钻井液工艺学-第四章

第四章钻井液的滤失和润滑性能

1.掌握三个（瞬、静、动）失水概念。

2.掌握五个公式。

3.熟悉七个影响因素。

4.钻井液润滑性及其评价。与钻井液滤失有关的钻井问题：1、井壁稳定2、油气层保护3、钻井速度4、井下安全与钻井液润滑性有关的钻井问题：1、钻具的扭矩、磨损和疲劳2、起下钻钻柱的摩擦阻力3、钻柱的旋转阻力4、压差卡钻、钻头泥包水基钻井液中的水水基钻井液=固相+水+处理剂钻井液中的水由三部分组成：结晶水（化学结合水）——粘土矿物晶体构造的组成部分。吸附水（束缚水）——由固相颗粒分子间力吸附的水化膜。自由水

——钻井液中自由移动的水，分散介质。特点：占总水量中的绝大部分。水在泥浆中所呈状态吸附水结晶水自由水2第一节钻井液滤失量的影响因素滤失：在压差作用下，钻井液中的自由水向井壁岩石的裂隙或孔隙中渗透的现象。造壁性：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。泥饼的作用降低滤失量保护井壁第一节钻井液滤失量的影响因素1）瞬时滤失滤失类型及特点钻井液与新地层接触的瞬间，泥饼尚未形成时的滤失。特点：时间短（t<2秒)；比例小。

主要是向井底失水。时间短而量大（滤失速率大），伴有少量泥浆渗失。存在于整个钻井过程中。第一节钻井液滤失量的影响因素2）动滤失钻井液在循环过程中的滤失。特点：泥饼形成、增厚与冲蚀处于动平衡。失水速率大、失水量大。

向井壁失水失水速度由大到小逐渐恒定（高渗透率低渗透率=C）存在于整个循环过程中，时间长，累积失水量大。

第一节钻井液滤失量的影响因素3）静滤失钻井液停止循环时发生的滤失。特点：失水速率小、失水量较小。泥饼厚（无冲蚀作用）。

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。失水速度随静止时间的增长而减少。静失水量<动失水量失水造壁性与钻井工作的关系1.失水量过大两个害处：导致水敏性泥页岩缩径、垮塌。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。2.泥饼过厚两个害处：井径缩小——易引起起下钻遇阻遇卡。泥饼粘附卡钻。3.现场要求泥饼

——薄、密、韧。失水量

——适当（并非越小越好）。对于一般地层：API失水：1015ml/30min；

对于水敏地层：API失水<5ml/30min。10失水与钻井的关系

向井壁的失水有害①易造成井塌和缩径

阻、卡、划②易损害油气层：阻、堵、沉淀·向井底的失水有利①降低井底岩石强度，增加可钻性，有利钻速提高。②消除压持效应，避免重复切削，有利钻速提高。显然：瞬失失水越大，钻速越高。第一节钻井液滤失量的影响因素滤失量影响因素一、静滤失1、静滤失方程推导第一节钻井液滤失量的影响因素（2）滤失速率第一节钻井液滤失量的影响因素（3）hmc~Vf设在滤失时间t内，有V的钻井液被滤失掉，则有：又有：第一节钻井液滤失量的影响因素联立（2）式和（3）式：（4）式代入（1）式并积分，得到：第一节钻井液滤失量的影响因素2、静滤失影响因素（1）滤失时间t①瞬时滤失量Vsp=0②瞬时滤失量Vsp≠0Vf

与t的关系t1/20Vft1

1/2Vf1t2

1/2Vf2该式实际上表明了任意时刻失水量之间的关系。如果：t1=7.5分钟；t2=30分钟；则：Vf30’=2Vf7.5’第一节钻井液滤失量的影响因素（2）压差△P△P↑Vf↑泥饼越致密K↓→Vf↓第一节钻井液滤失量的影响因素（3）泥饼渗透率K渗透率K影响因素：第一节钻井液滤失量的影响因素（4）固相含量选择优质粘土配浆（颗粒水化膜厚）→fsc↓→Vf↓缺点钻速↓油层损害↑流变性变差钻井液固含↑→fsm↑→vf↓第一节钻井液滤失量的影响因素（5）滤液粘度μ滤液粘度μ影响因素：温度↑→μ↓高分子处理剂→μ

↑（6）渗滤面积A静失水影响因素有：①时间：t↗，Vf↗。②压差：ΔP↗，Vf↗。泥饼可压缩性好时则不然。③固相含量、类型及级配④泥饼渗透滤：K↘，Vf↘。⑤滤液粘度：μ↗，Vf↘。⑥温度：温度↗，μ↘则Vf↗。上述因素中，泥饼渗透率的影响是关键。

第一节钻井液滤失量的影响因素第一节钻井液滤失量的影响因素3、静滤失测量（1）API滤失量（2）HTHP滤失量例：测得钻井液1min滤失量为6.5ml,7.5min滤失量为14.2ml,试求这种钻井液瞬时滤失量和API滤失量?解:由静滤失基本方程可推出如下方程(两点法)

钻井液瞬时滤失量为:

