成泥餅的質(zhì)量。潤滑性能：包括鉆井液自身的潤滑性能和所形成的泥餅的潤滑性能。鉆井液的濾失性能和潤滑性能控制不好對鉆井和地質(zhì)工作產(chǎn)生多方面的不利影響。 主要討論鉆井液濾失量的影響因素，濾失量的測量與控制方法以及鉆井液潤滑性能的影響因素和測量方法。,3,2020/10/15,一、鉆井液的濾失與造壁性,鉆井液的濾失與造壁性是鉆井液的重要性能，對松散、破碎和遇水失穩(wěn)地

2、層(如水化膨脹性地層)的井壁穩(wěn)定有十分重要的影響。 1.鉆井液濾失和造壁性的概念 水基鉆井液中水以三種形態(tài)存在，化學結合水、吸附水以及自由水。在壓差作用下，鉆井液中的自由水向井壁巖石的裂縫或孔隙中滲透，稱為鉆井液的濾失作用，通常采用濾失量或失水量表示濾失性的強弱。鉆井液濾失的兩個前提條件是：存在壓力差和存在裂隙或孔隙性巖石。,4,2020/10/15,在濾失過程中、隨鉆井液的自由水進入巖層，鉆井液中固相顆粒附著在井壁上形成泥餅(細小顆粒也可能滲入巖層至一定深度)，這是鉆井液的造壁性，井壁上形成泥餅后，滲透性減小，阻止或減慢了鉆井液繼續(xù)侵入地層。,5,2020/10/15,鉆井液中細粘土顆粒多，

3、而粗顆粒少。形成的泥餅薄而致密，鉆井液濾失量小。粗粒多而細顆粒少，形成的泥餅厚疏松，鉆井液的濾失量大。鉆井液的濾失量和壓差、井下溫度及巖石有關。不同井位和層位，巖層的孔隙度和滲透率是不同的，同一種組成具有相同性能的鉆井液，在不同巖層的濾失量不同，在井壁上形成的泥餅厚度不一樣的。在滲透性大的砂巖、礫巖、裂縫發(fā)育的灰?guī)r井壁形成的泥餅較厚；在滲透性小的頁巖、泥巖、石灰?guī)r和其它致密巖石的井壁上形成較薄的泥餅，甚至不形成泥餅。,6,2020/10/15,泥餅形成示意圖,7,2020/10/15,2.井內(nèi)鉆井液濾失的全過程,鉆井液在井內(nèi)發(fā)生濾失的全過程由瞬時濾失、動濾失和靜濾失三個階段組成，與此相對應的三

4、種濾失量分別稱為瞬時濾失量、動濾失量和靜濾失量。 （1）瞬時濾失 從鉆頭破碎井底巖石，形成新的自由面的瞬間開始，鉆井液開始接觸新的自由面，鉆井液中的自由水向巖石孔隙中滲透，直到鉆井液中的固相顆粒及高聚物在井壁上開始出現(xiàn)泥餅，這段時間的濾失稱為瞬時濾失。,8,2020/10/15,瞬時濾失特點： 時間短（t 2秒) 、井底巖石表面尚無泥餅，濾失速率很高，亦稱初濾失。主要是向井底失水。 時間短而量大，伴有少量泥漿滲失。存在于整個鉆井過程中。,9,2020/10/15,動濾失： 緊接著瞬時濾失，在井內(nèi)鉆井液循環(huán)的情況下濾失繼續(xù)進行并開始形成泥餅，隨著濾失過程的進行，泥餅不斷增厚，直至泥餅的增厚速度與

5、泥餅被沖刷的速度相等，即達到動平衡。此后鉆井液在循環(huán)下繼續(xù)濾失但泥餅不再增厚。這段時間的濾失量稱為動濾失量。,10,2020/10/15,特點：泥餅形成、增厚與沖蝕處于動平衡。 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） 存在于整個循環(huán)過程中，時間長，累積失水量大。,11,2020/10/15,靜濾失： 在起下鉆或其它原因停止鉆進時，鉆井液停止循環(huán)，液流的沖刷作用消失，此時壓力差為靜液往壓力和地層壓力之差。隨著濾失的進行，泥餅逐漸增厚，單位時間的濾失量逐漸減小。 特點： 失水速率小、失水量較小。 泥餅厚（無沖蝕作用）。 同時向井壁井底失水，以井壁為

