钻井液的滤失与造壁性和润滑性

钻井液的滤失与造壁性和润滑中原钻井三公司刘俊章长期以来，人们以把控制钻井液的滤失量视为良好作业的一部分。过高的扭矩和摩阻，压差卡钻以及产层伤害。控制钻井液的滤失性能不仅指的是控制单位面积在单位时间的滤失量，还包括形成滤饼的质量。人们对滤失速率注意较多，而对滤饼质量却注意较少。定义1、滤失性能主要是指钻井液滤失量的大小和所形成的滤饼质量。2、润滑性能包括钻井液自身的润滑性能和所形成滤饼的润滑性能。钻井液的滤失性和润滑性都与滤饼质量有关。一、钻井液的滤失与造壁性钻井液的滤失与造壁性能在钻井过程中是非常重要的，也是影响钻井速度的主要因素，因此必须控制钻井液的滤失性能和滤饼质量。1、钻井液滤失和造壁性的概念水作为钻井液的连续相，钻钻井液体系中以三种形态存在，即吸附水、化学结晶水和自由水。钻井过程中，在液柱压差作用下，钻井液中的自由水通过可渗透地层和地层裂缝或空隙向地层渗透，称为钻井液的滤失作用。通常用滤失量或失水量来表示滤失性的强弱。钻井液滤失的两个前天条件是，存在压差和裂隙或空隙性的岩石。在滤失过程中，随着钻井液中的自由水进入地层，钻井液中的悬浮固相颗粒便附着在井壁上形成滤饼，这便是钻井液的造壁性。井壁上形成滤饼后，渗透性减小，阻止或减慢了钻井液继续侵入地层。2、钻井液的滤失及滤饼的形成在钻井过程中钻井液的滤液损失是必然的，通过滤失可形成滤饼保护井壁。但是钻井液滤失量过大，易引起泥岩、页岩膨胀和坍塌，造成井壁不稳定。此外，滤失量增大的同时滤饼增厚，其危害是使井径缩小，给旋转的钻具造成较大的扭矩，起下钻时引起抽吸和压力波动，易造成压差卡钻。因此，适当地控制滤失量是钻井液的重要性能之一。钻井液的滤失量与地层的渗透率密切相关。但钻井液发生滤失的同时就有滤饼形成，钻井液再发生滤失时，必须经过已经形成的滤饼。因此，决定滤失量大小的主要因素是滤饼的渗透率。如何形成渗透率的高质量滤饼，阻止钻井液的进一步滤失，是钻井过程中首要考虑的问题。⑴静滤失方程钻井液的滤失可分为瞬时滤失、静滤失和动滤失。瞬时滤失在整改滤失过程中占的比重较小；动滤失比较符合井下情况，但现场是难以测定的；静滤失尽管与实际情况有一定差距，但评价方法简单，能很好地反映钻井液滤失的性能。因此，通常用静滤失方程来描述静滤失量：由静滤失方程可知，单位面积上滤失量的大小与滤饼的渗透率、滤饼两侧的压差、渗滤时间、滤液粘度以及钻井液中固相的类型和数量等因素有关。其中渗滤时间和压差是与滤饼本身性质无关的操作条件因素。提高滤液粘度虽可降低滤失量，但这与钻井液流变性要求是矛盾的。因此，可以说调整钻井液滤失量大小的主要途径是调整滤液的渗透率。⑵滤饼形成过程在现场是利用滤失量测定仪来测定滤失量的。测定中，在浆杯中的钻井液经过滤纸而流出。在滤饼形成前滤液流出的速度较快，1～2秒钟后，滤液流出的速度渐渐变慢，经过一定趋于匀速。滤饼形成前经过滤纸的滤失称为瞬时滤失（也称初损），此间的滤失量称为瞬时滤失量。在钻经渗透性的地层时也存在这一过程。为减少瞬时滤失量，钻井液中需要含有适当大的固相颗粒来桥堵岩石孔隙，当这些较大的颗粒在岩石孔隙喉处形成桥堵后，较小的颗粒再堵塞在较大颗粒之间所形成的孔隙中，一直进行下去，直至小的溶胶颗粒将滤饼的小孔隙堵死，这时只有水分才能渗入地层。这一使钻井液中的颗粒在井壁和地层中形成以下三种分布。①井壁上的外滤饼；②进入地层的颗粒形成的内滤饼；③钻井液瞬时滤失时形成的初损侵入带，这些颗粒经过运移将阻塞地层孔隙伤害产层。因此，要形成低渗透率、滤失量小的滤饼，在钻井液配制时必须具备两个条件：（a）合理的多级分散的颗粒分布：在钻井液中必须有大、中、小各种颗粒，并有合理的分布。钻井液中必须含有比被钻地层最大孔隙小的和直到相当于地层最大孔隙尺寸三分之一的桥堵颗粒。这样有利于尽快桥堵刚钻开地层的大孔隙，减少瞬时滤失量。另外，钻井液必须含有尺寸由大到小、直至小到相当于溶胶颗粒的一系列颗粒。