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钻井液滤失造壁性能评价方法研究现状

文档作者：姚如钢1 2 张振华1 彭春耀1 冯燕云1 丁光波1 文档来源：．中国石油集网长城钻探工程有限公司钻井液公 2．中国石油集团长城钻探工程有限公司睁士后工作站 3．中匡l石油大学(北京)蹲士后流动站，		点击数：	更新时间： 2024年02月27日
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第33卷第6期
2016年11月
钻井液与完井液
DRILLING FLUID&amp;amp;COMPLETION FLUID
、，01．33 NO．6
Nov．2016
doj：lO_3696／j．issn．100l一5620．2016．06．OOl
钻井液滤失造壁性能评价方法研究现状
姚如钢1’2一， 张振华1， 彭春耀1， 冯燕云1， 丁光波1
(】．中国石油集网长城钻探工程有限公司钻井液公司，北京100】0】；2．中国石油集团长城钻探工程有限公司睁士后二【：作站，北京loOl01
3．中匡l石油大学(北京)蹲士后流动站，北京102249)
媲磐镪篆．钻餐凌翡袭遗繁携慧浮魏哼汝崭巍瑗。藏隧0镶劳滚与笺势疆，2娃16，够≮6)：l-9，
潞嚣套颦了瑰鸯铭势姨漉镑渗嚣簦蔑、瑰嚷震，卜。辱震瑟蔑臻橼篆成羹参熬游霄绔、仪器获．箕谔徐方濠，并分撬’了
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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，FENG YalIyunl，DⅢG Guangb01
n．DrimngFkidSBranch《CNPCGren柳ntlDnningComp氆掣，B锄ing、∞、叭’'2．PostdoctomlWrorkSt鲥∞《CNPCGren似硼
Dr钍nngCompnny，Be蟮in91响、叭；3．postdoctora|Mobile stntion巧ChtnQUniv甜sny西Petmt嘲m晒e珏诅g)，Be棼讯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胁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协．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丽11 pmVide guide and technjcal support
to the development of new hi曲performancemud additives and to the impfovemem of(1rilliIlg疗uid technology．
Key words Drilling nuid；Abilny ofbuildjng mud cakc；Mud cakc qualjty；s仃uctIlI．e of mud cakc；EValuation nlcthod
随着油气钻探向深部地层的有序推进，高温深
井、异常高压井钻井过程中的钻井液流变性及滤失
造壁性难以协调统一的矛盾逐渐凸显。在高温深井
中，由于地层压力偏高，为防止井涌等复杂情况的
发生，常需采用高密度钻井液控制井下压力。然而，
由于高密度钻井液的固相含量高等问题，高温作用
下的钻井液滤失造壁性能调控技术已成为制约深部
