水基钻井液及处理剂作用机理
蒲晓林
1 课程简介
本课程是“泥浆工艺原理”、“深井泥浆”的后续课程，是根据钻井液化学研究方向总结、整理的课程。着重从钻井液工艺性能和胶体化学的角度讲述钻井液处理剂作用原理。
1.1 课程特点
(1) 课程目前还在完善中
①. 国外：对处理剂应用阐述多，作用机理研究少，在此研究领域还没有这样一门专门课程；
②. 国内：近年来文章多，文献报道多，但不系统，各说各的；
③. 关于此方面的研究：大都以产品、专利出现，有关理论研究的报道较少，尤其是许多研究还触及到许多商业秘密。因此，许多单位从机理出发，从理论出发去开发产品不多，缺乏理论指导。例如：中山大学、天津大学、山东大学、成都科大。
④. 全国：产品成系列的仅两家：我院和勘探开发研究院。
⑤. 根本原因：机理不清楚，研究失去方向。
(2) 本课程目的
主要从钻井液的发展和类型的角度讲述处理剂的作用机理。使学者掌握各种处理剂在不同钻井液条件下的作用原理和用途。
1.2 课程主要任务
①. 分析、揭示水基钻井液作用机理，学习进一步深入研究这种作用机理的方法和思路；
②. 讲述目前主要使用的国内外钻井液处理剂的作用机理。引导机理研究入手，力求把处理剂研究、研制理论化、条理化，为有目的地、有针对性地研制处理剂和研究新型钻井液体系创造条件；
③. 从研究机理入手，掌握使用规律。更好地指导产品应用和质量提高，把处理剂研制、生产和应用规律有机地结合起来。
1.3 课程的主要内容和思路
1.3.1 核心内容
 处理剂作用机理及其对钻井液宏观性能的影响；
 处理剂作用性质和作用效果的实验研究方法。
1.3.2 处理剂研究的一般思路
1.3.2.1 从钻井工程对钻井液性能要求出发研究处理剂
适应钻井工程、地质勘探及其技术发展，钻井液性能应具备的性能要求；钻井工程、地质勘探技术发展同钻井液技术发展的相互促进关系。
1.3.2.2 考虑如何选用处理剂实现钻井液作用效能
通过什么样的（运用）处理剂，起什么作用，作用规律（机理）是什么？
具有实现钻井液作用效能，处理剂应具有的性质，—如水溶性、抗盐性和抗温性，同粘土的作用规律等等。
1.3.2.3 钻井液性能、作用效能要求与处理剂分子结构的关系
处理剂分子结构组成、分子量、分子链型、基团种类、比例、处理剂分子构象等等。
—最终落实到处理剂的分子结构设计。
1.3.2.4 处理剂的合成、研制
要实现处理剂分子结构设计，所需的化学途径、合成工艺路线、合成条件。
1.3.2.5 处理剂应用规律和效能评价
处理剂效能评价的原则：满足优质、安全、低成本钻井、完井和环保要求。
a.是否有利于井壁岩石稳定
b.是否有利于钻井液性能稳定
c.是否有利于保护油气储层
d.是否有利于环境保护
正确地掌握处理剂应用规律和采用准确的方法评价处理剂效能，对于建立钻井液体系和指导应用是至关重要的。
2 钻井液处理剂的作用原理
2.1 处理剂的作用机理（包括作用原因、途径、效果）
钻井液性能的微观本质（为什么具有这种性能、本质是什么？）：
水基钻井液组成：水+土+化学处理剂
本质：分散相（粘土）的分散状态决定钻井液性能。
量的体现：土含量加上分散状态数值大小。
其中，分散状态测定方法：
① 粒度分布：沉降天平，库尔特计数器，激光粒度仪等；
② 电镜分析。
然而，分散状态由粘土粒子表面状态决定。
吸附作用测定方法：
① 主要测吸附量、厚度；
② 波谱、红外、紫外、质谱。
以上众多关系中，任意寻找或研究两者的关系即为机理研究。
2.2 处理剂的研制
处理剂研制、研究包括以下内容：
（1） 明确处理剂在钻井液中作用效能要求，以及处理剂实现这些效能要求的途径；
（2） 研究具有这种作用的处理剂本身应该具有什么样的要求。如：水溶性、抗盐、抗钙、水溶液粘度、构型、构象、与粘土作用等。
（3） 具有这种效能和性能的处理剂在分子结构上应该具有什么特征（分子量、基团种类和比例、位置、链形、含不含金属离子、金属离子怎么作用上去的等）；
（4） 实现这种分子结构所需要的化学途径；
（5） 处理剂的应用规律和效果评价。
2.3 水基钻井液处理剂及其研究现状
2.3.1 钻井液及处理剂发展情况
现代钻井技术对钻井液的要求有三点：
① 辅助钻井提高钻井速度。
② 保证钻井井下安全，防止钻井过程中各种复杂问题发生，如井塌、卡钻、井喷、井漏等。
③ 保护油气层，提高油气井产量。
钻井液包括钻井液处理剂正是在不断满足钻井工程要求的基础上发展起来的。
钻井液工艺的发展经历了四个发展时期：
① 初步形成时期——1888~1928年；
② 快速发展时期——1928~1948年；
③ 高速发展时期——1948~1960年；
④ 科学化时期——1961年~现在。
2.3.1.1 初步发展时期——自然造浆阶段
主要解决问题：
 携带钻屑
 控制地层压力
典型技术：
 水+钻屑+地面土
 使用重晶石、铁矿粉（>1920年）
特点：几乎未使用过化学处理剂。
2.3.1.2 快速发展时期——细分散泥浆阶段
主要解决问题：
泥浆性能的稳定
井壁稳定
典型技术：
性能测定仪器研制出来
使用膨润土、单宁、烧碱、褐煤
特点：认识到胶体稳定性好的钻井液能够保证钻井的安全，开始发展和大量使用分散剂，于是形成了以细分散泥浆为主的淡水泥浆。
2.3.1.3 高速发展阶段——粗分散泥浆阶段
主要解决问题：
石膏、盐污染
温度影响
典型技术：
各种盐水、钙处理泥浆
油基泥浆
处理剂品种16大类
特点：出现了新的一类钻井液处理剂—无机絮凝剂，主要是含钙离子的电解质，如石灰、石膏、氯化钙等。同时，经过适度絮凝的钻井液需要作用更强的稀释剂和降滤失剂才能有效地控制钻井液的流动性和滤失性。于是，一些抗盐抗钙能力强的处理剂发展起来，如铁铬木质素磺酸盐、钠羧甲基纤维素等。
同时，本时期（1935~1936年）还在天然化合物利用方面得到长足发展：
——开始使用淀粉作为降低矿化度高的钻井液滤失控制剂。
——单宁酸类稀释剂得到了应用。
——研究并应用腐植酸类处理剂。
——通过对天然沥青磺化、乳化，沥青类处理剂在抑制性方面见到良好效果。
2.3.1.4 科学发展时期—聚合物不分散钻井液阶段
主要解决问题：
快速钻井
保护油气层
典型技术：
不分散低固相钻井液
气体钻井
保护油气层的完井液
特点：钻井液处理剂种类从天然高聚物类及其改性制品向合成高聚物和共聚物类方向发展，并由化学处理剂的单一功能向多功能方向发展，由低效能向高效能方向发展。
—1958年，完全絮凝剂-聚丙烯酰胺成功应用；
—1960年，选择性絮凝剂-部分水解聚丙烯酰胺和醋酸乙烯酯与顺丁烯二酸酐的共聚物成功应用；
—60年代初，研制出具有特殊剪切稀释作用的生物聚合物，可用于钻井液、压裂液、聚合物驱提高采收率等方面；
—70年代，为解决深井抗高温问题，研究并应用磺化系列处理剂：磺化酚醛树脂（代号SMP）、磺化褐煤（代号SMC）、磺化单宁和栲胶（代号SMT、SMK）等；
—70年代中期，研究并应用有机阳离子聚合物、两性离子聚合物等；
—80年代后，表面活性剂在钻井液中开始广泛使用；
