在钻井过程中，由于压差的作用，钻井液中的水分不可避免地通过井壁滤失到地层中，造成钻井液失水。随着水分进入地层，钻井液中粘土颗粒便附着在井壁上形成“滤饼”，形成一个滤饼井壁。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，滤失的水分过多，滤饼过厚，细粘土颗粒随水分进入地层等都会影响正常钻井，并对地层造成伤害。

钻井液的滤失及滤饼的形成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，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。但钻井液发生滤失的同时就有滤饼形成，钻井液再发生滤失时，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。

1．静滤失方程钻井液的滤失可分为瞬时滤失、静滤失和动滤失。瞬时滤失在整个滤失过程中占的比例较小；动滤失比较符合井下情况，但无论是室内还是现场都难以测定；静滤失尽管与实际情况有一定差距，但评价方法简单，能很好地反映钻井液的滤失性能。

2．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。一地层勰瓣井壁图1—4钻井液固相侵入地层示意图在滤饼形成前滤液流出的速率相当快，l一2s后，滤液流出速率渐渐变慢，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孑L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，这时只有水分才能渗入地层。这样使钻井液中的颗粒在井壁和地层中形成三种分布(图1—4)：

(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。

因此，要形成低渗透率、滤失量小的滤饼，在钻井液配制时必须具备两个条件：

(1)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。

(2)胶体颗粒类型。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布、数量有关，而且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。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的滤失量。

1．稳定胶体颗粒作用如前所述，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。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絮凝为粗颗粒，体系中溶胶细颗粒(＜100pLm)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(图1—5)。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。这种作用也称为护胶作用。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f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浓度低于保护作用所需的浓度，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。

2．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。

3．降滤失剂的堵孔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。这些大分子以两种方式封堵孔隙。设高分子无规线团直径为d。，孔隙直径d，。若0．3d，d，，高分子就不能进入孔隙，但能够封堵孔隙入口，称为堵塞，也可减少滤失量。

1．羧甲基纤维素纤维素是一种天然高分子化合物，其结构是聚p一葡萄糖，由于分子链上的羟基形成分子内和分子间氢键而产生结晶，故不溶于水。经改性后可生成水溶性的改性纤维素。羧甲基纤维素(CMC)是纤维素的改性产物，其钠盐在油田中有广泛的应用，也称钠羧甲基纤维素，其分子结构为：(钠羧甲基纤维系)CMC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羧甲基取代的数目)。CMC的相对分子质量越高，水溶液粘度越大。工业上按其水溶液粘度的大小把CMC分成三个等级：高粘度的CMC，在25。C时1%水溶液的粘度为400～500mPa·s，由于其增粘能力强；一般不作为降滤失剂使用；中粘度的CMC，在25%时2%水溶液粘度为50～270m1%·s，可作为一般钻井液的降滤失剂，既可降低滤失量，同时又可提高钻井液的粘度；低粘度的CMC，在25。C时2%水溶液粘度小于50mPa·s，可作为加重钻井液的降滤失剂，以避免引起粘度过大。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0．6～0．9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。降滤失量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，是应用广泛的一种降滤失剂。国内钻5000m以上的超深井时，用CMC作降滤失剂可获得较好效果。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，一部分羧基与断键边缘处的铝离子之间产生静电吸力，一部分羧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f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。此外，CMC能提高滤液粘度，以及本身的堵孔作用都可降低滤失量。

