钻井液滤失造壁性能评价方法研究现状

姚如钢， 张振华， 彭春耀， 冯燕云， 丁光波

（1. 中国石油集团长城钻探工程有限公司钻井液公司，北京100101；2.中国石油集团长城钻探工程有限公司博士后工作站，北京100101 3. 中国石油大学（北京）博士后流动站，北京102249）

钻井液滤失造壁性能评价方法研究现状

姚如钢1，2，3， 张振华1， 彭春耀1， 冯燕云1， 丁光波1

（1. 中国石油集团长城钻探工程有限公司钻井液公司，北京100101；2.中国石油集团长城钻探工程有限公司博士后工作站，北京100101 3. 中国石油大学（北京）博士后流动站，北京102249）

姚如钢等.钻井液滤失造壁性能评价方法研究现状[J].钻井液与完井液，2016，33（6）：1-9.

介绍了现有钻井液泥饼渗流特性、孔喉大小、厚度及压缩性等质量参数的评价、仪器及其评价方法，并分析了扫描电镜、能谱仪等仪器设备在泥饼微观结构及组分分布特征表征方面的研究与应用现状。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，未来应继续深入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。

钻井液；滤失造壁性能；泥饼质量；泥饼结构；评价方法

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[1-4]。

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、密实层以及致密层4部分。周风山等[5]通过FCP-2000泥饼针入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[6-9]也逐步被引入钻井液滤失造壁性能研究工作，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1类似的分层结构，如图2所示。

图1 钻井液（1.11 g/cm3）不同滤失阶段高温高压（107 ℃，2.07 MPa）泥饼CT扫描图像

图2 泥饼分层结构照片

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中，滤液是流动的，将对颗粒产生沿流线方向的拖拽力，拖拽力可由式（1）计算[10]。可看出，该拖拽力与滤失速率qn成正比。

其中，α为颗粒形状系数，反映了颗粒的非球状程度；R为颗粒的半径；q为瞬时滤失速率；A为滤失面积；Φ为悬浮液（钻井液）中固体颗粒的体积分数；ρs为固体颗粒密度；ρf流体密度；k为悬浮液的稠度系数；n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[11-13]。

2.1.2泥饼渗流特性表征

Mutairi等（2013）[14]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。

其中，K是泥饼渗透率，10-3μm2；v是单位截面积的滤液体积，m3/m2；L是泥饼厚度，m；Rm是过滤介质阻力，1/m；P是压差，MPa；t是时间，s。

Tiller[15]则通过假设固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置，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）[16]基于达西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：

其中，Rt、Rc以及Rm分别为总渗流阻力、泥饼渗流阻力、过滤介质渗流阻力；△Pt、△Pc及△Pm分别为总压差、泥饼两端压差以及过滤介质两端压差；q、qc及qm分别为总流速、通过泥饼的流速以及通过过滤介质的流速；Kc及Km分别为泥饼和过滤介质渗透率；Lc及Lm分别为泥饼和过滤介质厚度；μ为滤液黏度。

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Lc及Lm可直接测量，已知Km、Lm、μ及q后可由式（7）计算出△Pm，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，因而，其渗透率计算结果也将更为可靠，这已为Elkatatny等（2011）[17]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中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Chenevert（2001）[13]基于约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为实验室配制钻井液样品，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）[12]采用了与Dewan和Chenevert（2001）[13]相似的方法测试了泥饼的孔隙度，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。Elkatatny等[6-9]则通过CT扫描图像确定泥饼孔隙度，并测定了泥饼孔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。

