鉆井液濾失造壁性及潤滑性

1、1,1,第四章 鉆井液的濾失造壁和潤滑性能,本章要求： 1. 靜濾失方程 3. 影響濾失的因素 4. 鉆井液潤滑性及其評價,The Filtration Properties of Drilling Fluids,1,2,一、濾失造壁性的基本概念,水基鉆井液中的水 水基鉆井液組成： 固相+水+處理劑 鉆井液中的水由三部分組成： 結晶水（化學結合水）—— 粘土礦物晶體構造的組成部分。

2、 吸附水（束縛水）—— 由固相顆粒分子間力吸附的水化膜。 自由水 —— 鉆井液中自由移動的水，分散介質。 占總水量中的絕大部分,1,3,失水與造壁 為了防止地層流體進入井內，鉆井液液柱的壓力必須大于地層流體的壓力，于是，鉆井液總是趨向于向地層漏失或濾失。 漏失 —— 鉆井液的固相和液相全部進入地層的現(xiàn)象。 濾失 —— 鉆井液中只有液相進入地層的現(xiàn)象。 失水 —— 鉆井液中的自由水在壓差作用下

3、向井壁巖石的裂隙或孔隙中滲透。 泥餅 —— 鉆井液濾失過程中留在井壁或者濾膜上的物質。 造壁性 ——在濾失過程中，隨著鉆井液中的自由水進入巖層，鉆井液中的固相顆粒便附著在井壁形成泥餅。,5,1,4,3.井下失水過程,,,,,,,,,,時間,累計失水量,T o,T 1,T 2,T 3,T 4,T 5,T 6,,,,V 瞬,,,,,V 動,,,,V 靜,,,h=0,h?,h=c,h?,h?,h=c,6,1,5,瞬時失水 Spurt L

4、oss—— 鉆井液泥餅尚未完全形成之前很短時間內的失水。特點： 時間短（t < 2秒)；比例小。 主要是向井底失水。 時間短而量大，伴有少量泥漿滲失。,7,1,6,動失水 Dynamic Filtration —— 鉆井液循環(huán)時的失水量。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

5、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。,8,1,7,靜失水 Static Filtration—— 井下：鉆井液停止循環(huán)后的失水。—— 室內：指定靜態(tài)條件下，靜失水儀器測得的失水。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，以井壁為主。

6、 ·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,9,1,8,二、失水造壁性與鉆井的關系,1. 失水量過大兩個害處：? 導致水敏性泥頁巖縮徑、垮塌。 ? 油氣層內粘土水化膨脹使產層滲透率下降，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。

7、? 泥餅粘附卡鉆。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。,10,1,9,向井壁的失水有害①易造成井塌和縮徑、阻、卡②易損害油氣層：阻、堵、水鎖、沉淀向井底的失水有利①降低井底巖石強度，增加可鉆性， 有利鉆速提高。②消除壓持效應，避免

8、重復切削，有利鉆速提高。顯然：瞬失失水越大，鉆速越高。,1,10,4. 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。,11,1,11,三、鉆井液的靜失水 Static Filtration1. 靜失水方程假設條件：? 泥餅厚度 h << 井眼直徑； ? 濾失過程為線性關系 —— K = C；

9、 ? 濾失為恒溫恒壓過程。靜失水方程推導： 利用達西滲濾公式： (1) 式中， vf ——濾失量，cm3； t ——濾失時間，s； k —— 泥餅滲透率，darcy; P ——濾失壓力,kg/cm2; ? —— 濾液粘度，mPa.s； h ——泥餅厚度，c

10、m； A —— 濾失面積，cm2。,12,1,12,如果一定體積的鉆井液Vm全部濾失完，則在Vm當中，有Vf的濾液體積從Vm中擠壓出去，剩下Vc的泥餅體積擠不出去，于是可以得到： Vm = Vf + Vc = Ah + Vf (2) Vc / Vf = R = 常數(shù) (3) 將（2）、（3）式代入達西公式（1）中，得到(4)