地层勘探开发的技术瓶颈，进一步明确高温高密度
水基钻井液滤失造壁性能调控机理是解决当下技术
瓶颈的重要途径‘1。41。
1 泥饼结构模型
现有研究根据钻井液泥饼沉积过程的特点，将
钻井液外泥饼分为虚泥饼层、可压缩层、密实层以
基金项目：中国石油集团长城钻探工程有限公司蹲：}后基金项目“威远龙马溪地层水基钻井液高效封堵剂开发及体系
研究”(2015801)。
第一作者简介：姚如钢，博士后，现主要从事页岩气用水基钻井液技术及井壁稳定方面的研究工作。电话(010)
84379320；E．mail：yaorg名wdc@c印c．com．cn。
万方数据
2 钻井液与完井液2016年11月
及致密层4部分。周风山等Ⅱ1通过FcP．2000泥饼
针人度仪分析泥饼在纵向压力作用下发生破坏的过
程中力学特征的变化，建立了泥饼层状结构物理模
型，解释了虚泥饼以及泥饼的可压缩层、密实层和
致密层间的差别及其物理意义，建立了其数学模型。
其配套泥饼质量评价软件CSEFCP可定量求解涉
及泥饼厚度、强度和弹塑性等14项泥饼质量参数，
可快速、准确、方便地对泥饼质量进行定量评价。
近年来，核磁共振(NMR)技术及计算机断层扫
描(CT)技术睁卅也逐步被引入钻井液滤失造壁性
能研究]二作，这些技术的应用让人们更直观地认识
到泥饼的非均质性。钻井液滤失过程中各阶段取出
的泥饼的cT成像结果显示泥饼可分为上下两层结
构(见图1)【9】，其中表层泥饼的厚度大约是底层
泥饼厚度的2～4倍，而本文作者也在室内条件下
观察到了与图l类似的分层结构，如图2所示。圈网
LΣ■．；；．：：=：。．j 圈圈蟪
L苎L。二兰f
图l钻井液(11l∥cm3)不l‘j：J滤失阶段高瀣高压
(107 1：，2．07MPa)泥饼cT扫描图像
2钻井液泥饼质量评价方法
2．1钻井液滤失造壁性能特性参数
2．1．1滤液拖拽力
在钻井液滤失的过程巾，滤液是流动的，将对
颗粒产生沿流线方向的拖拽力，拖拽力可南式(1)
计算¨0j。可看出，该拖拽力与滤失速率矿成正比。e叫2舢21等纠南I n)
⋯
2”p， l(1一西1爿I
其中，Ⅸ为颗粒形状系数，反映了颗粒的非球状程
度；尺为颗粒的半径；q为瞬时滤失速率；彳为滤
失面积；中为悬浮液(钻井液)巾固体颗粒的体
积分数；风为固体颗粒密度；风流体密度；后为悬
浮液的稠度系数；丹为悬浮液的流性指数。
在滤失的早期阶段，由于拖拽力较大，大、小
粒径颗粒都将在泥饼表面沉积，而随后仅越来越小
的颗粒可在泥饼表面沉积。这意味着较小粒径颗粒
更易于在泥饼表面沉积，泥饼沉积速率随时间的延
长而变慢，且所沉积颗粒的粒径也将逐步降低。这
一现象将直接导致形成非均质性结构泥饼。在滤失
早期(泥饼底部)，大、小颗粒形成一个高渗层，
在滤失后期(泥饼上部)，形成泥饼的固体颗粒粒
径越来越小，结果使得泥饼渗透率相对较低【l“嵋】。
2．1．2泥饼渗流特性表征
Mutaifi等(2013)【141在描述泥饼过滤过程时
引入过滤介质阻力，提出下式来计算泥饼渗透率。
爿斟+R ㈩
其中，K是泥饼渗透率，lO。3岬2；v是单位截面积
的滤液体积，m3／m2；￡是泥饼厚度，m；R。是过
滤介质阻力，l／m；P是压差，MPa；f是时间，s。
Tille一15】则通过假设同液混合体系在过滤过程
中无沉降，提出一个简化了的渗透率计算方法。
为了降低颗粒沉降带来的渗透率计算误差，使用
Tiller所提方法时需在钻井液杯中增加搅拌装置。
显然，在需耐受高温和高压荷载的泥浆杯中增加一
套搅拌装嚣，将显著增加仪器的复杂程度、可操作
性及经济性。为此，w-Li等(2006)【l叫基于达谣
