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钻井液工艺原理4-钻井液滤失造壁性及润滑性_图文

第四章 钻井液的滤失造壁和润滑性能
The Filtration Properties of Drilling Fluids

本章要求:

1. 静滤失方程
3. 影响滤失的因素

4. 钻井液润滑性及其评价

1

1

一、滤失造壁性的基本概念 1. 水基钻井液中的水
水基钻井液组成: 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。

占总水量中的绝大部分
1 2

2. 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 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。

漏失 —— 钻井液的固相和液相全部进入地层的现象。
滤失 —— 钻井液中只有液相进入地层的现象。 失水 —— 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。 泥饼 —— 钻井液滤失过程中留在井壁或者滤膜上的物质。 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。
1 3

5

3.井下失水过程
累计失水量
h=0 h? h=c h? h? h=c

V静 V动 V瞬 To T1 T2 T3 T4 T5 T6

时间

1

4

6

瞬时失水 Spurt Loss

—— 钻井液泥饼尚未完全形成之前很短时间内的
失水。

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,伴有少量泥浆渗失。

1

5

7

动失水 Dynamic Filtration —— 钻井液循环时的失水量。

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。

1

6

8

静失水 Static Filtration —— 井下:钻井液停止循环后的失水。

—— 室内:指定静态条件下,静失水仪器测得的失水。
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
1 7

9

二、失水造壁性与钻井的关系
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:10 ? 15 ml/ 30 min; 对于水敏地层:API失水 < 5 ml/30 min。
1 8 10

向井壁的失水有害 ①易造成井塌和缩径、阻、卡 ②易损害油气层:阻、堵、水锁、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。
1 9

4. 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。

1

10

11

三、钻井液的静失水
1. 静失水方程

Static Filtration

假设条件:? 泥饼厚度 h << 井眼直径; ? 滤失过程为线性关系 —— K = C;

? 滤失为恒温恒压过程。
静失水方程推导: 利用达西渗滤公式:

dv f kAP ? dt h?

(1)

式中, vf ——滤失量,cm3; k —— 泥饼渗透率,darcy; ? —— 滤液粘度,mPa.s;
1 A —— 滤失面积,cm2。

t ——滤失时间,s; P ——滤失压力,kg/cm2; h ——泥饼厚度,cm;
11 12

如果一定体积的钻井液Vm全部滤失完,则在Vm当中,有Vf 的滤液体积从Vm中挤压出去,剩下Vc的泥饼体积挤不出去,于 是可以得到: Vm = Vf + Vc = Ah + Vf Vc / Vf = R = 常数
dv f kAP ? dt h?

(2) (3)

将(2)、(3)式代入达西公式(1)中,得到(4) :
dV f kPA2 ? dt ?RVf

1 2 k PA2 t Vf ? 对(4)式两边积分,得(5) : 2 ?R Vf2 ? 2k Pt Vf . ? Vc
1 12

根据假设可知,泥饼中干固体体积等于泥饼体积与泥饼中固相体 积分数的乘积。即: Vc = h A Cc 钻井液中固相体积百分数为:Cm = Vc /Vf= h A Cc/ (hA+Vf) 联立解以上两式,得: (6)
h? Vf Cc A( ? 1) Cm

将(6)式代入达西公式(1)中,并积分得:(7)

2kPt( Vf ? A
1 2 k PA2 t Vf ? 2 ?R

Cc ? 1) Cm ?

比较(7)式与(5)式,可以看到:
Vf2 ? 2k Pt Vf . ? Vc

Cc /Cm-1 = Vf /Vc
1 13

2. 影响静失水的因素
? Vf 与t的关系 Relationship Between Filtration and Time
Vf ? A Ct ?? ? Cc 2kP( ? 1) Cm C? ? t

在直角坐标上任取两点,可以得到:
Vf 2 ? Vf 1 Vf 2 ? t2 t1 t2 ? Vf 1 t1

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:
1

Vf30’ = 2Vf7.5’
14

实际计算应注意考虑瞬时失水

Larsen 方程:Vf’= Vsp + C t1/2
得到: Vf Vf Vf
30 ’= 30 ’

- Vsp = c(30)1/2 Vsp = c(7.5)1/2
7.5 ’-

7.5

’-

联立解之,得到: 2 Vf Vsp
Vf

VsP t1/2

Vf 与t的关系
1 15

16

? Vf与P的关系 Relationship Between Pressure and

Filtration Volume
理论上: LgVf = 1/2 LgP +1/2 LgC 即: Vf ? P1/2 条件:k = 常数。 原因:k ≠ 常数。 实际上: Vf ? Px 指数 x 的实质:
? 反映压力对泥饼可压缩性,x 越小,泥饼可压缩性越好,k 越小。 ? x 是直线斜率,一般小于0.5。 ? x 与固相粒子形状和大小有关。
一般: 粘土:x = 0.205 页岩:x = 0.084 0
1

