动失水验收报告.docx
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动失水验收报告
高温高压动失水仪验收报告
一.项目意义
在钻井过程中，钻井液向地层滤失会使地层膨胀、坍塌，造成卡钻或埋钻，影响钻进施工，使钻井的成本增加。
同时钻井液滤失进入储层中，也会对储层造成一定的伤害。
因此对钻井液的滤失性进行研究具有重要的意义。
而国内外测定泥浆滤失性能的方法是静失水法，即以滤纸作过滤介质，在静止条件下，加压使其产生滤失，它是以达西定律的原理为依据的。
实际上，泥浆在静滤失过程中，由于其结构形成，颗粒不均匀沉淀，油层砂岩粒间空隙与滤纸性能的差异，钻井液流动对滤饼的冲刷等原因，并不能真正代表泥浆的失水性能。
因此开发一种可以模拟地层高温高压环境，渗滤面上的流动切变应力可和钻井时泥浆流动产生的切变应力相一致的动态失水仪很有必要。
二.设计思路
动失水仪的总的思路是：
能模拟钻井实际条件，即流动钻井液对井壁（泥饼）的冲刷作用、地层温度、压力，在设计中，我们吸取了国外模拟装置的教训，要求使其小型化，便于操作，实验的效率高，并能很好地模拟钻井实际条件。
模拟动态条件的核心问题就是要解决一个如何实现模拟液流剪切作用。
根据水力学的原理，我们将这一冲刷作用转换成为流动泥浆对井壁的剪切作用，即剪切速梯的作用，从根本上改变了过去传统的模拟泥浆流动速度的概念。
流动泥浆对井壁的冲刷作用可以根据以下基本公式计算：
宾汉模型：
（1）
幂率模型：
（2）
（宾汉）（3）
（幂率）（4）
式中：
dv/dx—剪切速梯
V—环空平均流速
Dp—钻具外径
D—井眼直径
τD—泥浆动切力
—塑性粘度
n—流型指数
K—泥浆稠度系数
τ—剪切应力
因此，根据上述的原理，在仪器的原理与结构上，只要能实现模拟剪切速梯，就能满足动态条件的要求了，再加上模拟地层温度和压力，这样就可以完全模拟钻井条件了。
三.主要结构与特征
1.结构与原理
根据上述的思路，我们将仪器核心部分（即滤失部分）设计成图1的结构。
它分为内、外筒，当仪器工作时，旋转内筒，带动泥浆运动，则具粘滞力的泥浆对外筒内壁上的岩芯产生了剪切速梯，内筒底部可做滤纸试验，有了剪切速梯，再加上适当的温度和压差，这样就可以在岩心和滤纸上模拟某一井眼条件下的失水过程了。
图1.滤失部分结构图
仪器采用模块化设计，主要由以下部分构成：
岩心夹持器、剪切速梯模拟装置、动力源、温度控制系统、上覆压力系统、回压系统、数据采集系统。
仪器的流程图如图2所示：
图2.仪器流程图
仪器的主要特征有：
可以同时进行滤纸和岩心上的动、静失水测定，研究动失水的规律。
并在相同的条件下对岩心进行动、静污染，可以模拟钻井过程进行动、静失水的交替试验。
该仪器与国外的管外循环装置相比，具有结构紧凑、调节灵活、便于操作和控制、试验液用量少、消耗功率低、效率高等优点。
2.主要参数的确定与技术指标
（1）速梯的选择与转子尺寸的计算
根据钻井时井底清洁与钻井泥浆携带钻屑能力的要求，一般认为钻杆环空返速应为0.5-0.6D/s。
经计算可得表1所示的数据：
表1
钻柱组合
钻头+8钻挺+
钻杆
钻头+7钻挺+
钻杆
环空
速梯
（S-1）
钻杆
74～89
74～89
钻挺
358～430
154～184
我们将最大速梯确定为600s-1，即可满足钻井的实际要求。
根据水力学理论原理，经数学推导，可得出岩芯和滤纸上的速梯分别为：
（S-1）（5）
（S-1）（6）
式中：
Ω—转子（内筒）的角速度，τdd/s；
r—转子的外半径，；
R—外筒的内半径，；
—转子的圆锥角。
为了便于控制速梯，我们特设计：
D岩=N（S-1）（7）
D纸=
（S-1）（8）
式中：
N—转子的转速，r/min。