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

钻井液API滤失量为:VAPI=2V7.5－Vsp=2×14.2-2.07

=26.33(ml)V30=26.33(ml)Vsp=2.07(ml)第一节钻井液滤失量的影响因素二、瞬时滤失瞬时滤失的影响因素：

①压差：ΔP↗，瞬时失水量↗。②粘度：粘度↗，瞬时失水量↘。③固相颗粒大小与多少。三、动滤失影响动失水的因素：①影响静失水的因素同样影响动失水。②环空返速

·紊流：返速高，冲蚀大，动失水大。

·层流：返速低，冲蚀小，动失水小。

·平板型层流：返速低，冲蚀小，动失水小。③泥饼强度：强度高，不易冲蚀，动失水小。第二节钻井液滤失造壁性与钻井的关系一.滤失量与钻井的关系滤失量大井壁不稳定损害油层滤失量小增加成本影响钻速钻井要求：滤失量适中一般地层FLAPI<10mlFLHTHP<20ml易塌地层FLAPI<5mlFLHTHP<15ml控制失水量原则：五严五宽五严：井深、裸眼长、矿化度低、油气层段、易塌层段。五宽：井浅、裸眼短、矿化度高、非油气层、稳定井段。11第二节钻井液滤失造壁性与钻井的关系二.滤液性质与钻井的关系1、滤液pH值一般要求钻井液pH值在8~11之间。2、矿化度矿化度↑井壁稳定性↑处理剂使用效果↓第二节钻井液滤失造壁性与钻井的关系三.造壁性（泥饼）与钻井的关系1、泥饼厚度泥饼过厚压差卡钻测量工具遇阻钻头泥包固井质量2、泥饼渗透率K：K↓→滤失量Vf↓3、泥饼韧性好，抗钻井液冲刷能力强4、润滑性要好钻井要求：泥饼薄、致密、韧性好、摩阻小第二节钻井液滤失造壁性与钻井的关系四.钻井液滤失造壁性调节1、调节依据：调节泥饼渗透率2、调节方法第三节钻井液的润滑性能一.钻井对钻井液润滑性要求钻井要求钻井液具有良好的润滑性注：钻井液的润滑性在大斜度井、水平井、开窗侧钻、丛式井钻井中尤为重要。

第三节钻井液的润滑性能二.钻井液润滑性的影响因素1、钻井作业中摩擦现象的特点在钻井过程中，按摩擦副表面润滑情况，摩擦可分为以下三种情况：

a-边界摩擦；b-干摩擦或障碍摩擦c-流体摩擦三种不同润滑模式示意图

第三节钻井液的润滑性能

①边界摩擦：两接触面间有一层极薄的润滑膜，摩擦和磨损不取决于润滑剂的粘度，而是与两表面和润滑剂的特性有关，如润滑膜的厚度和强度、粗糙表面的相互作用以及液体中固相颗粒间的相互作用。有钻井液的情况下，钻铤在井眼中的运动等属边界摩擦。

②干摩擦（无润滑摩擦）：又称为障碍摩擦，如空气钻井中钻具与岩石的摩擦，或井壁不规则情况下，钻具直接与部分井壁岩石接触时的摩擦.

③流体摩擦：由两接触面间流体的粘滞性引起的摩擦。实际上，钻井过程中的摩擦多微混合摩擦①③共存为主。第三节钻井液的润滑性能2、钻井液润滑性的主要影响因素1）固相类型，颗粒形状及尺寸,粘度粘土>钻屑>加重剂不规则>片状>球状小尺寸>大尺寸2）泥饼质量：越致密、均匀、薄而光滑越好（井壁岩石特性）3）有机高分子处理剂改善泥饼质量，在井壁上形成吸附膜，降低摩擦力4）润滑剂：多级复配优于单剂，混油不如润滑剂。5）滤失性、岩石条件、地下水和滤液PH值的影响第三节钻井液的润滑性能三.钻井液润滑剂1、液体类润滑剂类型：矿物油、植物油和表面活性剂作用原理：通过在金属、岩石和粘土表面形成吸附膜，减少钻具对井壁和套管的摩擦。第三节钻井液的润滑性能2、固体类润滑剂类型：塑料小球、石墨、玻璃微珠等作用原理：多数固体润滑剂类似细小滚珠，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，因而可以大幅度降低扭矩和阻力。第三节钻井液的润滑性能沥青类处理剂的润滑机理

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，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。第三节钻井液的润滑性能润滑性能测定仪器滑板式泥饼摩阻系数测定仪泥饼粘附系数测定仪钻井液极压润滑仪(简称EP润滑仪)润滑性能评价仪(简称LEM润滑仪)泥饼针入度计(FilterCakePenetrometer)井眼摩擦模拟装置卡钻系数测定仪第三节钻井液的润滑性能粘滞系数测定仪EP润滑仪第三节钻井液的润滑性能泥饼摩阻系数测定仪在仪器台面倾斜的条件下，放在泥饼上的滑块受到向下的重力作用，当滑块的重力克服泥饼的粘滞力后开始滑动。测量开始时，将由滤失试验得到的新鲜泥饼放在仪器台面上，滑块压在泥饼中心停放5min。然后开动仪器，使台面升起，直至滑块开始滑动时为止。读出台面升起的角度。此升起角度的正切值即为泥饼的粘滞系数。第三节钻井液的润滑性能不同钻井液的摩阻系数（极压润滑仪测得）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。摩擦系数空气为0.5，清水为0.35，柴油为0.07。大部分油基钻井液的摩阻系数在0.08～0.09之间，各种水基钻井液的摩阻系数在0.20～0.35之间，如加有油品或各类润滑剂，则可降到0.10以下。第三节钻井液的润滑性能对大多数水基钻井液来说，摩阻系数维持在0.20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可能保持在0.08～0.10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。

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滑性

55.510.5141726φ,格数36100200300600n,rpm①判断该浆的剪切稀释性是否符合钻井一般要求。②试求流速梯度（剪切速率）γ=200s-1和γ=7000s-1