姚如鋼， 張振華， 彭春耀， 馮燕云， 丁光波

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司鉆井液公司，北京100101；2.中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司博士后工作站，北京100101 3. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）博士后流動(dòng)站，北京102249）

鉆井液濾失造壁性能評(píng)價(jià)方法研究現(xiàn)狀

姚如鋼1，2，3， 張振華1， 彭春耀1， 馮燕云1， 丁光波1

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司鉆井液公司，北京100101；2.中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司博士后工作站，北京100101 3. 中國(guó)石油大學(xué)（北京）博士后流動(dòng)站，北京102249）

姚如鋼等.鉆井液濾失造壁性能評(píng)價(jià)方法研究現(xiàn)狀[J].鉆井液與完井液，2016，33（6）：1-9.

介紹了現(xiàn)有鉆井液泥餅滲流特性、孔喉大小、厚度及壓縮性等質(zhì)量參數(shù)的評(píng)價(jià)、儀器及其評(píng)價(jià)方法，并分析了掃描電鏡、能譜儀等儀器設(shè)備在泥餅微觀結(jié)構(gòu)及組分分布特征表征方面的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀。現(xiàn)有研究思路側(cè)重于對(duì)樣品表面形貌的觀測(cè)，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)，未來(lái)應(yīng)繼續(xù)深入開(kāi)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。

鉆井液；濾失造壁性能；泥餅質(zhì)量；泥餅結(jié)構(gòu)；評(píng)價(jià)方法

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(guò)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(wèn)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(kāi)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[1-4]。

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(guò)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)層以及致密層4部分。周風(fēng)山等[5]通過(guò)FCP-2000泥餅針入度儀分析泥餅在縱向壓力作用下發(fā)生破壞的過(guò)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(lái)，核磁共振（NMR）技術(shù)及計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)[6-9]也逐步被引入鉆井液濾失造壁性能研究工作，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(guò)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(jiàn)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1類(lèi)似的分層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 鉆井液（1.11 g/cm3）不同濾失階段高溫高壓（107 ℃，2.07 MPa）泥餅CT掃描圖像

圖2 泥餅分層結(jié)構(gòu)照片

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(guò)程中，濾液是流動(dòng)的，將對(duì)顆粒產(chǎn)生沿流線方向的拖拽力，拖拽力可由式（1）計(jì)算[10]?？煽闯?，該拖拽力與濾失速率qn成正比。

其中，α為顆粒形狀系數(shù)，反映了顆粒的非球狀程度；R為顆粒的半徑；q為瞬時(shí)濾失速率；A為濾失面積；Φ為懸浮液（鉆井液）中固體顆粒的體積分?jǐn)?shù)；ρs為固體顆粒密度；ρf流體密度；k為懸浮液的稠度系數(shù)；n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(lái)越小的顆粒可在泥餅表面沉積。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(zhǎng)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(lái)越小，結(jié)果使得泥餅滲透率相對(duì)較低[11-13]。

2.1.2泥餅滲流特性表征

Mutairi等（2013）[14]在描述泥餅過(guò)濾過(guò)程時(shí)引入過(guò)濾介質(zhì)阻力，提出下式來(lái)計(jì)算泥餅滲透率。

其中，K是泥餅滲透率，10-3μm2；v是單位截面積的濾液體積，m3/m2；L是泥餅厚度，m；Rm是過(guò)濾介質(zhì)阻力，1/m；P是壓差，MPa；t是時(shí)間，s。

Tiller[15]則通過(guò)假設(shè)固液混合體系在過(guò)濾過(guò)程中無(wú)沉降，提出一個(gè)簡(jiǎn)化了的滲透率計(jì)算方法。為了降低顆粒沉降帶來(lái)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置，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）[16]基于達(dá)西定律測(cè)定樣品滲透率的原理，修正了滲透率測(cè)試方法，其計(jì)算原理如下：

其中，Rt、Rc以及Rm分別為總滲流阻力、泥餅滲流阻力、過(guò)濾介質(zhì)滲流阻力；△Pt、△Pc及△Pm分別為總壓差、泥餅兩端壓差以及過(guò)濾介質(zhì)兩端壓差；q、qc及qm分別為總流速、通過(guò)泥餅的流速以及通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的流速；Kc及Km分別為泥餅和過(guò)濾介質(zhì)滲透率；Lc及Lm分別為泥餅和過(guò)濾介質(zhì)厚度；μ為濾液黏度。

過(guò)濾介質(zhì)的滲透率可通過(guò)測(cè)量清水通過(guò)其過(guò)濾介質(zhì)的流速計(jì)算得到，泥餅和過(guò)濾介質(zhì)厚度Lc及Lm可直接測(cè)量，已知Km、Lm、μ及q后可由式（7）計(jì)算出△Pm，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(guò)濾介質(zhì)的阻力，因而，其滲透率計(jì)算結(jié)果也將更為可靠，這已為Elkatatny等（2011）[17]所證實(shí)。

