1、第二章第二章 钻井液化学钻井液化学 钻井液钻井液是指在旋转钻井工程中用作洗井的流体的总称，原是指在旋转钻井工程中用作洗井的流体的总称，原称称泥浆泥浆。是由不同液体、固体以及化学处理剂混合而成的多相。是由不同液体、固体以及化学处理剂混合而成的多相分散体系（包括悬浮体、胶体、真溶液）。分散体系（包括悬浮体、胶体、真溶液）。 钻井液化学钻井液化学主要研究钻井液的组成、性能、及其控制与调主要研究钻井液的组成、性能、及其控制与调整，目的在于实现优质、快速、安全、经济地钻井。整，目的在于实现优质、快速、安全、经济地钻井。 钻井液通过钻杆与地层或钻杆与套管之间的环形钻井液通过钻杆与地层或钻杆与套管之间的环形
2、空间循环上返至地面，钻井液性能的好坏直接关系到空间循环上返至地面，钻井液性能的好坏直接关系到钻井的成败，人们常以钻井液是钻井的血液来比喻其钻井的成败，人们常以钻井液是钻井的血液来比喻其重要性。重要性。 充分显示了泥浆在钻井工作中的重要性。充分显示了泥浆在钻井工作中的重要性。第一节第一节 钻井液的功能与组成钻井液的功能与组成一、钻井液的功能一、钻井液的功能 1、携带和悬浮钻屑、携带和悬浮钻屑 泥浆的一个基本功用，就是要把钻头破碎的岩泥浆的一个基本功用，就是要把钻头破碎的岩屑从井底带出井眼。屑从井底带出井眼。 当接钻杆换钻头或临时停止循环时，泥浆又把井当接钻杆换钻头或临时停止循环时，泥浆又把井眼内
3、的钻屑悬浮住，不致很快下沉，防止沉砂卡钻的眼内的钻屑悬浮住，不致很快下沉，防止沉砂卡钻的危险。危险。2、稳定井壁、稳定井壁 井壁稳定、井眼规则是优质快速钻井的基础条井壁稳定、井眼规则是优质快速钻井的基础条件，也是泥浆措施的基本立足点。泥浆的组成必须件，也是泥浆措施的基本立足点。泥浆的组成必须对对钻遇的泥页岩的水化膨胀和分散具有较强的抑制钻遇的泥页岩的水化膨胀和分散具有较强的抑制作用作用。 同时，泥浆的滤失性能应有利于在井壁上形成同时，泥浆的滤失性能应有利于在井壁上形成薄而韧、摩擦系数小的泥饼。薄而韧、摩擦系数小的泥饼。3、冷却和冲洗钻头、润滑钻头、冷却和冲洗钻头、润滑钻头 钻井过程中，钻头、钻
4、柱与地层摩擦产生大量的钻井过程中，钻头、钻柱与地层摩擦产生大量的热，但地层的温度比钻井液高，因而这些热量很难被热，但地层的温度比钻井液高，因而这些热量很难被地层散发掉，必须用循环的钻井液带至地面散发掉，地层散发掉，必须用循环的钻井液带至地面散发掉，从而起到冷却钻头和钻杆的作用。从而起到冷却钻头和钻杆的作用。 钻井液中加有各种润滑剂或原油，能对钻柱有一钻井液中加有各种润滑剂或原油，能对钻柱有一定程度的润滑作用，从而降低钻柱扭矩，延长钻头寿定程度的润滑作用，从而降低钻柱扭矩，延长钻头寿命。命。4、平衡地层压力、平衡地层压力 调节钻井液密度建立与地层压力相适应的液柱调节钻井液密度建立与地层压力相适应
5、的液柱压力，防止发生井喷、井长、井漏的井下复杂问题。压力，防止发生井喷、井长、井漏的井下复杂问题。 5、冲洗井底、冲洗井底 钻井液可在钻头水眼处形成高速的液流，喷向钻井液可在钻头水眼处形成高速的液流，喷向井底。高速喷出的钻井液可将由于钻井液压力与地井底。高速喷出的钻井液可将由于钻井液压力与地层压力差而被压持在井底的岩屑冲起，起冲洗井底层压力差而被压持在井底的岩屑冲起，起冲洗井底的作用。的作用。5、冲洗井底、冲洗井底 钻井液可在钻头水眼处形成高速的液流，喷向钻井液可在钻头水眼处形成高速的液流，喷向井底。高速喷出的钻井液可将由于钻井液压力与地井底。高速喷出的钻井液可将由于钻井液压力与地层压力差而被
6、压持在井底的岩屑冲起，起冲洗井底层压力差而被压持在井底的岩屑冲起，起冲洗井底的作用。的作用。6、悬浮岩屑和固体密度调整材料、悬浮岩屑和固体密度调整材料 钻井液悬浮岩屑和固体密度调整材料的能力，钻井液悬浮岩屑和固体密度调整材料的能力，可使钻井液停止循环后易于再启动。可使钻井液停止循环后易于再启动。7、获取地层信息、获取地层信息 通过钻井液携带出的岩屑，可以获取许多地层通过钻井液携带出的岩屑，可以获取许多地层信息，如油气显示、地层物性等。信息，如油气显示、地层物性等。8、传递功率、传递功率 钻井液可通过它在钻头水眼处形成的高压射流，钻井液可通过它在钻头水眼处形成的高压射流，将钻井液泵的功率传至井底
