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1、11第四章第四章 钻井液的滤失造壁和润滑性能钻井液的滤失造壁和润滑性能 本章要求：本章要求：1.1.静滤失方程静滤失方程 3.3.影响滤失的因素影响滤失的因素 4.4.钻井液润滑性及其评价钻井液润滑性及其评价The Filtration Properties of Drilling Fluids12一、滤失造壁性的基本概念一、滤失造壁性的基本概念1.1.水基钻井液中的水水基钻井液中的水 水基钻井液组成水基钻井液组成：固相固相+水水+处理剂处理剂 钻井液中的水由三部分组成：钻井液中的水由三部分组成：结晶水结晶水（化学结合水）（化学结合水）粘土矿物晶体构造的组成部分。粘土矿物晶体构造的组成部分。吸
2、附水吸附水（束缚水）（束缚水）由固相颗粒分子间力吸附的水化膜。由固相颗粒分子间力吸附的水化膜。自由水自由水 钻井液中自由移动的水，分散介质。钻井液中自由移动的水，分散介质。占总水量中的绝大部分占总水量中的绝大部分132.2.失水与造壁失水与造壁 为了防止地层流体进入井内，钻井液液柱的压力必须大于为了防止地层流体进入井内，钻井液液柱的压力必须大于地层流体的压力，于是，钻井液总是趋向于向地层漏失或滤地层流体的压力，于是，钻井液总是趋向于向地层漏失或滤失。失。漏失漏失 钻井液的固相和液相全部进入地层的现象。钻井液的固相和液相全部进入地层的现象。滤失滤失 钻井液中只有液相进入地层的现象。钻井液中只有液
3、相进入地层的现象。失水失水 钻井液中的自由水在压差作用下向井壁岩石的裂隙钻井液中的自由水在压差作用下向井壁岩石的裂隙或孔隙中渗透。或孔隙中渗透。泥饼泥饼 钻井液滤失过程中留在井壁或者滤膜上的物质。钻井液滤失过程中留在井壁或者滤膜上的物质。造壁性造壁性 在滤失过程中，随着钻井液中的自由水进入岩层，在滤失过程中，随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固相颗粒便附着在井壁形成泥饼。钻井液中的固相颗粒便附着在井壁形成泥饼。5143.3.井下失水过程井下失水过程时间时间累计失水量累计失水量T oT 1T 2T 3T 4T 5T 6 V 瞬瞬 V 动动 V 静静h=0h h=ch h h=c616 动失
4、水动失水 Dynamic FiltrationDynamic Filtration 钻井液循环时的失水量。钻井液循环时的失水量。特点特点：泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡。泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡。失水速率大、失水量大。失水速率大、失水量大。向井壁失水向井壁失水 失水速度由大到小逐渐恒定失水速度由大到小逐渐恒定（高渗透率（高渗透率 低渗透率低渗透率 =C=C）存在于整个循环过程中，时间长，累积失存在于整个循环过程中，时间长，累积失水量大。水量大。817 静失水静失水 Static FiltrationStatic Filtration 井下：钻井液停止循环后的失水。井下：钻井液停止循环后的
5、失水。室内：指定静态条件下，静失水仪器测得的失水。室内：指定静态条件下，静失水仪器测得的失水。特点特点：失水速率小、失水量较小。失水速率小、失水量较小。泥饼厚（无冲蚀作用）。泥饼厚（无冲蚀作用）。同时向井壁井底失水，以井壁为主。同时向井壁井底失水，以井壁为主。泥饼在动失水的基础上随时间增长而增厚。泥饼在动失水的基础上随时间增长而增厚。失水速度随静止时间的增长而减少。失水速度随静止时间的增长而减少。静失水量静失水量 动失水量动失水量918二、失水造壁性与钻井的关系二、失水造壁性与钻井的关系1.1.失水量过大失水量过大两个害处两个害处：导致水敏性泥页岩缩径、垮塌。导致水敏性泥页岩缩径、垮塌。油气层
6、内粘土水化膨胀使产层渗透率下降，油气层内粘土水化膨胀使产层渗透率下降，从而损害油气层。从而损害油气层。2.2.泥饼过厚泥饼过厚两个害处两个害处：井径缩小井径缩小 易引起起下钻遇阻遇卡。易引起起下钻遇阻遇卡。泥饼粘附卡钻。泥饼粘附卡钻。3.3.现场要求现场要求泥泥 饼饼 薄、密、韧。薄、密、韧。失水量失水量 适当（并非越小越好）。适当（并非越小越好）。对于一般地层：对于一般地层：APIAPI失水：失水：10 10 15 ml/30 min 15 ml/30 min；对于水敏地层：对于水敏地层：APIAPI失水失水 5 ml/30 min 5 ml/30 min。101104.4.控制失水量原则控
