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Principles of Drilling Fluids 钻井液工艺原理
Chapter 5
FILTRATION PROPERTIES 钻井液滤失性能
Prof. Dr. Xiuhua Zheng E-mail: [email protected]
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
Quiz for Glossary of Rheology
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Effective viscosity(Apparent viscosity) Yield point Plastic viscosity Consistency index Shear thinning behavior Thixotropic behavior Pseudoplastic 8.
9.
Flow-behavior index Rate of Penetration(ROP) 10. Hole cleaning 11. Transport ratio 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
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
Filtration Properties
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Glossary of §5
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
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 Filtration Properties
Drilling Fluids
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
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 2010中国地质大学(北京)
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Contents for Filtration Properties
1. Filtration and Filtration Procedures
失水和失水过程
2. The Static Filtration and Affecting Factors
静滤失及影响因素
3. The Filter Cake
滤饼
4. Dynamic Filtration
动失水 Drilling Fluids
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Determination of drilling fluid density according to formation pore pressure and formation fracture pressure Filtration Properties
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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
A. Pressure difference
m
p
B. Free water in mud C. Pore or fracture in formation
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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） （损害）
of, and damage to, potentially productive horizons
（生产 层）
.
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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。 Drilling Fluids
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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。
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1.2 The Overall Procedures of Filtration
（失水全过程）
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A.
B.
C.
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：
1.
瞬时滤失时间很短，但滤失速率最大；
2.
动滤失时间最长，滤失速率中等；
3.
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。
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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。 Drilling Fluids
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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。 Drilling Fluids
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2.2 The Factors Affecting the Static Filtration (静失水影响因素)
V f
A
2
k
p
f sc f sm
1
t
• Where, •
f sm
=the volume fraction of solids in the mud; • • •
f sc
=the volume fraction of solids in the cake; k = permeability in darcise; A = the area of the filter cake, cm 2 ; • • •
P
= differential pressure in atmospheres, (10 5 Pa); viscosity of the filtrate in centipoises t = time seconds • V f =Filtration Volume
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Formula deduction:
dV f dt
kA
P
h mc f sm v m
f sc h mc A f sm
(
h mc A
v f
)
f sc h mc A
0
V f V f d V f
0
t kA
p
A
h mc
A
(
f f sm v sc
f f sm
)
v f A
(
f sc f sm
1 )
f sc f sm
1
dt V f
2 2 k A 2
f sc f sm
1 pt
V f
A
2
k
p
f sc f sm
1
t
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2.2.1 Relationship between Filtrate Volume and Time
V f
A
2
k
p
f sc f sm
1
t
V f
V sp
A
(
c
t
)
Relation of filtrate volume to time
C
2
k
P
f sc f sm
1
V sp zero error(
零点误差
) =mud spurt=spurt loss
（初失水，瞬时失水）
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The conditions recommended by
API
measure the filtrate volume
• • • •
Time: 30 minutes Pressure: 6.8 atmosphere, 7 kg/cm 2 Area of cake: approximately 45 cm 2 Then,
to
V f
30
V sp
(
V f
1
V sp
)
t
30
t
1 (
V f
7 .
5
V sp
) 30 7 .
5 2 (
V f
7 .
5
V sp
)
And, if V sp is small, then
V f
30 2 (
V f
7 .
5
V sp
)
V sp V f
30 30 7 .
5
V f
7 .
5 2
V f
7 .
5
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API Filtration Test
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2.2.2 Relationship Between Pressure and Filtrate Volume
V f
P x
A Clay Mud 0.205
B Shale Mud 0.084
C Bentonite Mud 0.000
Pressure, lbs/in 2 Effect of pressure on filtrate volume Filtration Properties
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2.2.3 Relationship between Temperature and Filtration Volume
T increases, V f increases, because:
1. μ
decreases
1 1 .
88 0 .