7、，提高钻头的破岩能力，将钻井液泵的功率传至井底，提高钻头的破岩能力，加快钻井速度。加快钻井速度。 若用涡轮钻具钻井，钻井液还可在高速流经涡轮若用涡轮钻具钻井，钻井液还可在高速流经涡轮叶片时将钻井液泵的功率传递给涡轮，带动钻头，破叶片时将钻井液泵的功率传递给涡轮，带动钻头，破碎岩石。碎岩石。二、钻井液的组成和分类二、钻井液的组成和分类1.1.钻井液的组成钻井液的组成 钻井液是由不同的固体（如：粘土）、液体（如：水、钻井液是由不同的固体（如：粘土）、液体（如：水、油）与化学处理剂（如：丹宁）混合而成的油）与化学处理剂（如：丹宁）混合而成的多相分散体系多相分散体系- -胶体悬浮体胶体悬浮体。 即由分
8、散介质、分散相和钻井液处理剂组成。即由分散介质、分散相和钻井液处理剂组成。2、钻井液的分类、钻井液的分类目前使用的钻井液有两种基本类型：目前使用的钻井液有两种基本类型：v水基钻井液水基钻井液 连续相是水，水可以是淡水、海水、硬水、软水连续相是水，水可以是淡水、海水、硬水、软水等，内相包括固体、液体和气体。等，内相包括固体、液体和气体。活性固体活性固体受化学剂受化学剂处理以后可以控制钻井液的性质。处理以后可以控制钻井液的性质。v油基钻井液油基钻井液 连续相是油，内相是水，水含量连续相是油，内相是水，水含量550%，含水，含水10%以上的称为油包水乳化泥浆，低于以上的称为油包水乳化泥浆，低于10%
9、的称为油的称为油基泥浆。基泥浆。 （1）油包水泥浆）油包水泥浆 以柴油或原油作分以柴油或原油作分散介质，水及有机膨润土或其散介质，水及有机膨润土或其它的亲油粉末物质作分散相，加乳化剂等处理剂配制它的亲油粉末物质作分散相，加乳化剂等处理剂配制而成而成。 特点特点：热稳定性高，有较好的防塌、润滑效果，：热稳定性高，有较好的防塌、润滑效果，对油气层的损害小，常用于超深井的高温地段，钻进对油气层的损害小，常用于超深井的高温地段，钻进易塌地段。易塌地段。 （2）油基泥浆）油基泥浆 由柴油或原油和氧化沥青或有机膨润土及有关由柴油或原油和氧化沥青或有机膨润土及有关处理剂配成。处理剂配成。 特点：对油层损害小
10、，抗可溶性盐浸的能力强。特点：对油层损害小，抗可溶性盐浸的能力强。 大部分地区使用水基钻井液。大部分地区使用水基钻井液。 油基钻井液由于成本高一般用于钻高温、复杂油基钻井液由于成本高一般用于钻高温、复杂的的水敏地层水敏地层，钻大斜度的定向井和水平井，或者水，钻大斜度的定向井和水平井，或者水基钻井液会使油层严重破坏的地层。基钻井液会使油层严重破坏的地层。三、钻井液体系简介三、钻井液体系简介1 1、自然钻井液体系、自然钻井液体系（19041921） 开始于开始于1904年年1921年间，使用清水钻井，不年间，使用清水钻井，不加任何处理剂。加任何处理剂。 使用时经常出现复杂井下问题。使用时经常出现复
11、杂井下问题。2、细分散钻井液体系（、细分散钻井液体系（1921-） 又称又称Na-基泥浆，特点是粘土颗粒高度分散。基泥浆，特点是粘土颗粒高度分散。 在本阶段中，由于人为地加入粘土来配制钻井液，在本阶段中，由于人为地加入粘土来配制钻井液，并加入一些化学分散剂如：纯碱、烧碱、丹宁等，使并加入一些化学分散剂如：纯碱、烧碱、丹宁等，使粘土充分分散，大大改善了钻井液性能。粘土充分分散，大大改善了钻井液性能。 随着井的加深，井温的升高，此种钻井液对地层随着井的加深，井温的升高，此种钻井液对地层的盐类和粘土特别敏感，性能不稳定，粘度和切力变的盐类和粘土特别敏感，性能不稳定，粘度和切力变化比较大。化比较大。3
12、、粗分散钻井液（、粗分散钻井液（1946-） 其特点是采用了多种无机盐作粘土分散抑制剂如：其特点是采用了多种无机盐作粘土分散抑制剂如：CaCl2等，配合以耐盐的降粘剂（稀释剂）、降滤失等，配合以耐盐的降粘剂（稀释剂）、降滤失剂而配制成粗分散体系，从而大大提高了其耐温和抗剂而配制成粗分散体系，从而大大提高了其耐温和抗各种侵污能力。如：粗分散的钙处理泥浆、盐水泥各种侵污能力。如：粗分散的钙处理泥浆、盐水泥浆浆 。4、不分散低固相聚合物钻井液体系（、不分散低固相聚合物钻井液体系（1966-） 其特点是使用了有选择性絮凝剂，如：聚丙烯酰其特点是使用了有选择性絮凝剂，如：聚丙烯酰胺及其衍生物，醋酸乙烯酯
13、与顺丁烯二酸酐的共聚物。胺及其衍生物，醋酸乙烯酯与顺丁烯二酸酐的共聚物。它们可以对岩屑起包被作用，控制分散。它们可以对岩屑起包被作用，控制分散。 配制时保持低固相含量（小于配制时保持低固相含量（小于4%），因而大大提），因而大大提高了钻速。高了钻速。v概括来讲，泥浆类型从细分散的钠基泥浆发展到粗概括来讲，泥浆类型从细分散的钠基泥浆发展到粗分散的钙处理泥浆、盐水泥浆；分散的钙处理泥浆、盐水泥浆；v从水基泥浆发展到油基泥浆、油包水乳化泥浆；从水基泥浆发展到油基泥浆、油包水乳化泥浆；v从无机处理剂、一般有机处理剂发展到高分子化合从无机处理剂、一般有机处理剂发展到高分子化合物和表面活性剂。物和表面活性