6、主。 泥餅在動失水的基礎上隨時間增長而增厚。 失水速度隨靜止時間的增長而減少。 靜失水量動失水量,12,2020/10/15,起下鉆結束后，又繼續(xù)鉆進，鉆井液重新循環(huán)，于是濾失過程由靜濾失轉為動濾失。此時的動濾失是在經(jīng)歷一段靜濾失后的動濾失，開始時泥餅被沖蝕掉一部分，隨濾失的進行，直至穩(wěn)定(泥餅再變薄或增厚)。這一階段的動濾失比前一次動濾失要小一些。此后停鉆又開始靜濾失，這是新水平上的靜濾失。,13,2020/10/15,通過對井內(nèi)鉆井液發(fā)生濾失的全過程進行分析，可以看出；瞬時濾失時間很短，但濾失速率最大；動濾失時間最長，濾失速率中等；靜濾失時間較長，濾失速率最小。濾失速率是指單位時間內(nèi)濾失液

7、體的體積。 井內(nèi)鉆井掖的濾失作用是在不同溫度和不同壓力差下向巖層滲透的。,14,2020/10/15,溫度和壓力差對鉆井液濾失量有很大影響?？煞值蜏氐蛪簽V失量(或稱為API濾失量)和高溫高壓濾失量。 濾失量的評價，國內(nèi)外通常采用API濾失量，在規(guī)定的壓力差下以通過一定的滲濾斷面(通常用濾紙作為滲濾介質(zhì)）30min內(nèi)的濾失量來衡量，單位為m130min。,15,2020/10/15,1. 失水量過大 兩個害處： 導致水敏性泥頁巖縮徑、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.泥餅過厚 兩個害處： 井徑縮小 易引起起下鉆遇阻遇卡。 泥餅粘附卡鉆。,16,2020/10/1

8、5,3.現(xiàn)場要求 泥 餅 薄、密、韌。 失水量 適當（并非越小越好）。 對于一般地層：API失水：10 15 ml/ 30 min； 對于水敏地層：API失水 5 ml/30 min。,17,2020/10/15,向井壁的失水有害 易造成井塌和縮徑 阻、卡、劃 易損害油氣層：阻、堵、水鎖、沉淀 向井底的失水有利 降低井底巖石強度，增加可鉆性，有利鉆速提高。 消除壓持效應，避免重復切削，有利鉆速提高。 瞬失失水越大，鉆速越高。,18,2020/10/15,控制失水量原則：五嚴五寬 五嚴： 井深、裸眼長、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。,11,1

9、9,2020/10/15,三、影響鉆井液濾失量的因素,1.靜濾失 （1）鉆井液靜濾失方程：,單位滲濾面積的濾失量與泥餅的滲透率、固體含量因素、滲濾壓差、滲濾時間的平方根成正比；與濾液粘度的平方根成反比。,20,2020/10/15,（2）濾失時間對濾失量的影響 理想狀態(tài)下，濾失量與時間的平方根成正比，不考慮瞬時濾失，7.5min的濾失量將是30min濾失量的一半，通常用7.5min的濾失量乘以2作為API濾失量。由于存在瞬時濾失，對于濾失量較小的鉆井液，測量時間應取30min,如果用7.5min的濾失量乘以2來推導，30min濾失量將帶來較大的誤差。 V30 = 2V7.5- Vsp,21,2

10、020/10/15,(3)壓差對濾失量的影響： 靜濾失方程中濾失量與壓力差的平方根成正比。鉆井液濾失量不一定與壓差成平方根關系。鉆井液的組成不同，濾失時形成泥餅的壓縮性不相同。隨壓差增大，滲透量減小的程度有差異，濾失量與壓力的關系也不同。,22,2020/10/15,通?？杀硎緸閂f ，鉆井液不同指數(shù)x不同，但小于0.5。在低壓差時，不同鉆井液所測得的濾失量相近，但高壓差下可能有較大的差別。在深井和對濾失量要求嚴格的井段鉆進前，最好進行高壓差濾失實驗。 油基鉆井液濾失液(一般為柴油)的粘度隨壓力的增加而增加，根據(jù)濾失方程可隨粘度增加濾失量是減小的。,23,2020/10/15,（4）濾液的粘度

