一种新的钻井液静失水量方程.pdf

第 4 1 卷 第 5 期 2 0 1 3 年 1 O月 煤田地质与勘探 C OA LGB 0GY＆删oR [ I N V_01 ． 4l No． 5 Oc t ．2 01 3 文章编号 1 0 0 1 1 9 8 6 2 0 1 3 0 5 - 0 0 8 8 ． 0 2 一 种新的钻井液静失水量方程 许晓琳，乌效呜 ，杜晶 中国地质大学 武汉 工程学院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 摘要实验室测试钻井液的 AP I失水量结束后，仪器内剩余钻井液的粘度 比测试前有所增大。为 了解释这一现象，对原钻井液静失水量方程推导中所采用的渗滤模式提出了不同看法，以一种不 同的渗滤模 式为基础提 出了新的钻井液静失水量方程 ，此方程可以解释这一现象。依 照此方程 ， 实验 室测试 A P I 失水量时仍然可用 7 ． 5 mi n失水量的测试结果乘以 2 得到的数值代替 3 0 mi n失水 量 的测试 结果 。 关键词钻井液；静失水量；新方程；测试 中图分类号P 6 3 4 文献标识码A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 ． 1 9 8 6 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 1 9 A ne w e q ua t i o n f o r c a l c u l a t i o n o f s t a t i c l o s s o f dr i l l i n g flui d XUXi a o l i n , WU Xi a o mi n g ． DU J i n g F a c u l tyo f E n g i n e e r i n g , C h inaU n i v e r s i tyo fG e o s c i e n c e s ， Wu h a n4 3 0 0 7 4 ， C h i n a Ab s t r a c t I t i s f o u n d o u t t h a t the v i s c o s i t y o f the r e ma i n i n g d r i l l i n g fl u i d i s h i g h e r t h a n b e f o r e the AP I l o s s t e s t wa s t a k e n ． T o e x p l a i n t h i s p h e n o me n o n ，t h e p a p e r p r e s e n t s a d i ffe r e n t o p i n i o n a b o u t the fi l t r a t i o n mo d e u s e d i n the d e riv a t i o n o f e q u a t i o n f o r c a l c u l a t i o n o f s t a t i c l o s s o f d r i l l i n g fl u i d ， a n d d e riv e d a n e w e q u a t i o n b a s e d o n a n e w fil - t r a t i o n mo d e ， wh i c h c a n e x p l a i n t h e p h e n o me n o n ． Ac c o r d i n g t o t h i s n e w e q u a t i o n ， t wi c e o f t h e r e s u l t o f 7 ． 5 mi n t e s t C a l l r e p l a c e tha t o f t h e 3 0 mi n t e s t i n t h e AP I l o s s t e s t ． Ke y wo r d s d r i l l i n g fl u i d ； s t a t i c l o s s ； n e w e q u a t i o n ； t e s t 钻井液的 AP I失水量是衡量钻井液性能的一个 重要参数 。 实验室测试钻井液的 A P I 失水量时 ， 发现 测试 3 0 mi n失水量结束后 ，仪器内剩余钻井液的粘 度 比测试前有所增大。 但该测试所依据的钻井液静失 水量方程的推导中认为 ， 钻井液的渗滤过程不会对原 钻井液的粘度产生影响， 即仪器 内剩余钻井液的粘度 应与测试前保持一致 ，这显然与实验所得的结果不 符。本文提出一种新的钻井液渗滤模式 ，以此为基础 推导出新的钻井液静失水量方程。 1 原钻井液静 失水量方程及其渗滤模式 钻井液的静失水是一个渗滤过程 ， 遵循达西渗流 定律。文献【 l 一 3 】 中静失水量方程推导的假设条件是 泥皮为平面型的， 其厚度与钻孔直径相比很小； 泥皮 不可压缩 ， 其渗透率是常数 ， 厚度随时间增加而逐渐 增大。这里不详述推导过程 ，其推导结果为 式中 为钻井液的静失水量，m 3 ； A为渗滤面积，m2 ； 为泥皮的渗透率，m 2 ； 为泥皮中固体颗粒的体积分 数，％；C m为钻井液中固体颗粒的体积分数，％；△ P 为渗滤压力 ， P a ； f 为渗滤时间， s ； 为滤液粘度， P a ． S 。 该方程推导过程中， 将未渗滤的钻井液看作若干 份 ， 每一份钻井液依次进行渗滤 ， 互不干扰。钻井液 通过过滤层的部分即为滤液 ， 3 0 mi n累积的滤液体积 即为该钻井液的静失水量； 未通过过滤层的部分堆积 在原过滤层上 ，使之加厚 。