14、剂。第二节第二节 钻井液性能要求与调整钻井液性能要求与调整一、钻井液密度一、钻井液密度 v定义定义：指单位体积内钻井液的质量：指单位体积内钻井液的质量kg/m3。 v作用作用：主要用来调节钻井液的静液柱压力，以平衡地：主要用来调节钻井液的静液柱压力，以平衡地层压力，防止发生井喷、井塌。层压力，防止发生井喷、井塌。 v要求要求：必须根据所钻地层的孔隙压力、破裂压力以及：必须根据所钻地层的孔隙压力、破裂压力以及钻井液的流变参数加以确定。钻井液的流变参数加以确定。v调整调整：（：（1）提高密度采用合格的加重剂如：石灰石、）提高密度采用合格的加重剂如：石灰石、重晶石；（重晶石；（2）降低密度可采用加水
15、稀释，或是气体或）降低密度可采用加水稀释，或是气体或加稀的处理剂。加稀的处理剂。 二、钻井液的固含量二、钻井液的固含量 v定义定义：泥浆中所含固相物质的多少称为泥浆的固：泥浆中所含固相物质的多少称为泥浆的固相含量，一般用体积百分数来表示。相含量，一般用体积百分数来表示。 v分类分类：根据钻井液中固体的性质可将其分为两类：根据钻井液中固体的性质可将其分为两类： （1）活性固体活性固体。这些固体在水中这些固体在水中水化分散水化分散，它们的，它们的物理化学性质受水中离子和钻井液处理剂的影响，物理化学性质受水中离子和钻井液处理剂的影响，如粘土。如粘土。（2）惰性固体惰性固体。这些固体不溶于水，它在水中
16、也不这些固体不溶于水，它在水中也不水化分散，如：重晶石、石灰石等。水化分散，如：重晶石、石灰石等。 v钻井液固含量对钻速的影响钻井液固含量对钻速的影响 固相含量是影响钻速最主要的因素，因而现代固相含量是影响钻速最主要的因素，因而现代钻井工艺中特别强调控制固相含量。钻井工艺中特别强调控制固相含量。 空气和天然气是钻速最快的流体。水是钻速最空气和天然气是钻速最快的流体。水是钻速最快的液体，当水中加入固体物质以后将导致钻速下快的液体，当水中加入固体物质以后将导致钻速下降。固相含量是影响钻速最主要的因素，因而现代降。固相含量是影响钻速最主要的因素，因而现代钻井工艺中特别强调控制固相含量。钻井工艺中特别
17、强调控制固相含量。 固相中固相中粘土粘土比其它固体对钻速的影响要大。比其它固体对钻速的影响要大。 三、三、钻井液的酸碱度钻井液的酸碱度vpH值值：一般钻井液的：一般钻井液的pH值控制在值控制在8.511.5之间。一之间。一些钻井液的最佳控制是基于些钻井液的最佳控制是基于pH值。值。v酚酞碱度酚酞碱度：当：当pH值降到值降到8.3所需酸的数量称为酚酞碱所需酸的数量称为酚酞碱度，一般用度，一般用Pm表示钻井液的酚酞碱度。用表示钻井液的酚酞碱度。用Pf表示钻井表示钻井液滤液的酚酞碱度，单位是液滤液的酚酞碱度，单位是mL。 其意义是：钻井液中除其意义是：钻井液中除OH-外还有外还有CO32-、HCO3
18、-，当当pH=8.3时，时，OH-+H+H2O反应完成，但反应完成，但HCO3-还存还存在：在：CO32-+H+HCO3-。一般钻井液控制存在。一般钻井液控制存在1.31.5mL。v甲基橙碱度甲基橙碱度 pH值降到值降到4.3时所需酸的量称为甲基橙碱度。钻时所需酸的量称为甲基橙碱度。钻井液的甲基橙碱度用井液的甲基橙碱度用Mm表示，钻井液滤液的甲基橙表示，钻井液滤液的甲基橙碱度用碱度用Mf表示。表示。 用途：当用途：当pH=4.3时，时，H+HCO3-H2O+CO2v为了对付地层为了对付地层Ca2+对钻井液的造成的侵害（使泥浆的性对钻井液的造成的侵害（使泥浆的性能不稳定，流动性和滤失性受到严重影
19、响，称之为能不稳定，流动性和滤失性受到严重影响，称之为钙侵钙侵）。）。为此，可用石灰处理泥浆，辅助以其它处理剂配制钙处理为此，可用石灰处理泥浆，辅助以其它处理剂配制钙处理泥浆。泥浆。v对钻井液进行滴定以确定石灰石钻井液体系内可溶性和对钻井液进行滴定以确定石灰石钻井液体系内可溶性和不溶性石灰的含量。对钻井液滤液进行滴定以确定石灰在不溶性石灰的含量。对钻井液滤液进行滴定以确定石灰在钻井液中的含量（钻井液中的含量（Pf），不溶解石灰量可用），不溶解石灰量可用Pm-Pf计算出计算出来。来。v通过通过pH酚酞碱度和甲基橙碱度可以计算出钻井液中酚酞碱度和甲基橙碱度可以计算出钻井液中OH-, HCO3-、C
