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鉆井液濾失造壁性能評(píng)價(jià)方法研究現(xiàn)狀

文檔作者：姚如鋼1 2 張振華1 彭春耀1 馮燕云1 丁光波1 文檔來源：．中國石油集網(wǎng)長城鉆探工程有限公司鉆井液公 2．中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司睜士后工作站 3．中匡l石油大學(xué)(北京)蹲士后流動(dòng)站，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月27日
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第33卷第6期
2016年11月
鉆井液與完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETION FLUID
、，01．33 NO．6
Nov．2016
doj：lO_3696／j．issn．100l一5620．2016．06．OOl
鉆井液濾失造壁性能評(píng)價(jià)方法研究現(xiàn)狀
姚如鋼1’2一， 張振華1， 彭春耀1， 馮燕云1， 丁光波1
(】．中國石油集網(wǎng)長城鉆探工程有限公司鉆井液公司，北京100】0】；2．中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司睜士后二【：作站，北京loOl01
3．中匡l石油大學(xué)(北京)蹲士后流動(dòng)站，北京102249)
媲磐鏹篆．鉆餐凌翡襲遺繁攜慧浮魏哼汝嶄巍瑗。藏隧0鑲勞滾與箋勢疆，2娃16，夠≮6)：l-9，
潞囂套顰了瑰鴦銘勢姨漉鎊滲囂簦蔑、瑰嚷震，卜。辱震瑟蔑臻櫞篆成羹參熬游霄绔、儀器獲．箕諤徐方濠，并分撬’了
籀辮斃鹱、施學(xué)鎪等饋器淫蠶袁懿餅畿巍籀鏑及綴譬磐j肇+符騫豢靜嚏褥麓磷斃毒嶷綏魂鞍．，臻壤磷鬻器黲德曩予對(duì)綹藹褰
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澎譽(yù)，纛耀鰭攙霆閽分肖饕錘磚黌黲磺篦》褥。避一參舅漬黲勢壤器蕊失露穰捶。掣毳黲羝鎊舞液瓣戔蘩簿迤羥，襄矮著冤菅
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Status Quo of Methods for Evaluating Filtration Performance and Mud Cake Quality of Drimng Fhlid
YAO Rugan91t 2一，ZHANG Zhenhual，PENG Chunya01，F(xiàn)ENG YalIyunl，DⅢG Guangb01
n．DrimngFkidSBranch《CNPCGren柳ntlDnningComp氆掣，B鋤ing、∞、叭’'2．PostdoctomlWrorkSt鰣∞《CNPCGren似硼
Dr釷nngCompnny，Be蟮in91響、叭；3．postdoctora|Mobile stntion巧ChtnQUniv甜sny西Petmt嘲m曬e玨詛g)，Be棼訊91Q22491
Abstract This p印er djscusses me instmments and pfoccdllres available prcsently for evaluating fil仃ation property’sizes ofpofe throats，
Ⅱlickness and compress主bility ofmud cake．AnaJyzed jn≤his p印er are the s脅s quo ofus主119 SEM and energy spec伽ml in stlldying the
Injcros拓ucture ofmud cake and the distribution of嘲d cal(e const油en協(xié)．Studies presently conducted were focused on the observation
ofsurface topography’while knowledge about the intcrior microstmctIlre of咖d cake is still in dcmand when opt洳Lizing ttle quali哆of
mud cakc．The spatial dis打ibution ofthe microstnlcture ofnmd cake needs to be extensivcly stIldied in t11e觚=Ilfe to m砒er undefstand