在这种渗滤模式下，尚未 进行渗滤过程的每份钻井液的性质不发生变化， 其粘 度等参数应与未开始渗滤时保持一致。 2 新钻井液静失水量方程 实验室采用中压失水仪测试钻井液的 AP I失水 量时 ， 随着时间的推移 ， 滤筒内剩余钻井液的粘度有 所增加 。 分析认为 ， 导致剩余钻井液粘度增加的原因 是钻井液并非按照前文所提的模式进行渗滤。 在此提 出一种新 的渗滤模式 将钻井液中的自由水和吸附水 看作互不干扰的两部分， 其通过过滤层产生的失水量 分别为 、 ，认为自由水的渗滤不产生泥皮 ，即 收稿 日期 2 0 1 2 ． 0 7 ． 2 0 作者简介 许晓琳 1 9 8 8 一 ，女 ，l J 东博兴人 ，硕士研究生 ，从事地质工程方面的研究 第 5 期 许晓琳等 一种新的钻井液静失水量方程 8 9 不使 h增大；而吸附水的渗滤使泥皮增厚 ，即 使 ．} l 增大。渗滤过程 中，自由水受到的压差是 △ P； 而吸附水受到固相颗粒的吸附力 ， 将吸附力产生的平 均吸附应力用 P表示 ， 单位 P a 8 ， 则 吸附水受到的压 差是 a xp 。按此渗滤模式 ，由于 自由水受到的压 差 比吸附水大 ， 所 以相等时间内自由水通过过滤层单 位面积内的体积比吸附水多。 仍旧将未渗滤的钻井液看作若干份 ， 但新的渗滤 模式下各份钻井液不是依次进行渗滤的， 各份钻井液 的渗滤过程并不独立。在某份钻井液的渗滤过程中， 因为单位面积内自由水减少的速度 比吸附水快， 所以 该份钻井液 的自由水 比吸附水先完成渗滤过程， 剩余 钻井液中的水将进入滤失通道进行渗滤 。 由于每份钻 井液的自由水都比吸附水渗滤的快 ， 所以滤液 中自由 水所占比例逐渐增大 ， 剩余钻井液中的自由水 比例逐 渐减少 ，造成剩余钻井液粘度增加 。以 表示钻井 液渗滤后可 留在泥皮中的吸附水的体积分数 ， ％； A 表示钻井液可通过过滤层的吸附水 的体积分数 ，％； 表示泥皮的孔隙度 ，％。按达西定律有 d △P ----- - - - - - - - - - - 一 而 K ． 4 2 AP - - p 2 1 d t 』j i 自由水 、吸附水的渗滤面积分别为 A 、A 2 ，有 4 A --A 2 A 2 A C m C w △ C w 3 由 等 ， 可 4 4 △ C w 卜 一 将 式 3 和式 4 代人 式 2 中 ， 司得 d 一 △ C w 1 一 [ 1 一 C m C w △ C w ] ---‘ - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - - - -- - - - - -- - -- - - - - -- - - - - - - - -- - - - - - - ‘ 1 f 【 C m c w 坐 垒 二 二 垒 i t c m C w 整理 可得 出 1 ⋯ 1 d ． K A 2 A G A P - p ， 1 - O C 、 m C A G d f I c lm J 分 别积 分得 r ／ G4 2 AC w I M O - p 1 - C m C w A C w ， 2 C 加 C w 所 以有 - - A - - A 2 K A C w A P p 1 一 C m c lw △ c lW 。 C m C w K A C w A P 1 - [ 1 一 c m C w A C w 2 p A P P C m G G C w △ 最终得到新的钻井液静失水量方程 v 2 △ P A P 一 2 p C m C w A C w ] 5 △ C w 卜 2 ／ A P P C m C w C m C w △ C w ‘ 3 新 旧钻井液静失水量方程 比较 a ．新方程 中去掉 了旧方程中的一个参数 泥皮 中固体颗粒的体积百分数 ，增加了 4个新参数 钻井液能留在泥皮中的吸附水的体积百分数 c w 、钻 井液能通过过滤层的吸附水的体积百分数 △ C W 、 平均 吸附应力 P和泥皮的孔隙度 。 文献【 1 3 】 中提到 ，旧方程中使 C c 降低的方法是 采用优质土造浆和用有机处理剂处理 ， 其原因是优质 土分散好 、固相颗粒细而多、水化好、溶剂化膜厚、 形成的泥皮渗透率低。这说明 C c 与造浆土和处理剂 有关 ， 需要通过这两个因素来调节钻井液的水化和泥 皮渗透率 ，改变 C c ，进而影响钻井液静失水量。其 缺点一是 C c 影响静失水量的方式太过间接 ；二是造 浆土和处理剂不仅影响 C c ，还影响泥皮渗透率 ，而 泥皮渗透率已经由参数 来表征了。 新方程 中引入参数 C w 、 △ C w 和P， 这 3个参数与 钻井液造浆土和处理剂的性能有关 ， 表征钻井液的水 化效果 ，比旧方程 中的 C c 更为直观 ，可以更好地体 现出造浆土和处理剂对于钻井液静失水量的重要影 响。 C w 、 △ C w 和 P这 3 个参数可用来表示泥浆水化效 果。 是泥皮 中渗滤通道大小的表征 ，旧方程中没有 ，实质上是认为水分子无限小 ，可从任意分子之间 通过 ，这显然是不科学的。 b ． 测试钻井液的失水量时 ， 为了节约测试时间 ， 常用 7 ． 5 mi n失水量的测试结果乘以 2得到的数值代 替 3 0 mi n失水量的测试 。使用式 1 时的假设是 、 C c 、 保持不变 ，而实验条件下 c m 、△ P、A原本就 保持恒定。使用新方程时除此 以外还需假设 和 P 保持不变 ，此时仍可用 7 ． 5 mi n失水量的测试结果乘 以 2得到的数值代替 3 0 mi n失水量的测试结果 。失 水量与时间的关系为 ， 为常数， 可根据式 5 来确定。 下转第 9 2页