定律测定样品渗透率的原理，修正了渗透率测试方
法，其计算原理如下：
R翘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。分别为总渗流阻力、泥饼渗
流阻力、过滤介质渗流阻力；△只、△只及△尸m
分别为总压差、泥饼两端压差以及过滤介质两端压
差；g、吼及q。分别为总流速、通过泥饼的流速以
及通过过滤介质的流速；≮及^，m分别为泥饼和过
滤介质渗透率；￡。及工。分别为泥饼和过滤介质厚
度；岸为滤液黏度。
黑一
万方数据
第33卷第6期姚如铜等：钻井液滤失造壁性能评价方法研究现状3
过滤介质的渗透率可通过测量清水通过其过滤
介质的流速计算得到，泥饼和过滤介质厚度￡。及
L。可赢接测量，已知k、￡m、∥及g后可由式(7)
计算出△L，最后，泥饼渗透率便可由式(6)计
算得出。由于该方法考虑了过滤介质的阻力，因两，
其渗透率计算结果也将更为可靠，这已为Elkatatny
等(20】1)【11所证实。
2．1．3泥饼孔喉大小评价
滤失过程中，泥饼中可变形胶体颗粒将通过堵
塞泥饼巾各种不同尺寸的微孔隙，达到降低其渗透
率的目的，从而增大流体通过泥饼的流动阻力，而
钻井液滤失量则因此将有所降低。
Dewan和Cheneven(2001)”到基予约100个
不同钻井液样品的6个泥饼特性参数实验研究成果
(其中约2／3为实验窒配制钻井液样品，余下的为
来自钻井现场的钻井液样品)，通过数值模拟软件
采用逐次逼近法建立了一套泥饼孔渗特性参数预测
数值模型。
Dangou和Chandler(2009)㈣采用了与
Dewan和Chenevert(2001)【”3相似的方法测试r
泥饼的孔隙度，其研究结果表明泥饼孔隙度与泥饼
中颗粒粒度分布直接相关，并间接与泥饼厚度有关。
EIkatamy等∽1则通过cT扫描图像确定泥饼孔隙
度，并测定了泥饼孑L隙度随滤失时间的变化情况。
这在钻井液泥饼特性研究领域尚属首次，给出的孔
隙度计算式如下。
晚=恚瓮(8)
其中，CL。。为泥饼在湿润状态下的Cr数；Crh
为泥饼在于燥状态下的c丁数；c咒。为水的c7’数；
Ctj，为空气的C丁数。
cT扫描实验结果娃示，泥饼表面孔隙度接近
于o，而泥饼底部的孑L隙度分布在10％～20％之间。
现有研究成果展示了一系列关于渗透率的经验计算
公式n8’211，并指出泥饼渗透率与孔隙度相关，孔隙
度越大渗透率越高，滤失量越大。渗透率同样受孑L
隙连通性即流动通道通畅与否的影响。熊汉桥等
(20lO)∞1则将动态条件下同相颗粒侵入地层并运
移沉积的过程看做是一个过滤过程，研究了固相颗
粒沉降、拦截、惯性、扩散等过程中堵塞孑L隙喉道
降低地层渗透率的基本规律。因此，具有堵塞各种
尺寸、结构泥饼孔隙的胶体颗粒fj】‘显著降低泥饼渗
透率。显然，黏土颗粒及聚合物处理剂吸附自由水
的性能有助于降低泥饼渗透率胆3}，从而降低其滤
失量。丽随着泥饼中这类组分含虽的提高，泥饼吸
附水含量也将随之增大。尽管已有经验成果表明泥
饼渗透率与其孔隙度密切相关，然而，通过文献调
研并未发现2者严格的理论相关关系，泥饼孔渗关
系还有待进一步深入研究。
2．1．4泥饼厚度评价
除泥饼孔渗特性外，钻井液泥饼厚度也是一项
十分重要的常规钻井液性能指标，泥饼厚度随黏土
矿物含量增大砸i增大‘241，『『i=『Jiao和shama(1993)‘25】
则发现泥饼厚度对钻井液流变性也具有一定的敏感
性。传统方法主要采用千分尺直接测量泥饼厚度，
吴志均等(1997)【2印提出通过多次沿泥饼端切掉
一小段岩心然后测定剩余岩心渗透率，当剩余岩心
