FILTRATION PROPERTIES 钻井液滤失性能

1. Principles of Drilling Fluids 钻井液工艺原理 Chapter 5 FILTRATION PROPERTIES 钻井液滤失性能 Prof. Dr. XiuhuaZheng E-mail: Xiuhuazh@cugb.edu.cn Exploration Dept. School of Engineering and Technology, China University of Geosciences(Beijing) 中国地质大学(北京)工程技术学院勘查教研室

2. Quiz for Glossary of Rheology • Effective viscosity(Apparent viscosity) • Yield point • Plastic viscosity • Consistency index • Shear thinning behavior • Thixotropicbehavior • Pseudoplastic • Flow-behavior index • Rate of Penetration(ROP) • Hole cleaning • Transport ratio 有效粘度(表观粘度) 屈服值（动切力） 塑性粘度 稠度系数 剪切稀释特性 触变性 假塑性 流性指数 机械钻速 钻孔清洗 携带比

3. Glossary of §5 地层孔隙（裂隙） 渗透率 滤液 初失水 压差卡钻 泥饼中的水分 粒径及粒径分布 孔隙度 静失水和动失水 • Pore or fracture in formation • permeability • filtrate • mud spurt • differential sticking • water retained in the cake • Particle size and particle distribution • porosity • static and dynamic filtration

4. Contents for Filtration Properties • Filtration and Filtration Procedures 失水和失水过程 • The Static Filtration and Affecting Factors 静滤失及影响因素 • The Filter Cake 滤饼 • Dynamic Filtration 动失水

5. Determination of drilling fluid density according to formation pore pressure and formation fracture pressure

6. 1. Filtration and Filtration Procedures（失水和失水过程） 1.1 The Filtration Properties（滤失性能） Free Water in mud invades the permeable formations • Pressure difference • Free water in mud • Pore or fracture in formation

7. Mud cake or Filter cake（泥饼或滤饼） • Mud solids are filtered out onto the walls of the hole, forming a cake of relatively low permeability（渗透率）, through which only filtrate（滤液）can pass. • Muds must be treated to keep cake permeability as low as possible in order to maintain a stable borehole and to minimize filtrate invasion（侵入）of, and damage（损害）to, potentially productive horizons（生产层）.

8. 泥浆的失水造壁性 • 在井中液体压力差的作用下，泥浆中的自由水通过井壁孔隙或裂隙向地层中渗透，称为泥浆的失水。失水的同时，泥浆中的固相颗粒附着在井壁上形成泥皮（泥饼），称为造壁。

9. 水，作为水基钻井液的分散介质，在钻井液中以三种形态存在，即化学结合水、吸附水和自由水。水，作为水基钻井液的分散介质，在钻井液中以三种形态存在，即化学结合水、吸附水和自由水。 • 通常用滤失量(Filtration Loss)或失水量(Water Loss)来表示滤失性的强弱。 • 钻井液滤失的两个前提条件是：存在压力差和存在裂隙或孔隙性岩石。 • 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上形成泥饼(Mud cake 或Filter cake)(细小颗粒也可能渗入岩层至一定深度)，这便是钻井液的造壁性。

10. 1.2 The Overall Procedures of Filtration（失水全过程） 初失水（瞬时失水）（Spurt Loss） 动失水 (Dynamic Filtration) 静失水 (Static Filtration) • 分析井内钻井液发生滤失的全过程，得出： • 瞬时滤失时间很短，但滤失速率最大； • 动滤失时间最长，滤失速率中等； • 静滤失时间较长，滤失速率最小。 • 滤失速率是指单位时间内滤失液体的体积。

11. 初失水（瞬时失水）（Spurt Loss） • 钻头破碎孔底岩石，形成新的自由面瞬间，泥浆接触新的自由面，还未形成或很少形成泥皮，泥浆中的自由水以很高的速率向新鲜岩面失水，这时的失水称为瞬时失水或初失水。

