第讲降滤失剂

1、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-降滤失剂理论课H 讨论课口 实验课口 习题课口 其他口叱? 2（请打V）女排教学要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：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、 种类及其作用原理。要讲述青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）改进设想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常用的降滤失剂油田化学剂课

2、程讲稿第一章 钻井用化学剂 Chemicals for drilling包括钻井液处理剂和固井水泥外加剂。 1-1钻井液及其功能钻井：钻开一条使地下流体（油气）被采集到地面上来的通道。（API）钻井液：用于钻井，具有多种功能以满足钻井工作需要的循环流体。 钻井液处理剂：能调节钻井液性能的化学剂。一钻井液组成及类型钻井液由分散介质、分散相、钻井液处理剂组成。分散介质可是水 或油；分散相通常是黏土（膨润土： 一种蒙脱石含量不少于85%的粘土矿物）也可以是油、水或气体；处理剂可根据需要进行添加，通常有 18 类（降滤失剂、降粘剂、页岩抑制剂、消泡剂、乳化剂、絮凝剂、起泡 剂、杀菌剂、缓蚀剂、润滑剂、

3、解卡剂、pH控制剂、表面活性剂、除钙 剂、温度稳定剂、增粘剂、堵漏材料、加重材料）。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。 清水一自然泥浆一细分散泥浆一粗分散泥浆一低固相泥浆一无固相泥浆水基钻井液分散钻井液水+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 化楞胶、磺化褐煤、磺化酚醛树脂）泥浆是典型代表，可钻 4500m以上 深井，而寸160200c高温。钙处理钻井液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。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

4、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。聚合物钻井液又分为含少量粘土的低固相 （34%） 和不含粘土的无固相聚合物钻油田化学剂课程讲稿井液。具有剪切稀释功能，可显著提高钻速。止匕外，降滤失、稳定井 壁作用都很好。油基钻井液油包水乳化钻井液（W/O）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。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（ 3040kg/m3）,合成基钻井液这是上世纪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

5、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、乙二醇醴、聚a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：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

6、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。2携带和悬浮钻屑（井底净化）携带功能：钻井液的一个基本功能，就是把钻头破碎的岩屑从井 底带出井眼，保持井眼净化。钻井液配制好之后，储存在地面的泥浆油田化学剂课程讲稿池中，用泵抽吸经钻杆内部从钻头水眼喷出，携带着井底被破碎的岩 屑，经由钻杆与井眼的环形空间上返至地面流入净化槽中，将岩屑沉 淀净化后返回泥浆池，冉泉入井中。如此循环往复。这样可避免重复 切削，提高钻头的破碎效率。井底净化直接影响机械钻速和钻头进尺， 因向十分重要。影响井底净化的因素很多，从钻井液本身来说，密度 小、剪切稀释能力大、固

7、相含量低、最初瞬时失水量大等，都有利于 保持井底净化。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，使具/、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

8、平衡地层压力钻井液的密度可在较大范围内调整，以建立与地层压力相平衡的 液柱压力，防止喷、漏、塌、卡等井下复杂事故的发生。平衡压力钻 井不仅是一种防喷、漏的措施，它对井底净化，提高钻速，以及减少 钻井液对油层的侵害，提高油井产量等方面，都具有重要的意义。因 止匕，在钻井过程中通过预测地层压力，可调节钻井液密度，实现平衡 压力钻井。5获取井下信息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。-3 -油田化学剂课程讲稿

9、1-2 钻井液处理剂 additive for drilling fluid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。.钻井液的滤失

10、及其危害滤失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。止匕外，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滤失量的大小与滤饼的渗透率、滤饼两

11、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，12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。为减油田化学剂课程讲稿少瞬时滤失量，钻井液中

12、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。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

13、量大会使滤饼增厚，影响完井时套管的正常下入预防措施因此，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。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

14、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油田化学剂课程讲稿布、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， 水化性好，则在压力作用下容易变形，形成的滤饼渗透率自然就低。 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。.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。 稳定胶体颗粒作用（护胶作用）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

15、。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（ 100pm ）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。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

16、（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。提高滤液粘度由静滤失方程可知，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。油田化学剂课程讲稿捕集和堵塞作用作为高分子化合物的降滤失剂，其分子尺寸在胶体颗粒范围内， 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