渗透率与岩心的原始渗透率基本相等时就可把切掉
的总岩心长度视为泥饼厚度。景天佑(1993)12’7】、
侯勤立和蒲晓林(2001)【2剐等设计了不同的新猁
测量装置，但未见有规模生产和应用，目前采用的
钻井液泥饼厚度测量方法都是接触式的测量方法，
测量时测量头会与泥饼接触，受人工操作影响大，
测量结果十分粗略。因此只有使用非接触法才能准
确测量泥饼厚度。张洪杰和郑力会等(2008)f2卅介
绍了其它行业成熟的几种非接触式测量技术，如磁
感应法、超声波法、电容法、射线法以及激光法等，
并对这些方法能否用来测量泥饼的厚度进行了叮行
性研究，提出了用光、电、机相结合实现非接触测
量泥饼厚度的可行性。
2．1．5泥饼压缩性评价
泥饼的可压缩性也是影响泥饼优劣的重要因
素，雷宗明(1992)f301在考虑了泥饼具有压缩性
这一条件下，推导建立r泥饼的压缩性方程。它反
映了泥饼在形成过程中的静态和动态失水情况，以
便失水的控制。崔茂荣(1996)口”指出，可通过
泥饼渗透率法、针人度法或2次失水法来进行评价。
压缩性好的薄泥饼可在钻井液和地层岩石之间形成
渗透率较低的隔离带，从而能保护储层、维持井眼
稳定并保证井下安全。杜德林(1996)【3列提出用
无量纲泥饼可压缩囚子来评价泥饼可压缩性的方
法，可压缩性因子是滤失艇和滤失压差的函数。实
验结果表明，超细碳酸钙是完全不可压缩的，而膨
润土具有相当高的可压缩性，将常用钻井液添加剂
万方数据
4 钻井液与完井液2016年11月
加至膨润土基浆中，都可改善泥饼的可雁缩性，但
影响不大。
2．2泥饼质量评价设备及方法
泥饼质量是降失水机理研究内容的一部分，泥
饼质最的好差主要是泥饼厚度、强度、韧性、弹性
等参数的综合表征。以往主要通过主观性的词汇如：
硬、软、坚韧、坚同、厚薄、虚、韧等来描述其质
量的好差，但是不能达到准确分析不同泥饼质量差
别的目的。因此，研究人员开发了一些用于测定泥
饼质蟥的仪器设备。如中国自20世纪90年代胡永
宏等(1993)口习在理论推导的基础上，通过分析
刮刀刮下不同位置处泥饼所需消耗的能量的变化情
况，自制了一种钻井液泥饼强度测试仪，通过实验
表明随刮层深度的增加，泥饼的强度明显增加。杜
德林等(1 996)介绍了利用动滤失装置测定泥饼抗
剪强度的实验原理，该装置主要由过滤介质、泥浆
挡板、转速控制系统和数据采集系统几个部分组成，
结果表明不同的泥饼抗剪强度差别很大，泥浆的滤
失量与泥饼的抗剪强度之间没有必然的联系。吴志
均等(1997)【25】按泥饼渗透率的测定方法，测定
不同压差下泥饼的渗透率，直到泥饼渗透率娃著增
加为止，这个使泥饼渗透率显著增加的压差即为泥
饼强度。cer舔i等(2001)1341通过记录特制装簧中
电机驱动刀片刮削泥饼的电流等数据以及一维同结
实验等来确定泥饼的剪切屈服应力、动态弹性模量
及黏性模艇等泥饼特性参数。Bemtsen等(2010)【”】
采用美国Terratek公司制造的划痕实验装置通过模
型换算得到切割单位体积泥饼或岩石所消耗的能量
即比切削能量或截割比能耗来确定泥饼或岩石的强
度。长江大学王松等(2011)1361则在建立泥饼物
理模型的基础上，利用泥饼强度测试仪测定单位厚
度的泥饼被水流冲破的时间来定量评价泥饼强度，
但该方法需要控制好水流的高度即水力冲击力的
大小。
在中国投入使用的泥饼质量评价仪器主要有原
西南石油学院的DL．II泥饼测定仪、原西安石油学
院的zN．I泥饼厚度韧性自动测量仪以及M．I钻井
液公司的FcP针人度仪等几种m。引。其测定原理
都是通过测定探针压入力一压入深度数据曲线，从
