油田化学剂 课程讲稿
授课题目（教学章、节或主题）：第 2 讲 钻井液处理剂－降滤失剂
授课方式 （请打√）
理论课√ 讨论课□ 实验课□ 习题课□ 其他□
教学要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：
课时 安排 2
1 掌握降滤失剂的作用原理及主要品种 2 熟悉钻井液的主要功能
3 了解降滤失剂的研究进展
教学重点、难点及关键知识点： 本节课的重点与难点是在钻井过程中使用降滤失剂的必要性，以及降滤失剂性能、
这是上世纪 80 年代发展起来的一种钻井液，主要用于海洋钻井， 实际上也是一种油包水乳化钻井液，只不过用合成的有机化合物来代 替常用的柴油。由于这些有机化合物的毒性小，主要是减少对海洋生 物的危害，而其他性质与矿物油相近，所以也称低毒油包水乳化钻井 液。常用的有机化合物：脂肪酸酯、乙二醇醚、聚α 烯、直链烷基苯 等。 为什么钻井要使用钻井液，因为它具有如下功能：
如前所述，钻井液中粘土颗粒要求有合适的大小分布，同时要求 具有较多的细粘土颗粒。滤失量大的钻井液一方面是粗颗粒较多，另 一方面是细颗粒已聚结为粗颗粒，体系中溶胶细颗粒（＜100μ m ）较 少。这种粗颗粒多而细颗粒少的钻井液所形成的滤饼疏松而孔隙大， 故滤失量大。
降滤失剂是在水中能解离出负电基团的高分子化合物。它一方面 可吸附在粘土表面上形成吸附层，以阻止粘土颗粒絮凝变大；另一方 面能把钻井液循环搅拌作用下所拆散的细颗粒通过吸附稳定下来，不 再粘结成大颗粒。这样就能保证足够量的细颗粒比例，从而使钻井液 能形成薄而致密的滤饼，降低滤失量。
添加一定量氯化钙或石灰、石膏的钻井液，主要抑制页岩的水化膨 胀，稳定井壁。 ⑶ 盐水钻井液
又可分为饱和盐水和不饱和盐水钻井液，其中的盐主要是氯化钠 （189000mg/L），用来对付水敏地层和复杂的石膏地层。也有含有钾盐 的“钾基”钻井液，也是用来防塌的。 ⑷ 聚合物钻井液
又分为含少量粘土的低固相（3～4%）和不含粘土的无固相聚合物钻
值得注意的是，降滤失剂在钻井液中的浓度必须足够高，以利于 将拆散的粘土颗粒包围起来，这样一方面给粘土颗粒表面带来较高的 负电荷密度，提高ζ 电位，增大颗粒间的斥力；另一方面因水化基团 的水化作用而形成较厚的水化膜，使粘土颗粒不易合并变大。如果加 入的降滤失剂低于保护作用所需的浓度时，降滤失剂不但对胶体颗粒 没有保护作用，反而会使粘土颗粒更容易聚沉。 ⑵ 提高滤液粘度
种类及其作用原理。要讲述清楚钻井液滤失的必然性及危害性，通过具体实例说明降滤 失剂的作用原理。
方法及手段 板书
教学基本内容（教学过程）
1 钻井液及其功能 2 钻井液的滤失及其危害 3 降滤失剂的作用原理 4 常用的降滤失剂
改进设想
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第一章 钻井用化学剂 Chemicals for drilling
悬浮功能：当接单根、起下钻或临时停止循环时，钻井液又能把 井眼内的钻屑悬浮住，使其不致很快下沉，防止沉砂卡钻的危险。这 就要求钻井液要有适当的粘度等流变性能。 3 稳定井壁
井壁稳定，井眼规则是优质快速钻井的重要基础条件。在钻进一 些比较松软的地层时，发生井壁坍塌，影响正常钻进。在钻进易水化 膨胀的泥页岩地层时，钻井液必须对泥页岩的膨胀有较强的抑制作用， 以防止因膨胀而引起的缩径现象发生。在钻进过程中，钻井液中的“泥 饼”，阻止了水的进一步渗入，起到保护井壁的作用。近年来，防塌钻 井液技术发展迅速，更加显示了钻井液在稳定井壁方面的重要作用。 4 平衡地层压力