11、、溫度對濾失量的影響 根據(jù)靜濾失方程，鉆井液濾失量與濾液粘度的平方根成反比。濾液粘度越小，鉆井液的濾失量越大。濾液的粘度與有機處理劑的加入量有關，有機處理劑如CMC，HPAM等加入量越大，濾液的粘度越大?？梢酝ㄟ^提高濾液粘度降低濾失量。,24,2020/10/15,溫度升高導致濾失量增加： 1）溫度升高，溶液液的粘度降低，濾失量越大。 2）溫度改變鉆井液中粘土顆粒的分散程度、水化程度、粘土顆粒對處理劑的吸附以及改變處理劑特性等。隨著溫度上升，水分子熱運動加劇，粘土顆粒對水分子和處理劑的吸附減弱，解吸附的趨勢加強，使粘土顆粒聚結和去水化，影響泥餅的滲透性。造成濾失量上升。,25,2020/10/

12、15,3）高溫還會引起鉆井液中粘土顆粒的去水化和處理劑的脫附，使液相粘度降低，以及處理劑本身特性改變，導致濾失量增大。在高溫的作用下，鉆井液中的某些處理劑會發(fā)生不同程度的降解，并且會隨著溫度升高降解程度加劇，最后失去維持濾失性能的作用。,26,2020/10/15,（5）固相含量和類型對濾失量的影響 根據(jù)靜濾失方程，鉆井液的濾失量與(fsc/fsm)-1成正比，鉆井液中的固相含量越高，泥餅中的固相含量越小，鉆井液的濾失量越小。鉆井液中的固相含量增大，機械鉆速降低，泥餅增厚，通過增大鉆井液中的固相含量來降低濾失量是不可取。通常的辦法是減少泥餅中的固相含量，降低泥餅中固相含量的辦法是采用優(yōu)質(zhì)土造漿

13、和用有機處理劑。,27,2020/10/15,（6）巖層的滲透性對濾失量的影響 巖層的孔隙和裂縫是鉆井液濾失的天然通道。巖層有一定的孔隙性，鉆井液在壓差作用下，產(chǎn)生濾失形成泥餅。巖層的孔隙性和滲透性，在瞬時濾失階段和泥餅開始形成時，對濾失起重要作用。在形成第二過濾介質(zhì)泥餅之后，巖層的孔隙性和滲透性對鉆井液的濾失不起主要作用，這是由于泥餅的滲透性一般遠遠小于巖層的滲透性。,28,2020/10/15,在濾失過程中，鉆井液中的固體顆粒在井壁巖層中的堆積一般形成三個過濾層，即瞬時濾失滲入層，瞬時濾失時細顆粒滲入深度可達2530mm；架橋層，較粗的顆粒在巖層孔隙內(nèi)部架橋而減小巖層的孔隙度，或稱為內(nèi)泥餅

14、；井壁表面形成具有一定滲透性的外泥餅。,29,2020/10/15,（7）泥餅的壓實性和滲透性 濾失量測定的結果往往是泥餅厚濾失量大，泥餅薄濾失量小，這主要是因為厚泥餅的滲透性大，薄泥餅的滲透性小。泥餅的滲透性是決定因素。泥餅的滲透性取決于泥餅中固相的種類，固相顆粒的大小、形狀和級配，處理劑的種類和含量，以及過濾壓差等。,30,2020/10/15,泥餅的壓實性，高壓差有利于泥餅的壓實，影響泥餅的滲透性能。泥餅中顆粒尺寸分布同樣也影響泥餅的滲透能力。顆粒尺寸均勻變化時，得到較小孔隙度，較小的顆粒致密地填充較大顆粒的孔隙之間。較大范圍顆粒尺寸分布的混合物。小顆?？鸵却箢w粒多形成的泥餅孔隙度小，