the mechanjsm ofnl仃砒ion con仃ol and the way ofreducmg盎l仃ation rate。These stIldies are ofhelp to the development and perfection
ofthe basic theor)r ofcon虹oUiIlg出illing fhlid￡l衄tion and abili移ofbuilding mud cake，and麗11 pmVide guide and technjcal support
to the development of new hi曲performancemud additives and to the impfovemem of(1rilliIlg療uid technology．
Key words Drilling nuid；Abilny ofbuildjng mud cakc；Mud cakc qualjty；s仃uctIlI．e of mud cakc；EValuation nlcthod
隨著油氣鉆探向深部地層的有序推進(jìn)，高溫深
井、異常高壓井鉆井過程中的鉆井液流變性及濾失
造壁性難以協(xié)調(diào)統(tǒng)一的矛盾逐漸凸顯。在高溫深井
中，由于地層壓力偏高，為防止井涌等復(fù)雜情況的
發(fā)生，常需采用高密度鉆井液控制井下壓力。然而，
由于高密度鉆井液的固相含量高等問題，高溫作用
下的鉆井液濾失造壁性能調(diào)控技術(shù)已成為制約深部
地層勘探開發(fā)的技術(shù)瓶頸，進(jìn)一步明確高溫高密度
水基鉆井液濾失造壁性能調(diào)控機(jī)理是解決當(dāng)下技術(shù)
瓶頸的重要途徑‘1。41。
1 泥餅結(jié)構(gòu)模型
現(xiàn)有研究根據(jù)鉆井液泥餅沉積過程的特點(diǎn)，將
鉆井液外泥餅分為虛泥餅層、可壓縮層、密實(shí)層以
基金項(xiàng)目：中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司蹲：}后基金項(xiàng)目“威遠(yuǎn)龍馬溪地層水基鉆井液高效封堵劑開發(fā)及體系
研究”(2015801)。
第一作者簡介：姚如鋼，博士后，現(xiàn)主要從事頁巖氣用水基鉆井液技術(shù)及井壁穩(wěn)定方面的研究工作。電話(010)
84379320；E．mail：yaorg名wdc@c印c．com．cn。
萬方數(shù)據(jù)
2 鉆井液與完井液2016年11月
及致密層4部分。周風(fēng)山等Ⅱ1通過FcP．2000泥餅
針人度儀分析泥餅在縱向壓力作用下發(fā)生破壞的過
程中力學(xué)特征的變化，建立了泥餅層狀結(jié)構(gòu)物理模
型，解釋了虛泥餅以及泥餅的可壓縮層、密實(shí)層和
致密層間的差別及其物理意義，建立了其數(shù)學(xué)模型。
其配套泥餅質(zhì)量評(píng)價(jià)軟件CSEFCP可定量求解涉
及泥餅厚度、強(qiáng)度和彈塑性等14項(xiàng)泥餅質(zhì)量參數(shù)，
可快速、準(zhǔn)確、方便地對(duì)泥餅質(zhì)量進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。
近年來，核磁共振(NMR)技術(shù)及計(jì)算機(jī)斷層掃
描(CT)技術(shù)睜卅也逐步被引入鉆井液濾失造壁性
能研究]二作，這些技術(shù)的應(yīng)用讓人們更直觀地認(rèn)識(shí)
到泥餅的非均質(zhì)性。鉆井液濾失過程中各階段取出
的泥餅的cT成像結(jié)果顯示泥餅可分為上下兩層結(jié)
構(gòu)(見圖1)【9】，其中表層泥餅的厚度大約是底層
泥餅厚度的2～4倍，而本文作者也在室內(nèi)條件下
觀察到了與圖l類似的分層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圈網(wǎng)
LΣ■．；；．：：=：。．j 圈圈蟪
L苧L。二蘭f
圖l鉆井液(11l∥cm3)不l‘j：J濾失階段高瀣高壓
(107 1：，2．07MPa)泥餅cT掃描圖像
2鉆井液泥餅質(zhì)量評(píng)價(jià)方法
2．1鉆井液濾失造壁性能特性參數(shù)
2．1．1濾液拖拽力
在鉆井液濾失的過程巾，濾液是流動(dòng)的，將對(duì)
顆粒產(chǎn)生沿流線方向的拖拽力，拖拽力可南式(1)
計(jì)算¨0j?？煽闯觯撏献Яεc濾失速率礦成正比。e叫2舢21等糾南I n)
?
2”p， l(1一西1爿I
其中，Ⅸ為顆粒形狀系數(shù)，反映了顆粒的非球狀程