这样在钻井过程中，由大到小的颗粒相继桥堵由大到小的孔隙，如此循序渐进，孔隙越堵越小，滤饼越来越致密，其渗透性越来越小。钻井液中的固相颗粒大小分布越合适，形成致密滤饼的时间就越短，滤饼渗透性越低。（b）胶体颗粒类型：滤饼渗透性的高低不仅与钻井液中所含胶体及细颗粒的尺寸分布、数量有关，而且更与胶体颗粒类型密切相关。如果胶体颗粒扁平，水化性好，则在压力作用下容易变形，形成的滤饼渗透率自然就低。3、降滤失剂的作用机理降滤失剂是指能降低钻井液滤失量的化学处理剂。降滤失剂多为水溶性高分子化合物，它们可通过下列途径降低钻井液的滤失量。①稳定胶体颗粒作用钻井液中的粘土颗粒要求有合适的大小分布，同时要求具有较多的细粘土颗粒。滤失量大的钻井液一方面是粗颗粒多，另一方面是细颗粒已絮凝为粗颗粒，体系中溶胶细颗粒（100um）较少。这种粗颗粒多而细颗粒少的钻井液所形成的滤饼疏松而孔隙大，故滤失量大。降滤失剂是在水中能解离出负电基团的高分子化合物。它一方面可吸附在粘土表面上形成吸附层，以阻止粘土颗粒絮凝变大；另一方面能把钻井液循环搅拌作用下所拆散的细颗粒通过吸附稳定下来，不再粘结成大颗粒。这样就能保证足够量的细颗粒比例，从而使钻井液能形成薄而致密的滤饼，降低滤失量。这种作用也称为护胶作用。值得注意的是，降滤失剂在钻井液中的浓度必须足够高，以利于拆散的粘土颗粒包围起来。这样一方面给粘土颗粒表面带来较高的负电荷密度，提高ζ电位，增大颗粒间的斥力；另一方面因水化基团的水化作用而形成较厚的水化膜，使粘土颗粒不易合并变大。如果加入的降滤失剂低于保护作用所需的浓度时降滤失剂不但对胶体颗粒没有保护作用，反而会使粘土颗粒更容易聚沉。②提高滤液粘度由静滤失方程可知，滤失量与钻井液的滤液粘度的二分之一次方成反比。高分子降滤失剂加入钻井液中可提高滤液粘度，使滤失量降低。但值得注意的是，粘度升高会使钻速降低。固一般要求降滤失剂不要大幅度地增加粘度。③降滤失剂的堵孔作用作为高分子化合物的降滤失剂，其分子尺寸在胶体颗粒范围内，加入这些处理剂相当于增加了钻井液中胶体颗粒的含量，它们对滤饼起封堵孔隙的作用。这些大分子以两种方式封堵孔隙，一种方式是分子的长链楔入滤饼的孔隙中，另一种方式是长链分子卷曲成球状，堵塞滤饼的微孔隙，使滤饼薄而致密，从而降低滤失量。4、动滤失与静滤失①动滤失：钻井液在钻进或循环(动态)过程中产生的滤失。②静滤失：钻井液在静止(停钻、起下钻)时产生的滤失。动滤失与静滤失的不同点，在于钻井液沿着井壁流动时会冲掉滤失过程中形成的滤饼，当形成速度大于冲掉速度时才慢慢形成。当滤饼达到固定厚度时，滤失率便慢慢减小，成为常数。这与静滤失不同，在静滤失中滤饼随时间不断增厚，滤失率便慢慢下降。在同样的一段时间里，静滤失的滤饼比动滤失的滤饼厚，而静滤失速率比动滤失的速率低。因此，为了控制渗入地层的滤失量，必须控制动滤失。如果要防止形成渗入地层的滤失量，必须控制动滤失。如果要防止形成厚滤饼，就应该控制静滤失。当地层具有渗透性，既具有液体通过地层之间的孔隙时，钻井液中的液体(通常是水)渗入地层。如果缝隙大些，钻井液很快会流入井壁缝隙。然后，当更少的液体漏失时，钻井液中的固体在井壁上形成滤饼，此滤失量才慢慢下降。滤饼有钻井液中的固体颗粒组成，包括裸眼井段得到的天然固体和加入到钻井液的各类固体。5、控制滤失不当会产生的问题①缩径造成阻卡；②厚滤饼引起的泥页岩地层膨胀，产生井塌。③由于滤失量太大易损害油气产层。5、影响滤失量的主要原因1.时间对滤失量的影响在井壁内随着时间的增长，滤失量会慢慢的下降。时间与滤失量的关系，简化或最简单的数学式为：2.压差对滤失量的影响压差是影响滤失量的另一个因素。如果滤失介质恒定，滤失将随着压差的平方根成正比变化。在有滤饼的情况下则非如此。因为滤饼容易压缩，并且物质将不断沉积到滤饼上，因此其孔隙度和渗透性也会变化。