15、處理劑的種類和加量決定顆粒是分散、絮凝以及顆粒四周可壓縮性水化膜的厚度，影響泥餅的滲透率。,31,2020/10/15,膠體種類、數(shù)量及顆粒尺寸影響泥餅滲透率。例如在淡水里膨潤土懸浮液的泥餅有極低的滲透率。因為粘土是扁平小片、薄膜狀特點，使這粘土能在流動的垂直方向將孔隙封死。 在鉆井液加入瀝青，當瀝青是膠體狀態(tài)時具有控制濾失的效果。油基鉆井液通過使用乳化劑來形成油包水乳化液、體系中細小且穩(wěn)定的水滴像可變形的固相，產(chǎn)生低滲透率泥餅，控制濾失量。,32,2020/10/15,(8)絮凝與聚結對泥餅滲透的影響 鉆井液的絮凝使得顆粒間形成網(wǎng)架結構、網(wǎng)架結構使?jié)B透率有一定的提高。濾失壓差越高，這種結構越

16、難形成，孔隙度與滲透率隨壓力的增加減小。 在鉆井液里添加稀釋劑，稀釋劑反絮凝作用使泥餅的滲透率降低。大多數(shù)的稀釋劑是鈉鹽，鈉離子可以交換粘土晶片上的多價陽離子，使聚結狀態(tài)轉變?yōu)榉稚顟B(tài)，降低泥餅的滲透率。,33,2020/10/15,2、動濾失 (1)鉆井液流動的影響 鉆井液在循環(huán)流動中的濾失過程稱為動濾失。影響動濾失的因素與靜濾失類似。不同的是動濾失還與鉆井液流動有關，剪切速率和鉆井液流態(tài)對動濾失的影響。在動濾失條件下、泥餅的增長受到鉆井液沖蝕作用的限制。當巖層的表面最初暴露時，濾失速率較高，泥餅增長較快，隨著時間的推移，泥餅的增長速率減小，直到最終等于沖蝕影響的速率。泥餅厚度不再發(fā)生變化。

17、動濾量與泥餅滲透率成正比，與泥餅厚度成反比，與滲透時間成正比。,34,2020/10/15,鉆井液動濾失時的泥餅厚度是剪切速率、流態(tài)以及泥餅剪切強度的函數(shù)。紊流對泥餅有很強的沖蝕作用，與層流時相比，紊流狀態(tài)下形成的泥餅較薄，濾失量較大。平板型層流靠近井壁處的流速梯度較尖峰型層流大，沖蝕泥餅的力量比尖峰型層流強，泥餅比尖峰型層流薄，尖峰型層流時形成的泥餅最厚。使用低返速、高粘度的鉆井液時，鉆柱經(jīng)常遇到阻卡，這可能是其中的原因之一。,35,2020/10/15,在API靜濾失量和動濾失量之間沒有對應關系以API實驗來推測井下動濾失速率是不可靠的，要了解井內(nèi)鉆井液濾失的真實情況，必須進行接近鉆井條件

18、的動濾失實驗，API靜濾失實驗不能作為考察井內(nèi)鉆井液的濾失和評價不同鉆井液濾失特性的惟一依據(jù)。特別是對用于深井、復雜井的鉆井液，應測定動濾失量。目前普遍采用JHDS高溫高壓動失水儀模擬鉆井條件下進行評價 。,36,2020/10/15,3.瞬時濾失 瞬時濾失時間很短。濾失量一般占總濾失量的比例不大。固相含量低、分散和水化很好的不分散低固相鉆井液、瞬時濾失占的比例較大。對于相同的鉆井液，如果滲濾介質(zhì)不同，瞬時濾失量是不同的。,37,2020/10/15,影響瞬時濾失的因素主要有壓差，巖層的滲透性，濾液的粘度，鉆井液中固相顆粒的含量、尺寸和分布，水化程度以及鉆井液在地層孔隙入口處能否迅速形成“橋點

19、” 。 影響瞬時失水的因素： 壓差：P，瞬時失水量。 粘度：粘度，瞬時失水量。 固相顆粒大小與多少。,38,2020/10/15,瞬時濾失量的大小對機械鉆速有較大的影響。瞬時濾失發(fā)生時，高的濾失速率使濾液分子迅速進到鉆頭破碎巖體形成的薄層巖屑底下，可協(xié)助將巖屑薄層從巖體上剝離下來并立即沖走，不會在液柱壓差下壓實，造成重復破碎；高的濾失速率可使破碎巖石的微裂縫擴大或者使它們不閉合。瞬時濾失量較大有利于提高機械鉆速。不分散低固相鉆井液的鉆速高，原因之一是瞬時濾失量明顯大于其它鉆井液。,39,2020/10/15,在鉆進到孔隙大、裂縫發(fā)育的砂巖、石灰?guī)r或白云巖儲層時，瞬時濾失會使較多的鉆井液和濾液進