—90年代后，聚合醇、合成基、甲酸盐等环保型强抑制钻井液开始使用。
2.3.2 我国钻井液技术突出发展的几个阶段
四个阶段：
2.3.2.1 钙处理钻井液阶段（60年代-70年代）
利用无机盐：CaO、NaCl提高井壁稳定性；
利用：FCLS、NaC、CMC及一些表面活性剂维持钻井液性能的稳定。
2.3.2.2 三磺钻井液阶段（70年代后期）
主要用在深井。
三磺处理剂：SMP、SMC、SMK（老三磺），有效地降低钻井液高温高压失水，进而提高井壁稳定性。
用这类处理剂成功钻成我国最深的两口井：关基井（7175米）、女基井（6011米）。
——有人称这是我国钻井液技术的第一大进步。
2.3.2.3 聚磺钻井液阶段（70年代末-80年代）
聚磺钻井液：聚合物钻井液+三磺钻井液。
即：在三磺水基钻井液基础上引入阴离子型丙烯酰胺类聚合物抑制剂。
——有人称这是我国钻井液技术的第二大进步。
2.3.2.4 阳离子、两性离子聚合物钻井液阶段（80年代末-90年代）
阳离子聚合物钻井液：聚合物分子结构上引入阳离子基团：（-N-）
如阳离子聚丙烯酰胺、羟丙基三甲基氯化胺。
两性离子聚合物钻井液：聚合物分子结构上引入阳离子和阴离子两种基团。如FA-367、XY-27等。
—有人称这是我国钻井液技术的第三大进步。
2.4 钻井液处理剂发展趋势
钻井液处理剂在发展过程中必须注意解决两个不能回避的问题：
2.4.1 “聚”与“分”的矛盾或者“聚”与“磺”的矛盾
对于所钻井的地层，为了快速、安全钻进，究竟是聚结为主或是分散为主始终贯穿在钻井液技术实施过程中，从而得到不同的技术方案、思路，相应地，采用不同的处理剂系列。
2.4.1.1 “聚”类处理剂：
主要指抑制剂，包括无机盐和有机聚合物类。
特点：抑制蒙脱土含量较高地层的水化、膨胀、造浆，有利于钻井时地层的稳定。（主要是上部地层）
缺点：不利于钻井液性能的稳定。
2.4.1.2 “分”类处理剂：
主要是磺化聚合物、褐煤、纤维素及淀粉等。
特点：有利于钻井液性能稳定，使钻井液成为稳定胶体并具有钻井工程所需要的流变性和造壁性。
缺点：对地层的稳定有时不利。
“聚”与“分”两者是辨证的共处于矛盾的统一体中，可以相互转化，是相辅相成的。
因此，现场钻井液工程师根据地层沉积的特点（上部蒙脱土含量多，造浆严重，下部伊利石较多，坍塌严重），采用钻井液体系原则：
上部地层：只聚不磺（分）
下部地层：少聚多磺或者只磺不聚。
2.4.2 “专”与“配”的矛盾
“专”是指在一类聚合物分子上，利用分子结构设计，获得所需要作用效果的处理剂。
“配”是指利用多种处理剂的协同复配作用达到某个作用效果。
3 分散性钻井液处理剂作用机理
分散性钻井液概念（因无准确概念，则划分出一个细分散、粗分散）：
钻井液性能的维持和实现是靠处理剂在钻井液中对粘土粒子的分散作用实现的。
特点：
① 处理剂主要起分散作用，给钻井液带来分散环境，对所有粘土粒子均起分散作用。
② 内部结构：以卡片式房子结构为主，即：E—E、E—F。
3.1 分散性钻井液的降粘剂—降低粘度处理剂
最简单的是水，但不包括水。
3.1.1 降粘剂概念
不降低钻井液粘土含量的情况下降低粘度、切力的处理剂（因为盐也可能降低粘度）。
——降粘剂又称稀释剂、解絮凝剂。
3.1.2 钻井液粘度构成
粘度=η结+η非结
3.1.3 降粘剂定义
通过降低钻井液结构粘度来降低钻井液表观粘度的处理剂。
3.1.4 作用机理
首先降粘剂选择性或优先多点吸附在粘土粒子的端面，增加端面负电荷分布密度，提高粘土粒子ζ，增加水化膜，阻止或削弱结构形成。
3.1.4.1 钻井液稠化原因
a. 钻井液固相颗粒过多－→粘切增加
b. 粘土粒子形成卡片式房子结构－→粘切增加
c. 钻井液中自由水含量大幅度减少－→粘切增加
总粘度可用Einstein经典悬浮液粘度公式和Hiemenz溶剂化理论公式联合表示出来：
式中：
—稀溶液粘度； —稠溶液粘度；
、 —纯溶液粘度； k 、k1、k2—均为常数；
—固相体积百分数； S—固相比表面积； h—颗粒溶剂化膜厚度。
这样，就比较清楚地表示出钻井液体系粘度的胶体化学性质与组成，它是由①、钻井液体系液相粘度；②、总固相产生的粘度；③、固相粒子分散带来的粘度；④、固相粒子间相互作用产生的粘度四部分构成。显然，各部分粘度参数在不同程度上对总粘度值产生影响。减小或削弱其中任何一项粘度，均要降低体系粘度。降粘剂主要是降低固相粒子间相互作用产生的粘度ηG。
3.1.4.2 “分散”、“解絮凝”、“聚结”概念
加入降粘剂可以使分散-絮凝状态向分散状态或者聚结-絮凝状态向聚结-解絮凝转化。
3.1.4.3 降粘剂降粘机理
稀释剂的降粘稀释机理为：稀释剂分子通过吸附（静电吸附、配位键吸附）在粘土颗粒端面上，改变端面性质，拆散网架结构，从而降低钻井液结构粘度。
具体途径有两条：
• 使端面电性反转：由带正电性端面转变为负电性端面，使正负相吸改变为负负相斥。
• 增强端面水化膜厚度：由于稀释剂分子的吸附基吸附在粘土颗粒端面上，水化基给端面带来丰厚的水化层，从而削弱边—－边、边－—面连接，拆散了网架结构，同时放出自由水，使粘度降低。
根据稀释剂的减稠稀释机理可以认识到稀释剂的三个作用特点：
作用在粘土颗粒的端面；
用量少、效果显著（因为端面少）；
主要降低钻井液的YP、G、’，不降PV。
3.1.4.4 降粘剂吸附于端面的实验证明
a、电泳速度增加——吸附了降粘剂的粘土颗粒负电荷密度增加，导致它向阳极运动速度加快。
b、c轴间距变化小——如果处理剂吸附于晶层内表面将使C轴间距增大。但降粘剂几乎不会使粘土C轴间距增大。
表1 安丘膨润土吸附降粘剂前后C轴间距变化
FCLS 六偏磷酸钠(NaPO3)6 十二烷基三甲基溴化铵
吸附前C轴间距 1.519nm 1.519nm 1.519nm
吸附后C轴间距 1.523nm 1.550nm 2.15nm
由表1可见，FCLS和六偏磷酸钠分子没有进入粘土晶层间。但带有阳离子的十二烷基三甲基溴化铵进入了粘土层间。
3.1.5 降粘剂分子结构特点
任何钻井液处理剂应该有两大部分基团：吸附基团和水化基团。
（1） 应与粘土端面：—Si4+、—Al3+发生吸附基团。（典型的如酚羟基：发生络合吸附）；
（2） 能够在—Si、—Al处发生沉淀反应基团。如磷酸根（多聚磷酸盐：既有吸附基，又有水化基，但多聚磷酸盐不抗温，升温80℃后热降解为正磷酸盐，降粘能力下降；磷酸钠(NaPO3)则不行，无水化基）。
3.1.6 降粘剂与分散剂的区别
（1） 降粘剂：只能在端面，不能在表面和层间（分散）作用。
①. 用量少（因优先吸附在端面），但逐次使用效果下降；
②. 用量多时，端面饱和，吸附在平面起另外一种作用；
③. 几乎不增加和减少粘土粒子浓度。
（2） 分散剂：
①. 促使粘土粒子对面分开；
②. 使已经分开的保持稳定；
③. 使粘土粒子浓度增加。
3.1.7 降粘剂概念的发展
粘度=η结+η非结