12. 静失水 (Static Filtration) • 在起下钻或其它原因停止钻进时，钻井液停止循环，液流的冲刷作用消失，此时压力差为静液柱压力和地层压力之差。随着滤失的进行，泥饼逐渐增厚，单位时间的滤失量逐渐减小。在这一阶段，因压力差较小，泥饼较厚，故大多数情况下单位时间内的滤失量比动滤失量小。

13. 2.2 The Factors Affecting the Static Filtration(静失水影响因素) • Where, • =the volume fraction of solids in the mud; • =the volume fraction of solids in the cake; • k = permeability in darcise; • A = the area of the filter cake, cm2; • = differential pressure in atmospheres, (105Pa); • viscosity of the filtrate in centipoises • t = time seconds • Vf=Filtration Volume

14. Formula deduction:

15. 2.2.1 Relationship between Filtrate Volume and Time Relation of filtrate volume to time Vsp zero error(零点误差) =mud spurt=spurt loss（初失水，瞬时失水）

16. The conditions recommended by API to measure the filtrate volume • Time: 30 minutes • Pressure: 6.8 atmosphere, 7 kg/cm2 • Area of cake: approximately 45 cm2 • Then, And, if Vsp is small, then

17. API Filtration Test

18. 2.2.2 Relationship Between Pressure and Filtrate Volume Fluid Loss, cc, API A Clay Mud 0.205 B Shale Mud 0.084 C Bentonite Mud 0.000 Pressure, lbs/in2 Effect of pressure on filtrate volume

19. 2.2.3 Relationship between Temperature and Filtration Volume • T increases, Vf increases, because: • μdecreases • Flocculation and aggregation, k increases • Chemical degradation Viscosity of water at various temperature

20. Cake Thicknes (滤饼厚度) concentration of solids in the mud （泥浆中固相含量） amount of water retained in the cake （泥饼中含水量） swelling properties （膨胀特性） Variation of filtrate volume, cake volume, and permeability with concentration of solids in a suspension of Altwarmbuechen clay. 3. The Filter Cake(滤饼) 3.1 Cake Thickness（滤饼厚度） tight hole（缩径） pipe torque（钻杆扭矩）and drag（阻力） differential sticking（压差卡钻）

21. Particle size and particle distribution porosity Permeabilitiesand porosoties of filter cakes of glass spheres. k=permeability in darciesρ=porosity Minimum porosities: even gradation of particle sizes （均匀分布颗粒尺寸） because the smaller particles then packed most densely in the pores between the larger particles. • Lower porosities: • Mixtures with a wide range of • particle sizes（较大范围颗粒尺寸） • 2. An excess of small particles

22. 3.2 The Permeability of the Filter Cake(滤饼渗透率) The permeability of the filter cake is the fundamental parameter that controls both static and dynamic filtration. It more truly reflects downhole filtration behavior than does any other parameter. As a parameter for evaluating the filtration properties of muds with different concentration of solids, it has the advantage over filtrate volume in being independent of solids concentration. Cake permeability provides useful information on the electrochemical conditions prevailing in the mud.

23. Fig.5-8. Expandable of a narrow (curve A) and a wide (curve B) particle size range 3.3 The Effect of Particle Size and Shape on Cake Permeability(颗粒直径和形状对滤饼渗透性的影响)

24. Reduction of cake porosity and permeability with increase in filtration pressure Suspension 1 = 0.3004 g of Altwarmbuechen clay/g suspension Suspension 2 = 0.2836 g of Altwarmbuechen clay+35g/L of NaCl Filtration time = 60 min 3.4 Effect of Flocculation and Aggregation on Cake Permeability（絮凝与聚结对泥饼渗透的影响） • Flocculation of muds causes the particles to associate in the form of a loose, open network. This structure persists to a limited extent in filter cakes, causing considerable increases in permeability.

25. 钻井液中膨润土分散状态图 Dispersion：分散 Flocculation：絮凝 Aggregation：聚结

26. Fig.4-6 Invasion of a permeable formation by mud solids. 3.5 The Bridging Process 1. An external filter cake（外泥饼） on the walls of the borehole. 2. An internal filter cake（内泥饼）, extending a couple of grain diameters into the formation. 3. A zone invaded by the fine particles during the mud spurt period, which normally extends about an inch（25.4 mm）into the formation.