2.1.3泥餅孔喉大小評(píng)價(jià)

濾失過(guò)程中，泥餅中可變形膠體顆粒將通過(guò)堵塞泥餅中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(guò)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Chenevert（2001）[13]基于約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)室配制鉆井液樣品，余下的為來(lái)自鉆井現(xiàn)場(chǎng)的鉆井液樣品），通過(guò)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(cè)數(shù)值模型。

Dangou和Chandler（2009）[12]采用了與Dewan和Chenevert（2001）[13]相似的方法測(cè)試了泥餅的孔隙度，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)。Elkatatny等[6-9]則通過(guò)CT掃描圖像確定泥餅孔隙度，并測(cè)定了泥餅孔隙度隨濾失時(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。

其中，CTwet為泥餅在濕潤(rùn)狀態(tài)下的CT數(shù)；CTdry為泥餅在干燥狀態(tài)下的CT數(shù)；CTwater為水的CT數(shù)；CTair為空氣的CT數(shù)。

CT掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，泥餅表面孔隙度接近于0，而泥餅底部的孔隙度分布在10%～20%之間?，F(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[18-21]，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。滲透率同樣受孔隙連通性即流動(dòng)通道通暢與否的影響。熊漢橋等（2010）[22]則將動(dòng)態(tài)條件下固相顆粒侵入地層并運(yùn)移沉積的過(guò)程看做是一個(gè)過(guò)濾過(guò)程，研究了固相顆粒沉降、攔截、慣性、擴(kuò)散等過(guò)程中堵塞孔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可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[23]，從而降低其濾失量。而隨著泥餅中這類(lèi)組分含量的提高，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(guò)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而增大[24]，而Jiao和Sharma（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(cè)量泥餅厚度，吳志均等（1997）[26]提出通過(guò)多次沿泥餅端切掉一小段巖心然后測(cè)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(zhǎng)度視為泥餅厚度。景天佑（1993）[27]、侯勤立和蒲曉林（2001）[28]等設(shè)計(jì)了不同的新型測(cè)量裝置，但未見(jiàn)有規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用，目前采用的鉆井液泥餅厚度測(cè)量方法都是接觸式的測(cè)量方法，測(cè)量時(shí)測(cè)量頭會(huì)與泥餅接觸，受人工操作影響大，測(cè)量結(jié)果十分粗略。因此只有使用非接觸法才能準(zhǔn)確測(cè)量泥餅厚度。張洪杰和鄭力會(huì)等（2008）[29]介紹了其它行業(yè)成熟的幾種非接觸式測(cè)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(lái)測(cè)量泥餅的厚度進(jìn)行了可行性研究，提出了用光、電、機(jī)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)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）[30]在考慮了泥餅具有壓縮性這一條件下，推導(dǎo)建立了泥餅的壓縮性方程。它反映了泥餅在形成過(guò)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）[31]指出，可通過(guò)泥餅滲透率法、針入度法或2次失水法來(lái)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）[32]提出用無(wú)量綱泥餅可壓縮因子來(lái)評(píng)價(jià)泥餅可壓縮性的方法，可壓縮性因子是濾失量和濾失壓差的函數(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(rùn)土具有相當(dāng)高的可壓縮性，將常用鉆井液添加劑加至膨潤(rùn)土基漿中，都可改善泥餅的可壓縮性，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?jī)?nèi)容的一部分，泥餅質(zhì)量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(guò)主觀性的詞匯如：硬、軟、堅(jiān)韌、堅(jiān)固、厚薄、虛、韌等來(lái)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(kāi)發(fā)了一些用于測(cè)定泥餅質(zhì)量的儀器設(shè)備。如中國(guó)自20世紀(jì)90年代胡永宏等（1993）[33]在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，通過(guò)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(cè)試儀，通過(guò)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（1996）介紹了利用動(dòng)濾失裝置測(cè)定泥餅抗剪強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)原理，該裝置主要由過(guò)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(méi)有必然的聯(lián)系。吳志均等（1997）[25]按泥餅滲透率的測(cè)定方法，測(cè)定不同壓差下泥餅的滲透率，直到泥餅滲透率顯著增加為止，這個(gè)使泥餅滲透率顯著增加的壓差即為泥餅強(qiáng)度。Cerasi等（2001）[34]通過(guò)記錄特制裝置中電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀片刮削泥餅的電流等數(shù)據(jù)以及一維固結(jié)實(shí)驗(yàn)等來(lái)確定泥餅的剪切屈服應(yīng)力、動(dòng)態(tài)彈性模量及黏性模量等泥餅特性參數(shù)。Berntsen等（2010）[35]采用美國(guó)Terratek公司制造的劃痕實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)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(lái)確定泥餅或巖石的強(qiáng)度。長(zhǎng)江大學(xué)王松等（2011）[36]則在建立泥餅物理模型的基礎(chǔ)上，利用泥餅強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)定單位厚度的泥餅被水流沖破的時(shí)間來(lái)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(guó)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(cè)定儀、原西安石油學(xué)院的ZN-I泥餅厚度韌性自動(dòng)測(cè)量?jī)x以及M-I鉆井液公司的FCP針入度儀等幾種[37-38]。其測(cè)定原理都是通過(guò)測(cè)定探針壓入力-壓入深度數(shù)據(jù)曲線，從而分析泥餅質(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Zamora等人研發(fā)的FCP針入度儀（AVKVO Services，Stafford）[39]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(guò)該儀器可以很方便地精確測(cè)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)量的定量認(rèn)識(shí)。而各種粒度分布測(cè)試儀[40]也被大量應(yīng)用到泥餅質(zhì)量分析的過(guò)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[41]，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(guò)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(cè)試成為可能，20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)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(guò)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(guò)去的數(shù)十年里，研究人員提出了多種不同的方法來(lái)表征泥餅結(jié)構(gòu)性質(zhì)。