能否在拆散内部结构同时，降低粘土粒子浓度，即：被拆散结构的粘土粒子发生合并（前面的聚结-解絮凝状态），大幅度降低粘度。反过来说，只要使粘土粒子不分散，也可以降粘。
降粘剂降低粘度方法有以下三种：
a) 加入无机盐使粘土粒子面—面聚结合并，如：Ca2+、Cr3+。使粘土粒子浓度降低。
b) 只拆散内部结构（传统降粘剂）。粘土粒子浓度几乎不变。
c) 以上两种方法的结合（现在的降粘剂）。
现在的降粘剂特点：
（1） 加少量见效
（2） 加多也见效（关键有高价金属离子）
（3） 长效性很好
（4） 加多了也作为降滤失剂（本质上为分散剂）
3.1.8 降粘剂的分子结构要求
3.1.8.1 分子量
分子量不能太大。太大分子量可能造成液相粘度太大，且可能达到高聚物范畴，产生另外一种新的类型结构。但分子量又不能太小，太小不能给粘土带来足够的水化膜，并且，由于水化基与吸附基之间也应该有距离，所以，分子量应该适当。
一般地，降粘剂分子量为：几千----1万左右。
特殊情况也有超过1万的，如：FCLS>1万，因为其分子结构不为链形。
3.1.8.2 基团
降粘剂的基团要有能与粘土粒子端面强烈吸附的吸附基团。如：络合吸附；① 与Al3+离子配位的基团；② 与Al3+离子发生沉淀的基团；③ 含有邻酚羟基的基团。
3.1.8.3 分子上有带负电荷的强水化极性基团
阴离子基团：—COO-、—SO32-、—PO3-
非离子基团：—CONH2、—CN、—OH
3.1.8.4 两种基团比例应适当
吸附基与水化基之间应有最佳组配关系，如果吸附基的吸附能力很强，水化基多，则效果最好。但是，水化基↗→处理剂化学位↘→吸附量↘。
吸附基与水化基比例：
a.与处理剂作用的矿化条件、PH相关。
规律：矿化度↗→要求水化基比例↗。
b.水化基种类与比例应该与抗钙抗盐要求想适应。
水化基团与其类型有关，亲水基的亲水性强（如20% -SO32－可达到50% -COO-的效果），则可选择较低的比例。
无机盐在钻井液中会削弱亲水基团的亲水性，减薄水化基团的溶剂化层，降低使用效能。
3.1.8.5 有高价金属离子且应与有机处理剂发生络合
降粘剂处理剂分子应该含有高价金属离子且应与有机处理剂发生络合反应，如不与有机处理剂发生络合反应，就相当于与有机处理剂复配。从引起钻井液粘度增加的结构粘度和非结构粘度（η结构和η非结构）因素分析，尽可能降低钻井液中粘土粒子浓度，是降低钻井液粘度的另一条重要途径。
高价金属离子Mn+具有较强的促使粘土颗粒形成F－F方式聚结的能力，大大降低了粘土颗粒的分散度，再通过降粘剂的吸附和形成的溶剂化层，减少颗粒形成E－F和E—E结构的趋势，同时，还维持体系的稳定。高价金属离子一般是通过络合的方式结合在降粘剂分子上。
一般说来络合度越高，降粘效果越好。但在重复使用的过程中，降粘效果变差，原因在于吸附量大，形成了面-面聚结，增加了体系的粘度。所以，应有一个适当的络合度。如：FCL产品质量中，对其络合度就有要求。
降粘剂中的高价金属离子存在三种平衡关系：
a. 与降粘剂之间的络合平衡
M+++ + R↔RM+n
b. 与OH之间的沉淀平衡
M+++ +nOH-↔M+n(OH)n↓
c. 与粘土粒子表面的离子交换平衡
C-M+n↔C + M+n
基于以上的平衡关系，对降粘剂中的高价金属粒子应遵循以下两条原则：
a. 不能让高价金属离子全部络合。
b. 与高价金属离子发生作用的配位基团最好不用阴离子。
3.1.9 降粘剂研制途径
必须选用种类、比例适当的亲水基团、吸附基团和络合能力不同的各种高价金属离子。
3.1.10 降粘剂与粘土粒子表面的作用
a. 作用在端面
b. 作用在平面（如含有高价金属离子的降粘剂）
3.1.11 降粘剂吸附键性质
a. 最常见：氢键（电子云强烈发生偏转）
b. 范德华力（分子量较高者）
c. 静电作用
d. 络合吸附（高价金属离子吸附在表面，而处理剂又对其发生络合）
3.1.12 降粘剂的评价方法
降粘剂的评价方法与处理剂的作用机理紧密相关。采用降粘率的概念进行相对评价：
也可以采用100转时的表观粘度进行评价：
公式使用条件：钻井液粘度高是由于结构粘度高所引起，若为非结构粘度所引起，公式不适用。
一般来讲，降粘率如能达到85%即可。
在直角坐标系上，可以“加量—降粘率”关系表征降粘效果。如图2所示。
在实验室内，降粘剂的选择方法还可以采用漏斗粘度计、旋转粘度计进行评价选择。评价指标是钻井液的静切力G、动切力YP、有效粘度’这几项流变性参数。
具体方法为：在钻井液中加入稀释剂（W/V%），充分搅拌均匀后，测定流变性能，以加入降粘剂前后钻井液的G、YP 、’降低幅度作为稀释剂效果强弱的评价标准。
3.1.13 降粘剂的发展现状
a.
天然改性材料有：腐植酸、木质素、淀粉、单宁栲胶、水解聚丙烯晴。
3.1.14 典型产品：
A、 木质素类
1) 铁铬木质素磺酸盐（代号FCLS）
木质素是来源丰富、价格低廉的一种天然资源。从造纸废液中分离出的木质素磺酸盐制得的铁铬木质素磺酸盐是最有效的一种降粘剂，适用于各种类型的钻井液。
a. 铁铬木质素磺酸盐的生产
将木质素磺酸钙[(L-SO3)2Ca]与硫酸铁[Fe2(SO4)3]和重铬酸钠(Na2Cr2O7)作用时，即可生成铁铬木质素磺酸盐，其化学反应为：
3(L-SO3)2Ca+ Fe2(SO4)3+H2O+ Na2Cr2O7→(L-SO3)3(OH)•Fe(Cr•Na)+3CaSO4↓
b. 铁铬木质素磺酸盐的使用
FCLS的分子量在2~10万范围内。
Fe3+、Cr3+与木质素磺酸分子链形成稳定的螯合物（内络合物），基本不电离，属于非离子性高聚物。因此，其抗盐抗钙能力较强。
FCLS的热稳定性较高，抗温可达170-180℃。这是因为磺酸基团-SO3-与分子链呈C-S键结合，键能较强，而且又是热稳定性较高的络合物。
FCLS具有弱酸性，加量大时引起钻井液PH值下降，有时会产生泡沫。故要配成FCLS碱液使用。
2) 无铬木质素磺酸盐
由于生产FCLS的废弃物中含有铬离子，造成生产环境的污染；使用FCLS处理钻井液时，废钻井液中仍然含有一定量的铬离子，对农田、海洋也会造成环境污染，FCLS的应用受到了限制。为此，研制出无污染降粘剂，即不含铬离子的无铬木质素磺酸盐降粘剂成为必要。
产品类型：CT3-4、CT3-5
原理：木质素磺酸+天然高分子+无毒金属离子（钛、铁等）络合
B、 单宁类
产品类型：NT、NK、SMT、SMK
化学成分：多种多元酚衍生物组成的复杂混合物。主要是水溶性多元酚。
分子量：500-3000
吸附基团：酚羟基
水化基团：—COO-、—CH2SO3-
作用原理：通过邻位双酚羟基以配位键或电价键吸附在粘土粒子断键边缘的Al离子处，形成五元环的螯合物，同时，其余的水化基团的水化，给粘土粒子边缘带来吸附溶剂化水，提高电位，斥力增大，从而削弱了粘粒间端-面、端-端连接，拆散卡片式房子结构，并放出大量自由水，致使钻井液粘度、切力显著降低。
图3 单宁酸钠在粘粒边角上的吸附
以不同合成单体通过均聚、共聚的途径制得降粘剂。