11、 ： 對（4）式兩邊積分，得(5) ：,1,13,根據(jù)假設可知，泥餅中干固體體積等于泥餅體積與泥餅中固相體積分數(shù)的乘積。即： Vc = h A Cc 鉆井液中固相體積百分數(shù)為：Cm = Vc /Vf= h A Cc/ (hA+Vf) 聯(lián)立解以上兩式，得： (6)

12、 將（6）式代入達西公式（1）中，并積分得：(7)

13、 比較（7）式與（5）式，可以看到： Cc /Cm-1 = Vf /Vc,1,14,2. 影響靜失水的因素? Vf 與t的關系 Relationship Between Filtration and Time在直角坐標上任取兩點，可以得到：,該式實際上表明了任意時刻失水量之間的關系如果：t1 =7.5分鐘

14、；t2 =30分鐘；則： Vf30’ = 2Vf7.5’,1,15,實際計算應注意考慮瞬時失水Larsen 方程：Vf’= Vsp + C t1/2得到： Vf 30’ - Vsp = c(30)1/2 Vf 7.5’- Vsp = c(7.5)1/2聯(lián)立解之，得到： Vf 30’= 2 Vf 7.5’- Vsp,,,,t1/2,Vf,,VsP,,,,Vf 與t的關系,16,1,16,

15、? Vf與P的關系 Relationship Between Pressure and Filtration Volume 理論上： LgVf = 1/2 LgP +1/2 LgC即： Vf ? P1/2 條件：k = 常數(shù)。實際上： Vf ? Px 原因：k ≠ 常數(shù)。 指數(shù) x 的實質：? 反映壓力對泥餅可壓縮性，x 越小，泥餅可壓縮性越好，k 越小。? x 是直線斜率，一般小于0.

16、5。? x 與固相粒子形狀和大小有關。一般：粘土：x = 0.205頁巖：x = 0.084,,,LgP,0,LgV,,,Vf 與 P的關系,1,17,? Vf與?的關系 Relationship Between Viscosity and Filtrate Volume由靜失水方程可知： Vf ? ?-1/2 ； 而： 1/ ? ? 溫度T所以： Vf = f (T)影響規(guī)律：

17、 T↑→? ↓→ Vf ↑ 例如：用純水配制的鉆井液，在20 0C與100 0C比較。 T ↑ 粘土聚結和絮凝狀態(tài)改變 → k ↑ → Vf ↑ ； 粘土去水化，吸附水↓ →自由水↑ → Vf ↑ 。T ↑ 降失水劑要降解，若超過處理劑的抗溫能力，失水量急劇增加。,,1,18,? Vf 與固相含量及類型的關系Vf ? (Cc/Cm -1)1/2 顯然，若要降低失水量Vf

18、，可以采取的方法為：? 提高鉆井液中的固相含量Cm . 存在問題：固含增加，將導致鉆井液流變性變差，同時，鉆進速度降低。? 降低泥餅中的固相含量Cc 。 優(yōu)點：泥餅中土少水多（束縛水多），水化膜厚，在壓力作用下易變形，可壓縮性大。 結論：宜選用優(yōu)質土配制鉆井液。,19,1,19,? 泥餅厚度h與vf 的關系 Relatiionship Between Cake Thickness and Filtration影響規(guī)律

19、：a. Vf ↓ → h ↓ 。b. 當鉆井液固含 Cm ≈ Cc ，h ↑ ↑ 。C.當固含Cm一定時，孔隙度 ? ↑→泥餅疏松 → h ↑ 。 實驗發(fā)現(xiàn)： 固相粒度分布越寬 → ? ↓ → h ↓ ； 小粒子越多 → ? ↓ → h ↓ 。,,20,1,20,泥餅薄、密、韌條件：

20、 ? Cc 低 （土的膨脹性好） ? 粒度分布寬 ? 細小粒子多,21,1,21,? Vf 與 k 的關系 Relationship Between The Permeability of the Filter Cake( a) K 與 vf 的關系式 由： 得到：