钻井液大多是由水＋黏土＋处理剂配制而成，俗称泥浆，又称钻井 血液，是钻井工艺技术发展不可缺少的，也是发展最迅速的组成部分。 清水→自然泥浆→细分散泥浆→粗分散泥浆→低固相泥浆→无固相泥浆
1 水基钻井液
⑴ 分散钻井液 水＋黏土＋分散剂组成（分散剂主要起降滤失和降粘作用），如三磺（磺 化栲胶、磺化褐煤、磺化酚醛树脂）泥浆是典型代表，可钻 4500m 以上 深井，耐 160～200℃高温。 ⑵ 钙处理钻井液
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布、数量有关，而且更与胶体颗粒类型密切相关。如果胶体颗粒扁平低。 ② 加入降滤失剂。
除上述条件外，在钻井液中还要添加降滤失剂来控制钻井液的滤 失量。
⒉ 降滤失剂作用原理
降滤失剂是指能降低钻井液滤失量的化学剂。 降滤失剂多为水溶性高分子化合物，它们可通过下列途径降低钻井液 滤失量。 ⑴ 稳定胶体颗粒作用（护胶作用）
加入这些处理剂相当于增加了钻井液中胶体颗粒的含量，它们对滤饼 起封堵孔隙的作用。这些大分子以两种方式封堵孔隙。
设高分子无规线团直径为 dc，孔隙直径 dp
若 0.3d p dc d p 可滞留在孔隙中，形成不完全的物理堵
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井液。具有剪切稀释功能，可显著提高钻速。此外，降滤失、稳定井 壁作用都很好。 2 油基钻井液 ⑴ 油包水乳化钻井液（W/O） ⑵ 普通油基钻井液
主要是柴油，用于高水敏地层钻进，但成本较高，粘度大，钻速 慢，很少用。 3 泡沫钻井液
主要用于低压易漏失地层，具有保护油气层的作用，其中也含有 一定量的粘土（30～40kg/m3）， 4 合成基钻井液
在钻井过程中钻井液的滤失是必然的，通过滤失可形成滤饼保护 井壁。但是钻井液滤失量过大，易引起泥页岩膨胀和坍塌，造成井壁 不稳定。此外，滤失量增大的同时滤饼增厚，其危害是使井径缩小， 给旋转的钻具造成较大的扭矩，起下钻时引起抽汲和压力波动，易造 成压差卡钻。因此，适当地控制滤失量是钻井液的重要性能之一。显 然，钻井液的滤失量与地层渗透率密切相关。但发生滤失的同时就有 滤饼形成，再发生滤失时，必须经过已经形成的滤饼。因此，决定滤 失量大小的主要因素是滤饼的渗透率。如何形成低渗透率的高质量滤 饼，阻止钻井液的进一步滤失，是钻井液配制中要考虑的主要问题之 一。
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少瞬时滤失量，钻井液中需要含有适当大的固相颗粒，来 桥堵岩石孔隙，当这些较大的颗粒在岩石孔喉处形成桥堵后，较
小的颗粒再堵塞在较大颗粒之间所形成的孔隙中，一直进行下去，直 至小的溶胶颗粒将滤饼的小孔隙堵死，这时只有水份才能渗入地层。 这样使钻井液中的颗粒在井壁和地层中形成三种分布（下图）；（1）井 壁上的外滤饼；（2）进入地层的颗粒形成的内滤饼；（3）钻井液瞬时 滤失时形成的初损侵入带，这些颗粒经过运移将阻塞地层孔隙，伤害 油层。 ⑵ 滤失的危害 ⅰ 水敏地层坍塌、缩径 会使钻具的扭矩增大，换钻头时可 能造成压差卡钻。 ⅱ 伤害油气层（油气层污染） 一些微小的粘土颗粒随着滤失而 进入油气层，堵塞微孔隙，使其 渗透性下降。 ⅲ 完井困难 滤失量大会使滤饼增厚，影响完井时套管的正常下入。 ⑶ 预防措施