典型产品：磺化苯乙烯-顺丁烯二酸酐共聚物（代号SSMA）。
3.2 分散性钻井液的降滤失剂（静失水方程）
降失水的原理——达西渗滤定律：
其中，降低泥饼渗透性是最重要的降失水途径。
3.2.1 降滤失剂控制失水的三条主要途径
3.2.1.1 参与形成泥饼，通过减小泥饼渗透率降失水（特指外泥饼）——主要作用。
例如：地层岩石的渗透率通常为：10-2-14μm2之间。
未经过处理的膨润土钻井液泥饼渗透率为：10-5-10-6μm2之间。
钻井液中加入降滤失剂后，泥饼渗透率为：10-7μm2。
3.2.1.2 用内部空间网状结构对自由水的束缚降低失水
3.2.1.3 提高液相粘度，增加液相流动阻力来降低失水
3.2.2 泥饼形成过程与泥饼控制
泥饼形成过程始终是一个架桥并逐级填充的过程。需要三种粒子：
① 架桥粒子：第一次与孔隙大小相当粒子（浓度低、易找）
② 逐级填充粒子：以后减小孔隙的粒子（易找）
③ 最小填充粒子：最后一级填充粒子。决定泥饼最后渗透率（1）。难找！
三种粒子对微裂缝的填充模拟数据如表4所示。
表4 架桥和填充粒子级配表
架桥粒子m 一级填充粒子m 二级填充粒子m 三级填充粒子m
粒 径 100 35 12 4
数量百分比% 3.3 6.6 18.2 72.9
体积浓度% 91.2 7.8 0.93 <0.7
因此，泥饼控制，要求：
① 粘土粒子呈多级分布，且分布要宽，各级粒子差别不大。
② 最小填充粒子足够（且易变形）
3.2.3 提高泥饼质量的主要途径（即降失水作用机理）：
(1)低分子量（<20万）降失水剂作用机理（典型憎液溶胶稳定原理）
低分子量降失水剂主要吸附在粘土粒子平表面，在整个表面上提高Zeta（ζ）电位和水化膜厚度，让粒子不再发生聚集，即护胶（水化膜护胶，静电稳定护胶）。
低分子量降失水剂使用特点：
a. 处理剂用量较大（因为是吸附在较大的平表面上），如：淀粉、腐植酸、SMP等。
b. 处理剂有降粘效果，如：FCLS、腐植酸（NaC）等。
（2）高分子量（>20万）降失水剂作用机理
高分子量降失水剂作用机理的实质为高分子保护作用。即高分子链上吸附粘土粒子，使粒子随高分子链一起运动，而不易自动聚集起来（有些人叫空间位置稳定作用）。但是，若高分子量少，与粒子浓度不匹配（一个链上挂满，再互相结合，使得失去重力稳定性，称为敏化作用）。
1) 高分子量降失水剂使用特点：
a. 用量少（只要挂在链上即可），分子量越大，用量越少，但有一个下限。
b. 随分子量增大，絮凝趋势明显增强。
c. 由于是高分子保护作用原理，则钻井液性能表现出聚合物溶液性质，如：高聚物抗盐，则钻井液抗盐。
d. 提高液相粘度。
e. 不易达到吸附平衡，即使达到平衡也不一定是单分子吸附。
f. 吸附主要为氢键吸附，再发生下去可以有静电吸附。
① 氢键吸附
降滤失水剂分子中的－OH、－COOH、－CN、－CONH2等基团同粘土晶体边缘的氧原子、氢氧基团形成氢键。
② 静电吸附
例如通过有机阳离子、无机Ca2+、 Cr3+等正电离子把带负电荷的粘土颗粒同电离后带电荷降滤失剂分子通过静电联系在一起。
③ 螯合吸附
如铁铬木质素磺酸盐、单宁酸钠、腐植酸类，在它们的分子结构中存在多羟基苯酚或多氧基苯这样的基团，它们可与粘土侧面断键处的铝原子配位形成螯合状态的吸附。
这些吸附作用不仅可使处理剂吸附于大的粘土颗粒表面形成一层保护膜，而且可以使细微的（0.1μm或更小）粘土颗粒吸附在大分子处理剂的链节上，从而在钻井液体系中形成空间网状结构，起到护胶作用。被保护起来的粘土颗粒在钻井液中不容易聚结，可在泥饼中以不同大小的颗粒互相填充成为一个密实的泥饼，从而降低泥饼的渗透率。
g. 吸附形态：一个链上吸附多个粒子，容易发生包被。
h. 分子量大小：国外：>50万；国内：>20万。
i. 水化基比例一定要大于吸附基（因为水化基少了易发生絮凝）。
2) 高分子降失水剂的分子结构特点
a.分子链型和分子量
主要有线型、网状和疏水型三类。
线型如聚丙烯酸钠、水解聚丙烯腈等。
网状型如腐植酸类、淀粉类、木质素类、纤维素类和树脂类。这几类从整体看是不规则的线型，但因为每个链节都很大并成环状，它们在钻井液中主要表现出明显的网状结构特性。
疏水型主要是油溶性树脂和改性沥青等类型产品。
要求分子量适中，一般是几万到几十万。分子量太高会变成絮凝剂，使钻井液胶体体系破坏。分子量太低不能迅速在泥饼中形成网状复合物。
b.吸附基团与水化基团
吸附基团与水化基团的类型和比例是降滤失剂的关键。因此，降滤失水剂的制备过程是调整分子中各基团比例的过程。
作为吸附基团，主要有－OH、－CN、－COOH、－COONH4、醇羟基和阳离子基团等，都是非离子型强吸附基团，并有一定极性，容易被粘土粒子吸附，形成一定的溶剂化水膜，能较好的起到稳定胶体的作用。吸附的最主要形式是氢键和静电吸附。
作为水化基团主要是－COONa、－COOK、－(COO)2Ca、－SO32－等，水溶性好，在高分子链节上可以形成较强的溶剂化水化膜。
关于研究各种基团比例对失水影响的文献较多，普遍认为：水化基过大或过小，都会对降失水和在粘土表面吸附带来影响。因此，应根据吸附量、电荷密度和吸附形态等所产生的综合效应决定降失水效果。一般羧基含量在60%～70%为好。
磺酸基和羧基的对比：就水化水的数目而言，直链上的磺酸基的水化能力比羧基强，而苯环上的磺酸基水化能力则比羧基弱。常用的SMP类是在苯环上联接一个次甲基后再联接磺酸基。苯环之所以减少了磷酸基的水化水数，可能由于位阻效应，即大的苯环空间阻碍了水分子的排列。但苯环上的硝酸基虽然水化水的数目少，却很牢固，不易脱除。
李卓美通过用NaCl、CaC12和MgC12做脱除水化膜试验证明了这一点。聚丙烯酸很容易破坏水化膜，聚苯乙烯磺酸盐就很难去除水化膜。而在去水化作用中，二价的Ca2+、 Mg2+离子比一价的Na+强，Ca2+又比Mg 2+强。因此SMP具有很强的耐盐、耐钙和耐温性。在淡水钻井液中且温度不太高时， SMP的降滤失作用就未必赶得上CMC、NH4－HPAN，因为后者具有更厚的水化膜，因此它们的用量比SMP要少得多。只有在深井和钙盐污染严重的情况下，SMP才能显示出其优越性来。
另外，吸附基团与水化基团的数量和分布也很重要，如：非水解的聚丙烯酰胺，分子链上几乎全部是酰胺基（—CONH2），只能作为全絮凝剂。
c.主链结构
温度对处理剂的影响，既有高温解吸的一面，也有高温降解的一面。
为了使高聚物具有高温稳定性，在设计处理剂合成时，主链联结方式应该是：—C—C—、—C—S—、—C—N—等，而应该避免引入—O—键。
主要原因在于—O—键键能较低。
3.2.4 惰性降失水剂
主要解决最后一级填充粒子问题。
这一类是能在钻井液中“高度”分散，基本不溶或完全不溶于水，以固相颗粒、液滴（乳状液滴或胶体物质），在泥饼构成中形成堵塞和封堵孔道的物质。
主要品种有：磺化沥青、乳化沥青、氧化沥青粉、白碳黑、细目碳酸钙粉、分散性石蜡和水解纤维粉末等。
惰性降失水剂的作用特点：