其中，CTwet为泥饼在湿润状态下的CT数；CTdry为泥饼在干燥状态下的CT数；CTwater为水的CT数；CTair为空气的CT数。

CT扫描实验结果显示，泥饼表面孔隙度接近于0，而泥饼底部的孔隙度分布在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[18-21]，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。渗透率同样受孔隙连通性即流动通道通畅与否的影响。熊汉桥等（2010）[22]则将动态条件下固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、扩散等过程中堵塞孔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可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[23]，从而降低其滤失量。而随着泥饼中这类组分含量的提高，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而增大[24]，而Jiao和Sharma（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）[26]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）[27]、侯勤立和蒲晓林（2001）[28]等设计了不同的新型测量装置，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）[29]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可行性研究，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）[30]在考虑了泥饼具有压缩性这一条件下，推导建立了泥饼的压缩性方程。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）[31]指出，可通过泥饼渗透率法、针入度法或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）[32]提出用无量纲泥饼可压缩因子来评价泥饼可压缩性的方法，可压缩性因子是滤失量和滤失压差的函数。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加至膨润土基浆中，都可改善泥饼的可压缩性，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，泥饼质量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、坚固、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量的仪器设备。如中国自20世纪90年代胡永宏等（1993）[33]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（1996）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強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，直到泥饼渗透率显著增加为止，这个使泥饼渗透率显著增加的压差即为泥饼强度。Cerasi等（2001）[34]通过记录特制装置中电机驱动刀片刮削泥饼的电流等数据以及一维固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量等泥饼特性参数。Berntsen等（2010）[35]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）[36]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针入度仪等几种[37-38]。其测定原理都是通过测定探针压入力-压入深度数据曲线，从而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Zamora等人研发的FCP针入度仪（AVKVO Services，Stafford）[39]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，提升人们对泥饼质量的定量认识。而各种粒度分布测试仪[40]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[41]，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（XRD）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）[42]系统地评价了这2种分析方法在定量分析方面的可靠性、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相当的精度，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（XRF）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。由于所用样品为干燥粉末，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%[43]。Nasr-EL-Din等（2007）[44]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，Moajil等（2008）[45]则联合XRD、XRF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）[46]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[47-49]。可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）[48]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量分析前需在其表面镀一层导电金属，这个金属薄层通常是厚度约为5 nm的金或者铂。研究结果表明，这些方法进一步提升了人们对泥饼微观结构的认识并对钻井液配方设计的思路产生了一定的影响[49]。Peden等（1982）[50]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）[48]通过引入由Borst等（1971）[47]提出的冷冻干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，Hartmann等（1988）[51]提出了一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-140 ℃，从而达到防止因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）[47]在研究膨润土浆构造时用来原位保持黏土颗粒在钻井液中的结构分布的一门新技术，其原理是通过使前期冷冻好的泥饼中的冰晶在低温（-73 ℃）和低压（近真空，20～100 Pa）条件下直接升华从而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）[51-55]，其主要特点是待测样品无需脱水及喷渡导电层。应用ESEM技术可直观地观测到流体在岩石孔隙中的毛细吮吸现象[56]，如润湿相对非润湿相的驱替实验及其驱替流量优化等[57]。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[56]，且同样无需对待测样品喷金处理。正如前面所提到的那样，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，通过大量文献调研表明，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，仅有少量文献将他们的研究重点放在了泥饼微观空间结构上[58-59]。例如，Jiao和Sharma（1994）[10]基于膨润土浆的动滤失实验研究和黏土颗粒流体动力学理论研究提出了泥饼生长的数学模型。Tien等（1997）[60]指出当钻井液中包含不同粒径固体颗粒时，较大颗粒将率先形成泥饼骨架，而较小颗粒则在大颗粒间（骨架）的孔隙内的进行迁移和沉降。此外，核磁共振（NMR）技术也开始被引入泥饼特性分析中，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中的应用正开始受到科研工作者的关注[61-62]，如Elkatatny（2012）等[6-9]引入CT（computed-tomography） 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）[58-59]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（XRD）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方法、新思路，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上来，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）和匡韶华（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）[12]指出钻井液泥饼渗透率将受到井下钻井液剪切速率的显著影响，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Sharma（1994）[10]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[10，66]。加重材料同样也对钻井液流变性有重要影响。张洪霞（2013）[67]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[68]：

其中，Kc是泥饼渗透率（Darcy）；△p是泥饼两端压差，atm；εsav泥饼固体颗粒体积分数；φsm是钻井液中固体颗粒体积分数；A是泥饼截面积，cm2；μ是滤液黏度，cp；t是滤失时间，s。

把钻井液的φsm视作常数时，Vf随着εsav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。显然，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[69]。尽管研究学者已取得了一些研究成果，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性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.未来应继续深入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。

[1]CAENN R，DARLEY H C H，GRAY G R. Composition and properties of drilling and completion fluids， the filtration properties of drilling fluids[M]. sixth ed.， Kidlington， Oxford： Gulf Professional Publishing，2011.