滤失量的大小与滤饼的渗透率、滤饼两侧的压差、渗滤时间、滤 液粘度以及钻井液中固相的类型和数量等因素有关。其中渗滤时间和 压差是与滤饼本身性质几乎无关的操作条件因素。提高滤液粘度可降 低滤失量，但这与钻井液流变性要求是矛盾的。因此，可以说调整钻 井液滤失量大小的主要途径是调整滤饼的渗透率。
滤饼形成过程：在实验室常利用滤失量测定仪测量静滤失量。实 验中，在滤杯中的钻井液经滤纸而流出。在滤饼形成前滤液流出的速 度相当快，1～2 秒钟后，滤液流出速度渐渐变慢，经一定时间趋于匀 速。滤饼形成前经过滤纸的滤失称为瞬时滤失（也称初损），此间的滤 失量称为瞬时滤失量。在钻经渗透性的地层时也存在这一过程。为减
钻井液携带到地面的岩屑，可以反映钻遇岩层的性质，判断地层 层位。尤其是通过对钻井液的观察，可以发现油气显示，帮助分析是 否钻遇到了油气层。 6 传递能量
钻井液可将泵的部分功率经钻头水眼高速喷射传到井底，提高钻 头的钻进能力和钻进速度。
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§1-2 钻井液处理剂 additive for drilling fluid
二 钻井液的功能
钻井液在钻井工艺中起着重要的作用，人们常把钻井液称为钻井 的血液，钻井液停止循环时，钻井工作就不能继续进行。随着钻井生 产的发展和钻井液技术水平的提高，钻井液是关系到钻井成败的主要 因素之一已经得到公认。
钻井液在钻井工艺中的主要作用如下: 1 冷却润滑钻头
钻头在井底承受压力飞速旋转，不停地与岩石摩擦，产生大量的热 量，循环的钻井液可及时带走热量，并起到润滑作用，防止钻头因高 温而损坏，延长钻头使用寿命。
一 降滤失剂 filtrate reducer for drilling fluid
在钻井过程中，由于压差的作用，钻井液中的水份不可避免地通 过井壁滤失到地层中，造成钻井液失水。随着水份进入地层，钻井液 中粘土颗粒便附着在井壁上形成“滤饼”，造成一个滤饼井壁。由于滤 饼井壁比原来的井壁致密得多，所以它一方面阻止了钻井液的进一步 失水，一方面起到了保护井壁的作用。但是在滤饼井壁形成的过程中， 滤失的水份过多，滤饼过厚，细粘土颗粒随水份进入地层等都会影响 正常钻井，并对地层造成伤害。因此，对滤失量要进行控制。 ⒈ 钻井液的滤失及其危害 ⑴ 滤失
因此，要形成低渗透率、滤失量小的滤饼，可以通过两个途径采 取措施。一是选择合适的配浆材料，二是使用降滤失剂。 ① 配浆材料
合理的多级分散的颗粒分布 即在钻井液中必须有大、中、小各种颗粒，并有合理的分布。实 践表明，钻井液中必须含有比被钻地层最大孔隙小的和直到相当于地 层最大孔隙尺寸三分之一的桥堵颗粒。这样有利于尽快桥堵刚钻开地 层的大孔隙，减少瞬时滤失量。另外，钻井液必须含有尺寸由大到小， 直至小到相当于溶胶颗粒的一系列颗粒。这样在钻井过程中，由大到 小的颗粒相继桥堵由大到小的孔隙，如此循序渐进，孔隙越堵越小， 滤饼越来越致密，其渗透性越来越小。钻井液中固相颗粒大小分布越 合适，形成致密滤饼的时间就越短，滤饼渗透性越低。 分散相颗粒类型 滤饼渗透性的高低，不仅与钻井液中所含胶体及细颗粒的尺寸分
由静滤失方程可知，滤失量与钻井液的滤液粘度的二分之一次方 成反比。高分子降滤失剂加入钻井液中可提高滤液粘度，使滤失量降 低。但值得注意的是，粘度升高会使钻速降低。故一般要求降滤失剂 不要大幅度地增加粘度。