17、些大分子以两种方式封堵孔隙。设高分子无规线团直径为de,孔隙直径dp若 0.3dp dc dp高分子就不能进入孔隙，但能够封堵孔隙入口，称 c p为堵塞，也可减少滤失量。常用的降滤失剂常用的降滤失剂有5类改性腐殖酸（胡敏酸humic acid）又称改性褐煤，褐煤是煤的一种，含有20-30%的腐殖酸。腐殖酸是由生物残体在部分空气和水分存在下分解而成的天然高分子化合物，但不是单一的化合物，是由分子大小不同，组成结构各异的羟基芳香族化合物组成的混合物。其组成： CHO N S、P含量55655.56.5 2.53.534 少量0主要官能团. OOH -OH -OCH3-C-0-腐殖酸及其改性产物的结

18、构片段可表示为：X00C其中 X=H , Y=HX=K , Y=H ,腐殖酸腐殖酸钾K-HmX=Na , Y=H 腐殖酸钠，煤碱剂，Na-HmX=Na , Y=NO2硝基腐殖酸钠，Na-NHmX=Na、Y=CH2SO3Na 磺甲基腐殖酸钠、Na-SMHm油田化学剂 课程讲稿上述改性产物各有特点，腐殖酸钠和腐殖酸钾耐温(180C)不耐 盐；硝基腐殖酸钠和磺甲基腐殖酸钠既耐温(200C)、又耐盐(3X104mg/L),并耐钙镁(500 mg/L)。此外还有铭腐殖酸、腐殖酸铁等改 性产物。改性纤维素纤维素是一种天然高分子化合物，具结构是 聚B葡萄糖，由于分 子链上的羟基形成分子内和分子问氢键而产生结

19、晶，故不溶于水。经 改性后可生成水溶性的改性纤维素。在油田应用广泛的是竣甲基纤维 素和羟乙基纤维素其结构：X = -CH 2COONaCarboxymethyl cellulose Na - CMCX - -CH2CH2OH Hydroxyethyl celluloseHECX= -CH 2COONa 竣甲基纤维素(carboxymethyl cellulose)Na-CMCX= -CH 2CH2OH羟乙基纤维素(hydroxyethyl cellulose)HEC改性后的纤维素由于分子中引入了相对较大的基团，使分子间排 列不再紧密，破坏了分子链间的氢键，使水分子容易进入并产生水化 作用，而水

20、溶。其中应用较多的是 CMC。耐温130-140C。 CMC (carboxyl methyl cellulose是直链线型水溶性高分子化合物。 它的两个主要性能指标是相对分子质量和取代度(每个失水糖单元上 的羟基中的氢被取代的数目 degrees of substitution D 3取代度的高低是决定CMC水溶性的主要因素，取代度大于 0.5的 CMC才易溶于水，取代度越高其水溶性越好。作为钻井液处理剂的 CMC,取代度为0.60.9效果较好。CMC是一种抗盐、抗温能力较强的降滤失剂，也有一定的抗钙能 力。降失水的同时还有增粘作用，适用于配制海水钻井液、饱和盐水 钻井液和钙处理钻井液，是目

21、前应用广泛的一种降滤失剂。国内钻5000 米以上的超深井时，用CMC作降滤失剂获得较好效果。油田化学剂课程讲稿CMC主要是通过稳定胶体颗粒作用达到降低滤失量的目的。 CMC 在钻井液中解离成长链多价负离子，链上的羟基与粘土颗粒表面上的 氧原子形成氢键吸附，一部分竣基与断键边缘处的铝离子之间产生静 电吸力，一部分竣基则通过水化作用使粘土颗粒表面形成水化层，同 时增加了粘土颗粒表面的（电位。由于CMC分子链较长，一个分子可 同时吸附多个粘土颗粒，与粘土颗粒形成混合网状结构，避免粘土颗 粒相互粘结变大，从而大大提高了粘土颗粒的聚结稳定性，有利于形 成致密而坚韧的滤饼。止匕外，CMC能提高滤液粘度，以

22、及本身的堵孔 作用都可降低滤失量。改性淀粉淀粉也是天然高分子化合物，具结构是聚 a葡萄糖，有支链淀粉和 直链淀粉两种，支链淀粉可溶于水，直链淀粉不溶于水。常用的淀粉支链含量70-80%。碱淀粉（预胶化淀粉）是玉米淀粉和土豆淀粉，其中直链含量 20-30%, 淀粉本身不能直接应用，需要进行改性X=NaX= -CH2COONa竣甲基淀粉X=-C2H40H羟乙基淀粉X=-C3H60H羟内基淀粉3 Cl阳离子淀粉淀粉改性产物的耐盐性较好，耐温 120C,生物稳定性差油田化学剂课程讲稿改性树脂磺甲基酚醛树脂（sulfomethylated phenolic resin SMP、SP）SMP与SP均为磺甲