由公式（4）、（6）可以直接求出转子的圆锥角，联立方程（3）与（5）可以看出，只要先确定τ与R两个参数中的任意一个就可以确定别一个。
（2）温度与压差的确定：
根据现代钻井技术与保护油层的需要，以及考虑到我国目前的钻井深度将仪器的最高工作温度设计为150℃，最高工作压力设计20Mpa以模拟液术压力与地层压力之差。
（3）仪器的主要技术指标为：
实验工作压力:
0～20Mpa；环压:
25Mpa；
工作温度:
室温～150℃；剪切速梯:
0～600s-1；
岩心规格：
Φ25×（25～90）mm；钻井液用量：
3L
滤纸规格：
Φ25mm
3.技术关健：
设计该仪器的关健技术有如下几点：
（1）首先采用了水力学的原理，将模拟装置所模拟的环空钻井液的上返速度转换成流动泥浆对井壁的剪切速梯来加以模拟，使得测定钻井液的动失水性能的装置成为实用的仪器。
（2）将仪器的液流剪切部分设计成内、外筒式的内循环结构，让内筒旋转来使钻井液对外筒壁上的岩心和滤纸产生剪切速梯，人为简化了结构和外围设备。
（3）设计中采用了新材料——高强永久磁力偶合传动装置，将仪器设计成一个封闭的传动结构，把难以解决的高温高压旋转动密封转化成了易解决的静密封问题。
使得密封可靠，结构简单，功耗下降，经计算传动动力只需要185W的电动机就可以满足要求。
（4）仪器可以安装岩心和滤纸，同时进行动失水的测定。
并对岩心进行动、静滤失的污染，研究动态下钻进液对油层的损害，以评选优质钻井、完井液，达到保护油层的目的。
（5）通过计算内筒与外筒的尺寸，使得岩芯上剪切速梯在数字上等于内筒的转速，滤纸上的速梯为其1/2，这样有利于控制与调节，且显示与直观。
（6）仪器设计成两个腔室，即液流剪切部分为下腔，磁力合传动部分为上腔，上下腔为平衡式，上腔充满润滑油起保护作用。
四.仪器的使用效果
仪器研制成功后，先后向十六个油田单位推广二十台，大部分仪器都投入实际的应用，经过几年来的室内为现场的应用，已经取得了良好的效果，对仪器给予了很高的评价。
为了检验仪器的数据的准确性，进行了滤纸上的静失水与APl静失水仪以及高温高压静失不仪的对比实验，其结果见表2。
表2
泥浆
仪器
三磺泥浆
低固相泥浆
动失水仪
6.4
12
高温高压静失水仪
6.3
PAI静失水仪
12
注：
试验压差为7×105Pa，常温，过滤面积为45.6±0.6cm3。
从表中可以看出动失水仪的滤纸上的静失水数据与API失水仪、高温高压静失水仪所测得的数据相当吻合，说明仪器的数据是可靠的。
同时，我们室内和现场都对仪器试验数据的重现性进行了评价和测定，数据见表3、表4，其中表4的数据由华北石油管理局钻井工艺研究所提供。
从表3、表4中可以看出，无论是岩心还是滤纸上的动失水量与动失水速率的偏差都很小，基本上都在5%左右，而且岩心动失水污染后的渗透率恢复率的平行性也很好。
不管是低温、高温，高压还是低压，都是同样的规律。
说明了仪器的性能是稳定的，数据是可靠的。
现场对仪器的评价是参数控制平稳，操作灵活，数据重复性好。
湖北省计量局对仪器的检定结果是：
温度、压力、速梯达到了设计要求。
表3
泥浆
试验条件
试验号
岩芯
滤纸
Q125**
fd***
Q125
fd
SK系列
泥浆
API失水
为8.0ml
0.7Mpa
130℃
400s-1
18
17.8
1.34
49.8
0.8
19
15.2
1.07
53.0
0.76
23
17.8
1.38
54.5
0.74
7Mpa
130℃
400s-1
10
27.4
2.15
56.3
0.84
11
29.9
2.61
51.8
0.83
12
31.3
3.03
55.4
0.88
*人造岩芯
**125分钟的动失水量，Ml；
***动失水速率，Ml/cm2·h；
表4