X射線衍射（XRD）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）[42]系統(tǒng)地評(píng)價(jià)了這2種分析方法在定量分析方面的可靠性、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)具有相當(dāng)?shù)木?，?0%的混合物定量分析應(yīng)用案列中誤差在5%以?xún)?nèi)。除此之外，XRD分析輔以X射線熒光分析（XRF）也可用來(lái)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)。由于所用樣品為干燥粉末，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(cè)精度為1%[43]。Nasr-EL-Din等（2007）[44]在研究泥餅清除技術(shù)時(shí)就使用了XRD分析來(lái)確定泥餅的礦物組成，Moajil等（2008）[45]則聯(lián)合XRD、XRF以及SEM技術(shù)來(lái)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）[46]同樣使用了XRD技術(shù)來(lái)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(lái)檢測(cè)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(guò)獲得特定區(qū)域內(nèi)的高分辨率圖像來(lái)檢測(cè)的，同時(shí)，樣品表面微觀結(jié)構(gòu)的化學(xué)元素組成變化也可以通過(guò)能量散射光譜儀（EDs）半定量檢測(cè)出來(lái)[47-49]?？色@得更高分辨率的場(chǎng)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）[48]提出的。在使用普通SEM 及FE-SEM檢測(cè)不導(dǎo)電樣品微觀形貌及元素定量分析前需在其表面鍍一層導(dǎo)電金屬，這個(gè)金屬薄層通常是厚度約為5 nm的金或者鉑。研究結(jié)果表明，這些方法進(jìn)一步提升了人們對(duì)泥餅微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)并對(duì)鉆井液配方設(shè)計(jì)的思路產(chǎn)生了一定的影響[49]。Peden等（1982）[50]使用SEM及EDs分析定量檢測(cè)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(guò)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）[48]通過(guò)引入由Borst等（1971）[47]提出的冷凍干燥技術(shù)來(lái)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)，Hartmann等（1988）[51]提出了一種休克冷凍和冷凍干燥聯(lián)用技術(shù)。休克冷凍法是通過(guò)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-140 ℃，從而達(dá)到防止因冰晶過(guò)度生長(zhǎng)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）[47]在研究膨潤(rùn)土漿構(gòu)造時(shí)用來(lái)原位保持黏土顆粒在鉆井液中的結(jié)構(gòu)分布的一門(mén)新技術(shù)，其原理是通過(guò)使前期冷凍好的泥餅中的冰晶在低溫（-73 ℃）和低壓（近真空，20～100 Pa）條件下直接升華從而將泥餅中的水分去除，這種方法繞過(guò)了冰晶的融化過(guò)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(cè)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(cè)時(shí)在樣品制備過(guò)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）[51-55]，其主要特點(diǎn)是待測(cè)樣品無(wú)需脫水及噴渡導(dǎo)電層。應(yīng)用ESEM技術(shù)可直觀地觀測(cè)到流體在巖石孔隙中的毛細(xì)吮吸現(xiàn)象[56]，如潤(rùn)濕相對(duì)非潤(rùn)濕相的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)及其驅(qū)替流量?jī)?yōu)化等[57]。此外Cryo-SEM則可以通過(guò)冷凍臺(tái)配件將樣品冷凍然后直接觀測(cè)樣品微觀結(jié)構(gòu)[56]，且同樣無(wú)需對(duì)待測(cè)樣品噴金處理。正如前面所提到的那樣，掃描電鏡所觀測(cè)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(guò)程中，應(yīng)選取有代表性的區(qū)域開(kāi)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(zhǎng)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(lái)專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)開(kāi)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(guò)大量文獻(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(cè)，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)，僅有少量文獻(xiàn)將他們的研究重點(diǎn)放在了泥餅微觀空間結(jié)構(gòu)上[58-59]。例如，Jiao和Sharma（1994）[10]基于膨潤(rùn)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)理論研究提出了泥餅生長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型。Tien等（1997）[60]指出當(dāng)鉆井液中包含不同粒徑固體顆粒時(shí)，較大顆粒將率先形成泥餅骨架，而較小顆粒則在大顆粒間（骨架）的孔隙內(nèi)的進(jìn)行遷移和沉降。此外，核磁共振（NMR）技術(shù)也開(kāi)始被引入泥餅特性分析中，近幾年來(lái)，隨著CT技術(shù)的成熟，其在分析鉆井液濾失造壁過(guò)程及泥餅特性中的應(yīng)用正開(kāi)始受到科研工作者的關(guān)注[61-62]，如Elkatatny（2012）等[6-9]引入CT（computed-tomography） 技術(shù)來(lái)測(cè)定鉆井液泥餅層的厚度、孔隙度及其滲透率。姚如鋼等（2014）[58-59]則提出了一種基于鉆井液穩(wěn)定性測(cè)試及鉆井液泥餅組成成分空間分布特性分析方法，通過(guò)綜合利用鉆井液穩(wěn)定性分析、流變性與濾失過(guò)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（XRD）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)空間分布特征的新方法、新思路，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(wú)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(kāi)始，大多數(shù)研究學(xué)者目前并沒(méi)有把過(guò)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上來(lái)，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）和匡韶華（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(guò)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）[12]指出鉆井液泥餅滲透率將受到井下鉆井液剪切速率的顯著影響，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Sharma（1994）[10]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[10，66]。加重材料同樣也對(duì)鉆井液流變性有重要影響。張洪霞（2013）[67]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(guò)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[68]：