21、 （1）式中單位： h —— cm； Vf —— cm3 ； ? —— mPa.s ； t —— s ； P —— kg/cm2 ； A —— cm2 ；

22、 Vc ——泥餅體積 cm3 ； k —— darcy (1d =103 md )；,22,1,22,將上式（1）換為現(xiàn)場通用單位：代入： k (d ) → 103 k( md )； t (s ) → 60t (min )。得到：

23、 （2）再代入： h = Vc /A （3）最后代入測定靜失水的API標準條件：A = 45 cm2 ；P = 6.8 kg/cm2 ；t = 30 min。由（2）式得計算滲透率

24、k 的公式： k = 1.01 ? 10 -5 ? Vf Vc （4）由（3）式得計算 k 的公式： k = 9.08 ? 10 -4 ? Vf h （5）,

25、,,23,1,23,( b) K的影響因素? 粒度和粒度分布對k 的影響規(guī)律： 細粒子越多，平均粒徑越小，k 越?。?粒度分布越寬，k 越小。? 膠體粒子濃度（含量）對k 的影響規(guī)律： k完全取決于鉆井液中膠體粒子（ d <10 -5 ?m）的比例和含量。某種鉆井液中如果膠粒濃度高,k = (0.31-1.5)?10 -3 md，如果膠粒濃度趨于零,k ?? （高得不能測定）,24,超深井、水平井、大位移井等的關鍵技術

26、,降低摩阻扭矩的技術,井壁穩(wěn)定技術井眼凈化技術,鉆柱的旋轉阻力和提拉阻力會大幅度提高,影響鉆井扭矩和阻力以及鉆具磨損的主要可調節(jié)因素是鉆井液的潤滑性能，因此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。,四、鉆井液潤滑性,1,25,鉆井液的潤滑性能通常包括泥餅的潤滑性能和鉆井液這種流體自身的潤滑性兩方面。鉆井液的潤滑性能對減少井下復雜情況，保證安全、快速鉆進起著至關重要的作用。,①降低摩阻和扭矩②

27、防止套管的磨損③延長鉆頭軸承壽命④防止壓差卡鉆⑤防止鉆頭泥包,1,27,粘滯系數(shù)測定儀,1,28,1,29,鉆井液潤滑性的主要影響因素,1)固相類型，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)泥餅質量：越致密、均勻、薄而光滑越好3)有機高分子處理劑4)潤滑劑 多級復配優(yōu)于單劑5)濾失性、巖石條件、地下水和濾液

28、PH值的影響,1,30,能潤滑金屬表面有良好的配伍性不降低巖石破碎的效率耐熱耐寒不腐蝕金屬、不損害密封圈環(huán)保無熒光或低熒光,鉆井對潤滑劑的要求,1,31,潤滑劑的作用機理,(1)惰性固體的潤滑機理 固體潤滑劑能夠在兩接觸面之間產生物理分離，其作用是在摩擦表面上形成一種隔離潤滑薄膜，從而達到減小摩擦、防止磨損的目的。多數(shù)固體類潤滑劑類似于細小滾珠．可以存在于鉆柱與井壁之間，將滑動摩擦轉化為滾動摩擦，從而可大幅度

29、降低扭矩和阻力。固體潤滑劑在減少帶有加硬層工具接頭的磨損方面尤其有效．固體類潤滑劑的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和防腐蝕能力等良好，適于在高溫、但轉速較低的條件下使用，缺點是冷卻鉆具的性能較差，不適合在高轉速條件下使用。,1,32,瀝青類處理劑主要用于改善泥餅質量和提高其潤滑性。瀝青類物質親水性弱，親油性強，可有效地涂敷在井壁上、在井壁上形成一層油膜。這樣，即可減輕鉆具對井壁的摩擦，又可減輕鉆具對井壁的沖力作用。由于瀝青類處理劑的作用，井壁巖石