3温度对滤失量的影响钻井液的温度随着钻井深度的加深，温度(一般为2.7～3℃/1000m)也随着上升，使滤失量增大，如果其它因素不变，温度会使液相的粘度降低，这也将滤失量增加。所有其它因素不变时，滤失量将随着液相粘度的平方根而变化，也就是说滤失量Q1比滤失量Q2等于液相粘度Vis2的平方根比液相粘度Vis1的平方根。4、滤饼的渗透性对滤失量的影响一般控制滤失量的方法是控制滤饼的渗透性。固相颗粒的大小、形状和压差下的变形能力都是控制渗透性的重要因素。小颗粒形成滤饼的渗透性比大颗粒形成滤饼的渗透性低。因此小于1微米的小颗粒作为滤失量的控制剂最好。薄而扁平的颗粒比球形式不规则的颗粒更有效。因为它可以形成致密的滤饼。如果颗粒受压后能变形，滤饼就会变的致密，粘土颗粒很小，形状扁而薄，也可以形成压缩的滤饼使滤失量降低。5、分散作用对滤饼的影响适当地分散钻井液中的粘土颗粒对控制滤失量也很重要。颗粒密集并有良好的滤失性能，絮凝钻井液可以清楚的表明为什么滤失量增大，因为液体很容易从聚结体之间流过，所以滤失量增大，再适当的分散就会使滤失量降低。加入化学分散剂，除分散固相外，还可以形成坚韧的滤饼，从而有利于降低滤失量。在某些情况下，将水加入到钻井液体系中滤失率可以降低，因为加水后产生较好的分散性，从而降低滤失量。6、控制滤失量的办法通过离子交换、调节PH值、水分散、絮凝、沉淀、络合、溶胶等都能控制钻井液的滤失量。美国过滤协会（AmericanFiletionSoiety）承认电驱动螺旋浆动滤失仪，这种装置（见下图）主要装配了电驱动轴和螺旋浆的滤失槽组成式，以提供对滤饼的动态冲蚀。二、影响滤饼质量的因素颗粒尺寸的分布；滤饼的可压缩性；润滑性能；絮凝状态；滤饼厚度。⑴颗粒尺寸的分布在静态条件下，假定在滤失期间不发生固相沉淀，则钻井液的颗粒尺寸分布反应了滤饼颗粒尺寸的分布。然而，在动态条件下，当滤饼形成时，总是选择特定尺寸的颗粒来充填某些尺寸的微裂缝、孔隙、空隙及孔道。如果沉积的颗粒不合适，那么，很快被扫除掉，而等待另一尺寸合适的颗粒。这种多少类似在方孔中镶入方桩和圆孔中镶入圆桩。一旦颗粒紧紧的镶入到合适的微裂缝，就很难将它们驱除掉。通过这一选择过程，动态滤饼有导致最大颗粒充填结构的倾向。这就是使滤饼的渗透率和孔隙度低于静态下所形成滤饼的值。⑵滤饼压缩性在其它参数不变的情况下，滤饼的压缩性在3.5MPa压差下和0.7MPa压差下的滤失量之比。滤饼无压缩性时的比值应为2.24，计算方法如下：大多数的水基钻井液都具有可压缩性，而且通常的比值在1.5～2.0之间。现场的经验数据表明，维持比值不超过1.3，特别在过压力条件下钻井时，有减少压差卡钻的趋势。滤饼压缩性主要受基质内水化膨胀颗粒的影响。填充在孔隙和空隙及吼道中的颗粒在压力作用下可变形或改变形状，因而，使渗透率减小。膨润土、淀粉、改性纤维聚合物以及一些其它的水溶物有机聚合物都属于具有这种性质的材料。膨润土对电解质污染十分敏感。水溶有机聚合物的种类较多，因而在通常情况下可选用，也可达到理想的滤饼压缩性。不过在选择过程中最高的井眼温度和流体矿化度是重要的考虑因素。⑶润滑性能已证明滤饼的润滑性能是难以测定的，多数润滑测定仪是测金属与金属或金属与岩石间摩阻的，只有少数仪器能测定金属与滤饼的摩阻系数。通常都认为坚韧和耐久的滤饼是最理想的结构。这种滤饼形式可能来自铁铬盐处理剂的粘土钻井液。这种滤饼通过测试，滑过滤饼表面的阻力很大。另一方面，在测定水溶性有机聚合物钻井液的滤饼润滑时，滤饼就被切开。在这种能形成可剪切滤饼的钻井液中，钻杆与滤饼间的井下润滑性能将得到改善。造成润滑性较好的原因是溶胀聚合物颗粒的周围被大量的水包被。因而，在硬脆性固相的情况下，通过这一机理可得到低的滤饼渗透率。⑷絮凝状态几乎所有的含胶体分散固相的水基钻井液都具有某种程度的絮凝作用。所有的分散颗粒完全为布朗运动是很少见的，而且也可不希望钻井液中出现这种方式的运动。然而，当钻井液的絮凝程度增强时，滤液固相的絮凝程度也增强，因为滤饼渗透率的增强，因而