泥浆
API失水
前岩芯
后岩芯
Q145
FR
滤纸
编号
Ko
Kd
Ko/Kd
%
编号
Ko
Kd
Ko/Kd
%
ml
ml/cmhr
%
FR
Q145
莫
501
井浆
6.4
1380
33.17
11.32
34.13
1380
34.19
30.19
88.0
6.8
0.39
0.22
18.0
1403
36.4
10.31
28.33
1283
34.44
31.78
92.27
5.6
0.38
0.22
18.0
宁501#浆
6.25
1331
28.57
10.4
36.5
1345
28.36
9.5
33.5
14.4
0.99
0.60
41.9
1321
28.79
11.97
41.58
1422
28.78
12.45
43.25
16.2
0.97
0.68
46.4
宁502#浆
6.2
1304
26.18
9.33
35.64
1329
26.0
7.77
29.87
28.6
1.67
0.90
52.8
1812
28.22
5.69
16.03
1322
28.22
8.16
22.73
31.7
2.55
1.05
64.3
莫323#浆
9
1359
34.33
21.6
62.9
1375
33.24
24.14
72.6
75.3
5.17
4.35
273.6
1886
35.72
21.65
60.7
1371
35.8
23.3
65.09
70.5
5.62
2.64
161
毛4方
岔41#
24.73
17.25
69.8
38.0
2.87
1.17
岔42#
53.1
39.1
73.6
39.5
2.87
五.现场应用与评价
仪器研究成功后，在室内进行了大量试验，并取得了一些新认识。
在对其性能进行评价的基础上，参加了国家多项攻关课题的试验研究，在几个试验油田的泥浆评价上，见到了明显的效果。
1.仪器于在华北石油管理局钻井工艺研究所投入现场的室内试验，进行了大量的动、静失水的研究。
完成了油层损害的机理及室内评价方法与标准研究的两个子课题。
他们在动失水与油层损害的机理研究中，得出也动失水的规律及其与其它方法的差别，以及泥浆动失水对岩心的污染规律和滤液侵入油层的深度情况，与我们的结果相一致。
特别是他们对所使用的钻井泥浆的评价做了很多工作，他们曾对华北油田5种体系32种泥浆动失水仪进行了评选试验。
得出低土可酸化水基完井液能将渗透率恢复值提高到67—73%，达到标准要求。
对由一般泥浆改造成的完井泥浆进行了筛选评价提高了质量。
如岔30—110井改造后泥浆可提高油井产能16.6%，此种泥浆既可安全钻井，又可保护油层，节约成本，现已在各勘探公司普遍采用，并已见么了增产效果。
他们在承包塔里木钻井任务时，还将该地区的泥浆送回华北油田，在仪器上进行评价。
2.辽河油田使用该仪器对完井泥浆进行了评选，所推荐出的JHY油溶性完井泥浆，室内结果为：
较原CAC体系完井泥浆提高产能10%左右；经现场应用该完井泥浆的实际效果与室内结果一致，并每口井可节约综合成本约1.1万元。
3.另外，在玉门、新疆和江汉等油田也利用该仪器针对各自油田的特点，做了类似的试验研究工作。
对动失水规律和动态下泥奖学金污染岩芯的试验，以及对各种处理剂的评价等，所评选出的完井泥浆在现场应用均取得增产效果。
总之，动失水仪已成为上述各油田评价钻井、完井泥浆的主要仪器，对保护油层起到了重要的作用，已成为油田一种客观的评价标准。
同时，他们对仪器给予了很高的评价。
他们认为仪器的原理正确，结构合理、简单，使用方便，性能稳定，是开展油层损害的研究工作中必不可少的仪器。
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