度；尺為顆粒的半徑；q為瞬時(shí)濾失速率；彳為濾
失面積；中為懸浮液(鉆井液)巾固體顆粒的體
積分?jǐn)?shù)；風(fēng)為固體顆粒密度；風(fēng)流體密度；后為懸
浮液的稠度系數(shù)；丹為懸浮液的流性指數(shù)。
在濾失的早期階段，由于拖拽力較大，大、小
粒徑顆粒都將在泥餅表面沉積，而隨后僅越來越小
的顆?？稍谀囡灡砻娉练e。這意味著較小粒徑顆粒
更易于在泥餅表面沉積，泥餅沉積速率隨時(shí)間的延
長而變慢，且所沉積顆粒的粒徑也將逐步降低。這
一現(xiàn)象將直接導(dǎo)致形成非均質(zhì)性結(jié)構(gòu)泥餅。在濾失
早期(泥餅底部)，大、小顆粒形成一個(gè)高滲層，
在濾失后期(泥餅上部)，形成泥餅的固體顆粒粒
徑越來越小，結(jié)果使得泥餅滲透率相對(duì)較低【l“嵋】。
2．1．2泥餅滲流特性表征
Mutaifi等(2013)【141在描述泥餅過濾過程時(shí)
引入過濾介質(zhì)阻力，提出下式來計(jì)算泥餅滲透率。
爿斟+R ㈩
其中，K是泥餅滲透率，lO。3岬2；v是單位截面積
的濾液體積，m3／m2；￡是泥餅厚度，m；R。是過
濾介質(zhì)阻力，l／m；P是壓差，MPa；f是時(shí)間，s。
Tille一15】則通過假設(shè)同液混合體系在過濾過程
中無沉降，提出一個(gè)簡化了的滲透率計(jì)算方法。
為了降低顆粒沉降帶來的滲透率計(jì)算誤差，使用
Tiller所提方法時(shí)需在鉆井液杯中增加攪拌裝置。
顯然，在需耐受高溫和高壓荷載的泥漿杯中增加一
套攪拌裝囂，將顯著增加儀器的復(fù)雜程度、可操作
性及經(jīng)濟(jì)性。為此，w-Li等(2006)【l叫基于達(dá)謠
定律測定樣品滲透率的原理，修正了滲透率測試方
法，其計(jì)算原理如下：
R翹c+尺。
△Pt=△R+△Pm
g=可。+gm
gc_K。等
ⅣLc 口：K堡“
”l“￡。
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
其中，R。尺。以及R。分別為總滲流阻力、泥餅滲
流阻力、過濾介質(zhì)滲流阻力；△只、△只及△尸m
分別為總壓差、泥餅兩端壓差以及過濾介質(zhì)兩端壓
差；g、吼及q。分別為總流速、通過泥餅的流速以
及通過過濾介質(zhì)的流速；≮及^，m分別為泥餅和過
濾介質(zhì)滲透率；￡。及工。分別為泥餅和過濾介質(zhì)厚
度；岸為濾液黏度。
黑一
萬方數(shù)據(jù)
第33卷第6期姚如銅等：鉆井液濾失造壁性能評(píng)價(jià)方法研究現(xiàn)狀3
過濾介質(zhì)的滲透率可通過測量清水通過其過濾
介質(zhì)的流速計(jì)算得到，泥餅和過濾介質(zhì)厚度￡。及
L?？哨A接測量，已知k、￡m、∥及g后可由式(7)
計(jì)算出△L，最后，泥餅滲透率便可由式(6)計(jì)
算得出。由于該方法考慮了過濾介質(zhì)的阻力，因兩，
其滲透率計(jì)算結(jié)果也將更為可靠，這已為Elkatatny
等(20】1)【11所證實(shí)。
2．1．3泥餅孔喉大小評(píng)價(jià)
濾失過程中，泥餅中可變形膠體顆粒將通過堵
塞泥餅巾各種不同尺寸的微孔隙，達(dá)到降低其滲透
率的目的，從而增大流體通過泥餅的流動(dòng)阻力，而
鉆井液濾失量則因此將有所降低。
Dewan和Cheneven(2001)”到基予約100個(gè)
不同鉆井液樣品的6個(gè)泥餅特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究成果
(其中約2／3為實(shí)驗(yàn)窒配制鉆井液樣品，余下的為
來自鉆井現(xiàn)場的鉆井液樣品)，通過數(shù)值模擬軟件
采用逐次逼近法建立了一套泥餅孔滲特性參數(shù)預(yù)測
數(shù)值模型。
Dangou和Chandler(2009)㈣采用了與
Dewan和Chenevert(2001)【”3相似的方法測試r
泥餅的孔隙度，其研究結(jié)果表明泥餅孔隙度與泥餅
中顆粒粒度分布直接相關(guān)，并間接與泥餅厚度有關(guān)。
EIkatamy等∽1則通過cT掃描圖像確定泥餅孔隙
度，并測定了泥餅孑L隙度隨濾失時(shí)間的變化情況。
這在鉆井液泥餅特性研究領(lǐng)域尚屬首次，給出的孔
隙度計(jì)算式如下。
晚=恚甕(8)
其中，CL。。為泥餅在濕潤狀態(tài)下的Cr數(shù)；Crh
為泥餅在于燥狀態(tài)下的c丁數(shù)；c咒。為水的c7’數(shù)；
Ctj，為空氣的C丁數(shù)。
cT掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果娃示，泥餅表面孔隙度接近