27. Effect of Filtration Medium on Mud Spurt（滤失介质对初失水的影响）

28. 4. Dynamic Filtration(动失水) • = the thickness of the filter (mud) cake, cm.

29. 剪切速率与泥饼厚度的关系 剪切速率与动滤失的关系

30. 动失水 (Dynamic Filtration) • 紧接着瞬时滤失，在井内钻井液循环的情况下滤失继续进行并开始形成泥饼，随着滤失过程的进行，泥饼不断增厚，直至泥饼的增厚速度与泥饼被冲刷的速度相等，即达到动平衡。此后钻井液在循环下继续滤失但泥饼不再增厚。这段时间的滤失量称为动滤失量，其特点是压力差较大，它等于静液柱压力加上环空压力降和地层压力之差，泥饼厚度维持在较薄的水平，单位时间的滤失量开始较大，其后逐渐减小，直至稳定在某一值。

31. Relative static and dynamic filtration in the bore hole

32. 5.Effects for drilling失水性对钻井工作的影响 (1)当地层为泥页岩、黄土、粘土时，失水过大会引起井壁吸水膨胀、缩径、剥落、坍塌； (2)对于破碎带、裂隙发育的地层，渗入的自由水洗涤了破碎物接触面之间的粘结，减小了摩擦阻力，破碎物易滑入井眼内，造成井壁坍塌、卡钻等事故； (3)在溶解性地层中的失水越多，井壁地层被溶解的程度就高； (4)厚泥皮会加大对钻具的吸附，使钻杆回转阻力增加；

33. (5)厚泥皮使环空过流面积减小，循环阻力和压力激动增大；(5)厚泥皮使环空过流面积减小，循环阻力和压力激动增大； (6)厚泥皮使测井数据的准确性降低； (7)失水量越多，对地层的侵染越严重； (8)失水量越多，对地层的伤害越严重，影响油、气、水的渗透率，降低井的产量； • 泥浆的失水性对钻井的有利影响是：初失水可以湿润岩土， 使其强度降低，有利于钻头对其破碎，提高钻进速度。 综上所述，钻井液形成的泥饼一定要薄、致密、坚韧；而钻井液 的滤失量则要控制适当，应根据岩石的特点、井深、井身结构等 因素来确定，同时应考虑钻井液的类型。

34. 钻井液滤液矿化度 • 钻井液滤液矿化度不同，对井壁岩层稳定性的影响也是不同的。与淡水滤液、碱性强的滤液相比较，高矿化度、碱性弱的滤液和含高聚物(例如聚丙烯酰胺)的滤液不易引起井壁岩层的膨胀和坍塌。实践证明，即使滤失量大些，使用这类钻井液要安全得多。因此，对于井壁稳定来说，不仅要注意滤失量的大小，还要考虑滤液的性质及其对井壁稳定造成的影响。

35. 降失水的措施 从以上讨论中可以分析泥浆降失水的主要途径为： ①平衡或减小钻井液与地层孔隙流体之间的压差； ②选用优质造浆粘土和有关处理剂，增加水化膜厚度； ③增加泥浆中粘土的含量； ④选用能提高水溶液粘度的处理剂，增加泥浆滤液粘度； ⑤加快在复杂地层段的钻进速度，减少井壁裸露时间； ⑥减少钻井液循环对井壁的冲刷。

36. 钻井液滤失性能的调整与控制 • 钻井液循环时，对于井壁为泥页岩的地层，滤失量过大会引起地层岩石，水化膨胀、剥落，使井径扩大或缩小。对于裂隙发育的破碎性地层滤液渗入岩层的裂隙面，减小了层面间的接触摩擦力，在钻杆的敲击下，碎岩块落入井内，常引起掉块卡钻等井内事故。 • 钻井液循环时，如果在井壁上形成的泥饼过厚，则会减小井的有效直径，钻具与井壁的接触面积增大，从而有可能引起各种钻井问题，如旋转时扭距增大，起下钻遇阻以及高的抽吸与波动压力，功率消耗增加，甚至引起井壁垮塌或造成井漏、井涌等事故。