2．腐殖酸及其衍生物一腐殖酸是由生物残体在空气和水分存在下部分分解的产物，是可以从泥炭、褐煤或某些土壤中提取的天然高分子化合物。腐殖酸不是单一的化合物，而是由分子大小不同，结构组成各异的羟基芳香羧酸族组成的混合物，用不同的溶剂可将其分成三个组分：元素分析表明，腐殖酸的化学组成一般为C：55%～65%；H：5．5%～6．5%；0：25%一35%；N：3%一4%；还有少量的S和P。腐殖酸各组分的相对分子质量也相差较大，黄腐酸为300—400，棕腐酸为2000～20000，黑腐酸为104—105。腐殖酸的化学结构十分复杂，还不十分清楚，一般认为它是由几个相似的结构单元组成的大复合体，每个结构单元又由核、桥键和活性基团组成，其主要官能团有羧基、羰基、羟基、甲氧基和醚键。腐殖酸及其改性产物的结构片段可表示为：XOX/C心Cl-t,咀\/舛CI||O其中X=H，Y=H，腐殖酸；X=K，Y=H，腐殖酸钾，K—Hm；X=Na，Y=H，腐殖酸钠，煤碱剂，Na—Hm；X=Na，Y=N02，硝基腐殖酸钠，Na—NHm；X=Na，Y=CH：SO，Na，磺甲基腐殖酸钠，Na—SMHm。作为降滤失剂使用的主要有下列腐殖酸衍生物。(1)煤碱剂煤碱剂(Na—Hm)是由褐煤加适量烧碱和水配制而成的，其中主要有效成分为腐殖酸钠。褐煤中腐殖酸含量为20%～80%，腐殖酸难溶于水，易溶于碱溶液生成腐殖酸钠。现场配制煤碱剂的配比为：褐碱：烧碱：水=15：(1—3)：(50—200)；具体配比视褐煤的腐殖酸含量和实际使用条件而定。由于腐殖酸分子的基本骨架是碳链和芳环结构，因此煤碱剂有很好的热稳定性。室内实验表明，对于淡水钻井液，在200。C静置恒温24h，降滤失性能基本不变。但煤碱剂的抗盐和抗钙能力较差。由于腐殖酸分子中含有较多可与粘土颗粒吸附的官能团，特别是邻位双酚羟基，又含有水化作用较强的钠羧基等基团，使腐殖酸钠既有降滤失作用，又兼有稀释作用。煤碱剂的降滤失机理在于：含有多种官能团的阴离子大分子腐殖酸钠吸附在粘土颗粒表面形成吸附水化层，同时提高粘土颗粒的f电位，因而大大增加了粘土颗粒的聚结稳定性，使钻井液中的粘土颗粒保持多级分散状态，易形成致密的滤饼。特别是粘土颗粒的吸附水化膜的高粘度和弹性带来的堵孔作用，使滤饼更加致密，从而降低了滤失量。此外，它可提高滤液粘度，有利于降低滤失量。(2)铬褐煤铬褐煤(铬腐殖酸)是重铬酸盐与褐煤的反应产物，其中腐殖酸与重铬酸盐的质量比为3：1或4：1。两者的混合物在80。C以上反应生成腐殖酸或氧化腐殖酸的铬螯合物，其有效成分是铬腐殖酸。反应包括氧化和螯合两步，氧化使腐殖酸的亲水性增强，同时重铬酸盐被还原成cr3+，Cr3+再与氧化腐殖酸或腐殖酸进行螯合。铬腐殖酸在水中有较大的溶解度，其抗盐、抗钙能力都优于腐殖酸钠。铬腐殖酸既有降滤失作用，又有稀释作用。尤其是它与铁铬盐复合使用时，有良好的协同效应。由铁铬盐、铬腐殖酸和表面活性剂组成的“铬腐殖酸活性剂钻井液”具有良好的热稳定性和防塌效果，现场曾在6280m的高温深井和易塌地层使用。(3)硝基腐殖酸硝基腐殖酸是用浓度为3mol/L左右的稀硝酸与褐煤在40～60。C反应制成的。投料配比为腐殖酸：硝酸=1：2，反应包括氧化和硝化两步，均为放热反应。反应使腐殖酸平均相对分子质量降低，羧基增多，并在分子中引入了硝基。硝基腐殖酸再与烧碱作用便得到其钠盐。硝基腐殖酸钠具有良好的降滤失性和稀释作用，其突出特点是抗盐能力增强。此外，它还具有较高的热稳定性(抗温可达200。C以上)，抗钙能力也较强。(4)磺甲基褐煤磺甲基褐煤(SMC)是由甲醛和亚硫酸钠或亚硫酸氢钠在pH为9～11条件下，与褐煤经磺甲基化反应制得的。反应产物进一步用重铬酸盐进行氧化和螯合，生成的磺甲基腐殖酸对钻井液的处理效果更好。磺甲基褐煤既有降滤失作用又有稀释作用，其主要特点是热稳定高，在200～220。C的高温下它能有效地控制淡水钻井液的滤失量和粘度。其缺点是高温下的抗盐性能较差。

3．树脂类降滤失剂(1)磺甲基酚醛树脂SMP与sP均为磺甲基酚醛树脂的商品代号，它们的合成路线略有不同。SMP的合成是先在酸性条件(pH=3～4)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。反应如下：OHOH咀t托印+N棚03旦cH2十jnc心sojNasP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。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，抗温可达200—2200C。(2)磺化木质素磺甲基酚醛树脂缩合物磺化木质素磺甲基酚醛树脂缩合物(SLSP)是一种水溶性线型高分子共聚物。它的制备分两步完成，首先在碱性催化下，苯酚、甲醛与亚硫酸氢钠发生缩合反应，生成磺甲基酚醛树脂。然后将其与磺化木质素(纸浆废液)在甲醛溶液和氢氧化钠存在下，加热回流进行脱水缩合，在干燥后即可得到SLSP产品。SLSP热稳定性好，抗盐、抗钙能力强。用SLSP处理的钻井液经150～180。C高温后，滤失量变化不大。由于其分子中含有大量的磺酸基团，遇到大量钠、钙或镁离子时，不易产生去水化作用和盐析现象。SLSP分子链上含有羟基等吸附基团，能与粘土颗粒上的氧进行氢键吸附。磺酸基团可使粘土颗粒表面的溶剂化水膜增厚，f电位提高，因而可提高粘土颗粒的聚结稳定性。由于SLSP的稳定胶体颗粒作用，并能提高钻井液粘度，从而使滤失量降低。(3)磺化褐煤树脂磺化褐煤树脂商品名为Resinex，由50%的磺化褐煤和50%的磺甲基酚醛树脂组成。产品易溶于水，在pH=7—14的各种水基钻井液中均可使用。它是一种抗盐耐温的降滤失剂。在盐水钻井液中抗温可达230。C，抗盐最高可达1．1×105mg/L；在含钙量2000mg/L的情况下，仍能保持钻井液性能稳定。在降滤失量的同时，它不增加钻井液的粘度，尤其在高密度钻井液中实现了控制滤失量而不增加钻井液的粘度。用磺化褐煤树脂处理的钻井液滤饼渗透性极低，对于稳定井壁、预防粘卡和不堵塞油气层都是有利的。