7、制失水量原则：五严五宽五严五宽五严五严：井深、裸眼长、矿化度低、油气层段、易塌层段。井深、裸眼长、矿化度低、油气层段、易塌层段。五宽五宽：井浅、裸眼短、矿化度高、非油气层、稳定井段。井浅、裸眼短、矿化度高、非油气层、稳定井段。11111三、钻井液的静失水三、钻井液的静失水 Static FiltrationStatic Filtration1.1.静失水方程静失水方程假设条件假设条件：泥饼厚度泥饼厚度 h h 钻屑钻屑 加重剂加重剂 不规则不规则 片状片状 球状球状 小尺寸小尺寸 大尺寸大尺寸2)2)泥饼质量：越致密、均匀、薄而光滑越好泥饼质量：越致密、均匀、薄而光滑越好3)3)有机高分子处理
8、剂有机高分子处理剂4)4)润滑剂润滑剂 多级复配优于单剂多级复配优于单剂5)5)滤失性、岩石条件、地下水和滤液滤失性、岩石条件、地下水和滤液PHPH值的影响值的影响131润滑剂的作用机理润滑剂的作用机理(1)惰性固体的润滑机理 固体润滑剂能够在两接触面之间产生物理分离，其作用是在摩擦表面上形成一种隔离润滑薄膜，从而达到减小摩擦、防止磨损的目的。多数固体类润滑剂类似于细小滚珠可以存在于钻柱与井壁之间，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而可大将滑动摩擦转化为滚动摩擦，从而可大幅度降低扭矩和阻力幅度降低扭矩和阻力。固体润滑剂在减少带有加硬层工具接头的磨损方面尤其有效固体类润滑剂的热稳定性、化学稳定性和防腐
9、蚀能力等良好，适于在高温、但转速较低的条件下使用，缺点是冷却钻具的性能较差，不适合在高转速条件下使用。132 沥青类处理剂主要用于改善泥饼质量和提高其润滑性。沥青类物质亲水性弱，亲油性强，沥青类物质亲水性弱，亲油性强，可有效地涂敷在井壁上、在井壁上形成一层油可有效地涂敷在井壁上、在井壁上形成一层油膜。这样，即可减轻钻具对井壁的摩擦，又可膜。这样，即可减轻钻具对井壁的摩擦，又可减轻钻具对井壁的冲力作用。减轻钻具对井壁的冲力作用。由于沥青类处理剂的作用，井壁岩石由亲水转变为憎水，所以，可阻止滤液向地层渗透。（2 2）沥青类处理剂的润滑机理沥青类处理剂的润滑机理133矿物油、植物油、表面活性剂等主要
10、是通过在通过在金属、岩石和粘土表面形成吸附膜，使钻柱与金属、岩石和粘土表面形成吸附膜，使钻柱与井壁岩石接触井壁岩石接触(或水膜接触或水膜接触)产生的固固摩擦，产生的固固摩擦，改变为活性剂非极性端之间或油膜之间的摩擦、改变为活性剂非极性端之间或油膜之间的摩擦、或者通过表面活性剂的非极性端还可再吸附一或者通过表面活性剂的非极性端还可再吸附一层油膜，从而使回转钻柱与岩石之间的摩阻力层油膜，从而使回转钻柱与岩石之间的摩阻力大大降低，减少钻具和其它金属部件的磨损，大大降低，减少钻具和其它金属部件的磨损，降低钻具回转阻力。降低钻具回转阻力。(3)(3)液体润滑剂的润滑机理液体润滑剂的润滑机理134135
11、空气与油处于润滑性的两个极端位置，而水基空气与油处于润滑性的两个极端位置，而水基钻井液的润滑性处于其间。钻井液的润滑性处于其间。摩擦系数空气为摩擦系数空气为0.5，清水为，清水为0.35，柴油为，柴油为0.07。大部分油基钻井液的摩阻系数在大部分油基钻井液的摩阻系数在0.080.09之间，之间，各种水基钻井液的摩阻系数在各种水基钻井液的摩阻系数在0.200.35之间，如之间，如加有油品或各类润滑剂，则可降到加有油品或各类润滑剂，则可降到0.10以下。以下。不同钻井液的摩阻系数（不同钻井液的摩阻系数（极压润滑仪测得极压润滑仪测得）136 对大多数水基钻井液来说，摩阻系数维持在对大多数水基钻井液来
12、说，摩阻系数维持在0.20左右时可认为是合格的。左右时可认为是合格的。水平井要求钻井液的摩阻系数应尽水平井要求钻井液的摩阻系数应尽 可能保持可能保持在在0.080.10范围内，以保持较好的摩阻控制。范围内，以保持较好的摩阻控制。因此，除油基钻井液外，其它类型钻井液的润滑因此，除油基钻井液外，其它类型钻井液的润滑性能很难满足水平井钻井的需要，但可以选用有性能很难满足水平井钻井的需要，但可以选用有效的润滑剂改善其润滑性能，以满足实际需要。效的润滑剂改善其润滑性能，以满足实际需要。改善钻井液润滑性能方法：合理使用润滑剂降低改善钻井液润滑性能方法：合理使用润滑剂降低摩阻系数；通过改善泥饼质量增强泥饼润