[2]GERI B S B，AL-MUTAIRI S H，MAHMOUD M A. Different techniques for characterizing the filter cake[C]. 2013 SPE Middle East Unconventional Gas Conference & Exhibition， Muscat， Oman， 2013.

[3]ASTON M，MIHALIK P，TUNBRIDGE J， et al. Towards zero fluid loss oil based muds[C]. SPE Annual Technical Conference and Exhibition， San Antonio，Texas， 2002.

[4] OVERVELDT A S V，GUO H，BLOK G D， et al. A CT scan aided core-flood study of the leak-off process in oil-based drilling fluids[C]. SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control， Lafayette，Louisiana， USA， 2012.

[5]周风山， 王世虎， 李继勇， 等. 泥饼结构物理模型与数学模型研究[J]. 钻井液与完井液， 2003， 20（ 3）： 4-8. ZHOU Fengshan，WANG Shihu， LI Jiyong， et al. Mathematical & physical models for drilling fluid filter cake[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2003， 20（3）： 4-8.

[6]ELKATATNY S，MAHMOUD M A，NASR-EL-DIN H A. Characterization of filter cake generated by waterbased drilling fluids using CT scan[J].SPE Drilling & Completion，2012， 27（ 2）： 282-293.

[7]ELKATATNY S， MAHMOUD M，NASR-EL-DIN H A. Filter cake properties of water-based drilling fluids under static and dynamic conditions using computed tomography scan[J].Journal of Energy Resources Technology， 2013，135（ 4）： 042201.

[8]ELKATATNY S，ROSTAMI A，Nasr-El-Din H A. Characterization a self-destructing filter cake by using computer tomography[C].SPE/IADC Middle East Drilling Technology Conference and Exhibition， Muscat， Oman，2011.

[9]ELKATATNY S， NASR-EL-DIN H A. Properties of filter cake of water-based drilling fluid under dynamic conditions using computer tomography[C]. IADC/ SPE Drilling Conference and Exhibition， San Diego，California， 2012.

[10]JIAO D， SHARMA M M. Mechanism of cake buildup in crossflow filtration of colloidal suspensions[J].Journal ofColloid and Interface Science，1994， 162（ 2）： 454-462.

[11]DARCY H. Determination of the laws of flow of water through sand[J].Fluid/Particle Separation Journal，1989， 2： 33-35.

[12]DANGOU M A，CHANDLER H. Potential increase of formation damage at horizontal wells as a result of changing dynamic filter cake parameters with the shear rate[C]. 8th European Formation Damage Conference，Scheveningen， The Netherlands， 2009.

[13]CHENEVERT M E，DEWAN J T. A model for filtration of water-base mud during drilling： determination of mudcake parameters[J]. PetroPhysics，2001， 42（3）：237-250.

[14]GERI B S B，AL-MUTAIRI S H，MAHMOUD M A. Different techniques for characterizing the filter cake[C]. 2013 SPE Middle East Unconventional Gas Conference & Exhibition， Muscat， Oman， 2013.

[15]TILLER F M. Theory and practice of solid-liquid separation[M]. Houston： Texas University of Houston，2002.

[16]LI W，KISER C，Richard Q. Development of a filter cake permeability test methodology[J]. Filtration-Coalville， 2006， 6（1）： 57.

[17]ELKATATNY S M， MAHMOUD M A， NASR-EL-DIN H A. A new approach to determine filter cake properties of water-based drilling fluids[C]. SPE/DGS Saudi Arabia Section Technical Symposium and Exhibition， Al-Khobar， Saudi Arabia， 2011.

[18]KHATIB Z I. Prediction of formation damage due to suspended solids： modeling approach of filter cake buildup in injectors[C]. SPE Annual Technical Conference and Exhibition， New Orleans， Louisiana， 1994.

[19]RAUTELA M S. A method for determination of the permeability of the filter cake at wellsite[J]. 2000.

