油田化学（中国石油大学） 第四章第四节 滤失控制剂.doc

第四节　滤失控制剂 钻井液中液相在钻井过程中侵入地层，造成泥页岩水化、膨胀和垮塌，引起井下事故或损害产层。加入降失水剂的目的就是要形成好的滤饼，即渗透率低、柔韧、薄而致密的滤饼。 一、滤饼的形成过程及滤失方程 钻井液滤失过程和滤失规律通常用滤失量和滤饼厚度来定量描述。 钻井液侵入地层形成滤饼的过程见图： 钻井液在井壁表面形成外滤饼，穿过井壁进入地层的颗粒形成内滤饼，钻井液侵入地层的前缘地带称为初损侵入带，而钻井液未进入的地层称为未受损地层。刘志明等人认为外滤饼渗透率远低于岩心内滤饼渗透率，而内滤饼渗透率明显低于岩心渗透率。 通常将钻井液滤失量可分为三种类型，滤液未形成之前的滤失量称为瞬时滤失量，若钻井液停止循环处于静止状态的滤失量称为静态滤失量，而钻井液在循环过程中的滤失量称为动态滤失量。这三种失水量的大小与滤饼的质量密切相关。 周风山等人利用滤饼针入度仪（filter cake penetrometer）FCP评价了滤饼的质量，提出了滤饼结构模型。他们认为泥饼的结构可以根据其强度及密实程度的不同分为（自上而下）虚泥饼、可压缩层泥饼，密实层泥饼及致密层泥饼共四层（如图所示）。从泥饼的微观结构来看，在泥饼的任一点处，其均质性是相对的，其不均质的特性是绝对的。在这儿滤饼和泥饼是同一概念。 张达明等人利用冷冻干燥技术（即，用液氮快速冷冻样品，并在真空状态下抽空干燥，保持样品的微观结构不变，得到的干样可用于电镜分析。）分析了膨润土基浆、盐水基浆、不同配比的聚合物钻井液及相应泥饼的微观结构。研究结果表明：在膨润土淡水基浆中，粘土片以端一面和端一端相连形成蜂窝状结构或卡片房子结构，图3；在聚合物钻井液中，聚合物吸附在粘土表面上，并相互连接形成了网状和蜂窝状结构图4；基浆和聚合物钻井液泥饼也呈蜂窝状结构，蜂窝的孔隙大小及分布随钻井液配比不同而变化，重晶石、超细CaCO3和磺化沥青可起到封堵泥饼孔隙和降低滤失的作用：普通的淡水和咸水基浆泥饼较疏松，加入聚合物后泥饼质量改善，多呈蜂窝状结构，超细CaCO3。、磺化沥青以及惰性固体物质大多充填在蜂窝状泥饼的孔隙中。 图3 膨润土基浆滤饼电镜照片（X1000） 图4 聚合物钻井液滤饼电镜照片（X1000） 泥饼质量的好坏和渗透率的高低决定钻井液滤失量的大小。滤饼渗透率越低，滤失量就越小。钻井液中固相颗粒的特性、形状、大小及其分布与滤失介质孔隙分布和形状的匹配等因素决定滤饼的质量和钻井液的失水量。固相颗粒越容易水化，形状越不规则、大小分布越均匀、细颗粒越多、越容易堵塞岩心孔隙，形成的滤饼越致密，滤失量就越小。 刘志明等人利用现场岩心研究了滤饼渗透率变化规律，认为在滤失过程的初期，滤饼渗透性处于不断变化（变小）之中，这段时间滤饼没有完全形成。随着时间的延长，滤饼厚度不断增加，滤失量逐渐增大；到一定时间，滤饼渗透率不再变化，但滤失量还在增大，这时加厚的滤饼只是虚滤饼，其强度差，渗透率也比初期形成的真滤饼大很多倍（可能相差不止一个数量级），对滤饼渗透率没有太大的阻流作用。 为了定量地描述滤失量随时间的变化，提出了许多以渗透率为基础的滤失方程。黄汉仁等人利用达西定律和物质平衡关系式经推导得到的钻井液静失水基本方程为： 其中：Vt表示时间为t时刻的滤失量，A表示渗滤面积，P表示渗滤压力，Cc表示泥饼中固相的体积，Cm表示钻井液中固相的体积，K为泥饼的渗透率，μ为滤液粘度。 该方程表明单位渗滤面积的滤失量Vt/A与泥饼渗透率K、固体含量因素Cc/Cm-1、渗滤压差P、渗滤时间t这些因素的平方根成正比，与滤液粘度的平方根成反比。 在这些因素中，通过调控钻井液性能可以控制的因素主要有泥饼渗透率K、固体含量Cc/Cm-1和滤液粘度μ，其中影响最大的是滤饼渗透率。 二、常用的几种降滤失剂 纤维素类（cellulose） 由纤维素（C6H10O5）n为原料可以制得一系列钻井液添加剂，决定其性质和用途的因素，一是聚合度n的大小，二是取代度d。 聚合度是指组成纤维素分子的环式葡萄糖链节数，是决定羧甲基纤维素钠盐分子量大小和水溶液粘度的主要因素。所谓链节就是指组成聚合物的最小重复单元。一般天然纤维素的聚合度都在1800～10000之间。 取代度就是指在纤维素分子每个链节上有三个羟基，羟基上的氢被取代而生成醚，3个羟基中生成醚的个数，故又称作醚化度。取代基的种类有甲基、乙基、羟乙基、磺酸基、丙基、羟丙基、羧甲基等。这些取代基与纤维素形成单醚。还有些产品是混合醚，如甲基一羧甲基，羟乙基一羧甲基等。取代度决定羧甲基纤维素钠盐的水溶性、抗盐、抗钙能力。CMC的分子结构如下： 从原理上说，葡萄糖环链节上的三个羟基都可以醚化（但以第一羟基的反应活性最强）。 醚化度一般用被醚化的羟基数表示，最大值为3。 例如，3个羟基都被醚化了，则