于o，而泥餅底部的孑L隙度分布在10％～20％之間。
現(xiàn)有研究成果展示了一系列關(guān)于滲透率的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算
公式n8’211，并指出泥餅滲透率與孔隙度相關(guān)，孔隙
度越大滲透率越高，濾失量越大。滲透率同樣受孑L
隙連通性即流動(dòng)通道通暢與否的影響。熊漢橋等
(20lO)∞1則將動(dòng)態(tài)條件下同相顆粒侵入地層并運(yùn)
移沉積的過程看做是一個(gè)過濾過程，研究了固相顆
粒沉降、攔截、慣性、擴(kuò)散等過程中堵塞孑L隙喉道
降低地層滲透率的基本規(guī)律。因此，具有堵塞各種
尺寸、結(jié)構(gòu)泥餅孔隙的膠體顆粒fj】‘顯著降低泥餅滲
透率。顯然，黏土顆粒及聚合物處理劑吸附自由水
的性能有助于降低泥餅滲透率膽3}，從而降低其濾
失量。麗隨著泥餅中這類組分含雖的提高，泥餅吸
附水含量也將隨之增大。盡管已有經(jīng)驗(yàn)成果表明泥
餅滲透率與其孔隙度密切相關(guān)，然而，通過文獻(xiàn)調(diào)
研并未發(fā)現(xiàn)2者嚴(yán)格的理論相關(guān)關(guān)系，泥餅孔滲關(guān)
系還有待進(jìn)一步深入研究。
2．1．4泥餅厚度評(píng)價(jià)
除泥餅孔滲特性外，鉆井液泥餅厚度也是一項(xiàng)
十分重要的常規(guī)鉆井液性能指標(biāo)，泥餅厚度隨黏土
礦物含量增大砸i增大‘241，『『i=『Jiao和shama(1993)‘25】
則發(fā)現(xiàn)泥餅厚度對(duì)鉆井液流變性也具有一定的敏感
性。傳統(tǒng)方法主要采用千分尺直接測量泥餅厚度，
吳志均等(1997)【2印提出通過多次沿泥餅端切掉
一小段巖心然后測定剩余巖心滲透率，當(dāng)剩余巖心
滲透率與巖心的原始滲透率基本相等時(shí)就可把切掉
的總巖心長度視為泥餅厚度。景天佑(1993)12’7】、
侯勤立和蒲曉林(2001)【2剮等設(shè)計(jì)了不同的新猁
測量裝置，但未見有規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，目前采用的
鉆井液泥餅厚度測量方法都是接觸式的測量方法，
測量時(shí)測量頭會(huì)與泥餅接觸，受人工操作影響大，
測量結(jié)果十分粗略。因此只有使用非接觸法才能準(zhǔn)
確測量泥餅厚度。張洪杰和鄭力會(huì)等(2008)f2卅介
紹了其它行業(yè)成熟的幾種非接觸式測量技術(shù)，如磁
感應(yīng)法、超聲波法、電容法、射線法以及激光法等，
并對(duì)這些方法能否用來測量泥餅的厚度進(jìn)行了叮行
性研究，提出了用光、電、機(jī)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)非接觸測
量泥餅厚度的可行性。
2．1．5泥餅壓縮性評(píng)價(jià)
泥餅的可壓縮性也是影響泥餅優(yōu)劣的重要因
素，雷宗明(1992)f301在考慮了泥餅具有壓縮性
這一條件下，推導(dǎo)建立r泥餅的壓縮性方程。它反
映了泥餅在形成過程中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)失水情況，以
便失水的控制。崔茂榮(1996)口”指出，可通過
泥餅滲透率法、針人度法或2次失水法來進(jìn)行評(píng)價(jià)。
壓縮性好的薄泥餅可在鉆井液和地層巖石之間形成
滲透率較低的隔離帶，從而能保護(hù)儲(chǔ)層、維持井眼
穩(wěn)定并保證井下安全。杜德林(1996)【3列提出用
無量綱泥餅可壓縮囚子來評(píng)價(jià)泥餅可壓縮性的方
法，可壓縮性因子是濾失艇和濾失壓差的函數(shù)。實(shí)
驗(yàn)結(jié)果表明，超細(xì)碳酸鈣是完全不可壓縮的，而膨
潤土具有相當(dāng)高的可壓縮性，將常用鉆井液添加劑
萬方數(shù)據(jù)
4 鉆井液與完井液2016年11月
加至膨潤土基漿中，都可改善泥餅的可雁縮性，但
影響不大。
2．2泥餅質(zhì)量評(píng)價(jià)設(shè)備及方法
泥餅質(zhì)量是降失水機(jī)理研究內(nèi)容的一部分，泥
餅質(zhì)最的好差主要是泥餅厚度、強(qiáng)度、韌性、彈性
等參數(shù)的綜合表征。以往主要通過主觀性的詞匯如：
硬、軟、堅(jiān)韌、堅(jiān)同、厚薄、虛、韌等來描述其質(zhì)
量的好差，但是不能達(dá)到準(zhǔn)確分析不同泥餅質(zhì)量差
別的目的。因此，研究人員開發(fā)了一些用于測定泥