20、O32-的浓度。的浓度。v常用氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠等物质调常用氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠等物质调节节pH。四、四、可溶性盐类含量可溶性盐类含量 v总矿化度总矿化度：是指钻井液中水溶性无机盐的总浓度：是指钻井液中水溶性无机盐的总浓度v含盐量含盐量：指钻井液中：指钻井液中NaCl的含量的含量 v含钙量含钙量：指钻井液中游离的：指钻井液中游离的Ca2+含量含量 v游离石灰含量游离石灰含量：指在钻井液中未溶解：指在钻井液中未溶解Ca(OH)2的含量的含量 v可溶性盐含量对钻井液性能的影响可溶性盐含量对钻井液性能的影响 （1）钾盐钾盐有抑制粘土膨胀及分散的作用，故可以减有抑制粘
21、土膨胀及分散的作用，故可以减轻粘土含量高时对油层的损害，并可控制地层造浆，有利轻粘土含量高时对油层的损害，并可控制地层造浆，有利于防塌。于防塌。 （2）饱和盐水钻井液饱和盐水钻井液可抑制岩盐的溶解，防止井塌，可抑制岩盐的溶解，防止井塌，获得规则的井眼。获得规则的井眼。 （3）但是配制较高含盐量的钻井液需消耗较多的处）但是配制较高含盐量的钻井液需消耗较多的处理剂费用较大，且会加剧钻具的理剂费用较大，且会加剧钻具的腐蚀腐蚀。v针对具体情况，对钻井液中各种盐的含量有不同的要针对具体情况，对钻井液中各种盐的含量有不同的要求。例如：淡水钻井液含盐量不得超过求。例如：淡水钻井液含盐量不得超过10 kg/m
22、3。而。而钻盐岩的钻井液的含盐量随时保持饱含状态，甚至可钻盐岩的钻井液的含盐量随时保持饱含状态，甚至可以过饱含。以过饱含。v对于水敏层，含一定量的对于水敏层，含一定量的K+或或NH4+的钻井液有利于防的钻井液有利于防塌。塌。五、钻井液的滤失性和造壁性五、钻井液的滤失性和造壁性 1、滤失性、滤失性 在钻井过程中，在液柱压力与地层压力差（以及浓度）在钻井过程中，在液柱压力与地层压力差（以及浓度）的作用下，钻井液的水向地层渗透的现象。的作用下，钻井液的水向地层渗透的现象。2、造壁性、造壁性 钻井液在滤失水的同时，其中固体颗粒在井壁上形成钻井液在滤失水的同时，其中固体颗粒在井壁上形成一层滤饼，称为造壁
23、性。一层滤饼，称为造壁性。3、滤失量、滤失量 钻井液在一定的压差下和温度下，通过钻井液在一定的压差下和温度下，通过45.80.6cm2过滤面积的滤纸，经过过滤面积的滤纸，经过30 min后滤液的数量称为滤失量，后滤液的数量称为滤失量，单位是单位是mL。4、滤失量大造成的危害、滤失量大造成的危害v泥浆的失水量过大会引起：泥浆的失水量过大会引起： （1）水敏性泥页岩的垮塌；）水敏性泥页岩的垮塌； （2）损害油、气产层。）损害油、气产层。 （3）泥浆的失水量过大造成滤饼过厚进而会引起起钻）泥浆的失水量过大造成滤饼过厚进而会引起起钻具时提力增加，甚至遇卡；妨碍套管的顺利下入，不利具时提力增加，甚至遇卡
24、；妨碍套管的顺利下入，不利于固井时水泥与井壁的胶固，影响固井质量。于固井时水泥与井壁的胶固，影响固井质量。5、滤饼的质量、滤饼的质量v好的泥浆的滤饼一定要薄、致密、韧性好能经受泥好的泥浆的滤饼一定要薄、致密、韧性好能经受泥浆流循环时的冲刷，滤失量低。浆流循环时的冲刷，滤失量低。A：滤饼面积（：滤饼面积（cm2）；）；K：滤饼的渗透率（达西）；：滤饼的渗透率（达西）； ：钻井液滤液粘度（厘泊）；：钻井液滤液粘度（厘泊）；P：压差（：压差（Pa）；）；t：时间（：时间（s）；）；Cc：滤饼中固相的体积分数；：滤饼中固相的体积分数；Cm：钻井液中固相体积分数；：钻井液中固相体积分数；utPCCKAu
25、tPCCKAVmcmcf) 1() 1( 6、影响钻井液滤失量和滤饼质量的因素、影响钻井液滤失量和滤饼质量的因素 经数学推导和物理模型简化，钻井泥浆的滤失量可用经数学推导和物理模型简化，钻井泥浆的滤失量可用达西达西公式公式表示：表示：v其中其中 固相含量系数、固相含量系数、K主要由钻井液固相含量、主要由钻井液固相含量、固相类型、颗粒分布以及水化分散程度有关，具体来讲：固相类型、颗粒分布以及水化分散程度有关，具体来讲：（1）钻井液中优质活性固体）钻井液中优质活性固体膨润土含量增加一般滤膨润土含量增加一般滤失量下降。然而钻井液中固相含量增加会使钻井液粘度升失量下降。然而钻井液中固相含量增加会使钻井