20、入儲層，造成儲層滲透率下降。對用于儲層的鉆井液，要求濾失量越小越好。,40,2020/10/15,一、濾失性能的評價方法,濾失性能包括濾失量和泥餅質(zhì)量、靜濾失量的評價。國內(nèi)外通常采用API濾失量，測試裝置包括低溫低壓和高溫高壓濾失儀兩種。,1.API濾失量測定儀 API濾失量測定儀是最常用的低溫低壓條件下評價鉆井液濾失量的裝置。(見右圖）,第二節(jié) 鉆井液濾失性能的調(diào)整與控制,41,2020/10/15,滲濾面積為45.8c，實驗滲濾壓差p為0.689MPa，溫度為室溫。以30min滲濾出的濾液體積作為API濾失量標準使用直徑為90mm的符合標準的濾紙。 濾失量測量結束后，倒掉鉆井液并取下濾紙，

21、盡可能減少對濾餅的損壞；用緩慢水流沖洗濾紙上的濾餅；測量并記錄濾餅厚度，對濾餅的外觀進行描述，如硬、軟、韌、致密等。用掃描電鏡觀察濾餅微觀結構的方法用于濾餅結構的研究，費用較高，常規(guī)評價不采用。,42,2020/10/15,2.高溫高壓濾失量測定儀 對于深井鉆井液,必須進行高溫高壓條件的濾失量評價。測量壓差為3.5MPa，測量時間為30min。滲濾面積只有低溫低壓濾失儀的一半、按照API標準將30min的濾失量乘以2才是HTHP濾失量。當溫度低于204時，使用一種特制的濾紙，溫度高于204時，使用一種金屬過濾介質(zhì)或相當?shù)拇┛走^濾介質(zhì)盤。,43,2020/10/15,3.動濾失量測定儀 目前普遍

22、采用JHDS高溫高壓動失水儀模擬鉆井條件下進行評價 。,44,2020/10/15,二、鉆井液濾失性能與鉆井工作的關系,為防止地層流體進入井筒，鉆井液的靜液柱壓力必須大于地層孔隙內(nèi)流體的壓力。在壓差作用下鉆井液有侵入滲透性地層的趨勢。為維持井眼的穩(wěn)定以及減少鉆井液固、液相侵入地層損害油氣層，必須控制鉆井液的濾失性能，有效途徑是在井壁上形成薄而致密的泥餅。如果井內(nèi)鉆井液濾失性控制不當，濾失量過大和泥餅過厚。,45,2020/10/15,鉆井液循環(huán)時，對于井壁為泥頁巖的地層，濾失量過大會引起地層巖石水化膨脹、剝落，使井徑擴大或縮小。井徑擴大或縮小會引起卡鉆、鉆桿折斷、降低機械效率，縮短鉆頭、鉆具的

23、使用壽命等。對于裂隙發(fā)育的破碎性地層，濾液滲入巖層的裂隙面，減小了層面間的接觸摩擦力，在鉆桿的敲擊下，碎巖塊落入井內(nèi)，常引起掉塊卡鉆等井內(nèi)事故。而對于儲層(特別是低滲和粘土含量高的儲層)，濾失量過大則會引起儲層滲透率的下降。,46,2020/10/15,鉆井液循環(huán)時，如果在井壁上形成的泥餅過厚，會減小井的有效直徑，鉆具與井壁的接觸面積增大，有可能引起各種鉆井問題，如旋轉扭矩增大、起下鉆遇阻以及高的抽吸與波動壓力，功率消耗增加，甚至引起井壁跨塌或造成井漏、井涌等事故。在液柱壓力和地層壓力作用下，厚的泥餅易引起壓差卡鉆事故，泥餅過厚會造成測井工具、打撈工具不能順利下至井底；泥餅過厚影響測試結果，甚