 既不与粘土粒子，也不与处理剂发生反应。
 本身在水中不溶解而又能高度分散,同时，有些产品具有疏水性质。
 在一定温度和压差下可以变形（软化点）。
难点在本身在水中不溶解而又能高度分散，因为溶解易发生反应。目前用得最好的为：超细碳酸钙、磺化沥青、乳化石蜡。
1) 超细碳酸钙——目数可达1200目和2500目（<5μm）。解决最后几级填充粒子问题。
分为重钙和轻钙两种：
重钙是采用天然碳酸盐矿物如方解石、大理石、白垩石经过高压气流粉碎机粉碎制得。属于粉体加工超细粒子技术。
轻钙是通过化学反应合成而获得的生成物。
这两种碳酸钙的COD值较高（>150mg/l），且生物降解性弱。
2) 磺化沥青
制取方法：将沥青加入盛有溶剂的反应釜中，加入磺化剂进行磺化，然后用氢氧化钠溶液中和、烘干、研细，得到磺化沥青。
沥青原料中含有沥青质、胶质、芳香烃、饱和烃四种组分。适合制造磺化沥青产品的原料沥青，应该具有这些族组成：沥青质+胶质=50%-60%；芳香烃=30%-40%；饱和烃=0-10%，且应具有较高软化点。
磺化沥青由水溶性和油溶性两部分组成。水溶性部分使磺化沥青能够分散在水中，油溶性颗粒则堵塞泥饼孔隙，在一定温度下变形，进一步堵塞孔隙，降低钻井液失水量。
因此，控制磺化度和软化点，是磺化沥青作用效果好坏的关键。
磺化沥青处理剂有膏状胶体（代号SAS、FT-341、JSSAS）、粉剂产品（代号FT-1、FT-342）两种类型，各产品依其组分的差异各具特色。
3) 乳化石蜡
将碳12-18的正构烷烃乳化分散到水中，可得到无荧光降失水剂。乳化分散剂可以使用司盘、吐温、平平加、聚乙二醇高级脂肪酸酯、聚氧乙烯季胺盐、聚氧乙烯脂肪酸胺缩合物等表面活性剂。降失水原理同磺化沥青。
3.2.5 常用降失水剂介绍
3.2.5.1 羧甲基纤维素（CMC）和聚阴离子纤维素（PAC）
羧甲基纤维素主要是羧甲基纤维素的钠盐，其分子结构是由大量葡萄糖基构成的链状高分子化合物，是钻井液中应用较为广泛的一种降滤失剂。
1) Na-CMC的聚合度和醚化度。
Na-CMC有两个重要指标：聚合度和醚化度，聚合度是决定Na-CMC粘度的主要因素：在相同温度、浓度条件下，Na-CMC的粘度随聚合度增大而增大。
在钻井液界，将Na-CMC分为高粘（HV－CMC）、中粘（MV－CMC）和低粘（LV－CMC）三种产品。例如，将Na-CMC配成2%浓度的水溶液，用粘度计在25℃测定：
HV－CMC 1000-2000mPa.s （用作增粘剂）
MV－CMC 500-1000 mPa.s （用作降滤失剂兼增粘剂）
LV－CMC 100-500 mPa.s （用作降滤失剂）
Na-CMC的聚合度一般在300-600之间，分子量在3万-10万。
取代度（α）又称醚化度，即纤维素的葡萄糖链节上羟基经过醚化后被—CH2COONa取代的程度。
葡萄糖一个链节中的三个羟基全部被取代，则α=3。若两个链节中只有一个被取代，则α=0.5。Na-CMC产品的取代度一般在0.5-0.85之间。
取代度（醚化度）是决定Na-CMC水溶性的主要因素。取代度与水溶性的关系是：
α<0.3 不溶于水
α≈0.4-0.5 难溶于水
α>0.5 溶于水
2) Na-CMC的降失水原理：
a. 提高粘土粒子的ζ电位
Na-CMC分子链上的羟基（—OH）和甙键（—O）与粘粒表面上的氧（O-）和羟基（OH）形成氢键吸附，而—CH2COONa可提高粘粒的ζ电位，使粘粒间静电斥力增大，结果提高了粘粒的聚结稳定性，于是容易形成薄而致密的泥饼，故降低滤失量。
b. 形成结构网—包住大量自由水
c. 提高滤液粘度
Na-CMC的改性主要从提高热稳定性角度进行，有以下三方面：
 提高聚合度——聚合度提高到600以上
 加入水溶性的硅酸钠、硅酸钾，生产出Na-CMC硅酸盐
 加入抗氧化剂——主要为酚类：苯二酚、邻苯二酚、硫化钠等。
Na－CMC的换代产品称为聚阴离子纤维素(PAC)，它的羧甲基在分子链中的分布更加均匀，取代度也稍有提高（0.8～1.0）。它的抗温、抗盐能力都比较高。
此外，纤维素的接枝共聚物也有较强的热稳定性，如：
N—羟甲基丙烯酰胺—丙烯酸接枝羧甲基纤维素、改性纤维素与丙烯晴接枝等产品。
3.2.5.2 磺甲基酚醛树脂（磺化酚醛树脂）
主要由苯酚、甲醛在酸或碱的作用下，缩聚反应生成酚醛树脂，并通过磺甲基化剂（甲醛与亚硫酸氢钠）的合成，引入磺甲基基团，具有抗高温和抗盐能力强的降失水剂。在我国应用最为广泛。
磺甲基酚醛树脂有Ⅰ和Ⅱ型产品（代号SMP-1、SMP-2），其主要差别是在磺化度（磺甲基基团的取代度上）和聚合度上，Ⅰ型主要用于淡水和低矿化度的盐水，其抗盐可达11×105mg/L Cl－，Ⅱ型可应用于饱和盐水中。
SMP分子链上的吸附基为酚羟基，能与粘土粒子表面上的氧进行氢键吸附；亲水基团为磺甲基—CH2SO3,其降失水原理主要是：水化膜护胶和静电稳定作用。
SMP分子结构中的酚羟基具有与高价阳离子络合的能力，故它能与很多高价金属离子配合使用，以提高其作用效能。
3.2.5.3 淀粉及其衍生物
淀粉是一种天然高分子物质，由直链淀粉和支链淀粉组成。由于淀粉颗粒的外层主要由支链淀粉构成，内层由直链淀粉构成，故原淀粉在冷水中既不溶解，也不容易溶胀分散，但是，淀粉分子中含有大量的醇羟基，通过改性（预胶化、羧甲基化、羟乙基化、阳离子化和部分氧化等），引入强吸水性的亲水基团后，可以使它成为良好的提粘、降失水剂。
直链淀粉的大分子是由α-d-葡萄糖以1-4甙键结合的直链线性高分子化合物，无支链存在，其基本链节是右旋葡萄糖中的α-葡萄糖。支链淀粉的主链也是由α-d-葡萄糖以1-4甙键结合的大分子骨架，但是骨架上有许多1-6甙键结合的支链存在。
现在市场上改性淀粉的品种有羧甲基淀粉（代号CMS）、羟乙基淀粉、羟丙基淀粉（代号HPS）和阳离子淀粉等。改性淀粉的降失水机理与CMC相似，其原因可能是改性后使淀粉的分子增大，同时在大分子结构上改变了淀粉分子的立体有序性排列，使之成为立体无规结构，致使淀粉衍生物形成沉淀的倾向减弱。
3.2.5.4 水解聚丙烯腈
主要有四个牌号的产品。三种是常温水解产品，包括钠盐（Na—HPAN）、钙盐（Ca－HPAN）和钾盐（K－HPAN）；一种高温水解的产品为胺盐（NH4－HPAN）。Na—HPAN用量最大，Ca－HPAN需配合半倍或一倍的碳酸钠使用，它与K－HPAN主要用来加强对地层泥页岩的抑制性。NH4－HPAN生产中不使用碱，它与本身水解厂来的NH3形成－COONH4，所以也具有抑制性，并有更好的耐温性。据报导水解聚丙烯腈在淡水钻井液中可耐温240℃，但尚有一定争议，要耐此高温，恐怕还要对钻井液提出一些前提条件。
3.2.5.5 腐植酸盐类
以褐煤为原料生产的腐植酸盐降滤失剂牌号很多，大致有腐植酸钠、腐植酸钾、腐植酸铁、腐植酸铬铁、硝基腐植酸钠或其铁盐，有机硅腐植酸（OSAN－K）等，腐植酸本身的抗温能力是较好的，但腐植酸钠由于使用PH较高，对粘土的分散作用较强，所以在固相含量较高时，实际抗温能力并不理想。但变成钾、铁、铬盐后，由于增加了对粘土矿物的抑制性，耐温性才得以充分发挥，一般可抗温达200℃以上。在Ca2+侵入时，生成腐植酸钙沉淀，所以在钻井液中Ca2+浓度不应超过600mg／L。腐植酸盐在钻井液中加量一般为0.5％～5％。