26、液粘度升高，为了使钻井液有好的流动性，不采用提高钻井液固相高，为了使钻井液有好的流动性，不采用提高钻井液固相含量的方法来降低滤失量。含量的方法来降低滤失量。（2）降滤失剂如：）降滤失剂如：CMC、磺甲基褐煤、酚醛树酯、烯类、磺甲基褐煤、酚醛树酯、烯类单体聚合物单体聚合物等能堵塞滤饼的孔，降低等能堵塞滤饼的孔，降低K。)1(mcCC降滤失剂降滤失剂1、钻井液滤失量过大的危害及使用降滤失剂的必、钻井液滤失量过大的危害及使用降滤失剂的必要性要性 （1）钻井过程中钻井液滤失量大，容易引起泥）钻井过程中钻井液滤失量大，容易引起泥页岩的水化膨胀、造浆和井漏井塌，造成井壁不稳页岩的水化膨胀、造浆和井漏井塌，
27、造成井壁不稳定；定； （2）钻井液和滤液侵入地层引起粘土膨胀，堵）钻井液和滤液侵入地层引起粘土膨胀，堵塞地层油气流通道损害产层。塞地层油气流通道损害产层。 （3）滤失量大的同时滤饼增厚，而滤饼增厚使井）滤失量大的同时滤饼增厚，而滤饼增厚使井径缩小，给旋转的钻具造成大的扭矩，容易造成卡径缩小，给旋转的钻具造成大的扭矩，容易造成卡钻钻 所以，钻井液滤失量大，对快速、优质、安全所以，钻井液滤失量大，对快速、优质、安全钻井可能带来很大的危害，严重时可使井报废。钻井可能带来很大的危害，严重时可使井报废。 因此适当地降低滤失量是钻井液的性能要求，因此适当地降低滤失量是钻井液的性能要求，为此需加入降滤失剂。
28、为此需加入降滤失剂。 2、形成低渗透率、滤失量小的滤饼的条件、形成低渗透率、滤失量小的滤饼的条件 （1）合理的多级分散的颗粒分布）合理的多级分散的颗粒分布 固相颗粒尺寸分布范围宽所形成的滤饼的孔隙度固相颗粒尺寸分布范围宽所形成的滤饼的孔隙度比固相颗粒比固相颗粒尺寸分布范围窄所形成的滤饼的孔隙度低。尺寸分布范围窄所形成的滤饼的孔隙度低。 固相颗粒尺寸逐渐地变化，而固相中小颗粒适当的多，这样固相颗粒尺寸逐渐地变化，而固相中小颗粒适当的多，这样所形成的滤饼有低的孔隙度。所形成的滤饼有低的孔隙度。（2）胶体颗粒的类型）胶体颗粒的类型 如果胶体颗粒水化性好，则在压力下容易变形，所形成的滤如果胶体颗粒水化
29、性好，则在压力下容易变形，所形成的滤饼的渗透率自然降低。饼的渗透率自然降低。 3、降滤失剂的作用机理、降滤失剂的作用机理 （1）护胶作用）护胶作用 u降滤失剂一方面能吸附在粘土表面形成吸附层，以阻止粘土降滤失剂一方面能吸附在粘土表面形成吸附层，以阻止粘土颗粒絮凝变大；颗粒絮凝变大；u 另一方面能把在另一方面能把在钻井液循环搅拌下拆散的细粒稳定下来钻井液循环搅拌下拆散的细粒稳定下来，不，不再粘结成大颗粒。再粘结成大颗粒。 这样能大大增加细小颗粒的比例，从而使钻井液能形成薄而这样能大大增加细小颗粒的比例，从而使钻井液能形成薄而致密的滤饼，降低滤失量。这种作用称为降滤失剂的护胶作用。致密的滤饼，降低
30、滤失量。这种作用称为降滤失剂的护胶作用。（2）降滤失剂分子本身的堵孔作用）降滤失剂分子本身的堵孔作用 大部分有机高分子降滤失剂的分子尺寸在胶体颗粒的范围内，大部分有机高分子降滤失剂的分子尺寸在胶体颗粒的范围内，加入这些处理剂就增加了钻井液中胶体的含量，它们对滤饼有加入这些处理剂就增加了钻井液中胶体的含量，它们对滤饼有堵孔作用，从而降低滤失量。堵孔作用，从而降低滤失量。 注意点：注意点： u降滤失剂在钻井液中的浓度一定要足够高。降滤失剂在钻井液中的浓度一定要足够高。 一方面利于将拆散的粘土颗粒包围起来，另一一方面利于将拆散的粘土颗粒包围起来，另一方面，因水化基团的水化而形成厚的水化膜，使粘方面，
31、因水化基团的水化而形成厚的水化膜，使粘土颗粒不易合并变大。土颗粒不易合并变大。 加入降滤失剂的浓度低于护胶作用所需要的浓加入降滤失剂的浓度低于护胶作用所需要的浓度时度时，降滤失剂会引起钻井液中的粘土颗粒更容易，降滤失剂会引起钻井液中的粘土颗粒更容易聚沉，这种作用称为高分子的敏化作用。聚沉，这种作用称为高分子的敏化作用。 常见的有机降滤失剂常见的有机降滤失剂一、羧甲基纤维素钠（一、羧甲基纤维素钠（Na-CMC）羧甲基羧甲基粉状粉状羧甲基纤维素钠羧甲基纤维素钠 1、纤维素纤维素的结构的结构 纤维素纤维素是由许多环式葡是由许多环式葡萄糖单元或称链节构成的长萄糖单元或称链节构成的长链状高分子化合物，其