其中，Kc是泥餅滲透率（Darcy）；△p是泥餅兩端壓差，atm；εsav泥餅固體顆粒體積分?jǐn)?shù)；φsm是鉆井液中固體顆粒體積分?jǐn)?shù)；A是泥餅截面積，cm2；μ是濾液黏度，cp；t是濾失時(shí)間，s。

把鉆井液的φsm視作常數(shù)時(shí)，Vf隨著εsav的增大而升高，反之亦然?？梢?jiàn)，提高顆粒結(jié)合水的能力有助于降低泥餅滲透率。顯然，可通過(guò)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(lái)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[69]。盡管研究學(xué)者已取得了一些研究成果，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(yǔ)

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性能的內(nèi)在機(jī)理方面顯得捉襟見(jiàn)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(chǎng)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(lái)應(yīng)繼續(xù)深入開(kāi)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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Status Quo of Methods for Evaluating Filtration Performance and Mud Cake Quality of Drilling Fluid

YAO Rugang1,2,3, ZHANG Zhenhua1, PENG Chunyao1, FENG Yanyun1, DING Guangbo1
(1.Drilling Fluids Branch of CNPC Greatwall Drilling Company,Beijing100101;2.Postdoctoral Work Station of CNPC Greatwall Drilling Company,Beijing100101; 3.Postdoctoral Mobile Station of China University of Petroleum(Beijing),Beijing102249)

This paper discusses the instruments and procedures available presently for evaluating filtration property, sizes of pore throats, thickness and compressibility of mud cake. Analyzed in this paper are the status quo of using SEM and energy spectrum in studying the microstructure of mud cake and the distribution of mud cake constituents. Studies presently conducted were focused on the observation of surface topography, while knowledge about the interior microstructure of mud cake is still in demand when optimizing the quality of mud cake. The spatial distribution of the microstructure of mud cake needs to be extensively studied in the future to further understand the mechanism of filtration control and the way of reducing filtration rate. These studies are of help to the development and perfection of the basic theory of controlling drilling fluid filtration and ability of building mud cake, and will provide guide and technical support to the development of new high performancemud additives and to the improvement of drilling fluid technology.

Drilling fluid; Ability of building mud cake; Mud cake quality; Structure of mud cake; Evaluation method

TE254.1

A

1001-5620（2016）06-0001-09

2016-9-14；HGF=1701N7；編輯 王小娜）

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.06.001

中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司博士后基金項(xiàng)目“威遠(yuǎn)龍馬溪地層水基鉆井液高效封堵劑開(kāi)發(fā)及體系研究”（2015B01）。

姚如鋼，博士后，現(xiàn)主要從事頁(yè)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.gwdc@cnpc.com.cn。