3.2.5.6 共聚物类和聚丙烯酸盐类
聚丙烯酸盐类包括钠盐（Na－PAA）、钾盐（k－PAA）和钙盐（CPA）。实际上，在它们的生产过程中经常中采用水解聚丙烯酰胺的方法。因此，在它们的分子链中往往会有酰胺等其它基团。后来发现，有目的地引入其它基团得到的共聚物效能更好。于是这一系列产品得到了充分的发展，一些二元共聚物、三元共聚物和多元共聚物应运而生。一般采用的单体有：丙烯酸钠、丙烯酸钙、丙烯酸胺、带硝酸基和带有机阳离子基团的单体等。
这类降滤失剂由于都是聚合物，所以钻井液综合性能好，流变性质好，钻井效率高，适合在各种钻井液中使用，加量一般在0.01％～l％范围内。抗温性一般认为可达到180℃以上。国内这类产品有：SK系列、CPA系列、PAC系列、JT888系列。
4 不分散聚合物钻井液及处理剂作用机理
4.1 不分散聚合物钻井液
 聚合物钻井液：使用高分子聚合物作主要处理剂的钻井液。
国内将聚合物钻井液多数分为：
 聚合物钻井液
 深井聚磺钻井液
按照用途进行分类（不很准确），聚合物钻井液可以分为以下几种类型：
实际上，聚合物钻井液分为不分散与分散两大类。
不分散概念也不十分准确，现在不大用。因为现场上不容易实现。那么，不分散概念怎么提出来的？这与钻井液任务有关。
4.1.1 “不分散”概念的提出
历史原因是：60年代末，70年代初，将提高机械钻速作为主攻方向，钻井上提出高压喷射钻井（以后演化为优化钻井）。钻井液界也开展对钻速影响规律研究，分别从物理和化学角度对钻井液优进行了研究。物理方面主要从固相含量对钻井速度影响进行了研究，化学角度主要从处理剂对钻井液影响进行了研究。
4.1.1.1 固相含量对钻井的影响
钻井液的任务主要是：
 尽量适应钻井工程、地质勘探开发需要及其技术发展
 考虑采用什么样的处理剂、钻井液体系实现钻井液作用效能
为了满足提高机械钻速的要求，钻井液界也开展对钻速影响规律研究。当时提出了两种思路：
1) 通过改变钻井液组成来提高机械钻速（做了大量实验）；
2) 通过改变钻井液性能（集中表现为流变性、造壁性）来提高机械钻速。
通过大量的实验，首先在改变钻井液组成来提高机械钻速这方面取得突破性进展，由此演化出了不分散低固相钻井液。通过改变钻井液性能（集中表现为流变性、造壁性），则发展成钻井液流变参数优选。
钻井液中固相对钻速的影响由实验曲线可以看出，如图2-2所示。
实验表明，有固相时钻速下降，没有固相时钻速最快。在有固相的钻井液中，当固相下降到某一点时，钻速下降趋势逐渐平缓。
从实验得到一个概念：无固相钻速最快。然而，钻井液中必须有固相，因为：
 地层钻屑混进，难以除去；
 钻井液性能必需。
因此，提高钻速必然是：
a. 应尽量降低固相至维持钻井液性能所必需的下限；
b. 固含必须低于4%5%（V/V）,（W/V）%=10%12%。
（相当于膨润土浆密度为1.061.08g/cm3）。
正因为如此，将固含低于4%5%的钻井液称为低固相钻井液。这就需要选用优质膨润土来配浆。
钻井中发现：土量相同，但钻速也不同。固相含量相同时，粘土分散度对钻速也有影响，进一步实验证明：
 土粒分散度越高，钻速越低。
 小于1m颗粒比大于1m颗粒对钻速影响大12倍。
因此，对低固相不分散钻井液基本要求有两项：
a. 固含应低；
b. 固相粒子浓度应相应地不能太高。
（b）条的含义是：
a. 维持性能需要的那部分固相分散度要高；
b. 不需要的那部分固相分散度要低。
4.1.1.2 从钻井液化学角度实现钻井要求
传统分散性钻井液及与固控设备配合解决不了上面问题，其原因在于：传统分散性钻井液的处理剂使钻井液中粘土粒子全都要分散，只是对优质土和劣质土的分散程度不同。因此，粘土变得很细，不断积累，固控设备除不去，导致固含大幅度上升，特别是造浆地层更为突出。
曾经采用过加无机盐的方法来控制固相分散度。
加盐后，对所有粘土粒子均使其分散度降低，好坏不分，性能维持不住，要保证性能需要，又要让粘土粒子分散，被迫加分散剂来抵消，结果又使粘土粒子均分散，只是程度上不同而已（在造浆地层速度慢些）。
4.1.1.3 聚合物不分散低固相钻井液技术要点
要解决以上的关键问题，就提出了不分散聚合物钻井液。那么，聚合物不分散低固相钻井液解决以上问题的要点是什么？
a. 必须使用膨润土作为配浆土（因为膨润土能高度分散，只要与处理剂调配得当，少量土就能达到要求，大约1.5%3%即可）。
b. 必须使用特殊聚合物：选择性絮凝剂（对膨润土不絮凝，对劣质土起到抑制分散，或者使已经分散的絮凝变大）。其目的是：
使少量膨润土满足配浆和性能需要
使钻屑保持较大颗粒；
保持较大颗粒的钻屑在地面被固控设备除去。
按照此观点，关键：选择性絮凝剂。无机盐起不了这种作用（换句话说，絮凝机理不允许无机盐起这种作用）。
4.1.1.4 选择性絮凝作用及选择性絮凝剂
1) 高分子絮凝作用
a 絮凝作用过程
高分子对粘土粒子的作用推测有以下四个过程：
在钻井液中，这四种状态都存在，只不过那一种为主。这四种状态可以互相转化，关键在吸附上。
b 影响成网能力的因素：
a. 分子量（实际为分子链长问题——溶液中实际链长）
规律：分子量增加，成网能力增加，反之，减小。
由于有侧链，易成网状，所以分子量用特性粘度表示（表示的流体力学尺寸）。
b. 基团（种类和比例）
吸附基吸附能力
水化基水化能力（水化基多为离子基，增强刚性）。
例：PAM为无规链团（链内氢键），水解后，随水解度增加，链逐渐增长（测特性粘度）。
c. 聚合物浓度与粘土粒子浓度关系
规律：聚合物浓度越高，成网能力越强。
d. 聚合物在溶液中构象（伸展？蜷缩？）
实际是有效长度对其影响。构象往伸展方向发展，则絮凝能力增强。取决于：
e. 其它机械作用
轻微搅拌：有利于吸附（伸展）；
强烈搅拌：有利于分子卷曲，不利于絮凝。
2） 选择性絮凝作用
选择性絮凝作用由选择性絮凝剂引起。在钻井液中主要絮凝劣土，而对膨润土起保护作用的絮凝剂叫选择性絮凝剂。
选择性絮凝剂为什么能起选择性絮凝作用？实质为吸附的问题。
当处理剂与粘土吸附时，存在两种作用：
a. 吸附基与粘土的吸力
b. 阴离子基团与粘土间的排斥力。
因为优质土表面负电性比劣质土大得多，吸附时，劣质土被优先吸附且吸附量大，而膨润土吸附量小，这种吸附量上的差异，导致选择性絮凝的发生。
根据以上假设，可以得到以下几点结论：
a. 所有聚合物只要调整好吸附基与水化基比例，可以做到选择性絮凝；
b. 膨润土不等于不被吸附，总要被带走一点；
c. 加盐后，失去选择性絮凝；
d. 土含量过高，无选择性，都要被带下来；
e. 不能加入其它分散剂（分散剂要吸附在膨润土和劣土上，两者差异减少，无选择性，变成保护作用）。
例如（实测结果）：