24、至會影響發(fā)現(xiàn)低壓生產(chǎn)層。,47,2020/10/15,鉆井液濾液礦化度不同、對井壁巖層穩(wěn)定性的影響是不同的。與淡水濾液、堿性強的濾液相比，高礦化度、堿性弱的濾液和含高聚物的濾液不易引起井壁巖層的膨脹和坍塌。井壁穩(wěn)定不僅要注意濾失量的大小，還要考慮濾液的性質(zhì)及其對井壁穩(wěn)定的影響。 鉆井液形成的泥餅一定要薄，致密、堅韌；鉆井液的濾失量要控制適當，應根據(jù)巖石的特點、井深、井身結構因素來確定，同時考慮鉆井液的類型。,48,2020/10/15,三、對鉆井液濾失性能的要求,在確定鉆井液濾失量指標時應注意以下原則： 1、井淺時可放寬、井深時應從嚴； 2、鉆裸眼時間短時可放寬，鉆裸眼時間長須從嚴； 3、使用

25、不分散性處理劑時可適當放寬，使用分散性處理劑時要從嚴； 4、鉆井液礦化度高者可放寬，鉆井液礦化度小應從嚴。 要從鉆井實際出發(fā)，以井下情況是否正常為依據(jù)，適時測定并及時調(diào)整鉆井液的濾失量。,49,2020/10/15,對鉆井液濾失性能的一般要求： (1) 在鉆開油氣層時，應盡力控制濾失量，以減輕對油氣層的損害。一般情況下此時的API濾失量應小于5m1，模擬井底溫度的HTHP濾失量應小于15ml。 (2)鉆遇易坍塌地層時，濾失量需嚴格控制。API濾失量最好不大于5ml。 (3)對一般地層，API濾失量應盡量控制在10ml以內(nèi)，HTHP濾失量不應超過20 ml。但有時可適當放寬，如某些油基鉆井液體系

26、是通過適當放寬濾失量來提高鉆速的。,50,2020/10/15,(4) 要注意提高濾餅質(zhì)量，盡可能形成薄、韌、致密及潤滑性好的濾餅，以利于固壁和避免壓差卡鉆。在我國，某些油田要求，鉆開儲層時API濾失實驗測得的濾餅厚度不得超過1mm。 (5)加強對鉆井液濾失性能的檢測。正常鉆進時，應每4h測一次常規(guī)濾失量。對定向井、叢式井、水平井、深井和復雜井要增測HTHP濾失量和泥餅的潤滑性，要求相應高一些。,51,2020/10/15,四、鉆井液濾失性能的控制與調(diào)整,在影響鉆井液濾失的因素中，井溫和地層的滲透性是無法改變的，其余的因素可以人為控制。主要調(diào)整方法是根據(jù)鉆井液類型、組成以及所鉆地層的情況，選用

27、適合的降濾失劑和封堵劑。獲得致密性與滲透性小的泥餅的一般方法是： (1)使用膨潤土造漿。膨潤土是常用的配漿材料，也是控制濾失量和建立良好造壁性的基本處理劑。 (2)加入適量純堿、燒堿或有機分散劑(如煤堿液等)，提高粘土顆粒的電位、水化程度和分散度。,52,2020/10/15,(3)加入CMC或其它聚合物以保護粘土顆粒，阻止聚結，有利于提高分散度。同時，CMC和其它聚合物沉積在泥餅上起堵孔作用，降低濾失量。,(4)加入一些極細的膠體粒子(如腐植酸鈣膠狀沉淀)堵塞泥餅孔隙，降低泥餅的滲透性，抗剪切能力提高。,53,2020/10/15,第三節(jié) 鉆井液潤滑性能,鉆井液的潤滑性能通常包括泥餅的潤滑性