[20]GR GRAY，HC DARLEY，WF ROGERS. Compostion and properties of oil well drilling fluids[M]. 4 ed. Houston： Gulf Pub. Co.， Book Division（ Houston），1980.

[21]CIVAN F. Improved permeability equation from the bundle-of-leaky-capillary-tubes model[C].SPE Production Operations Symposium， Oklahoma， 2005.

[22]熊汉桥， 王平全， 任富鹏， 等.钻井完井中动态外滤饼形成的数学模型研究[J].天然气技术，2010，4（ 1）：42-44. XIONG Hanqiao， WANG Pingquan， REN Fupeng，et al. Mathematical model developed for external filter cake during drilling and completion[J].Natural gas technology， 2010， 4（ 1）： 42-44.

[23]PLANK J P， GOSSEN F A. Visualization of fluid-loss polymers in drilling-mud filter cakes[J].SPE DrillingEngineering， 1991， 6（ 3）： 203-208.

[24]PITONI E， BALLARD D A，KELLY R M. Changes in solids composition of reservoir drill in fluids during drilling and the impact on filter cake properties[C]. SPE European Formation Damage Conference， The Hague，Netherlands， 1999.

[25]JIAO D，SHARMA M M. Investigation of dynamic mud cake formation： the concept of minimum overbalance pressure[C]. SPE Annual Technical Conference and Exhibition， Houston， Texas， 1993.

[26]吴志均， 杨宪民. 泥饼质量评价方法探讨[J]. 钻井液与完井液， 1997， 14（ 6）： 6-8. WU Zhijun， YANG Xianmin. Evaluation method formud cake quality[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，1997， 14（ 6）： 6-8.

[27]景天佑. 泥饼厚度测量仪： 1072497A[P]. 1993-05-26. JING Tianyou. Mud cake thickness measuring instrument： 1072497A[P]. 1993-05-26.

[28]侯勤立，蒲晓琳，崔茂荣. 一种测量钻井液滤饼厚度的装置：2441113Y[P]. 2001-08-01. HOU Qinli， PU Xiaolin， CUI Maorong. A device for measuring thickness of mud cake： 2441113Y[P]. 2001-08-01.

[29]张洪杰， 郑力会. 钻井液滤饼厚度测量新方法初探[J].钻井液与完井液， 2008， 23（ 6）： 61-63. ZHANG Hongjie， ZHENG Lihui. Research on the new method of measuring filter cake thickness[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2008， 23（ 6）：61-63.

[30] 雷宗明. 泥饼的压缩性方程[J]. 钻采工艺， 1992， 15（2）： 13-14. LEI Zongming. The mud cake compressibility equation[J]. Drilling & production technology， 1992， 15（ 2）： 13-14.

[31]崔茂荣， 罗兴树. 泥浆泥饼压缩性评价方法对比研究[J]. 西南石油学院学报，1996， 18（ 1）： 46-54. CUI Maorong， LUO Xingshu. Comparison of existing method for evaluating compressibility of mud cake[J]. Journal of SWPI， 1996， 18（ 1）： 46-54.

[32]杜德林. 泥饼可压缩性的定量研究[J]. 钻井液与完井液，1996， 13（ 1）： 4-9. DU Delin. Quantitative study on the compressibility of mud filter cakes[J].Drilling Fluid & Completion Fluid，1996， 13（ 1）： 4-9.

[33]胡永宏， 高锦屏， 郭东荣， 等. 钻井液滤饼强度实验方法的建立[J]. 石油大学学报： 自然科学版， 1993， 17（6）： 45-49. HU Yonghong， GAO Jinping， GUO Dongrong， et al. development of the experiment method for measuring strength of drilling fluid filter cakes[J].Journal of ChinaUniversity of Petroleum（ Edition of Natural Sciences），1993， 17（ 6)： 45-49.

[34]CERASI P，LADVA H K，BRADBURY A J，et al. Measurement of the mechanical properties of filtercakes[C]. SPE European Formation Damage Conference， The Hague， Netherlands， 2001.

[35]BERNTSEN A N， ROBBES A S，CERASI P R， et al. Laboratory investigation of brine diffusion through oilbased mud filter cakes[C]. SPE International Symposium and Exhibiton on Formation Damage Control， Lafayette，Louisiana， 2010.