1.7%膨润土+2.05%高岭土+10ppmPHP（H=40%～50%）
上层 下层
高岭土： 9% 91%
膨润土： 91% 7%
也可以通过絮凝动力学的原理，测定聚结速度：用浊度计、分光光度计。
还可以测定饱和吸附量：饱和吸附量大者，容易被吸附、絮凝。
总结：选择性絮凝作用的实质：
a. 对劣质土絮凝；
b. 对优质土形成网状结构（不为保护作用，为不稳定中间状态，结构产生的机理、原因不同，就决定了钻井液性能的差异。
3） 选择性絮凝的条件（影响因素）
a. 分子链要适当：M↗→絮凝↗；
b. 水解度适当：实质：水化基比例适当：30%-50%。
一般：水化基由0→↗，向选择性絮凝趋势发展（刚开始絮凝增强，链伸展）
随水化基进一步↗→保护性↗。
c. 浓度：在某个数值以下，表现出保护作用。再增加浓度↗→选择性出现；继续增加浓度↗→保护作用又出现。
d. 膨润土含量：膨润土含量不能太大，太大也被吸附上去，失去选择性。
一般：蒙托石：3%-4%；
DB值≦2（太大，失去选择性，机率问题）
e. PH：PH值要影响聚合物在粘土表面吸附能力。
一般：PH↗→吸附能力↘。若下降幅度相同，对膨润土的比对劣土的吸附量小，失去选择性。
f. 矿化条件：盐度↗→选择性丧失（特别是在等电点附近，选择性全部丧失）。
实际上，现场上难以实现(d)、(f)。劣土吸附其它处理剂后，ζ↗、水化膜↗，差异减小，选择性絮凝作用。另外，聚合物钻井液原来不准加分散剂，但性能如何控制？
4.1.1.5 聚合物钻井液的抑制性
抑制性：抑制泥页岩造浆——不准泥页岩成很细颗粒而成为钻井液组分。抑制性包含有两个概念：1）、大颗粒不准变小（抑制分散）2）、已经变小（机械作用）钻屑发生絮凝作用而变大（絮凝），这两方面构成了聚合物钻井液抑制作用。
那聚合物钻井液的抑制作用是如何体现的呢，它也依存两个方面：絮凝作用和包被作用。
包被作用：聚合物长链在粘土上发生多点吸附，使聚合物粘覆于粘土粒子上，使得聚合物水化膜形成一层保护膜，从而阻止外层水进入，水化。
因此，聚合物浓度越大，效果越好；吸附基越多，效果越好。类似于絮凝作用。因为从分子结构上讲，絮凝能力与包被能力一致（仅为推测）。
4.1.2 聚合物不分散钻井液的使用特点
4.1.2.1 聚合物不分散钻井液的内部结构
内部结构：聚合物分子链与膨润土之间形成的空间网架结构。
特 点：少量粘土粒子与少量聚合物形成很强的结构。
例：1.02g/cm3膨润土浆+1000ppm聚合物（PAC141\FA-367等），可以形成一种冻胶状—类似于凉粉状物质（立成一坨，但一抓就起来）。95%的水包在里面流不出来，结构强。卡片式房子结构做不到，因为卡片较小，要达到同样效果，必须浓度很大。好比：用砖头塞满房子，需要很多砖头，而用篾条编成笼子，只要很少。
因此，聚合物不分散钻井液性能由三部分组成：
均与聚合物钻井液内部结构有关。
4.1.2.2 聚合物钻井液的基本组成
膨润土浆+选择性絮凝剂（大分子：300-500万）+辅助调整性能处理剂（中小分子降粘剂、降失水剂等），所以聚合物钻井液叫大中小分子搭配。
4.1.2.3 应用特点
a. 流变性不稳定
低固相有可能控制得住，但常在造浆井段加水。因为固控不好，钻屑除不去，被迫加水稀释，最后大量放钻井液。
粘切升得较快，常常比密度增加来得更快。
后期，一般大分子加不进去，只能加小分子。
b. 泥饼质量差
c. 效果显著，成绩很大（国家二等奖），但问题不少
① 成就：
a) 建立了一套适应于喷射钻井的钻井液体系
b) 形成了一个配套处理剂系列和钻井液系列（那种条件、那种情况都能用）
② 问题：
聚合物钻井液存在的三大技术难题一直得不到解决。
a) 静结构强
现场表现：钻速快，钻完后常常电测工具下不到底，起钻，下钻又非常顺利，一次到底，开泵顺利后来发现，静结构强。
电测一次成功率一般在70-80%，再高较困难。
b) 泥饼质量与失水矛盾（或者说失水能够降下来，泥饼质量不好）
与分散性钻井液不同：分散性钻井液失水低泥饼必然好。
c) （在造浆严重地层）照样控制不住造浆
排放钻井液严重（新疆白碱滩地区放钻井液200方），所以，现场上选择性实现不了。国内外不称选择性，称不分散或抑制性钻井液。
4.1.3 聚合物钻井液的发展之一流变参数优选
——实质从钻井液性能对钻速影响
4.1.3.1 高压喷射钻井对钻井液性能要求
泵压尽可能地分配在喷嘴两端，提高喷射速度V喷。
P泵=P钻具↘+P喷↗+P环↘
 P环小：
排量小、V返小。
∵要求返速高才能带砂，但V返低
∴只有降低下滑速度（如果下滑速度为零，只要有一点返速就可带走）。
因此，在某个速梯下的表观粘度要高。即：要求在环空返速下有比较高的有效粘度。
流核要大，环空低返速下有效粘度大实际就是流核较大。
 P具小：
由于长度、水眼、排量确定了的，P具小就是要求钻具内有效粘度较低和钻头水眼喷嘴处有效粘度低。因此，由P泵=P钻具↘+P喷↗（必然大）+P环↘
另一个问题：当泵压一定时（如，P泵=120atm），是不是任何钻井液流动阻力一样（即V喷=？），即：P喷两端压降相同，流动阻力小的，V喷大。因此，要求钻井液穿过喷嘴的流动阻力尽可能小。
于是，按不同井段的要求，选择不同的粘度最佳组合的方法就是流变参数的优选。
问题：紊流下流变参数如何说明。
4.1.3.2 聚合物钻井液内部结构与流变参数关系
——只有聚合物不分散钻井液才能实现流变参数优选。
①、 聚合物钻井液的内部结构
a.研究方法：透射电镜：分辨率可达10 Å，一般聚合物链长几百个Å（最大1微米）。
b.观察结果：聚合物分子以分子间缔合和分子内缔合（链束或链团）的形式与粘土粒子形成包被与成网作用。
c.特点：只有聚合物钻井液才能实现流变参数优选。
从剪切稀释性看：
 环空粘度要高
分散性钻井液必须要粘土粒子浓度高才能达到环空有效粘度高（好比砖头充满房子）。
 喷嘴粘度低
分散性钻井液低不了，若低，环空不行；
聚合物钻井液是：极少量土+极少量高聚物形成很强结构。
②、 影响喷嘴粘度和结构粘度的因素
 聚合物分子量与浓度对喷嘴粘度的影响
由于喷嘴粘度取决于三方面摩擦力：
所以，分子量M↗→喷嘴粘度↗；
固含↗→喷嘴粘度↗；
降粘剂与降失水剂一般使喷嘴粘度↗（因为均要增加液相粘度）；
电解质浓度↗→喷嘴粘度↘。
 对结构强度（网状结构）的影响：
体系成网能力↗→结构强度增加。
所以，凡是影响成网能力因素均要影响结构强度。
但是，成网能力过强（强得失去网状结构，结构强度反而下降）。
如图2-4所示。
在钻井液中，喷嘴粘度通常用η表示，结构强度通常用c表示。
图中规律类似于分散性钻井液受盐侵污的规律。
由图可见，在某个范围内，增加成网能力因素→c↗；
在某个范围外，增加成网能力因素→c↘。
 造壁性与网状结构关系
喷射钻井对造壁性要求是：初失水大，总失水小。
初失水：泥饼正在形成，但尚未完全形成的失水。
初失水大：可以消除钻屑的静动压持作用（初失水进入空隙的速度大于第二个牙齿敲过来的时间，且滤液进入后，等于钻井液液柱压力，岩屑将漂浮起来）。
