一种新的钻井液静失水量方程_许晓琳.pdf

第41卷第5期 2013年10月 煤田地质与勘探 COALGEOLOOY static loss; new equation; test 钻井液的API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API失水量时，发现 测试30min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［1-3］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 2K（主－lAft fr A\/ m 1 μ 收稿日期2012-07-20 式中Ve为钻井液的静失水量，m3;A为渗滤面积，m2; K为泥皮的渗透率，m2;Cc为泥皮中固体颗粒的体积分 数，；Cm为钻井液中固体颗粒的体积分数，；Af 为渗滤压力，Pa;t为渗滤时间，s;为滤液粘度，Pas。 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，30min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API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 分别为川、陀，认为自由水的渗滤不产生泥皮，即 作者简介许晓琳（1988一），女，山东博兴人，硕士研究生，从事地质工程方面的研究． ChaoXing 第5期许晓琳等一种新的钻井液静失水量方程 89 Vi不使h增大；而吸附水的渗滤使泥皮增厚，即陀 使h增大。渗滤过程中，自由水受到的压差是M; 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Pas，则吸附水受到的压 差是（M-p）。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Cw表示钻井 液渗滤后可留在泥皮中的吸附水的体积分数，；/J.Cw 表示钻井液可通过过滤层的吸附水的体积分数，； φ表示泥皮的孔隙度，。按达西定律有 dVj KA1M dt h 豆豆＝元42M-p2 dt h 自由水、吸附水的渗滤面积分别为Abh，有 A1A-A2 A2 ACm Cw J.Cw C Cw hAl－φ） 由1百一＝一百一，可得式（4 h一陀（CmC斗） - J.CwAl－φ） 将式。）和式（4）代入式（2）中，可得 叫ι42/J.CwAPl－φ）［1-Cm Cw J.Cw ] 也μ陀（CmCw 豆豆＝KA2 J.Cw AP-p 1一φ）（Cm Cw J.Cw 也μ几（CmCw 整理可得 民dV. KA2/J.CwAPl－φ）［1一（Cm Cw J.Cw]“ 4且（CmCw , , .rn KA2 J.Cw AP-p 1一φ）（cm Cw ACW _,, U.. - 气U吃－CmCw ._.. 分别积分得 TT Tr -KA2 ACwAPl一φ）［1一（Cm Cw J.Cw J. 叮叮－CmCw 陀2_ KA2 J.Cw AP-p 1-P Cm Cw J.Cw, 2 CmCw’ 3 4 所以有 Tr_ A 12KJ.CwAP-pl- 90.042 45.021 0 L 、、‘－－－『『，，， 0 5.61 11.22 16.83 22.44 28.051 距大端第一螺纹牙原载面距离Imm 图5各螺纹牙应力分布 Fig. 5 The equivalent stress distribution curve of the thread 428.588 ♂ 385.731 霎342.872 7气300.013 .;,257.154 摞214.295 便171.436 4a 128.577 川85.718 42.859 0 0 0.41 0.82 1.23 1.64 2.149 距离角始端距离／mm 图6主台肩接触压力 Fig. 6 The contact pressure of the main shoulder of joint 基本上为一条直线。 图6为给定上扣扭矩下钻杆接头主台肩处的接 触压力。由图6可知，接触压力值基本维持在200～ 428 MPa，既能保持此处的弹性压缩变形，又不会发 生屈服损坏，能有好的保持密封效果（10］。 4结论 a.给定上扣扭矩作用下螺纹上的应力分布变化 （上接第89页） 4结语 本文的目的是以一种新的钻井液渗滤模式解释实 验中遇到的与原渗滤模式不符的现象，据此推导出一种 新的钻井液静失水量方程。该方程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。根据该 方程，实验室测试API失水量时仍然可用7.5min失水 不均匀，螺纹大端应力值较高，其他部分外螺纹上的 应力高于内螺纹。 b.外螺纹各牙应力变化较大，第一牙上的最大 应力是其他螺纹牙的2～5倍。 c.在给定上扣扭矩下钻杆接头主台肩处接触压 力较高，在减压钻进时亦能起到良好的密封效果。 参考文献 川张春波．绳索取心钻杆损坏原因的分析问．探矿工程，1987 2 16-18. [2］吴福云.875绳索取心钻杆折断事故的原因分析问．西部探矿 工程，200610 218-221. [3］姜光忍，李忠，王献斌．绳索取心钻探施工中钻杆折断原因分 析及应对措施［几探矿工程（岩土钻掘工程），2009 3 15-18. [4］兰洪波，离德利，张国辉．伊149.3mm钻杆高强度接头数值分 析［月天然气工业，2008,28（句67-68. [5］杨锦荣，马福保，徐宝莉．高抗扭强度钻链螺纹设计及有限元 分析［月石汹矿场机械，2009,387 47-50. [6］张幼振，石智军，田东庄，等．高强度大通孔钻杆接头圆锥梯 形螺纹的有限元分析及改进设计［几煤炭学报，2010,357 1219-1223. [7］刘巨保，丁字奇，韩礼红．基于三维有限元模型的钻具连接螺 纹上扣扭矩影响分析［月．石油矿场机械，2009,383 28-32. [8］国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会GB厅 16951一1997金刚石绳索取心钻探钻具设备［S）.北京标准出 版社，1997. [9］吴稀勇，同龙，陈涛．特殊螺纹接头扭矩的分析［月．焊管，2010, 339 12-14. [10］任辉.API石油钻杆接头应力分析及结构改进研究[DJ.上海 华东理工大学，201146-48. 量的测试结果的2倍代替30min失水量的测试结果。 参考文献 [1）黄汉仁．泥浆工艺原理协｛）.北京石泊工业出版社，1981 56-65. [2］李世忠钻探工艺学协句．北京地质出版社，198988-98. [3］都捷年．钻井液工艺学阳］．东营石泊大学出版社，2001 89-100. ChaoXing