32、结构链状高分子化合物，其结构式可表示为：式可表示为： HHC H2O HO HH OHO HOO HHHOOOHOHCH2OHHOOCH2OHOHOn OOHOHOOHCH2OHOCH2OHOHHOO-1,4-苷键苷键OOOHOHCH2OHHOOCH2OHOHOn OOHOHOOHCH2OHOCH2OHOHHOO羟甲基羟甲基2、Na-CMC的制备的制备（1）碱化）碱化 将除去杂质的脱脂纤维素用约将除去杂质的脱脂纤维素用约20%的的NaOH处理，变成处理，变成碱纤维素，其中的羟甲基反应活性最高，由于碱化过程中有碱纤维素，其中的羟甲基反应活性最高，由于碱化过程中有降解作用，使聚合度降低，故聚合度改
33、用降解作用，使聚合度降低，故聚合度改用n。 （2）醚化（羧甲基化反应）醚化（羧甲基化反应） 碱化完成后，加入醚化剂（碱化完成后，加入醚化剂（ClCH2COONa和和Na2CO3）在）在一定的温度下反应一段时间引入羧甲基，则生成水溶性的一定的温度下反应一段时间引入羧甲基，则生成水溶性的Na-CMC。 （3）老化）老化 将捏合机中醚化好的产物装入容器中，在室温下老化一将捏合机中醚化好的产物装入容器中，在室温下老化一段时间，使醚化反应完全。段时间，使醚化反应完全。 （4）将老化好的）将老化好的Na-CMC干燥，粉碎后包装。这就是现场干燥，粉碎后包装。这就是现场使用的使用的Na-CMC。 3、Na-C
34、MC的结构特点的结构特点 （1） 聚合度（平均聚合度）聚合度（平均聚合度） 一般棉纤维素的平均聚合度为一般棉纤维素的平均聚合度为1800-2000左右。由于制备过程左右。由于制备过程中产生降解，所以中产生降解，所以 Na-CMC的聚合度为的聚合度为200-600，仍属长链大分子。，仍属长链大分子。 Na-CMC的聚合度决定其水溶液的粘度，在相同的条件下，的聚合度决定其水溶液的粘度，在相同的条件下，聚合度越高，水溶液粘度越大。聚合度越高，水溶液粘度越大。 Na-CMC分为三个等级分为三个等级：u高粘度高粘度的的Na-CMC，在，在25时时1%水溶液粘度为水溶液粘度为400-500mPas。一般用
35、作低固相钻井液的封堵剂和增稠剂；。一般用作低固相钻井液的封堵剂和增稠剂；u中粘中粘Na-CMC，在，在25时时2%水溶液粘度为水溶液粘度为50-270mPas。一般用作钻井液降滤失剂，同时又提高钻井液的粘度；一般用作钻井液降滤失剂，同时又提高钻井液的粘度；u低粘低粘Na-CMC，在，在25时时2%水溶液粘度小于水溶液粘度小于50mPas，可用作钻井液降滤失剂，但又不增加钻井液的粘度。，可用作钻井液降滤失剂，但又不增加钻井液的粘度。 （2）醚化度）醚化度 醚化度一般用醚化了的羟基数（即取代度）表示。醚化度一般用醚化了的羟基数（即取代度）表示。u例如每个葡萄糖链节上的三个羟基都醚化了，则例如每个葡
36、萄糖链节上的三个羟基都醚化了，则取代度为取代度为3；如果两个链节有一个羟基被醚化了，；如果两个链节有一个羟基被醚化了，则取代度为则取代度为0.5。u另一种表示方法为百分数，以每个链节上有一个另一种表示方法为百分数，以每个链节上有一个羟基被醚化了则醚化度为羟基被醚化了则醚化度为100%，而每两个链节上，而每两个链节上只有一个羟基被醚化时，则醚化度为只有一个羟基被醚化时，则醚化度为50%。 （ 3）Na-CMC的抗无机电解质的性能的抗无机电解质的性能 Na-CMC的碱金属的碱金属Na+、K+和碱土金属和碱土金属Ca2+、Mg2+、的盐都可溶于水，而后者的溶解度比前者小。遇到重金属离的盐都可溶于水，
37、而后者的溶解度比前者小。遇到重金属离子子Ag+和高价和高价Al3+、Fe3+ 、Cr3+等生成沉淀，所以等生成沉淀，所以Na-CMC可可用于含盐的钻井液和一般钙基钻井液，但用于含盐的钻井液和一般钙基钻井液，但CaCl2浓度过高会浓度过高会引起引起 Na-CMC絮凝。絮凝。（ 4）Na-CMC的抗温性能的抗温性能 因为因为Na-CMC的分子链中有醚键，故抗温性不好，在的分子链中有醚键，故抗温性不好，在一般钻井液中只能抗一般钻井液中只能抗130-140。4、Na-CMC的降滤失机理的降滤失机理主要是主要是护胶作用护胶作用和和堵孔作用堵孔作用。 在在Na-CMC分子链中，羟基和醚氧主要是与粘土颗粒表