37. 对钻井液滤失性能的一般要求是： • 在钻开油气层时，应尽力控制滤失量，以减轻对油气层的损害。一般情况下，此时的API滤失量应小于5mL，模拟井底温度的HTHP滤失量应小于15mL。 • 钻遇易坍塌地层时，滤失量需严格控制，API滤失量最好不大于5mL。 • 对一般地层，API滤失量应尽量控制在10mL以内，HTHP滤失量不应超过20mL。但有时可适当放宽，某些油基钻井液体系正是通过适当放宽滤失量来提高钻速的。

38. 要注意提高滤饼质量，尽可能形成薄、韧、致密及润滑性好的滤饼，以利于固壁和避免压差卡钻。在我国，某些油田要求，钻开储层时API滤失实验测得的滤饼厚度不得超过1 mm。 • 加强对钻井液滤失性能的检测。正常钻进时，应每4h测一次常规滤失量。对定向井、丛式井、水平井、深井和复杂井要增测HTHP滤失量和泥饼的润滑性，对其要求也相应高一些。

39. 井温 • 地层的渗透性 • 泥饼的质量(渗透性和抗剪强度) • 确定适当的钻井液密度以减少液柱压差 • 提高滤液粘度 • 缩短钻井液的浸泡时间 • 控制钻井液返速和流态(形成平板型层流)等方法来减少钻井液的滤失量 • 形成薄而韧的泥饼。

40. 在钻井液工艺中，控制和调整钻井液滤失性能的关键在于改善泥饼的质量，这里既包括增加泥饼的致密程度，降低其渗透性，同时又包括增强泯饼的抗剪切能力和润滑性。主要调整方法是根据钻井液类型、组成以及所钻地层的情况，选用适合的降滤失剂和封堵剂。在钻井液工艺中，控制和调整钻井液滤失性能的关键在于改善泥饼的质量，这里既包括增加泥饼的致密程度，降低其渗透性，同时又包括增强泯饼的抗剪切能力和润滑性。主要调整方法是根据钻井液类型、组成以及所钻地层的情况，选用适合的降滤失剂和封堵剂。

41. 获得致密性与渗透性小的泥饼的一般方法是： • 使用膨润土造浆。膨润土颗粒细，呈片状，水化膜厚，能形成致密的渗透性小的泥饼，而且可在固相较少的情况下满足对钻井液滤失性能和流变性能的要求。一般情况下，加入适量的膨润土可以将钻井液的滤失量控制到钻井和完井工艺要求的范围。膨润土是常用的配浆材料，同时也是控制滤失量和建立良好造壁性的基本处理剂。 • 加入适量纯碱、烧碱或有机分散剂(如煤碱液等)，提高粘土颗粒的(电位、水化程度和分散度。 • 加入CMC或其它聚合物以保护粘土颗粒，阻止其聚结，从而有利于提高分散度。同时，CMC和其它聚合物沉积在泥饼上亦起堵孔作用，使滤失量降低。 • 加入一些极细的胶体粒子(如腐植酸钙胶状沉淀)堵塞泥饼孔隙，以使泥饼的渗透性降低，抗剪切能力提高。