餅質(zhì)蟥的儀器設(shè)備。如中國自20世紀(jì)90年代胡永
宏等(1993)口習(xí)在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，通過分析
刮刀刮下不同位置處泥餅所需消耗的能量的變化情
況，自制了一種鉆井液泥餅強(qiáng)度測試儀，通過實(shí)驗(yàn)
表明隨刮層深度的增加，泥餅的強(qiáng)度明顯增加。杜
德林等(1 996)介紹了利用動(dòng)濾失裝置測定泥餅抗
剪強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)原理，該裝置主要由過濾介質(zhì)、泥漿
擋板、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)幾個(gè)部分組成，
結(jié)果表明不同的泥餅抗剪強(qiáng)度差別很大，泥漿的濾
失量與泥餅的抗剪強(qiáng)度之間沒有必然的聯(lián)系。吳志
均等(1997)【25】按泥餅滲透率的測定方法，測定
不同壓差下泥餅的滲透率，直到泥餅滲透率娃著增
加為止，這個(gè)使泥餅滲透率顯著增加的壓差即為泥
餅強(qiáng)度。cer舔i等(2001)1341通過記錄特制裝簧中
電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀片刮削泥餅的電流等數(shù)據(jù)以及一維同結(jié)
實(shí)驗(yàn)等來確定泥餅的剪切屈服應(yīng)力、動(dòng)態(tài)彈性模量
及黏性模艇等泥餅特性參數(shù)。Bemtsen等(2010)【”】
采用美國Terratek公司制造的劃痕實(shí)驗(yàn)裝置通過模
型換算得到切割單位體積泥餅或巖石所消耗的能量
即比切削能量或截割比能耗來確定泥餅或巖石的強(qiáng)
度。長江大學(xué)王松等(2011)1361則在建立泥餅物
理模型的基礎(chǔ)上，利用泥餅強(qiáng)度測試儀測定單位厚
度的泥餅被水流沖破的時(shí)間來定量評(píng)價(jià)泥餅強(qiáng)度，
但該方法需要控制好水流的高度即水力沖擊力的
大小。
在中國投入使用的泥餅質(zhì)量評(píng)價(jià)儀器主要有原
西南石油學(xué)院的DL．II泥餅測定儀、原西安石油學(xué)
院的zN．I泥餅厚度韌性自動(dòng)測量儀以及M．I鉆井
液公司的FcP針人度儀等幾種m。引。其測定原理
都是通過測定探針壓入力一壓入深度數(shù)據(jù)曲線，從
l町分析泥餅質(zhì)量的特性參數(shù)。根據(jù)實(shí)際使用情況分
析，以M—I泥漿公司的zamom等人研發(fā)的FCP針
人度儀(AVKVO Services，Sta{=|Ford)【蚓性能最為
可靠，實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)性好、規(guī)律性強(qiáng)、操作方便。通過
該儀器可以很方便地精確測量出反映泥餅的厚度、
彈塑性、強(qiáng)度等方面的質(zhì)量信息參數(shù)十余項(xiàng)，提升
人們對(duì)泥餅質(zhì)最的定景認(rèn)識(shí)。而各種粒度分布測試
儀【帥】也被大量應(yīng)用到泥餅質(zhì)量分析的過程中。此
外，隨著科技的進(jìn)步，各型掃描電鏡、能譜儀、x—ray、
核磁共振等也逐步被引入并應(yīng)用在泥餅質(zhì)量分析
中H“，顆粒形態(tài)及泥餅內(nèi)部結(jié)構(gòu)的定量描述對(duì)深
化過濾機(jī)理具有重要意義，隨著圖像處理技術(shù)和掃
描電鏡的發(fā)展，使得泥餅內(nèi)部結(jié)構(gòu)的測試成為可能，
20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的分形幾何理論為描述泥
餅結(jié)構(gòu)以及泥餅形成的動(dòng)力學(xué)過程提供了一種新的
方法。
3鉆井液泥餅組成成分及其微觀結(jié)構(gòu)
在過去的數(shù)十年里，研究人員提出了多種不同
的方法來表征泥餅結(jié)構(gòu)性質(zhì)。x射線衍射(Ⅺ①)
以及傅里葉紅外光譜(FTIR)提供了礦物組成成
分物相鑒定手段，并可對(duì)其組成成分進(jìn)行定量分析。
Ruessink等(1992)‘4列系統(tǒng)地評(píng)價(jià)了這2種分析
方法在定景分析方面的可靠性、適用性以及準(zhǔn)確性。
結(jié)果顯示這2種技術(shù)在分析礦物成分時(shí)具有栩當(dāng)?shù)?