4．改性淀粉改性淀粉如羧甲基淀粉、羟乙基淀粉、羟丙基淀粉在钻井液处理剂中占有重要地位，其用量仅次于铁铬盐和褐煤类产品，居第三位。羧甲基淀粉是在预胶化淀粉的基础上，进一步与醚化剂氯乙酸反应，然后经洗涤、脱水、干燥、粉碎过筛得到的产品；羟乙基淀粉是在预胶化淀粉基础上，与氯乙醇或环氧乙烷反应生成的；羟丙基淀粉是在预胶化淀粉基础上，与环氧丙烷反应制得的。它们的结构如下：oH乇(教甲基捉粉)(羟乙基淀粉)(羟丙基淀粉)改性淀粉的降滤失机理与钠羧甲基纤维素类似，由于分子中含有大量羟基、甙键和醚键，它们能与粘土颗粒上的氧或羟基发生氢键吸附；而强水化基团可使粘土颗粒表面的溶剂化膜增厚，f电位提高；淀粉分子链是螺旋状结构且相对分子质量较高，可吸附多个粘土颗粒形成空间网架结构，也有利于提高其聚结稳定性；改性淀粉的增粘性能强，能提高钻井液中自由水的粘度和降低滤饼的渗滤作用，故改性淀粉加入钻井液后能大幅度降低滤失量。

5．丙烯酰胺类聚合物丙烯酰胺类聚合物是分子中含有丙烯酰胺(AM)链节的一类共聚物的总称。(1)水解聚丙烯腈聚丙烯腈是由丙烯腈聚合而成的高分子化合物，俗称腈纶。水解聚丙烯腈(HPAN)是以腈纶生产中的废丝为原料，用碱水解后得到的产物，结构如下：-(-CH2--CH专长cH2--CH去七CH2--CH--)7lIlCOONaCONH2CN(水解聚丙烯腈)水解聚丙烯腈在结构上可以看作是丙烯酸钠、丙烯酰胺、丙烯腈的三元共聚物。分子链上的腈基和酰胺基是吸附基团，钠羧基是水化基团。未水解的腈基在井底高温碱性条件下可水解成酰胺基或钠羧基，这样就缓和了井下高温对整个分子链的作用，故能提高其抗温性。水解聚丙烯腈处理钻井液的性能主要决定于其相对分子质量和水解程度。相对分子质量较高的HPAN降滤失能力比较强，增加钻井液的粘度也较明显；相对分子质量较低的HPAN降滤失能力较弱，增粘作用也不明显。水解聚丙烯腈可耐240～250。C高温，抗盐能力也较强，但抗钙能力较弱，遇到高浓度的氯化钙溶液就生成絮状沉淀。(2)AM和AMPS的共聚物在各类水溶性聚合物中，聚丙烯酰胺(PAM)是性能优良，价格便宜的人工合成产品。它具有良好的增稠、降阻、降滤失、絮凝等作用。其主要缺点是：剪切安定性差，耐盐性差，热稳定性差，可以通过化学改性方法改善其性能。PAM的改性主要是开发功能性单体，然后通过与AM共聚，制备具有新的功能的聚合物。在钻井液处理剂中最引人注目一种改性单体是2一丙烯酰胺基一2一甲基丙磺酸(AMPS)，AMPS可看作是AM的衍生物，其结构如下：宵千H3||l。cH2一cH---C—NH—c—cH2s03HCH3由于AMPS分子中含有强阴离子水溶性的磺酸基团、亲水的酰胺基团及不饱和双键，使其具有优良的性能。磺酸基团使其具有抗盐、抗酸、抗碱及热稳定性；酰胺基团使其有很好的水解稳定性，而活泼的双键又使其具有聚合性能。AMPS与AM及其他功能性单体可形成二元共聚物、三元共聚物，甚至四元共聚物，在油田中均有应用。这些共聚物中，不同单体的引入可使共聚物具有不同的性能，腈基、磺基和吡咯烷酮基都有较好的耐盐和耐温性能，酰胺基具有较好的吸附性能，羧基具有较好的水化功能。