LgV

LgP

Vf 与 P的关系

16

? Vf与?的关系 Relationship Between Viscosity

and Filtrate Volume
由静失水方程可知: Vf ? ?-1/2 ; 而: 1/ ? ? 温度T

所以: 影响规律:

Vf = f (T)

T↑→? ↓→ Vf ↑
例如:用纯水配制的钻井液,在20 0C与100 0C比较。
Vf 100 ? Vf 20 ? 20 ? ? 100 1.005mPa .s ? 1.88 0.284mPa .s

T ↑ T ↑

粘土聚结和絮凝状态改变 → k ↑ → Vf ↑ ;

粘土去水化,吸附水↓ →自由水↑ → Vf ↑ 。
降失水剂要降解,若超过处理剂的抗温能力,失水量急剧增加。
1 17

? Vf 与固相含量及类型的关系
Vf ? (Cc/Cm -1)1/2 显然,若要降低失水量Vf ,可以采取的方法为:

? 提高钻井液中的固相含量Cm .
存在问题:固含增加,将导致钻井液流变性变差,同时, 钻进速度降低。 ? 降低泥饼中的固相含量Cc 。 优点:泥饼中土少水多(束缚水多),水化膜厚,在压力

作用下易变形,可压缩性大。
结论:宜选用优质土配制钻井液。
1 18

19

?

泥饼厚度h与vf 的关系 Relatiionship Between Cake Thickness and Filtration
Vf h ? Cc A( ? 1) Cm

影响规律: a. Vf ↓ → h ↓ 。 b. 当钻井液固含 Cm ≈ Cc ,h ↑ ↑ 。

C.当固含Cm一定时,孔隙度 ? ↑→泥饼疏松 → h ↑ 。

实验发现:
固相粒度分布越宽 → ? ↓ → h ↓ ; 小粒子越多 → ? ↓ → h ↓ 。

1

19

20

泥饼薄、密、韧条件: ? Cc 低 (土的膨胀性好)

? 粒度分布宽
? 细小粒子多

1

20

21

?

Permeability of the Filter Cake
由:

Vf 与 k 的关系 Relationship Between The
Cc ? C) 1 C m ( c ? 1) 2kPt Vf ? A Cm Vf ? A ? 2kPt(
?

( a) K 与 vf 的关系式

h?

Vf Vf C c A( C c ? 1) A( ? 1) Cm Cm
h? V ?h V ?V

得到:

f c Vf k h 2 APt?? c 2 ? ? fVf V 2 A pt k? ? 2 2 APt 2 A pt

(1)

式中单位:

h —— cm; Vf —— cm3 ; ? —— mPa.s ; t —— s ; P —— kg/cm2 ; A —— cm2 ; Vc ——泥饼体积 cm3 ; k —— darcy (1d =103 md );
1

21

22

将上式(1)换为现场通用单位: 代入: k (d ) → 103 k( md ); t (s ) → 60t (min )。得到:

Vf ?Vc 103 25 Vf ?Vc k? ? ? ? 2 60 3 2 A pt 2 A 2 pt
再代入: h = Vc /A

(2)

(3) 最后代入测定静失水的API标准条件: A = 45 cm2 ;P = 6.8 kg/cm2 ;t = 30 min。 由(2)式得计算渗透率k 的公式: k = 1.01 ? 10 -5 ? Vf Vc (4) 由(3)式得计算 k 的公式: k = 9.08 ? 10 -4 ? Vf h

(5)

1

22

23

( b) K的影响因素
? 粒度和粒度分布对k 的影响
规律: 细粒子越多,平均粒径越小,k 越小; 粒度分布 越宽,k 越小。

? 胶体粒子浓度(含量)对k 的影响
规律: k完全取决于钻井液中胶体粒子( d <10 的比例和含量。
-5

?m)

某种钻井液中如果胶粒浓度高,k = (0.31-1.5)?10 如果胶粒浓度趋于零,k ?? (高得不能测定)

-3

md,

1

23

24

四、钻井液润滑性
超深井、水平井、大位移井等的关键技术

? 降低摩阻扭矩的技术
钻柱的旋转阻力和提拉阻力会大幅度提高
影响钻井扭矩和阻力以及钻具磨损的主要可调节因素是钻井液的润滑

性能,因此钻井液的润滑性能对减少卡钻等井下复杂情况,保证安全、
快速钻进起着至关重要的作用。

? 井壁稳定技术 ? 井眼净化技术

? 钻井液的润滑性能通常包括泥饼的润滑性能和 钻井液这种流体自身的润滑性两方面。 ? 钻井液的润滑性能对减少井下复杂情况,保证 安全、快速钻进起着至关重要的作用。
?

?
? ?

?

①降低摩阻和扭矩 ②防止套管的磨损 ③延长钻头轴承寿命 ④防止压差卡钻 ⑤防止钻头泥包
1 25

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(Filter Cake Penetrometer)
井眼摩擦模拟装臵 卡钻系数测定仪

?