38、分子链中，羟基和醚氧主要是与粘土颗粒表面的官能团氢键吸附，羧基钠主要是引起水化的官能团。面的官能团氢键吸附，羧基钠主要是引起水化的官能团。u降滤失剂能吸附在粘土表面形成吸附层，以阻止粘土降滤失剂能吸附在粘土表面形成吸附层，以阻止粘土颗粒絮凝变大，发挥护胶作用。颗粒絮凝变大，发挥护胶作用。u大部分有机高分子降滤失剂的分子尺寸在胶体颗粒的大部分有机高分子降滤失剂的分子尺寸在胶体颗粒的范围内，它们对滤饼有堵孔作用，从而降低滤失量。范围内，它们对滤饼有堵孔作用，从而降低滤失量。 二、褐煤类二、褐煤类腐植酸含有多种官能团，腐植酸含有多种官能团，如羧基、酚羟基、醇羟基、甲氧基、羰基如羧基、酚羟基、醇羟基、
39、甲氧基、羰基等。等。性能特点性能特点（1）分子内是）分子内是-C-C-健相连，还有苯环，所以热稳健相连，还有苯环，所以热稳定性相当好，最高可抗定性相当好，最高可抗200 温度。温度。 （2）抗盐性不好，这是因为分子中含有羧基。）抗盐性不好，这是因为分子中含有羧基。 （一）煤碱剂（一）煤碱剂（NaC）腐植酸钠腐植酸钠 煤碱剂是由褐煤粉加适量烧碱和水配制而成的，煤碱剂是由褐煤粉加适量烧碱和水配制而成的，其中的主要有效成份为腐植酸钠，是一种低成本的其中的主要有效成份为腐植酸钠，是一种低成本的处理剂。处理剂。 褐煤含有大量的腐植酸（褐煤含有大量的腐植酸（20-80%），腐植酸难），腐植酸难溶于水，易溶
40、于碱，生成腐植酸钠。溶于水，易溶于碱，生成腐植酸钠。 现场常用配方为现场常用配方为: 褐煤褐煤:烧碱烧碱:水水=15:(1-3):(50-200) 煤碱剂降滤失量的机理煤碱剂降滤失量的机理 主要是主要是护胶作用护胶作用和和堵孔作用堵孔作用。 u腐植酸钠是含有多种官能团的阴离子型大分子，腐植酸钠是含有多种官能团的阴离子型大分子，通过氢键能吸附在粘土颗粒表面，羧酸钠形成吸附通过氢键能吸附在粘土颗粒表面，羧酸钠形成吸附水化层，提高了粘土颗粒的稳定性，使钻井液中粘水化层，提高了粘土颗粒的稳定性，使钻井液中粘土颗粒保持多级分散状态，并有相对多的细颗粒，土颗粒保持多级分散状态，并有相对多的细颗粒，所以能形
41、成致密的滤饼；所以能形成致密的滤饼；u另外高分子的堵孔作用，使滤饼更致密，从而降另外高分子的堵孔作用，使滤饼更致密，从而降低滤失量低滤失量。 （二）磺甲基褐煤（有效组份是磺甲基腐植酸钠）（二）磺甲基褐煤（有效组份是磺甲基腐植酸钠）u它是由甲醛和它是由甲醛和Na2SO3或或NaHSO3在在pH=9-11的条件下对的条件下对褐煤进行磺甲基化反应制得。褐煤进行磺甲基化反应制得。(三三) 铬褐煤（铬腐植酸）铬褐煤（铬腐植酸） 铬腐植酸是铬腐植酸是Na2Cr2O7和褐煤的反应物。和褐煤的反应物。 其中腐植酸与其中腐植酸与Na2Cr2O7的重量比为的重量比为3:1或或4:1。两者混合后在两者混合后在80以
42、上反应生成腐植酸的铬螯合物，以上反应生成腐植酸的铬螯合物，铬腐植酸是其有效成份。反应包括氧化（生成铬腐植酸是其有效成份。反应包括氧化（生成Cr3+）及螯合两步。及螯合两步。 铬腐植酸在水中有较大的溶解度，其抗盐、抗铬腐植酸在水中有较大的溶解度，其抗盐、抗钙能力以及热稳定性也高于腐植酸钠。钙能力以及热稳定性也高于腐植酸钠。 磺甲基磺甲基磺甲基磺甲基u所得产品进一步用所得产品进一步用Na2Cr2O7进行氧化和螯合，生成的进行氧化和螯合，生成的磺甲基腐植酸铬处理钻井液的效果更好。磺甲基腐植酸铬处理钻井液的效果更好。u主要特点是热稳定性高，在主要特点是热稳定性高，在200-220下它能有效地下它能有效
43、地控制钻井液的滤失量和粘度。其突出特点是抗盐能力控制钻井液的滤失量和粘度。其突出特点是抗盐能力增强。增强。 由由FCSL(木质素磺酸盐木质素磺酸盐) 、铬腐植酸和表、铬腐植酸和表面活性剂如司盘面活性剂如司盘-80组成的组成的“铬腐植酸活性剂铬腐植酸活性剂钻井液钻井液”具有很好的热稳定性和具有很好的热稳定性和防塌效果防塌效果，现，现场曾在场曾在6280m的高温深井（的高温深井（235）和易塌地）和易塌地层中作用层中作用防塌效果明显说明钻防塌效果明显说明钻井液滤失量低井液滤失量低三、酚醛树脂类三、酚醛树脂类 （一）磺甲基酚醛树脂（一）磺甲基酚醛树脂（SMP和和SP） 1、SMP的合成路线是：先在的
44、合成路线是：先在酸性条件酸性条件下（下（pH=3-4）下使）下使甲甲醛和苯酚（苯酚过量）醛和苯酚（苯酚过量）反应，生成适当分子量的线型酚醛树反应，生成适当分子量的线型酚醛树脂，再在碱性条件下加入磺甲基化试剂进行磺化。脂，再在碱性条件下加入磺甲基化试剂进行磺化。 适当控制反应条件，可得到磺化度较高和分子量较大的适当控制反应条件，可得到磺化度较高和分子量较大的产品。产品。 特点是线型结构，没有交联。特点是线型结构，没有交联。 2、另一条合成路线：将苯酚、甲醛、另一条合成路线：将苯酚、甲醛、Na2SO3/NaHSO3一一次投料，在次投料，在碱催化碱催化下，边缩合边磺化，生成磺甲基酚醛下，边缩合边磺化