精度，在90％的混合物定量分析應(yīng)用案列中誤差
在5％以內(nèi)。除此之外，xRD分析輔以x射線熒
光分析(Ⅺ訌)也可用來進(jìn)一步提高我們對(duì)泥餅及
地層巖石的元素組成和晶體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。由于所用
樣品為：F燥粉末，因此，不管是定量分析還是化學(xué)
組成分析都可覆蓋整個(gè)樣品并保證足夠的精度，其
組成成分最低檢測精度為1％【431。Nasr_EL．Dill等
(2007)㈣在研究泥餅清除技術(shù)時(shí)就使用了xRD
分析來確定泥餅的礦物組成，Mo司i1等(2008)H副
則聯(lián)合xRD、ⅪⅫ以及sEM技術(shù)來表征錳氧化
物泥餅在被幾種清洗液清洗前后的特性。Alotaibi
等(2008)Ⅲ1同樣使用了xRD技術(shù)來表征甲酸鹽
鉆井液泥餅特性。
許多研究人員都曾試圖獲得關(guān)于泥餅微觀結(jié)構(gòu)
的更準(zhǔn)確的理解，因此，早期的掃描電鏡(sEM)
被用來檢測泥餅樣品表面的微觀形貌及半定量確定
樣品元素的組成。這些是通過獲得特定區(qū)域內(nèi)的
高分辨率圖像來檢測的，同時(shí)，樣品表面微觀結(jié)
萬方數(shù)據(jù)
第33卷第6期姚如鋼等：鉆井液濾失造壁性能評(píng)價(jià)方法研究現(xiàn)狀5
構(gòu)的化學(xué)元素組成變化也可以通過能量散射光譜
儀(EDs)半定量檢測出來一7491。剛‘獲得更高分辨
率的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE—SEM)用于觀察
樣品微觀形貌則首先是由PORTE(1980)14州提出
的。在使用普通sEM及FE．sEM檢測不導(dǎo)電樣品
微觀形貌及元素定蛩分析前需在其表麗鍍一層導(dǎo)電
金屬，這個(gè)金屬薄層通常足厚度約為5啪的余或
者鉑。研究結(jié)果表明，這些方法進(jìn)一步提升r人們
對(duì)泥餅微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)并對(duì)鉆井液配方?jīng)]計(jì)的思
路產(chǎn)生了一定的影響H91。Pedcn等(1982)‘501使
用SEM及EDs分析定量檢測了鉆井液濾液及微粒
侵入井壁圍巖的深度，研究結(jié)果表明該方法可有效
定量分析鉆井液對(duì)地層的傷害程度。到目前為止，
sEM及FE—sEM已廣泛用于研究分析不同配方的
油基或水基鉆井液在動(dòng)態(tài)濾失或靜濾失條件下形成
的泥餅的微觀結(jié)構(gòu)。
樣品制備過程中任何微小的變形都將可能引起
微觀結(jié)構(gòu)的失真和誤判，因此，PORTE(1980)郴】
通過引人由Borst等(1971)f4”提出的冷凍二f二燥
技術(shù)來制備泥餅樣品。由于其所用到的水基鉆井
液泥餅含水率高達(dá)70％，因此，在使用sEM研
究泥餅微觀結(jié)構(gòu)前必須先將其中的水分排除。為
避免破壞泥餅微觀結(jié)構(gòu)，Hanmann等(1988)瞪¨
提}_}_；了～種休克冷凍和冷凍干燥聯(lián)用技術(shù)。休克冷
凍法是通過將剛從泥漿杯中取出的泥餅塊在幾秒鐘
內(nèi)將其溫度迅速降低到一140℃，從而達(dá)到防止兇
冰晶過度生長而破壞泥餅原有微觀結(jié)構(gòu)。而冷凍干
燥技術(shù)原本是Borst等(1971)∽1在研究膨潤土漿
構(gòu)造時(shí)用來原位保持黏土顆粒在鉆!)_{i：液中的結(jié)構(gòu)分
布的·門新技術(shù)，其原理是通過使前期冷凍好的
泥餅中的冰晶在低溫(一73 c【：)和低壓(近真空，
20～100 Pa)條件下直接升華從阿將泥餅中的水分
去除，這種方法繞過了冰晶的融化過程，避免了因
冰晶融化而導(dǎo)致的黏土顆粒重排。顯然，應(yīng)用這些
技術(shù)可檢測泥餅不同位置處更加真實(shí)的微觀結(jié)構(gòu)以
及評(píng)估不同鉆井液處理劑對(duì)濾失造壁性能的影響，
這極大提升了sEM及FE．sEM法觀察到的泥餅微
觀結(jié)構(gòu)的可靠性。
為解決使用普通sEM和FE—sEM檢測時(shí)在樣