30、由親水轉變?yōu)樵魉?，可阻止濾液向地層滲透。,（2） 瀝青類處理劑的潤滑機理,1,33,礦物油、植物油、表面活性劑等主要是通過在金屬、巖石和粘土表面形成吸附膜，使鉆柱與井壁巖石接觸(或水膜接觸)產生的固固摩擦，改變?yōu)榛钚詣┓菢O性端之間或油膜之間的摩擦、或者通過表面活性劑的非極性端還可再吸附一層油膜，從而使回轉鉆柱與巖石之間的摩阻力大大降低，減少鉆具和其它金屬部件的磨損，降低鉆具回轉阻力。,(3) 液體潤滑劑的潤滑機理,1,34,1,

31、35,1,36,對大多數(shù)水基鉆井液來說，摩阻系數(shù)維持在0.20左右時可認為是合格的。 水平井要求鉆井液的摩阻系數(shù)應盡 可能保持在0.08～0.10范圍內，以保持較好的摩阻控制。因此，除油基鉆井液外，其它類型鉆井液的潤滑性能很難滿足水平井鉆井的需要，但可以選用有效的潤滑劑改善其潤滑性能，以滿足實際需要。,,改善鉆井液潤滑性能方法：合理使用潤滑劑降低摩阻系數(shù)；通過改善泥餅質量增強泥餅潤滑性,1,37,,5,5.5,10.

32、5,14,17,26,φ, 格數(shù),3,6,100,200,300,600,n, rpm,,,,,,,,,,,,1,38,解： ①通過實驗數(shù)據(jù)作流變曲線判斷出該鉆井液為塑性流體 PV = φ600-φ300 = 26-17 = 9 mPa·s τo（YP） = 0.511（φ300-PV）= 0.511（17-9） = 4.088 Pa,τ0 / PV = 4.088/ 9 ≈ 0.45

33、 Pa/mPa.s鉆井一般要求τ0 / PV = 0.36 ~0.478 Pa /mPa.s,,所以該漿的剪切稀釋性符合鉆井一般要求,即γ=7000s-1時的表觀粘度為9.584 mPa.s 。,即γ=200s-1時的表觀粘度為29.44 mPa.s 。,題2：密度為１.２２g/cm３的某種分散鉆井液，測得６００轉／分的讀數(shù)為７６， １００轉／分的讀數(shù)為２５.５,試計算鉆井液的卡森流變參數(shù) τc、 η ∞ 解：,τc＝３.

34、２４（Ｐa）η∞＝１９.２１(mPa.s),1,40,題3. 測得鉆井液 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(兩點法) 鉆井液瞬時濾失量為: Vsp=6.5－ (14.2－6.5)/(7.5 0.5－1 0.5)=2.07(ml) 鉆井液API濾失量為: VA

35、PI= 2V 7.5－Vsp= 2×14.2 -2.07 =26.33(ml),Vsp=2.07(ml),1,43,題4. 測得鉆井液 16min濾失量為15ml, 25min濾失量為26ml ,試求這種鉆井液60 h濾失量?,解: V1= 15ml,

36、 V2= 26ml, t1=16min, t2=25min 設鉆井液60 h濾失量為 V60,V60h =631（ml ）,,,,,=631（ml ）,1,47,題5 今有三種不同的鉆井液A、B、C，通過濾失試驗得到三個不同的新鮮泥餅?？刂苹迨侥囡災ψ柘禂?shù)測定儀儀器臺面的轉動速度為5.5r／min，分別將滑塊壓在通過濾失試驗得到的不同新鮮泥餅上停放5min，然后開動儀器

37、，儀器臺面升起角度分別為6? 、12 ? 、32 ? 。 試比較三種不同的鉆井液A、B、C的潤滑性。,1,48,解：泥餅摩阻系數(shù)測定儀升起角度的正切值即為泥餅的粘滯系數(shù)。tgA=tg 6? =0.09tgB = tg 12 ?= 0. 19tgC= tg 32 ? =0.55因粘滯系數(shù)tgA＜ tgB ＜ tgC 所以鉆井液潤滑性最好的是A，其次是B，最差的是C,1,49,粘附卡鉆縱向剖面圖,題6：某井在100