28、能和鉆井液這種流體自身的潤滑性。鉆井液和泥餅的摩阻系數(shù)是評價鉆井液潤滑性能的兩個主要技術指標。鉆井液的潤滑性對鉆井工作影響很大。特別是鉆超深井、大斜度井、水平井和叢式井時、鉆柱的旋轉阻力和提拉阻力大幅度提高。影響鉆井扭矩和阻力以及鉆具磨損的主要是鉆井液的潤滑性能，鉆井液的潤滑性能對減少卡鉆等井下復雜情況，保證安全、快速鉆進起著至關重要的作用。,54,2020/10/15,潤滑性能良好的鉆井液具有以下優(yōu)點： (1)減小鉆具的扭距、磨損和疲勞，延長鉆頭軸承的壽命； (2)減小鉆柱的摩擦阻力，縮短起下鉆時間； (3)能用較小的動力來轉動鉆具； (4)能防粘卡，防止鉆頭泥包。,一、鉆井液潤滑性能,55

29、,2020/10/15,鉆井液潤滑性好，可以減少鉆頭、鉆具及其它配件的磨損，延長使用壽命，同時防止粘附卡鉆、減少泥包鉆頭，易于處理井下事故等。在鉆井過程中，動力設備有固定功率，鉆柱的抗拉、抗扭能力以及井壁穩(wěn)定性有極限。鉆井液的潤滑性能不好，會造成鉆具回轉阻力增大，起下鉆困難，甚至發(fā)生粘附卡鉆和斷鉆具事故；鉆具回轉阻力過大，會導致鉆具振動，有可能引起鉆具斷裂和井壁失穩(wěn)。,56,2020/10/15,表征量有三個,鉆井液的潤滑系數(shù)：越小越好。 鉆井液作用下金屬間的摩擦系數(shù)。 泥餅摩擦系數(shù)Kf越小越好。 指泥餅與光滑金屬面間的摩擦系數(shù)。 極壓膜強度：越高越好。 指吸附于鉆具表面的潤滑膜的極限強度。,

30、57,2020/10/15,評價方法,潤滑系數(shù)用極壓潤滑儀測定 泥餅摩擦系數(shù)用泥餅摩擦系數(shù)測定儀測定 極壓膜強度用極壓潤滑儀測定,注：鉆井液的潤滑性在大斜度井、水平井、開窗側鉆、叢式井鉆井中尤為重要。,58,2020/10/15,EP潤滑儀,粘滯系數(shù)測定儀,59,2020/10/15,1.鉆井作業(yè)中摩擦現(xiàn)象的特點,隨著密封軸承的出現(xiàn)，改善鉆井液潤滑性能的目的主要是為了降低鉆井過程中鉆柱的扭矩和阻力。在鉆井過程中，按摩擦副表面潤滑情況，摩擦可分為三種情況(見圖4-11)：,二、鉆井液潤滑性的影響因素,60,2020/10/15,(1)邊界摩擦： 兩接觸面間有一層極薄的潤滑膜，摩擦和磨損不取決潤滑

31、劑的粘度，而是與兩表面和潤滑劑的特性有關，如潤滑膜的厚度和強度、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，鉆鋌在井眼中的運動等屬邊界摩擦。,(2)干摩擦(無潤滑摩擦)： 又稱為障礙摩擦，如空氣鉆井中鉆具與巖石的摩擦，或井壁極不規(guī)則情況下，鉆具直接與部分井壁巖石接觸時的摩擦。,61,2020/10/15,(3)流體摩擦：由兩接觸面間流體的粘滯性引起的摩擦。 鉆進過程中的摩擦是混合摩擦。在鉆井作業(yè)中，摩擦系數(shù)是兩個滑動或靜止表面間的相互作用以及潤滑劑所起作用的綜合體現(xiàn)。,62,2020/10/15,鉆井作業(yè)中摩阻力不僅與鉆井液的潤滑性能有關，也與鉆柱、套管、地層、井壁泥餅

32、表面的粗糙度有關；接觸表面的塑性、所承受的負荷；流體粘度與潤滑性；流體內(nèi)固相顆粒的含量和大小；井壁表面泥餅潤滑性，井斜角；鉆柱重量；靜態(tài)與動態(tài)濾失效應等。在這些的影響因素中、鉆井液的潤滑性能是主要可調(diào)節(jié)因素。,63,2020/10/15,2.鉆井液潤滑性的主要影響因素,（1)粘度、密度和固相的影響 鉆井液固相含量、密度增加，鉆井液的潤滑性能變差。隨著鉆井液固相含量增加，泥餅粘附性增大，泥餅增厚、易產(chǎn)生壓差粘附卡鉆。 鉆井液在一定時間內(nèi)不斷剪切循環(huán)，固相顆粒尺寸隨剪切時間增加減小，一方面鉆柱摩阻力降低；另一方面比表面積增大，摩阻力增大。嚴格控制鉆井液粘土含量，搞好固相控制，盡量用低固相鉆井液是改