品制備過程中對(duì)樣品原位結(jié)構(gòu)的破壞，逐漸衍生出
環(huán)境掃描電鏡(EsEM)【5l_55】，其主要特點(diǎn)是待測樣
品無需脫水及噴渡導(dǎo)電層。應(yīng)用ESEM技術(shù)可贏
觀地觀測到流體在巖石孔隙中的毛細(xì)吮吸現(xiàn)象瞪州，
如潤濕相對(duì)非潤濕相的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)及其驅(qū)替流量優(yōu)化
等瞪71。此外Cryo．sEM則可以通過冷凍臺(tái)配件將
樣品冷凍然后直接觀測樣品微觀結(jié)構(gòu)‘拍】，且同樣
尤需對(duì)待測樣品噴金處理。正如前面所捉到的那樣，
掃描電鏡所觀測的是泥餅中很微小的區(qū)域，因此，
在泥餅微觀結(jié)構(gòu)觀察、粒度分析和能譜分析等過程
中，應(yīng)選取有代表性的區(qū)域開展多點(diǎn)平行實(shí)驗(yàn)，以
保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。顯然，這些研究成果在一
定程度上增長了人們對(duì)于泥餅微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，提
升了鉆井液濾失造壁性能的調(diào)控技術(shù)水平，有效降
低了井下井壁失穩(wěn)等復(fù)雜事故的發(fā)生。
近年來專家學(xué)者已經(jīng)開始注意到泥餅微觀結(jié)構(gòu)
對(duì)鉆井液濾失性能的重要影響，但是，通過火量文
獻(xiàn)調(diào)研表明，現(xiàn)有研究思路側(cè)重于對(duì)樣品表面形貌
的觀測，在優(yōu)化鉆井液濾失造壁性能時(shí)仍然缺乏對(duì)
泥餅內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性認(rèn)識(shí)，儀有少量文獻(xiàn)將
他們的研究重點(diǎn)放在了泥餅微觀空間結(jié)構(gòu)∥58{91。
例如，Jiao和sha眥a(1994)”of慕于膨潤土漿的
動(dòng)濾失實(shí)驗(yàn)研究和黏土顆粒流體動(dòng)力學(xué)理淪研究提
出了泥餅生長的數(shù)學(xué)模型。Tien等(1997)忡oI指
出當(dāng)鉆井液中包含不同粒徑同體顆粒時(shí)，較大顆
粒將率先形成泥餅骨架，而較小顆粒則在大顆粒
問(骨架)的孑L隙內(nèi)的進(jìn)行遷移和沉降。此外，核
磁共振(NMR)技術(shù)也開始被引人泥餅特性分析
中，近幾年來，隨著CT技術(shù)的成熟，其在分析鉆
井液濾失造壁過程及泥餅特性巾的應(yīng)用正開始受到
科研工作者的關(guān)注№“2J，如E1katatny(2012)等‘刪1
引入cT(computed—tomogr印hy)技術(shù)來測定鉆井
液泥餅層的厚度、孔隙度及其滲透率。姚如鋼等
(2014)碡＆591則提出了一種基于鉆井液穩(wěn)定性測試
及鉆井液泥餅組成成分空間分布特性分析方法，通
過綜合利用鉆井液穩(wěn)定性分析、流變性與濾失過
程及其泥餅成分定量分析，并結(jié)合掃描電鏡分析
(sEM)、能譜分析(EDs)、粒度分析(PsD)、紅
外分子光譜(FTIR)及x射線衍射分析(Ⅺ①)
等手段，從宏觀和微觀上明確泥餅物理化學(xué)微觀結(jié)
構(gòu)空間分布特征的新力‘法、新忍路，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)
鉆井液濾失造壁性能及機(jī)理的系統(tǒng)性分析評(píng)價(jià)，并
基于該研究成果指導(dǎo)，室內(nèi)成功研制了一種新型耐
鹽聚合物基無機(jī)納米復(fù)合降濾失劑及其配套耐高溫
高密度體系。然而，這只是一個(gè)開始，大多數(shù)研究
萬方數(shù)據(jù)
6 鉆井液與完勞液2016年11月
學(xué)者目前并沒有把過多的注意力放在泥餅層物理化
學(xué)結(jié)構(gòu)的空間分布研究分析J二來，盡管這一特性參
數(shù)是控制鉆井液濾失造壁性能的內(nèi)在因素。
4 鉆井液濾失造壁性能影響機(jī)理研究