l町分析泥饼质量的特性参数。根据实际使用情况分
析，以M—I泥浆公司的zamom等人研发的FCP针
人度仪(AVKVO Services，Sta{=|Ford)【蚓性能最为
可靠，实验重现性好、规律性强、操作方便。通过
该仪器可以很方便地精确测量出反映泥饼的厚度、
弹塑性、强度等方面的质量信息参数十余项，提升
人们对泥饼质最的定景认识。而各种粒度分布测试
仪【帅】也被大量应用到泥饼质量分析的过程中。此
外，随着科技的进步，各型扫描电镜、能谱仪、x—ray、
核磁共振等也逐步被引入并应用在泥饼质量分析
中H“，颗粒形态及泥饼内部结构的定量描述对深
化过滤机理具有重要意义，随着图像处理技术和扫
描电镜的发展，使得泥饼内部结构的测试成为可能，
20世纪70年代发展起来的分形几何理论为描述泥
饼结构以及泥饼形成的动力学过程提供了一种新的
方法。
3钻井液泥饼组成成分及其微观结构
在过去的数十年里，研究人员提出了多种不同
的方法来表征泥饼结构性质。x射线衍射(Ⅺ①)
以及傅里叶红外光谱(FTIR)提供了矿物组成成
分物相鉴定手段，并可对其组成成分进行定量分析。
Ruessink等(1992)‘4列系统地评价了这2种分析
方法在定景分析方面的可靠性、适用性以及准确性。
结果显示这2种技术在分析矿物成分时具有栩当的
精度，在90％的混合物定量分析应用案列中误差
在5％以内。除此之外，xRD分析辅以x射线荧
光分析(Ⅺ讧)也可用来进一步提高我们对泥饼及
地层岩石的元素组成和晶体结构的认识。由于所用
样品为：F燥粉末，因此，不管是定量分析还是化学
组成分析都可覆盖整个样品并保证足够的精度，其
组成成分最低检测精度为1％【431。Nasr_EL．Dill等
(2007)㈣在研究泥饼清除技术时就使用了xRD
分析来确定泥饼的矿物组成，Mo司i1等(2008)H副
则联合xRD、ⅪⅫ以及sEM技术来表征锰氧化
物泥饼在被几种清洗液清洗前后的特性。Alotaibi
等(2008)Ⅲ1同样使用了xRD技术来表征甲酸盐
钻井液泥饼特性。
许多研究人员都曾试图获得关于泥饼微观结构
的更准确的理解，因此，早期的扫描电镜(sEM)
被用来检测泥饼样品表面的微观形貌及半定量确定
样品元素的组成。这些是通过获得特定区域内的
高分辨率图像来检测的，同时，样品表面微观结
万方数据
第33卷第6期姚如钢等：钻井液滤失造壁性能评价方法研究现状5
构的化学元素组成变化也可以通过能量散射光谱
仪(EDs)半定量检测出来一7491。刚‘获得更高分辨
率的场发射扫描电子显微镜(FE—SEM)用于观察
样品微观形貌则首先是由PORTE(1980)14州提出
的。在使用普通sEM及FE．sEM检测不导电样品
微观形貌及元素定蛩分析前需在其表丽镀一层导电
金属，这个金属薄层通常足厚度约为5啪的余或
者铂。研究结果表明，这些方法进一步提升r人们
对泥饼微观结构的认识并对钻井液配方没计的思
路产生了一定的影响H91。Pedcn等(1982)‘501使
用SEM及EDs分析定量检测了钻井液滤液及微粒
侵入井壁围岩的深度，研究结果表明该方法可有效
定量分析钻井液对地层的伤害程度。到目前为止，
sEM及FE—sEM已广泛用于研究分析不同配方的
油基或水基钻井液在动态滤失或静滤失条件下形成
的泥饼的微观结构。
样品制备过程中任何微小的变形都将可能引起
微观结构的失真和误判，因此，PORTE(1980)郴】
通过引人由Borst等(1971)f4”提出的冷冻二f二燥
技术来制备泥饼样品。由于其所用到的水基钻井
液泥饼含水率高达70％，因此，在使用sEM研