粘滞系数测定仪

1

27

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。
1 28

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 3)有机高分子处理剂

4)润滑剂
多级复配优于单剂 5)滤失性、岩石条件、地下水和滤液PH值的影响
1 29

钻井对润滑剂的要求
能润滑金属表面
有良好的配伍性

不降低岩石破碎的效率
耐热耐寒 不腐蚀金属、不损害密封圈 环保 无荧光或低荧光
1 30

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 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。
1 31

(2) 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。

1

32

(3)

液体润滑剂的润滑机理

? 矿物油、植物油、表面活性剂等主要是通过在 金属、岩石和粘土表面形成吸附膜,使钻柱与 井壁岩石接触(或水膜接触)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、 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 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。

1

33

1

34

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。
1 35

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
1 36

六、计算 题 1:
利用六速旋转粘度计测得某浆的读数为
n, rpm 600 300 200 100 6 3

φ , 格数

26

17

14

10.5

5.5

5

①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 时的表观粘度。

1

37

解: ①通过实验数据作流变曲线判断出该钻井液为塑性流体

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 Pa/mPa.s 钻井一般要求τ0 / PV = 0.36 ~0.478 Pa /mPa.s 所以该浆的剪切稀释性符合钻井一般要求
② η1= PV+ τ0/ γ1= 9 + 1000×4.088/200 = 29.44 mPa.s

η2= PV+ τ0/ γ2= 9 + 1000×4.088/7000 = 9.584 mPa.s

即γ=200s-1时的表观粘度为29.44 mPa.s 。 即γ=7000s-1时的表观粘度为9.584 mPa.s 。
1 38

题2: 密度为1.22g/cm3的某种分散钻井液,测得600转/ 分的读数为76, 100转/分的读数为25.5,试计算 钻井液的卡森流变参数 τc、 η ∞ 解:

?c ? 0.493( 6? 100 ? ? 600 )
1/ 2

??1 / 2 ? 1.195( ? 600 ? ? 100 )
?c ? 0.493( 6 ? 25.5 ? 76 )
1/ 2

τc=3.24(Pa) η∞=19.21(mPa.s)

??1 / 2 ? 1.195 ( 76 ? 25.5 )

? 题3. 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?

1

40

? 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)/(7.5 0.5-1 0.5)=2.07(ml) ? ? ? 钻井液API滤失量为:

VAPI= 2V 7.5-Vsp= 2×14.2 -2.07
=26.33(ml)

V30 = 26.33(ml)

V 7.5 ? Vsp ? C 7.5

Vt ? C t ? Vsp

V 15 ? Vsp ? C 15
Vsp=2.07(ml)

? 题4. 测得钻井液 16min滤失量为15ml, 25min

滤失量为26ml ,试求这种钻井液60 h滤失量?

1

43

Vt ? C t ? Vsp

V 7.5 ? Vsp ? C 7.5

V 15 ? Vsp ? C 15

解:

V1= 15ml, V2= 26ml, t1=16min, t2=25min 设钻井液60 h滤失量为 V60
V60 h ?V1 60?60 ? t1

?

V2 ?V1 t 2 ? t1

V60h ?15 60?60 ? 16

?

26?15 25 ? 16

V60h =631(ml )

Vt ? C t ? Vsp

V1 ? Vsp ? C t1

V 2 ? Vsp ? C t 2
15 ? Vsp ? C 16 26 ? Vsp ? C 25

Vsp ? ?29ml
=631(ml )

C ? 11

V60h ? 11 ? 60 ? 60 ? ? 29) (

题5

今有三种不同的钻井液A、B、C,通

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
转动速度为5.5r/min,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
5min,然后开动仪器,仪器台面升起角度 分别为6? 、12 ? 、32 ? 。 试比较三种 不同的钻井液A、B、C的润滑性。

1

47

解:泥饼摩阻系数测定仪升起角度的正切值即为 泥饼的粘滞系数。

tgA=tg 6? =0.09
tgB = tg 12 ?= 0. 19

tgC= tg 32 ? =0.55
因粘滞系数tgA< tgB < tgC

所以钻井液润滑性最好的是A,其次是B,
最差的是C
1 48

题6:某井在1000米深处卡钻,钻杆尺寸为114mm,围包角90°,

泥饼粘附长度15m,钻井液比重1.20,地层孔隙水的压力100atm ,
泥饼磨擦系数0.25,试求解卡所需力量?

粘附卡钻横向截面图 粘附卡钻纵向剖面图
1 49

解: 设F----摩擦力、r----卡钻处钻柱半径、θ----泥饼 与钻柱的包角、L----粘附长度、ρm----钻井液密度、h-

---卡钻深度、pf----地层压力、f----摩擦系数

F ? r? L( ? m gh ? p f ) f
1000 ? 1.20 F ? ? ?1500 ? ( ? 100) ? 0.25 2 10 ? 67151公斤
11.4 2

?

? 67吨


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