文獻(xiàn)調(diào)研表明，針對(duì)影響鉆井液濾失造壁性
能的機(jī)理性研究報(bào)道則較為有限，主要有Tiller
(1990)、蒲曉林(2001)和巨韶華(2010)等【63‘65]
在其文章中描述了機(jī)械力和化學(xué)力等對(duì)鉆井液濾失
過程及泥餅性能的影響機(jī)制，并介紹了泥餅(視為
多孔介質(zhì))滲流基本方程及濾失造壁調(diào)控方法。鉆
井液剪切速率也被發(fā)現(xiàn)對(duì)其泥餅滲透率有重要影
響。Dangou和Chandler(2009)【坦1指出鉆井液泥
餅滲透率將受到井下鉆井液剪切速率的最著影響，
因?yàn)榧羟兴俾蕦?duì)泥餅粒度分布具有重要影響。他們
認(rèn)為，低剪切速率下形成的泥餅的顆粒粒徑較大，
從而導(dǎo)致其滲透率偏大。相反，高剪切速率條件下
形成泥餅的顆粒粒徑則相對(duì)較小，而滲透率相對(duì)應(yīng)
的則較低。這是因?yàn)槭芗羟袘?yīng)力的影響，組成泥餅
的顆粒平均粒徑小于原鉆井液的顆粒粒徑。這與早
前Jiao和Sha丌na(1994)『1叫的結(jié)論相互佐證。
除此之外，電解質(zhì)污染將導(dǎo)致黏土和聚合物的
絮凝和聚合，從而使得鉆井液泥餅變得疏松，這種
結(jié)構(gòu)在一定程度上增大了泥餅的滲透率”o棚】。加
重材料同樣也對(duì)鉆井液流變性有重要影響。張洪霞
(2013)咿”利用近紅外透射／反射光掃描法分析不
同重晶石顆粒在鹽水中的沉降穩(wěn)定性，以沉降速率
及穩(wěn)定性參數(shù)為指標(biāo)評(píng)價(jià)重晶石與鉆井液體系的配
伍性，并指出，重晶石顆粒的分散與聚結(jié)特性直接
影響深井高溫高密度鉆井液流變性及濾失造壁性。
這是由于在靜態(tài)濾失過程中，水化能力差、粒徑大
的加重劑顆粒沉積在泥餅底部，加重劑的沉降直接
導(dǎo)致泥餅的厚度和泥餅中固相體積分?jǐn)?shù)增大，根據(jù)
鉆井液靜濾失方程砸引： _=陽嘉㈩
其中，K是泥餅滲透率(Darcy)；△p是泥餅
兩端壓差，atm；氐。，泥餅固體顆粒體積分?jǐn)?shù)；咖。、
是鉆井液中固體顆粒體積分?jǐn)?shù)；彳是泥餅截碰積，
cm2；∥是濾液黏度，cp；f是濾失時(shí)間，s。
把鉆井液的咖。。視作常數(shù)時(shí)，巧隨著8。。的增
大而升高，反之亦然。可見，提高顆粒結(jié)合水的能
力有助于降低泥餅滲透率。娃然，可通過在鉆井液
中添加高溫高壓條件下具有良好吸水能力的包被劑
來改善加重劑表面水化性能即泥餅的水化能力，從
而改善泥餅控失水性能。此外，鉆井液泥餅均質(zhì)性
也將對(duì)鉆井液濾失特性產(chǎn)生重要影響∽】。盡管研
究學(xué)者已取得了一熙研究成果，但是關(guān)于鉆井液濾
失造壁性能的調(diào)整控制及其降低濾失量機(jī)理仍有待
深入研究和探索。
5 結(jié)束語
1．目前各種評(píng)價(jià)儀器設(shè)備及方法側(cè)重于因果分
析，關(guān)于鉆井液濾失造壁內(nèi)在機(jī)理的研究方法還不
夠完善，對(duì)鉆井液泥餅組成成分分布特征及其影響
因素的認(rèn)識(shí)還不夠充分，使得在研究分析影響鉆井
液濾失造壁陛能的內(nèi)在機(jī)理方面顯得捉襟見肘，因
而，對(duì)研究提升鉆井液降濾失性能的指導(dǎo)作用較為
有限。
2．由于不清楚各種因素對(duì)鉆井液濾失造壁性能
的影響機(jī)理和規(guī)律，導(dǎo)致在配制或在現(xiàn)場維護(hù)鉆井
液的性能時(shí)，主要依靠添加各種處理劑以達(dá)到所需
要的性能，從而增加鉆井液成本，不利于安全、優(yōu)
質(zhì)和高效鉆井。
3．未來應(yīng)繼續(xù)深人開展對(duì)鉆井液泥餅微觀結(jié)構(gòu)
空間分布特征方面的研究分析，進(jìn)一步弄清鉆井液
降濾失作用機(jī)理及降低鉆井液濾失量的途徑，發(fā)展
并完善鉆井液濾失造壁性調(diào)控機(jī)理基礎(chǔ)理論，為新
型高效處理劑的研制以及鉆井液技術(shù)水平的提升提
供指導(dǎo)和技術(shù)支撐。
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