45、，生成磺甲基酚醛树脂：树脂： 磺甲基酚醛树脂具有如下特点：磺甲基酚醛树脂具有如下特点：1、分子主链由亚甲基桥和苯环组成，故热稳定性高，、分子主链由亚甲基桥和苯环组成，故热稳定性高，可抗可抗180-200高温。高温。2、因引入的磺酸基，其抗电解质能力是很好。、因引入的磺酸基，其抗电解质能力是很好。3、SMP、SP除具有降滤失能力外，还能改善滤饼除具有降滤失能力外，还能改善滤饼的润滑性。的润滑性。 四、烯烃单体聚合物类四、烯烃单体聚合物类（一）部分水解聚丙烯腈（一）部分水解聚丙烯腈HPAN 1、合成及制备、合成及制备 聚丙烯腈是由丙烯腈聚合而成的高分子聚合物，聚丙烯腈是由丙烯腈聚合而成的高分子聚合
46、物，平均分子量从平均分子量从12.5-20万，即平常所说腈纶（人造毛）。万，即平常所说腈纶（人造毛）。 CH2-CHn CN 聚丙烯腈不溶于水、价格又高，所以将腈纶废丝聚丙烯腈不溶于水、价格又高，所以将腈纶废丝用碱水解后的产物作为钻井液的处理剂：用碱水解后的产物作为钻井液的处理剂： C H2- C Hn C NX N a O HY H2OC H2- C Hx C H2- C Hy C H2- C HZ n = X + Y + ZC O O N aC O N H2C N+分子链中分子链中-CN、-CONH2是吸附基，是吸附基，-COONa是水化基。是水化基。2、性能特点：、性能特点：（1）聚合度
47、和水解度）聚合度和水解度u部分水解聚丙烯腈处理钻井液的性能，主要取决于聚合度和部分水解聚丙烯腈处理钻井液的性能，主要取决于聚合度和水解度。聚合度较高的水解度。聚合度较高的Na-HPAN，降滤失能力比较强，增加，降滤失能力比较强，增加钻井液粘度能力也较强。钻井液粘度能力也较强。u聚合度低的聚合度低的Na-HPAN，降滤失能力较低，增粘作用也差。，降滤失能力较低，增粘作用也差。u水解度影响其水溶性，一般控制水解度在水解度影响其水溶性，一般控制水解度在10-30%。 （2）Na-HPAN主链是主链是-C-C-键，可抗键，可抗240250高温，抗高温，抗盐能力较强，但抗钙能力较弱，能用于中等盐能力较强
48、，但抗钙能力较弱，能用于中等Ca2+浓度的浓度的钙处理钻井液中。碰到高浓度的钙处理钻井液中。碰到高浓度的CaCl2钻井液易生成絮状钻井液易生成絮状沉淀。沉淀。（3）腈基在井底的高温碱性条件下水解生成）腈基在井底的高温碱性条件下水解生成-CONH2、进一步水解生成进一步水解生成-COONa，这样缓和了高温对整个分，这样缓和了高温对整个分子链的作用，故而具有抗高温性。此外，子链的作用，故而具有抗高温性。此外，-CN还有抗还有抗菌作用。所以，在配制部分水解聚丙烯腈时往往少加菌作用。所以，在配制部分水解聚丙烯腈时往往少加一些碱，以便保留部分腈基和酰胺基。一些碱，以便保留部分腈基和酰胺基。 1 1、合成
49、与制备、合成与制备 在碱性条件下，在碱性条件下，聚丙烯酰胺与甲醛和亚硫酸钠聚丙烯酰胺与甲醛和亚硫酸钠反应得磺化聚丙烯酰胺：反应得磺化聚丙烯酰胺：（二）磺化聚丙烯酰胺（二）磺化聚丙烯酰胺 2、结构特点、结构特点u反应是在加热和碱性条件下进行的，所以伴有反应是在加热和碱性条件下进行的，所以伴有CONH2的部分水解。分子链上有吸附基的部分水解。分子链上有吸附基-CONH2、-CH2OH和水化基和水化基-COONa、-CH2SO3Na，四种，四种基团的比例不同，处理钻井液的效果也不同。磺基团的比例不同，处理钻井液的效果也不同。磺化聚丙烯酰胺的抗温可达化聚丙烯酰胺的抗温可达180-200u-CH2SO3
50、Na使其具有良好的抗盐能力。使其具有良好的抗盐能力。 六、高分子化合物对溶胶的保护六、高分子化合物对溶胶的保护保护作用或护胶作用保护作用或护胶作用v在溶胶中加入一定量的高分子化合物，能显著提高在溶胶中加入一定量的高分子化合物，能显著提高溶胶对电解质的稳定性，这种作用称为高分子的扩胶溶胶对电解质的稳定性，这种作用称为高分子的扩胶作用。作用。v这是因为高分子化合物吸附在粒土颗粒表面形成一这是因为高分子化合物吸附在粒土颗粒表面形成一层分保护胶膜，双电层结构稳定，它包围了粘土颗粒，层分保护胶膜，双电层结构稳定，它包围了粘土颗粒，使其亲水基伸的水中，并具有一定水化膜厚度，所以使其亲水基伸的水中，并具有一