13、滑性摩阻系数；通过改善泥饼质量增强泥饼润滑性13755.510.5141726,格数格数36100200300600n,rpm判断该浆的剪切稀释性是否符合钻井一般要求。判断该浆的剪切稀释性是否符合钻井一般要求。试求流速梯度（剪切速率）试求流速梯度（剪切速率）=200s-1=200s-1和和=7000s-1=7000s-1时时的表观粘度。的表观粘度。利用六速旋转粘度计测得某浆的读数为利用六速旋转粘度计测得某浆的读数为题题1：六、计算六、计算138解：解：通过实验数据作流变曲线判断出该钻井液为塑性流体通过实验数据作流变曲线判断出该钻井液为塑性流体 PV=600-300 =26-17 =9 mPas
14、 o o（YPYP）=0.511=0.511（300-PV300-PV）=0.511=0.511（17-917-9）=4.088 =4.088 Pa 0/PV=4.088/4.088/9 0.45 Pa/mPa.s钻井一般要求钻井一般要求0/PV=0.36 0.478 Pa/mPa.s所以所以该浆的剪切稀释性符合钻井一般要求该浆的剪切稀释性符合钻井一般要求即即=7000s-1时的表观粘度为时的表观粘度为9.584 mPa.s。2=PV+0/2=9+10004.088/7000 =9.584 mPa.s1=PV+0/1=9+10004.088/200 =29.44 mPa.s即即=200s-1时
15、的表观粘度为时的表观粘度为29.44 mPa.s。题题2：密度为密度为.g/cm的某种分散钻井液，测得转的某种分散钻井液，测得转分的读数为，分的读数为，转分的读数为转分的读数为.,试计算试计算钻井液的卡森流变参数钻井液的卡森流变参数 c、解：解：c.（a）.(mPa.s)140题题3.测得钻井液测得钻井液 1min滤失量为滤失量为6.5ml,7.5min滤失量为滤失量为14.2ml,试求这种钻井液试求这种钻井液瞬时滤失量和瞬时滤失量和API滤失量滤失量?解解:由静滤失基本方程可推出如下方程由静滤失基本方程可推出如下方程(两点法两点法)钻井液瞬时滤失量为钻井液瞬时滤失量为:Vsp=6.5(14.
16、26.5)/(7.5 0.51 0.5)=2.07(ml)钻井液钻井液API滤失量为滤失量为:VAPI=2V 7.5Vsp=214.2-2.07 =26.33(ml)V30=26.33(ml)Vsp=2.07(ml)143题题4.测得钻井液测得钻井液 16min滤失量为滤失量为15ml,25min滤失量为滤失量为26ml,试求这种钻井液试求这种钻井液60 h滤失量滤失量?解解:V1=15ml,V2=26ml,t1=16min,t2=25min 设钻井液设钻井液60 h滤失量为滤失量为 V60 V60h=631（ml）=631（ml）147题题5 5 今有三种不同的钻井液今有三种不同的钻井液A
17、A、B B、C C，通，通过滤失试验得到三个不同的新鲜泥饼。控过滤失试验得到三个不同的新鲜泥饼。控制滑板式泥饼摩阻系数测定仪仪器台面的制滑板式泥饼摩阻系数测定仪仪器台面的转动速度为转动速度为5.5r5.5rminmin，分别将滑块压在通，分别将滑块压在通过滤失试验得到的不同新鲜泥饼上停放过滤失试验得到的不同新鲜泥饼上停放5min5min，然后开动仪器，仪器台面升起角度，然后开动仪器，仪器台面升起角度分别为分别为6 6 、12 12 、32 32 。试比较三种不试比较三种不同的钻井液同的钻井液A A、B B、C C的润滑性。的润滑性。148解：泥饼摩阻系数测定仪升起角度的正切值即为解：泥饼摩阻系
18、数测定仪升起角度的正切值即为泥饼的粘滞系数。泥饼的粘滞系数。tgA=tg 6=0.09tgB=tg 12=0.19tgC=tg 32 =0.55因粘滞系数因粘滞系数tgA tgB tgC 所以钻井液润滑性最好的是所以钻井液润滑性最好的是A，其次是，其次是B，最差的是最差的是C149粘附卡钻纵向剖面图粘附卡钻纵向剖面图题题6：某井在：某井在1000米深处卡钻米深处卡钻,钻杆尺寸为钻杆尺寸为114mm,围包角围包角90,泥泥饼粘附长度饼粘附长度15m,钻井液比重钻井液比重1.20,地层孔隙水的压力地层孔隙水的压力100atm,泥泥饼磨擦系数饼磨擦系数0.25,试求解卡所需力量？试求解卡所需力量？粘附卡钻横向截面图粘附卡钻横向截面图解：解：设设F-摩擦力、摩擦力、r-卡钻处钻柱半径、卡钻处钻柱半径、-泥饼泥饼与钻柱的包角、与钻柱的包角、L-粘附长度、粘附长度、m-钻井液密度、钻井液密度、h-卡钻深度、卡钻深度、pf-地层压力、地层压力、f-摩擦系数摩擦系数