42. 在分散型钻井液中，常用的是低粘CMC；若降滤失量的同时还希望提高粘度，可选用中或高粘度的CMC。聚合物钻井液中使用的降滤失剂均为由单体合成的聚合度相对较低的聚合物，目前其产品种类繁多，并已形成系列。如常用的聚丙烯腈盐类(有钠、钙及按盐等)、聚丙烯酸盐类(有钠、钙及钾盐等)，还有近年来推广使用的阳离子和两性离子聚合物等。在深井和超深井下部井段，可选用抗温能力强的磺化褐煤（SMC)、磺化酚醛树脂(SMP-1)以及酚醛树脂和腐植酸缩合物(SPNH)。在饱和盐水钻井液中可选用SMP-2。另外还经常使用沥青类产品来改善泥饼质量，降低泥饼的渗透性，增强泥饼的抗剪切强度和润滑性，在水基和油基钻井液中均可使用。在分散型钻井液中，常用的是低粘CMC；若降滤失量的同时还希望提高粘度，可选用中或高粘度的CMC。聚合物钻井液中使用的降滤失剂均为由单体合成的聚合度相对较低的聚合物，目前其产品种类繁多，并已形成系列。如常用的聚丙烯腈盐类(有钠、钙及按盐等)、聚丙烯酸盐类(有钠、钙及钾盐等)，还有近年来推广使用的阳离子和两性离子聚合物等。在深井和超深井下部井段，可选用抗温能力强的磺化褐煤（SMC)、磺化酚醛树脂(SMP-1)以及酚醛树脂和腐植酸缩合物(SPNH)。在饱和盐水钻井液中可选用SMP-2。另外还经常使用沥青类产品来改善泥饼质量，降低泥饼的渗透性，增强泥饼的抗剪切强度和润滑性，在水基和油基钻井液中均可使用。

43. The lubricity of Drilling Fluids • 钻井液的润滑性能

44. 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。钻井液和泥饼的摩阻系数，是评价钻井液润滑性能的两个主要技术指标。钻井液的润滑性对钻井工作影响很大。润滑性能良好的钻井液具有以下优点： (1)减小钻具的扭矩、磨损和疲劳，延长钻头轴承的寿命； (2)减小钻柱的摩擦阻力，缩短起下钻时间； (3)能用较小的动力来转动钻具； (4)能防粘卡，防止钻头泥包。

45. 1. 钻井液的润滑性能 • 用Baroid公司生产的钻井液极压润滑仪测定了三种基础流体的摩阻系数(钻井液摩阻系数相当于物理学中的摩擦系数)，空气为0.5，清水为0.35，柴油为0.07。在配制的三类钻井液中，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。

46. 2 钻井过程摩擦 • 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。 • 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，或井壁极不规则情况下，钻具直接与部分井壁岩石接触时的摩擦。 • 流体摩擦：由两接触面间流体的粘滞性引起的摩擦。

47. 钻进过程中的摩擦是混合摩擦，即部分接触面为边界摩擦，另一部分为流体摩擦。钻进过程中的摩擦是混合摩擦，即部分接触面为边界摩擦，另一部分为流体摩擦。 • 钻井作业中的摩擦现象较为复杂，摩阻力的大小不仅与钻井液的润滑性能有关，其影响因素还涉及到钻柱、套管、地层、井壁泥饼表面的粗糙度；接触表面的塑性，接触表面所承受的负荷；流体粘度与润滑性；流体内固相颗粒的含量和大小，井壁表面泥饼润滑性；井斜角；钻柱重量；静态与动态滤失效应等。

48. 3 钻井液润滑性的主要影响因素 • 粘度、密度和固相的影响 随着钻井液固相含量、密度增加，通常其粘度、切力等也会相应增大。这时其润滑性能主要取决于固相的类型及含量。 • 滤失性、岩石条件、地下水和滤液pH值的影响 致密、表面光滑、薄的泥饼具有良好的润滑性能。

49. 有机高分子处理剂的影响 许多高分子处理剂都有良好的降滤失、改善泥饼质量、减少钻柱摩阻力的作用。 • 润滑剂 正确地使用润滑剂可以大幅度提高钻井液的防磨损和润滑性能。

50. 4 对钻井液润滑剂的要求 • 润滑剂必须能润滑金属表面，并在其表面形成边界膜和次生结构。 • 应与基浆有良好的配伍性，对钻井液流变性和滤失性不产生不良影响。 • 不降低岩石破碎的效率。 • 具有良好的热稳定性和耐寒稳定性。 • 不腐蚀金属，不损坏密封材料。 • 不污染环境，易于生物降解，价格合理，且来源充足。