[36]王松， 魏霞，喻霞， 等. 钻井液泥饼强度评价研究[J].钻井液与完井液， 2011， 28（ 01）： 11-13. WANG Song， WEI Xia， YU Xia， et al. Research on evaluation of mud cake intensive[J]. Drilling Fluid &Completion Fluid， 2011， 28（ 01）： 11-13.

[37]周风山， 倪文学. 泥饼强度影响因素研究[J]. 西安石油学院学报： 自然科学版，1999， 14（ 4）： 22-25. ZHOU Fengshan， NI Wenxue. A study on the factors influencing the strength of drilling fluid filter cake[J]. Journal of Xi’an Shiyou University： Naturnal Science Edition， 1999， 14（ 4）： 22-25.

[38]夏晨， 庸富华. 深井钻井泥浆泥饼质量评价技术研究与应用[J]. 内蒙古石油化工， 2009， 35（22）： 115-117. XIA Chen， YONG Fuhua. A new multi-factor Mutilevel Method for drilling mud experiment design[J].InnerMongolia Petrochemical Industry， 2009， 35（22）：115-117.

[39]ZAMORA M，LAI D T，DZIALOWSKI A K. Innovative devices for testing drilling muds[J].SPE Drilling Engineering， 1990， 5（1）：11-16.

[40]ZAIN Z M，SURI A， SHARMA M M. Mechanisms of mud cake removal during flowback[C].SPE International Symposium on Formation Damage Control， Lafayette，Louisiana， 2000.

[41]CHENEVERT M E，HUYCKE J. Filter cake structure analysis using the scanning electron microscope[J].SPE Journal， 1991.

[42]RUESSINK B H， HARVILLE D G. Quantitative analysis of bulk mineralogy： the applicability and performance of XRD and FTIR[C]. SPE Formation Damage Control Symposium， Lafayette， Louisiana， 1992.

[43]GOLDSTEIN J，NEWBURY D E，JOY D C，et al. Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis[M]. 3 ed. Springer， 2003.

[44]NASR-EL-DIN H A， AL-OTAIBI M B，AL-QAHTANI A A， et al. An effective fluid formulation to remove drilling fluid mud cake in horizontal and multi-lateral wells[J].SPE Drilling & Completion，2007， 22（ 01）：26-32.

[45]AL MOAJIL A M，NASR-EL-DIN H A，AL-YAMI A S， et al. Removal of filter cake formed by manganese tetraoxide-based drilling fluids[C]. SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control， Lafayette， Louisiana， 2008.

[46]ALOTAIBI M B，NASR-EL-DIN H A，HILL A D. Characteristics and removal of filter cake formed by formate-based drilling mud[C].SPE International Symposium and Exhibition on Formation Damage Control， Lafayette， Louisiana， 2008.

[47]BORST R L，SHELL F J. The effect of thinners on thefabric of clay muds and gels[J].Journal of PetroleumTechnology，1971， 23（ 10）： 1193-1201.

[48]PORTE K E. A basic scanning electron microscope study of drilling fluids[C]. SPE Formation Damage Symposium，Bakersfield， California， 1980.

[49]朱启武， 何笑薇， 周永璋， 等. 非酸性氧化型复配钻井液滤饼清洗剂的研究[J]. 钻井液与完井液， 2014， 31（2）： 47-50. ZHU Qiwu， HE Xiaowei， ZHOU Yongzhang， et al. Study on non-acidic oxidizing compound mud cake remover[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2014， 31（2）： 47-50.

[50]PEDEN J M，AVALOS M R，ARTHUR K G. The analysis of the dynamic filtration and permeability impairment characteristics of inhibited water based muds[C]. SPE Formation Damage Control Symposium，Lafayette， 1982.

[51]HARTMANN A， ÖZERLER M，MARX C， et al. Analysis of mudcake structures formed under simulated borehole conditions[J]. SPE Drilling Engineering，1988，3（ 4）： 395-402.

[52]PLANK J， GOSSEN F. Visualization of fluid-loss polymers in drilling-mud filter cakes[J].SPE Drilling Engineering，1991， 6（ 03）： 203-208.