究泥饼微观结构前必须先将其中的水分排除。为
避免破坏泥饼微观结构，Hanmann等(1988)瞪¨
提}_}_；了～种休克冷冻和冷冻干燥联用技术。休克冷
冻法是通过将刚从泥浆杯中取出的泥饼块在几秒钟
内将其温度迅速降低到一140℃，从而达到防止凶
冰晶过度生长而破坏泥饼原有微观结构。而冷冻干
燥技术原本是Borst等(1971)∽1在研究膨润土浆
构造时用来原位保持黏土颗粒在钻!)_{i：液中的结构分
布的·门新技术，其原理是通过使前期冷冻好的
泥饼中的冰晶在低温(一73 c【：)和低压(近真空，
20～100 Pa)条件下直接升华从阿将泥饼中的水分
去除，这种方法绕过了冰晶的融化过程，避免了因
冰晶融化而导致的黏土颗粒重排。显然，应用这些
技术可检测泥饼不同位置处更加真实的微观结构以
及评估不同钻井液处理剂对滤失造壁性能的影响，
这极大提升了sEM及FE．sEM法观察到的泥饼微
观结构的可靠性。
为解决使用普通sEM和FE—sEM检测时在样
品制备过程中对样品原位结构的破坏，逐渐衍生出
环境扫描电镜(EsEM)【5l_55】，其主要特点是待测样
品无需脱水及喷渡导电层。应用ESEM技术可赢
观地观测到流体在岩石孔隙中的毛细吮吸现象瞪州，
如润湿相对非润湿相的驱替实验及其驱替流量优化
等瞪71。此外Cryo．sEM则可以通过冷冻台配件将
样品冷冻然后直接观测样品微观结构‘拍】，且同样
尤需对待测样品喷金处理。正如前面所捉到的那样，
扫描电镜所观测的是泥饼中很微小的区域，因此，
在泥饼微观结构观察、粒度分析和能谱分析等过程
中，应选取有代表性的区域开展多点平行实验，以
保证实验结果的可靠性。显然，这些研究成果在一
定程度上增长了人们对于泥饼微观结构的认识，提
升了钻井液滤失造壁性能的调控技术水平，有效降
低了井下井壁失稳等复杂事故的发生。
近年来专家学者已经开始注意到泥饼微观结构
对钻井液滤失性能的重要影响，但是，通过火量文
献调研表明，现有研究思路侧重于对样品表面形貌
的观测，在优化钻井液滤失造壁性能时仍然缺乏对
泥饼内部微观结构的基础性认识，仪有少量文献将
他们的研究重点放在了泥饼微观空间结构∥58{91。
例如，Jiao和sha眦a(1994)”of慕于膨润土浆的
动滤失实验研究和黏土颗粒流体动力学理沦研究提
出了泥饼生长的数学模型。Tien等(1997)忡oI指
出当钻井液中包含不同粒径同体颗粒时，较大颗
粒将率先形成泥饼骨架，而较小颗粒则在大颗粒
问(骨架)的孑L隙内的进行迁移和沉降。此外，核
磁共振(NMR)技术也开始被引人泥饼特性分析
中，近几年来，随着CT技术的成熟，其在分析钻
井液滤失造壁过程及泥饼特性巾的应用正开始受到
科研工作者的关注№“2J，如E1katatny(2012)等‘删1
引入cT(computed—tomogr印hy)技术来测定钻井
液泥饼层的厚度、孔隙度及其渗透率。姚如钢等
(2014)碡＆591则提出了一种基于钻井液稳定性测试
及钻井液泥饼组成成分空间分布特性分析方法，通
过综合利用钻井液稳定性分析、流变性与滤失过
程及其泥饼成分定量分析，并结合扫描电镜分析
(sEM)、能谱分析(EDs)、粒度分析(PsD)、红
外分子光谱(FTIR)及x射线衍射分析(Ⅺ①)
等手段，从宏观和微观上明确泥饼物理化学微观结
构空间分布特征的新力‘法、新忍路，初步实现了对
钻井液滤失造壁性能及机理的系统性分析评价，并
基于该研究成果指导，室内成功研制了一种新型耐
盐聚合物基无机纳米复合降滤失剂及其配套耐高温
高密度体系。然而，这只是一个开始，大多数研究
万方数据
