鉆井液的濾失性第一頁，共二十二頁，2022年，8月28日第四章鉆井液的濾失造壁性濾失造壁性：鉆井液的濾失造壁性能主要是指鉆井液濾失量的大小和所形成的泥餅的質(zhì)量

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與鉆井液濾失造壁性有關(guān)的鉆井問題：（1）井下事故的發(fā)生；（2）井壁穩(wěn)定；（3）提高鉆井速度（4）保持井眼規(guī)則和保證井下安全。第二頁，共二十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)基本概念1、濾失：

在壓力差的作用下，鉆井液中的自由水向井壁巖石的孔隙或縫隙中滲透的現(xiàn)象，稱為鉆井液的濾失作用。通常我們用濾失量（FiltrationLoss）或失水量(WaterLoss)來表示濾失性的強(qiáng)弱。兩個(gè)基本條件：存在壓差和存在孔隙或裂縫2、造壁性：隨著鉆井液在井壁的濾失，自由水進(jìn)入地層，鉆井液中的固相顆粒（包括鉆井液添加劑分子或顆粒、鉆屑的細(xì)分散顆粒等）便附著在井壁上形成泥餅（MudCake或FilterCake），也可以進(jìn)入地層一定深度，即鉆井液的造壁性。第三頁，共二十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)基本概念鉆井液中粘土顆粒越多、分散越細(xì)、膠體體系越穩(wěn)定（沒有被鹽、鈣或其他因素所破壞），形成的泥餅就會(huì)薄而致密，鉆井液濾失量小，而且井壁越穩(wěn)定，井下復(fù)雜事故越少。如果固相顆粒分散較粗，細(xì)顆粒少，形成的泥餅就會(huì)厚而發(fā)虛，鉆井液濾失量大，容易造成井壁不穩(wěn)定，泥包鉆頭、起鉆遇阻等現(xiàn)象。第四頁，共二十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)基本概念3、鉆井液濾失過程（1）、瞬時(shí)濾失（SpurtLoss）特點(diǎn)：沒有泥餅，濾失速率很大，濾失時(shí)間很短，濾失量不大。（2）、動(dòng)濾失（DynamicFiltration）特點(diǎn)：壓差大，等于靜液柱壓力加上環(huán)空壓力降和地層壓力之差，泥餅厚度厚度維持不變，且較薄，單位時(shí)間的濾失量開始較大，隨后逐漸減小，最后穩(wěn)定在某一固定值。（3）、靜濾失（StaticFiltration）特點(diǎn)：壓差不太大，泥餅較厚，單位時(shí)間濾失量一般比動(dòng)濾失量小。第五頁，共二十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)鉆井液濾失量的測(cè)定及其影響因素鉆井液濾失量的測(cè)定包括靜濾失和動(dòng)濾失，靜濾失量的測(cè)定通常采用API測(cè)試，測(cè)試裝置主要有低溫低壓濾失儀和高溫高壓濾失儀兩種，高溫高壓濾失儀又分為42型（3.5MPa/150℃）和71型（180℃）。動(dòng)濾失量的測(cè)定儀器較多，但沒有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，鉆井液濾失量的研究與測(cè)定主要為靜濾失量。1、API濾失量測(cè)定儀（HAPIFilterPress）API濾失量測(cè)定儀是最常用的低溫低壓條件下的評(píng)價(jià)鉆井液濾失量的裝置，其滲濾面積為45.8㎝2，實(shí)驗(yàn)壓差為0.69MPa（100psi），測(cè)試溫度一般為室溫，濾失時(shí)間30分鐘，濾失材料為符合標(biāo)準(zhǔn)的直徑為90mm的濾紙。但是室內(nèi)試驗(yàn)往往測(cè)定0.7Mpa，7.5min的濾失量，為什么？濾失方程和影響因素時(shí)再講。