23、基酚醛树脂的商品代号，它们的合路线略有 不同。SMP的合成是先在酸性条件（pH=34）下使甲醛与苯酚反应, 生成适当相对分子质量的线型酚醛树脂，再在碱性条件下加入磺甲基 化试剂进行磺甲基反应。适当控制反应条件，可得到磺化度较高，相对分子质量较大的产品。H +2O OHCHOH+ CH 2O + NaHSO 3 SP的合成是将苯酚与甲醛、亚硫酸钠或亚硫酸氢钠一次投料，在 碱性条件下，边缩合边磺甲基化，生成磺甲基酚醛树脂。OH6+磺甲基酚醛树脂是一种水溶性的不规则线型高分子，分子结构主 要以苯环、亚甲基桥和 C-S键组成。分子中的酚羟基为吸附基团，磺 甲基为亲水基团。它的抗盐能力和热稳定性均很强，

24、抗温可达200220 c。丙烯酰胺类聚合物水解聚丙烯月青（HPAN）聚丙烯月青是由丙烯月青聚合而成的高分子化合物，俗称月青纶，水解 聚丙烯月青是以月青纶生产中的废丝为原料，用碱水解后得到的产物。水 解反应为：CH2-CH n + NaOH + H 2O （ CH2-CH 厂x（ CH2-CH 兀 一（CH2-CH 厂z CNCOONa CONH2 CN也可水解成钱盐（或钾盐）-10 -油田化学剂课程讲稿(CH2-CH )x ( CH2-CH )y ( CH 2-CH )z COONH 4 CONH 2 CN近年来，世界各国先后研制出多种聚合物型的抗高温钻井液降滤失剂， 并优选出相关钻井液的应用

25、配方，其中主要单体有 AM和AMPS 如聚丙烯酰胺的改性产物：4 CH 2-ch )-m 4 CH 2-CH )-n 4 CH 2-CH )-p( CH 2-ch)rCONH 2 COONa CONHCH QH CONHCH 2sO3Na 2223在各类水溶性聚合物中，聚丙烯酰胺是性能非常优良，价格便宜 的人工合成产品。它具有良好的增稠、降阻、絮凝等作用，日益受到 国内外石油届人士的重视。但是，国内外多年的研究工作表明，丙烯 酰胺类聚合物主要缺点是：剪切安定性差，泵送时机械降解严重；耐盐 性差，对矿化水尤其是多价金属离子敏感，在多价金属离子存在的盐 水中溶液粘度锐减，甚至发生沉淀；热稳定性差，

26、在一般盐水中使用极 限温度为75c (因Ca2+, Mg2+含量而异);耐温耐酸性差，溶于盐酸中所 形成的稠化酸在80c左右即生成沉淀。为了克服丙烯酰胺类聚合物的上述缺点，从上世纪70年代起，国内外广泛开展了聚丙烯酰胺的改性工作，其目的在于改变丙烯酰胺类 聚合物的分子结构以克服其固有的弱点，从而获得更适合油田使用的 改性聚合物。这种改性工作分为两个方面：一是通过共聚引入具有耐 温、耐盐和抗剪切性能的链节，二是通过改变丙烯酰胺的结构而又使 其不失去聚合功能，即开发新型丙烯酰胺类单体，实际上这两种方法 是分不开的。其中AMPS最为引人注目一种改性单体。目前油田用聚 合物的改性研究，绝大多数正是以

27、AMPS作为改性单体。AMPS可看作是AM的衍生物OCH3 3CH2=CH-C-NH-C-CH 2s03Hch3(2-丙烯酰胺基-2-甲基)丙磺酸 AMPS但由于AMPS结构式中含有强阴离子性、水溶性的磺酸基团，屏 蔽的酰胺基团及不饱和双键，使其具有优良的性能。磺酸基团使其具 有染色亲和性、导电性、离子交换性和对二价阳离子很好的耐受力；酰-11 -油田化学剂课程讲稿胺基团使其有很好的水解稳定性、抗酸、抗碱及热稳定性 ；而活泼的双 键又使其具有加成、聚合性能。其中有二元共聚物、三元共聚物、甚至四元共聚物CH 2 CH m-rCH丁 CHCONH 2CONHCH 3CCH 2SO 3NaCH 3AM-AMPS共聚物(CH 2-CH )x ( CH2-CH )y ( CH2-CH )zI一CONH 2COONaCONHCH3CCH 2sO3NaCH3丙烯酰胺-丙烯酸钠-（2-丙烯酰胺基-2-甲基）丙磺酸钠共聚物（