33、善和提高鉆井液潤滑性能的最重要的措施之一。,64,2020/10/15,(2)濾失性、巖石條件、地下水和濾液PH值的影響 a）致密、光滑、薄的泥餅潤滑性能良好。降濾失劑和其它改進泥餅質(zhì)量的處理劑(如磺化瀝青)主要是通過改善泥餅質(zhì)量來改善鉆井液的防摩損和潤滑性能。 b）巖石的條件是通過影響所形成泥餅的質(zhì)量以及井壁與鉆柱之間接觸表面粗超度而起作用的。 c）井底溫度、壓差、地下水和濾液的pH值等因素影響潤滑劑和其它處理劑的作用效能，影響泥餅的質(zhì)量，對鉆井液的潤滑性能產(chǎn)生影響。,65,2020/10/15,(3)有機高分子處理劑的影響 許多高分子處理劑都有良好的降濾失、改善泥餅質(zhì)量、減少鉆柱摩阻力的作

34、用。有機高分子處理劑能提高鉆井液的潤滑性能，還與其在鉆柱和井壁上的吸附能力有關。吸附膜的形成，有利于降低井壁與鉆柱之間的摩阻力。某些處理劑，如聚陰離子纖維素、磺化酚醛樹脂等具有提高鉆井液潤滑性的作用。,66,2020/10/15,鉆井液潤滑劑品種一般可分為兩大類，即液體類和固體類。1）前者如礦物油、植物油、表面活性劑等；2）后者如石墨、塑料小球、玻璃小球等。,(4)潤滑劑 清水摩擦阻力較大，加入千分之一至千分之幾的潤滑劑(主要是陰離子表面活性劑)后，潤滑性能得到明顯改善。使用潤滑劑是改善鉆井液潤滑性能、降低摩擦阻力的主要途徑。正確地使用潤滑劑可以大幅度提高鉆井液的防磨損和潤滑性能。,67,20

35、20/10/15,近年來鉆井液潤滑劑品種發(fā)展最快的是惰性固體類潤滑劑，液體潤滑劑中主要發(fā)展了高負荷下起作用的極壓潤滑劑及有利于環(huán)境保護的無毒潤滑劑；由于環(huán)境保護的原因瀝青類潤滑劑的用量正逐年減少。 目前，常用的改善鉆井液潤滑性能的方法，主要是通過合理使用潤滑劑降低摩阻系數(shù)，以及通過改善泥餅質(zhì)量來增強泥餅的潤滑性。,68,2020/10/15,三、用于鉆井液的潤滑劑,國內(nèi)外對潤滑劑的研究范圍較廣，其中有各種表面活性劑、高分子脂肪酸及其衍生物等。 鉆井液潤滑劑的選擇應滿足下列基本要求： (1)潤滑劑必須能潤滑金屬表面，并在金屬表面形成邊界膜和次生結構。 (2)應與基漿有良好的配伍性，對鉆井液的流變性和濾失性不產(chǎn)生不良影響。 (3)不降低巖石破碎的效率。 (4)具有良好的熱穩(wěn)定性和耐寒穩(wěn)定性。 (5)不腐蝕金屬，不損壞密封材料。 (6)具有較好的環(huán)境友好性，經(jīng)濟。,1.對鉆井液潤滑劑的要求,69,2020/10/15,鉆井液潤滑劑除了主要提高鉆具的壽命及其工作指標外，還應不影響對地層資料的分析和評價，潤滑劑應具有低熒光或無熒光性質(zhì)。潤滑劑基礎材料的選擇應注意盡量不用含苯環(huán)，特別是多芳香烴的有機構質(zhì)。原油，尤其是重溜分、釜殘物、瀝青等含熒光物質(zhì)較多，應盡量少用。,70,2020/10/15,一般植物油類無熒光和毒性。易于生