一、濾失量的測(cè)定第六頁，共二十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)鉆井液濾失量的測(cè)定及其影響因素2、高溫高壓濾失量測(cè)定儀（HTHPFilterPress）我們有時(shí)候需要了解鉆井液在井下的性能，包括高溫高壓流變性，高溫高壓濾失性等。因此，我們需要測(cè)定鉆井液的高溫高壓濾失量。測(cè)量?jī)x器主要為高溫高壓濾失儀，符合API高溫高壓濾失量標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)使用的主要是模擬Baroid公司GGS-42型，實(shí)驗(yàn)條件為：3.5Mpa壓差，溫度150℃。測(cè)量時(shí)間30min，當(dāng)然濾失面積比常溫API濾失儀小一半。因此，測(cè)得的濾失量應(yīng)該乘以2，才為鉆井液的實(shí)際高溫高壓濾失量。強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)濾紙必須符合API標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)闉V紙的差別，濾失量差別會(huì)非常大。71型高溫高壓失水儀，可以做180℃以下鉆井液濾失量，壓力也可以更高一點(diǎn)。當(dāng)溫度高于204℃時(shí)，濾紙容易發(fā)生焦糊，一般采用金屬過濾介質(zhì)或與之相當(dāng)?shù)亩嗫走^濾介質(zhì)盤。3、動(dòng)濾失量測(cè)定儀動(dòng)濾失量的測(cè)定至今沒有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，因此，動(dòng)濾失儀也就各不相同。第七頁，共二十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)鉆井液濾失量的測(cè)定及其影響因素二、鉆井液靜濾失量的影響因素1、靜濾失方程靜濾失量的特點(diǎn)是鉆井液處于靜止?fàn)顟B(tài)，在壓差作用下形成泥餅，且泥餅厚度隨濾失時(shí)間延長(zhǎng)而增厚，是一個(gè)變量。為了研究鉆井液的濾失規(guī)律，首先我們需要作以下假設(shè)：a.假設(shè)泥餅的滲透率應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地層滲透率；b.假設(shè)鉆井液的濾失規(guī)律與流體在地層中的滲透規(guī)律類似，應(yīng)該遵守達(dá)西滲透定律；c.泥餅的厚度與井眼直徑相比非常小；d.泥餅為平面型；e.泥餅在研究過程中厚度不變；f.泥餅不可壓縮，因此泥餅的滲透率為定值，在研究過程中不變。第八頁，共二十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)鉆井液濾失量的測(cè)定及其影響因素達(dá)西定律：在單位時(shí)間內(nèi)單位壓差下通過單位長(zhǎng)度滲透介質(zhì)單位截面積的流體的量。其中：Q—體積流量，㎝3；K—滲透率，達(dá)西，μm2，但是達(dá)西的單位太大，一般使用毫達(dá)西，mμm2；A—滲透面積，㎝2；ΔP—壓差，大氣壓，atm；t—滲濾時(shí)間，s；μ—流體的粘度，厘泊（cp），mPa·s；L—滲濾介質(zhì)長(zhǎng)度，㎝。反之＝10-8cm2=達(dá)西（μm2）第九頁，共二十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)鉆井液濾失量的測(cè)定及其影響因素在這些假設(shè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)達(dá)西滲透定律，可以推導(dǎo)出泥餅的濾失速率方程其中：—濾失速率，cm3/s；Vf—濾失體積，即濾失量，cm3；t—濾失時(shí)間，s；hmc—泥餅厚度，cm。μ—流體的粘度，mPa·s