[53]MEHTA S. Imaging of wet specimens in their natural state using environmental scanning electron microscope（ESEM）： some examples of importance to petroleum technology[C]. SPE Annual Technical Conference and Exhibition， Dallas， Texas， 1991.

[54]GAUCHET R，CHENEVIERE P，TRICART J P. Visualization of rock samples in their natural state using environmental scanning electron microscope[C]. SPE Annual Technical Conference and Exhibition， Houston，Texas， 1993 ： 10-03.

[55]SIMANJUNTAK A，HAYNES L. Esem observations coupled with coreflood tests improve matrix acidizing designs[C]. SPE Formation Damage Control Symposium，Lafayette， Louisiana， 1994.

[56]ROBIN M， COMBES R，ROSENBERG E. Cryo-SEM and ESEM： new techniques to investigate phase interactions within reservoir rocks[C]. SPE annual technical conference and exhibition， Houston， Texas，1999.

[57]RAJU K U， NASR-EL-DIN H A，HILAB V， et al. Injection of aquifer water and GOSP disposal water into tight carbonate reservoirs[J].SPE Journal，2005， 10（ 4）：374-384.

[58]YAO R，JIANG G，LI W， et al. Effect of water-based drilling fluid components on filter cake structure[J]. Powder Technology， 2014，262： 51-61.

[59]YAO R， JIANG G，YE L， et al. The effect of inorganic salt on the structure of filter cake of water based drilling fluid[J].Proceedings， 2014（01）：30-38.

[60]TIEN C，BAI R，RAMARAO B V. Analysis of cake growth in cake filtration： effect of fine particle retention[J]. Aiche Journal，1997， 43（ 1）： 33-44.

[61]Elkatatny S，Mahmoud M A，Nasr-El-Din H A. A new technique to characterize drilling fluid filter cake[C]. SPE European Formation Damage Conference， Noordwijk，The Netherlands， 2011.

[62]Zakaria M，Husein M M， Harland G. Novel nanoparticlebased drilling fluid with improved characteristics[C].SPE International Oilfield Nanotechnology Conference and Exhibition， Noordwijk， The Netherlands， 2012.

[63]蒲晓林， 黄林基， 罗兴树， 等. 深井高密度水基钻井液流变性造壁性控制原理[J]. 天然气工业，2001， 21（ 6）：48-51. PU Xiaolin， HUANG Linji， LUO Xingshu，et al. Principles controlling the rheologicak property and wall building property of deep well high density water base drilling fluid[J].Natural Gas Industry， 2001， 21（ 6）： 48-51.

[64]匡韶华， 蒲晓林， 柳燕丽. 超高密度水基钻井液滤失造壁性控制原理[J]. 钻井液与完井液，2010，27（ 5）： 8-11. KUANG Shaohua， PU Xiaolin， LIU Yanli. Principles of controlling wall building properties of ultra-high density water based drilling fluid[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2010， 27（ 5）： 8-11.

[65]TILLER F M. Tutorial： Interpretation of Filtration Data，I[J]. Fluid/Particle Sep. J，1990， 3（ 2）： 85-94.

[66]STAMATAKIS K，TIEN C. Cake formation and growth in cake filtration[J].Chemical Engineering Science，1991， 46（ 8）： 1917-1933.

[67]张洪霞. 高密度盐水钻井液重晶石优选新方法[J]. 钻井液与完井液，2013， 30（ 1）： 1-4. ZHANG Hongxia. Novel method of selecting barite for high-density salt drilling fluid[J].Drilling Fluid & Completion Fluid， 2013， 30（ 1）： 1-4.

[68]BOURGOYNE A T，MILLHEIM K K，CHENEVERT M E，et al.Applied drilling engineering[M]. second（revised）printing ed.，Richardson，Texas，1991.

[69] CHRISTENSEN M L. The effect of filter cake viscoelasticity on filtration[M]. Aalborg Universitet，2006.

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；编辑 王小娜）

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.06.001

中国石油集团长城钻探工程有限公司博士后基金项目“威远龙马溪地层水基钻井液高效封堵剂开发及体系研究”（2015B01）。

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.gwdc@cnpc.com.cn。