284
2. Flocculation and aggregation, k increases 3. Chemical degradation Filtration Properties
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Viscosity of water at various temperature
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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）
Cake Thicknes (
滤饼厚度
)
concentration of solids
in the mud
（泥浆中固相含量） Drilling Fluids
amount of water retained in the cake
（泥饼中含水量 ）
Variation of filtrate volume, cake volume, and permeability with concentration of solids in suspension of Altwarmbuechen clay.
a
swelling properties
（膨胀特性）
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Particle size and particle distribution 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: 1. Mixtures with a wide range of particle sizes
（较大范围颗粒尺寸） Drilling Fluids
Permeabilities and porosoties of filter cakes of glass spheres.
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k=permeability in darcies
ρ
=porosity page 21
3.2 The Permeability of the Filter Cake (滤饼渗透率)
A. The permeability of the filter cake is the fundamental parameter that controls both static and dynamic filtration.
B. It more truly reflects downhole filtration behavior than does any other parameter.
C. 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.
D. Cake permeability provides useful information on the electrochemical conditions prevailing in the mud.
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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)
Fig .
5-8. Expandable of a narrow (curve A) and a wide (curve B) particle size range
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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. Drilling Fluids
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 Filtration Properties
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钻井液中膨润土分散状态图
Dispersion
：分散
Flocculation
：絮凝
Aggregation
：聚结 Drilling Fluids
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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.
Fig.4-6 Invasion of a permeable formation by mud solids.
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Effect of Filtration Medium on Mud Spurt（滤失介 质对初失水的影响） Drilling Fluids
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4. Dynamic Filtration(动失水)
v f
kA
pt
h mc
•
h mc
= the thickness of the filter (mud) cake, cm.
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剪切速率与泥饼厚度的关系 剪切速率与动滤失的关系 Drilling Fluids
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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。 Drilling Fluids
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Relative static and dynamic filtration in the bore hole
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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； Drilling Fluids
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(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。
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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。 Drilling Fluids
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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。
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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。
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• 对钻井液滤失性能的一般要求是： A. 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。 B. 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。 C. 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。 Drilling Fluids
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D. 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。 E. 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。 Drilling Fluids
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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。 Drilling Fluids
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• 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。
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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。
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• 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。
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The lubricity of Drilling Fluids
钻井液的润滑性能
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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。 Drilling Fluids
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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。 Drilling Fluids
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2 钻井过程摩擦
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，或井壁极不规则情况下，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。
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• 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。
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3 钻井液润滑性的主要影响因素
① ② 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。 Drilling Fluids
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③ ④ 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。 Drilling Fluids
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4 对钻井液润滑剂的要求
① 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。 ② 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。 ③ 不降低岩石破碎的效率。 ④ 具有良好的热稳定性和耐寒稳定性。 ⑤ 不腐蚀金属，不损坏密封材料。 ⑥ 不污染环境，易于生物降解，价格合理，且来源充足。
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5 钻井液中常用的润滑剂
(1)惰性固体润滑剂 主要有塑料小球、石墨、碳黑、玻璃微 珠及坚果圆粒等。 (2)液体类润滑剂 主要有矿物油、植物油和表面活性剂等。
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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。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，还特别有利于下尾管、下套管和旋转套管。 ② 沥青类处理剂的润滑机理 • 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，既可减轻钻具对井壁的摩擦，又可减 轻钻具对井壁的冲击作用。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。 Drilling Fluids
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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。 Drilling Fluids
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Discussion
说明影响钻井液失水的因素并阐述 钻井液滤失性能与钻井作业的关系。
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Exercise
A. A filtrate volume of 5 cm 3 is collected in 10 min in a filter press having an area of 90 cm 2 . A spurt loss of 0.5 cm 3 was observed. Compute the API water loss. B. A 15-in. hole is drilled to a depth of 4,000 ft. The API water loss of the mud is 10 ml. Approximately 30% of the lithology is permeable sandstone and the rest is impermeable shale.
C. Construct a plot of estimated filtration loss in barrels vs. time in hours (0 to 24 hours) that would occur if the hole were drilled instantaneously. Assume porosity is 0.25. D. Answer: 42.4 bbl after 24 hours.
E.
Compute the radius of the invaded zone for Part a in inches after 24 hours. F.
Answer: 9.62 in.
G. Repeat Part a assuming a drilling rate of 200 ft/hr. H. Answer: 31.6 bbl after 24 hours.
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