（1）第十頁，共二十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)鉆井液濾失量的測(cè)定及其影響因素

另外，我們認(rèn)為在滲濾期間，在任何時(shí)間t內(nèi)，滲濾體積Vm的鉆井液中被過濾的固相體積等于沉積在泥餅上的固相體積（與動(dòng)濾失的區(qū)別）：所以：其中：—鉆井液中的固相分?jǐn)?shù)；—泥餅中固相的體積分?jǐn)?shù)第十一頁，共二十二頁，2022年，8月28日前面講粘土膠體化學(xué)時(shí)，我們講過，粘土顆粒在水中分散，表面吸附了一層水化反離子，形成了吸附溶劑化層，所以沉積過程中攜帶著吸附水（水化膜）一起沉積。

所以：可以推出：第二節(jié)鉆井液濾失量的測(cè)定及其影響因素代入（1）式得：第十二頁，共二十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)鉆井液濾失量的測(cè)定及其影響因素2、影響鉆井液濾失量的因素濾失時(shí)間把濾失面積除過來，Vf／A，稱為單位面積濾失量，與哪些因素有關(guān)呢？從公式可以看出，與滲透率、濾失壓差、濾失時(shí)間、濾液粘度以及泥餅固相含量與鉆井液固相含量的比值有關(guān)。Vf／A∝t1/2，如果不考慮鉆井液的瞬時(shí)濾失量，單位面積濾失量與時(shí)間的平方根成直線關(guān)系。測(cè)定鉆井液API濾失量時(shí)，應(yīng)該以30min計(jì)算，但我們一般只測(cè)7.5min，然后乘以2。但實(shí)際上鉆井液存在瞬時(shí)濾失，如果瞬時(shí)濾失比較大，或者確實(shí)需要準(zhǔn)確計(jì)量的時(shí)候，可以利用濾失量與濾失時(shí)間的平方根的關(guān)系曲線來確定。瞬時(shí)濾失的計(jì)算可以根據(jù)下式：第十三頁，共二十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)鉆井液濾失量的測(cè)定及其影響因素b、濾失壓差從公式可以推出，鉆井液的濾失量與濾失壓差的平方根成正比，即如果泥餅不可壓縮，壓差增大，濾失量增加。但是泥餅具有壓縮性，滲透率降低，所以濾失壓差對(duì)鉆井液濾失量的影響是一分為二的，具體哪個(gè)因素對(duì)鉆井液的濾失量影響更大一些，要看具體情況，主要是鉆井液性質(zhì)、泥餅的可壓縮性。c、濾液的粘度和溫度對(duì)濾失量的影響從公式可以看出，濾失量與濾液粘度的平方根成反比，即隨著鉆井液粘度的增加濾失量降低。濾液粘度與有機(jī)高分子處理機(jī)的加量以及鉆井液的大溫度有關(guān)。一般情況下，流體的粘度隨著高分子加量的增大而升高，隨溫度的增加而降低。對(duì)于相同溫度下的鉆井液我們可以通過提高鉆井液粘度的方法降低濾失量。第十四頁，共二十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)鉆井液濾失量的測(cè)定及其影響因素d、固相含量和類型的影響鉆井液固相含量越高，而泥餅中固相含量越小，濾失量越小。但是我們知道鉆井液的固相含量會(huì)嚴(yán)重影響鉆速，固相含量越高鉆速越低，因此，鉆井液的固相含量不能夠提得很高，我們只能從泥餅著手，減小泥餅固相含量。減小泥餅固相含量的方法，一是采用優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土配漿，優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土分散性好、固相顆粒細(xì)、水化好、水化膜厚，所以形成的泥餅固相含量分?jǐn)?shù)低。二是加入有機(jī)高分子處理劑，可以吸附在粘土顆粒表面，有效降低泥餅固相含量。成正比根據(jù)鉆井液靜濾失方程，濾失量應(yīng)該與也就是說：第十五頁，共二十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)鉆井液濾失量的測(cè)定及其影響因素達(dá)西定律：但實(shí)際上就某一均勻介質(zhì)，其滲透率是一定的，變化的是流量。也就是說：對(duì)于鉆井液，往往泥餅是泥餅越厚鉆井液的濾失量越大，泥餅越薄濾失量越小。主要原因是泥餅的滲透性存在差別。一般情況下（以API失水為例），泥餅越薄說明泥餅的壓實(shí)程度比較大，比較致密，滲透性差，所以濾失量小。泥餅的滲透性還受粘土顆粒直徑、處理劑種類、性能等因素有關(guān)。粘土顆粒細(xì)泥餅的孔隙小且少，泥餅比較致密，降濾失劑的存在也會(huì)通過不同的方式影響濾失量，化學(xué)吸附、物理封堵等等，使?jié)B透率降低。

就公式而言，滲透率與滲透介質(zhì)長(zhǎng)度成正比，才是本質(zhì)公式。滲透率只是一個(gè)計(jì)算式。e.泥餅壓實(shí)性與滲透性對(duì)濾失量的影響第十六頁，共二十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)鉆井液濾失量的測(cè)定及其影響因素f、地層滲透率對(duì)鉆井液濾失量的影響在推導(dǎo)鉆井液靜濾失量公式時(shí)我們?cè)?jīng)假設(shè)，泥餅的滲透率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地層滲透率，不考慮地層滲透率對(duì)鉆井液靜濾失的影響。實(shí)際上地層存在大量的孔隙和裂縫，具有一定滲透性。要不我們的油從哪兒來，即使有油又怎么采出來。也正因?yàn)榈貙哟嬖跐B透性，鉆井液才會(huì)在壓差作用下向地層濾失形成泥餅。在泥餅尚未形成之前，地層是泥漿濾失的第一滲透介質(zhì)，所以地層滲透性大小決定了鉆井液瞬時(shí)濾失量的大小。泥餅形成之后，才逐漸對(duì)濾失起主要作用，地層成為第二濾失介質(zhì)。室內(nèi)試驗(yàn)也是一樣，你得首先給它一個(gè)滲濾介質(zhì)（濾紙），它的滲透率比較小，允許液相和部分小顆粒通過，而留下大的顆粒，才能逐漸形成泥餅。如果地層滲透率很大或者有裂縫存在，甚至?xí)l(fā)生漏失，鉆井液固相顆粒太小，不能夠堵塞或架橋在井壁處形成泥餅，此時(shí)的濾失量就非常大了。第十七頁，共二十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)鉆井液濾失量的測(cè)定及其影響因素g.絮凝與聚結(jié)對(duì)泥餅滲透率的影響鉆井液的絮凝使得顆粒之間形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，鉆井液中自由水增加，滲透率會(huì)有所增加，如前所講受鈣污染鉆井液產(chǎn)生絮凝，粘度增加但失水增加。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的存在，使其對(duì)濾失壓差具有一定的抵抗力，絮凝程度越高，顆粒間的引力越大，其結(jié)構(gòu)越強(qiáng)，對(duì)壓差的抵抗能力越強(qiáng)，越不容易形成致密泥餅，泥餅的滲透率就愈大。如果鉆井液不但絮凝而且伴隨著聚結(jié)則泥餅的滲透率就會(huì)進(jìn)一步增大。