6 钻井液与完劳液2016年11月
学者目前并没有把过多的注意力放在泥饼层物理化
学结构的空间分布研究分析J二来，尽管这一特性参
数是控制钻井液滤失造壁性能的内在因素。
4 钻井液滤失造壁性能影响机理研究
文献调研表明，针对影响钻井液滤失造壁性
能的机理性研究报道则较为有限，主要有Tiller
(1990)、蒲晓林(2001)和巨韶华(2010)等【63‘65]
在其文章中描述了机械力和化学力等对钻井液滤失
过程及泥饼性能的影响机制，并介绍了泥饼(视为
多孔介质)渗流基本方程及滤失造壁调控方法。钻
井液剪切速率也被发现对其泥饼渗透率有重要影
响。Dangou和Chandler(2009)【坦1指出钻井液泥
饼渗透率将受到井下钻井液剪切速率的最著影响，
因为剪切速率对泥饼粒度分布具有重要影响。他们
认为，低剪切速率下形成的泥饼的颗粒粒径较大，
从而导致其渗透率偏大。相反，高剪切速率条件下
形成泥饼的颗粒粒径则相对较小，而渗透率相对应
的则较低。这是因为受剪切应力的影响，组成泥饼
的颗粒平均粒径小于原钻井液的颗粒粒径。这与早
前Jiao和Sha丌na(1994)『1叫的结论相互佐证。
除此之外，电解质污染将导致黏土和聚合物的
絮凝和聚合，从而使得钻井液泥饼变得疏松，这种
结构在一定程度上增大了泥饼的渗透率”o棚】。加
重材料同样也对钻井液流变性有重要影响。张洪霞
(2013)咿”利用近红外透射／反射光扫描法分析不
同重晶石颗粒在盐水中的沉降稳定性，以沉降速率
及稳定性参数为指标评价重晶石与钻井液体系的配
伍性，并指出，重晶石颗粒的分散与聚结特性直接
影响深井高温高密度钻井液流变性及滤失造壁性。
这是由于在静态滤失过程中，水化能力差、粒径大
的加重剂颗粒沉积在泥饼底部，加重剂的沉降直接
导致泥饼的厚度和泥饼中固相体积分数增大，根据
钻井液静滤失方程砸引： _=阳嘉㈩
其中，K是泥饼渗透率(Darcy)；△p是泥饼
两端压差，atm；氐。，泥饼固体颗粒体积分数；咖。、
是钻井液中固体颗粒体积分数；彳是泥饼截碰积，
cm2；∥是滤液黏度，cp；f是滤失时间，s。
把钻井液的咖。。视作常数时，巧随着8。。的增
大而升高，反之亦然。可见，提高颗粒结合水的能
力有助于降低泥饼渗透率。娃然，可通过在钻井液
中添加高温高压条件下具有良好吸水能力的包被剂
来改善加重剂表面水化性能即泥饼的水化能力，从
而改善泥饼控失水性能。此外，钻井液泥饼均质性
也将对钻井液滤失特性产生重要影响∽】。尽管研
究学者已取得了一熙研究成果，但是关于钻井液滤
失造壁性能的调整控制及其降低滤失量机理仍有待
深入研究和探索。
5 结束语
1．目前各种评价仪器设备及方法侧重于因果分
析，关于钻井液滤失造壁内在机理的研究方法还不
够完善，对钻井液泥饼组成成分分布特征及其影响
因素的认识还不够充分，使得在研究分析影响钻井
液滤失造壁陛能的内在机理方面显得捉襟见肘，因
而，对研究提升钻井液降滤失性能的指导作用较为
有限。
2．由于不清楚各种因素对钻井液滤失造壁性能
的影响机理和规律，导致在配制或在现场维护钻井
液的性能时，主要依靠添加各种处理剂以达到所需
要的性能，从而增加钻井液成本，不利于安全、优
质和高效钻井。
3．未来应继续深人开展对钻井液泥饼微观结构
空间分布特征方面的研究分析，进一步弄清钻井液
降滤失作用机理及降低钻井液滤失量的途径，发展
并完善钻井液滤失造壁性调控机理基础理论，为新
型高效处理剂的研制以及钻井液技术水平的提升提
供指导和技术支撑。
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