例：樹脂類產(chǎn)品檢測(cè)。三人檢測(cè)一個(gè)樣品4個(gè)數(shù)據(jù)各不相同。在鉆井液中加入降粘劑（稀釋劑），其作用產(chǎn)生反絮凝，或者說使絮凝顆粒分散，拆散網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，就會(huì)使泥餅滲透率降低。大多數(shù)降粘劑是一價(jià)鹽：鈉鹽或銨鹽，一價(jià)陽離子可以與粘土顆粒表面上的高價(jià)陽離子發(fā)生離子交換，使聚結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚顟B(tài)，從而降低泥餅滲透率。第十八頁，共二十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)鉆井液濾失量的測(cè)定及其影響因素3、動(dòng)濾失a.鉆井液流動(dòng)的影響鉆井液在循環(huán)流動(dòng)過程中的濾失過程稱為動(dòng)濾失。影響動(dòng)濾失的因素與靜濾失相似，時(shí)間、壓差、粘土類型、處理劑等，除此之外還受鉆井液流動(dòng)的影響，主要表現(xiàn)為剪切速率和鉆井液流態(tài)對(duì)動(dòng)濾失的影響。動(dòng)濾失過程中，泥餅受鉆井液流動(dòng)的影響，泥餅的厚度受到限制，剛開始，厚度增加較快，值后會(huì)逐漸變慢，到形成速度等于沖蝕速度時(shí)泥餅厚度不再增加。鉆井液流態(tài)不同對(duì)井壁的沖刷能力不同，紊流的沖刷力最強(qiáng)，泥餅最薄，平板型層流泥餅厚度居中。尖峰型層流泥餅最厚。b.鉆井液處理劑的影響鉆井液處理劑對(duì)動(dòng)濾失量的影響規(guī)律與靜濾失影響規(guī)律不同，這可能與處理劑在泥餅中作用有關(guān)，對(duì)泥餅剪切強(qiáng)度增加較大的降濾失效果較好，泥餅剪切強(qiáng)度增加較小的處理劑，降低濾失量效果也較差。4、瞬時(shí)濾失一般說瞬時(shí)濾失時(shí)間很短，濾失量很小，在總濾失量當(dāng)中所占比例較小。第十九頁，共二十二頁，2022年，8月28日第三節(jié)鉆井液濾失性與鉆井的關(guān)系一、鉆井液濾失量與鉆井作業(yè)的關(guān)系一般說鉆井液液柱壓力要大于地層孔隙壓力，以防止地層流體進(jìn)入井眼，發(fā)生井下復(fù)雜。鉆井液與地層之間存在一定壓差，鉆井液在壓差作用下進(jìn)入地層孔隙，即使有些情況下液柱壓力小與地層孔隙壓力，鉆井液自由水相也可能由于毛細(xì)管作用，裂縫或顆粒表面進(jìn)入地層（前面講過粘土礦物的水化機(jī)理之一，毛細(xì)管作用）。鉆井液濾液進(jìn)入地層會(huì)產(chǎn)生什么樣的危害呢？對(duì)于裂縫性地層、硬脆性地層、活性泥頁巖地層等會(huì)引起地層粘土礦物水化膨脹分散、剝落掉塊等井壁不穩(wěn)定現(xiàn)象；如果是油氣層，濾液侵入會(huì)引起儲(chǔ)層粘土礦物膨脹，減小油氣流動(dòng)通道，降低油氣層滲透率，鉆井液固相的侵入會(huì)堵塞儲(chǔ)層孔隙，降低儲(chǔ)層滲透率，總之都會(huì)造成油氣層損害，降低油氣層產(chǎn)能，造成能源的巨大浪費(fèi)。鑒于以上原因，我們希望鉆井液濾失量越小越好。由于要考慮鉆井液的流動(dòng)性、成本等因素，鉆井液的濾失量不可能很小。只能根據(jù)具體情況，井深、巖層滲透性、井身結(jié)構(gòu)等具體考慮。第二十頁，共二十二頁，2022年，8月28日第三節(jié)鉆井液濾失性與鉆井的關(guān)系在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，鉆井液的濾失量是不斷變化的，總的原則是：淺層可以稍大，深層必須減小，非儲(chǔ)層可以稍大，儲(chǔ)層必須減小；盡快在井壁形成薄而致密、滲