③、 聚合物钻井液失水与网状结构关系
钻井液失水与网状结构的关系如图2-6所示。
由图2-6可见，失水造壁性随着钻井液成网能力增加而发生不同的变化。
C→B：失水↗，成网能力↘，初失水↗，泥饼变好；
B→C：失水↘，初失水，泥饼质量变差；
A→B: 成网能力↗，失水↗，初失水↗，泥饼质量变差；
B→A: 成网能力↘，失水↘，初失水↘，泥饼质量变好；
C→D：失水↗，初失水为0，泥饼更差，成网能力↗；（表现出网状结构↗，自动挤出水；↗同时也表现出游离颗粒↘→参与形成泥饼颗粒↘）。
总之，A—B—C—D，机理不一样。
关键：网状结构。
4.1.3.3 控制失水三条途径：
a. 通过控制泥饼渗透率K控制失水（分散性钻井液控制失水原理）
b. 利用网状结构对自由水的束缚限制自由水移动来控制失水（要使其移动，必须要有压力才能使自由水出来）。
例：1.02g/cm3的膨润土浆+1000ppmPAC-141
其中，98%是水，2%是聚合物和土，静置后可以抓起来。说明网状结构强，对自由水束缚强，所需外加压力更大。或者说，在相同压差下，网状结构越强，水出来越少。
c. 提高滤液粘度
总之，采用上面三种方法分析失水造壁性，就不难理解：
随成网能力↘→变为聚合物分散性钻井液
随成网能力↗→失水后没有什么泥饼，即水被压出后，剩下的网即为现在的泥饼（被浓缩了的网状结构），自身形成一个体系，与滤纸连接弱，水一挤即掉，泥饼发虚、发泡。其泥饼形成过程与分散性钻井液泥饼形成过程完全不同。
聚合物钻井液中降粘剂与失水控制剂无根本区别，因此，从配方组成上看，聚合物的为：
膨润土+主聚物+辅聚物（中小分子，调整内部结构）+惰性降失水剂
由于网状结构为中间状态，因而有时加的降失水剂在同一处理剂、同一个配方时，可能降失水，也可能增加失水。如图2-7中A、B两点,加降失水剂，一个失水↗，一个失水↘。
同样，降粘剂也一样，如图2-8所示。
因此，聚合物钻井液降粘剂、降失水剂机理复杂。
4.1.3.4 结论或推论：
a. 在聚合物钻井液中，所有降粘剂都是通过降低网状结构来降粘，因此，必然增加非结构粘度，使喷嘴粘度增加。
b. 聚合物钻井液必然是静结构强（极少量聚合物+极少量土）
c. 这种网状结构必然形成失水与泥饼的矛盾。
4.1.3.5 惰性降失水剂
——分散性钻井液泥饼改善的有效途径（架桥-逐级填充-最后填充）。
——聚合物钻井液调整到C→B，其中有一些。
惰性降失水剂定义：能在水中高度分散成固相颗粒，既不与粘土粒子作用，也不与聚合物作用，而这些颗粒参与泥饼形成。
关键：在水中高度分散（1微米左右），且不反应。如：
超细CaCO3
白碳黑
磺化沥青（优点：增加润滑性；可变形；缺点：荧光，影响测井）
磺化沥青使用范围在C→B段最有效；在A→B段，起润滑性等作用，如深井用）
总之，用以上方法，可以解决三大难题中前二个难题，还有一个问题：抑制性与造浆性问题未根本解决。
4.1.4 聚合物钻井液发展之二：两性复合离子聚合物钻井液
4.1.4.1 普通聚合物钻井液抑制性未解决的表现
表现在：
造浆段→粘切增加很快→加降粘剂→（管不了多久）粘切↗（比上次还高）→再加降粘剂（这次效果比上次差）→粘切↗↗↗→最后，高分子加不进去，只能加低分子，变成分散性钻井液，被迫加入大量水、处理剂，排放大量钻井液。
现在还有人认为：是不是抑制性太差？如果这样，就想办法提高抑制性，方法：
 加无机盐（K+、Ca++等），如聚合物钾石灰钻井液
 提高包被能力：
a. 增大分子量
b. 采用阳离子聚合物
c. 增大聚合物用量
现场实际表明，采用提高抑制性的方法，用于控制钻井液性能的聚合物种类多，在某些地层有效，在某些地层无效。
如：塔里木油田，6000米深井，用阳离子聚合物效果好，但加了二十几种其它处理剂，其中，仅FCLS就用了40多吨。
问题：
如何解决聚合物钻井液的抑制性与其配浆性（性能）的控制、调整之间的矛盾？
a. 钻井液的抑制性
钻井液的抑制性是指钻井液对粘土的水化膨胀、水化分散的抑制作用大小。其中，关键在水化。如果水化控制不住，分散、膨胀控制得住也行。
抑制机理：
 电中和作用：用（无机、有机）阳离子吸附在粘土上，降低ζ，控制、降低渗透水化作用。
 包被作用：以聚合物链或者链束在粘土粒子上包裹，既可阻止水分子进入，也可以阻止膨胀、分散（关键在两者）。
如：试样，在清水中分散，在聚合物溶液中不分散。
b. 钻井液的絮凝趋势
上面两种抑制作用均引起絮凝趋势（所以，抑制作用、絮凝作用一致）
c. 絮凝趋势增加，钻井液性能变坏
∵钻井液性能好坏实质为分散体系聚结稳定性的好坏
∴得出上面结论
即：钻井液的抑制性与配浆性之间无法调整（即使调整，靠经验，经验好，性能好，反之，性能差）。
怎么解决？
只有一种方法：将抑制性增加与性能关系切开。
现有抑制性机理又分不开，因此，应搞出一种具有新的作用机理，使得抑制性与配浆性分开，或者两者一致，就能解决这个问题。
4.1.4.2 降粘剂是产生恶性循环的核心，最关键在降粘剂的作用。
（分析发现，有一个核心问题：从工艺上讲是造浆问题，但本质上讲是稀释剂问题），现有降粘剂作用特点
a. 有效降低钻井液的结构粘度η结和表观粘度η‘
b. 增加喷嘴粘度η
c. 降低钻井液的抑制性
那么，我们要想解决这个问题，提出一个新的降粘剂，它应该具有以下特点：
a. 有效降低钻井液的结构粘度η结和表观粘度η‘（同上）
b. 同时应降低喷嘴粘度η
c. 不降低甚至提高钻井液的抑制性
如果能够实现上面三点，则应该为抑制性增加，而配浆性（粘土颗粒）的稳定性问题也好。
那么，抑制性如何评价？
方法：
 CST法——毛细管吸吮时间法
CST值越大，颗粒分散得越小，抑制性越差。
滤液扩散速度=f（滤液粘度、粒子大小）
利用CST仪，可做：
 滚动回收率法
8-20目样品，滚动后，用20、40、80目筛余回收率大小表示抑制能力：回收率高，抑制性好。
 线膨胀实验法
 粒度分析法（该法为评价分散的最好方法）
搅拌后，测定中值、比表面。
4.1.4.3 两性离子聚合物钻井液处理剂的提出
两性聚合物：发生电离后，大分子链上有阳离子，也有阴离子存在的聚合物。
怎么考虑的作用机理？
大分子的抑制能力是通过絮凝能力、包被能力产生的。则要求分子上应有足够的吸附基，若相反，大量水化基（阴离子基），有效吸附能力太低，则只能产生吸附、桥连状态。
若要提高抑制性，必然需要增加吸附基比例，但增加到50%-60%，变为絮凝趋势，配浆性要降低。
而引入阳离子后，吸附键能↗→与粘土粒子之间的吸附点（吸附比例）↗（高于60%的-CONH2）。但是，由于量少（10%-20%），到不了第四种状态，最多到第三种状态。而电中和作用加上少量包被作用，抑制性比阴离子强，配出的钻井液性能比阴离子的好（至少不差于阴离子）。
对于两性离子小分子聚合物呢？
小分子以链束形成的网吸附在粘土粒子上，(其吸附能力越强，达到饱和吸附的平衡浓度就越低，产生和发挥作用的效果越好)。
另外，大比例水化基给粘土粒子表面带来更大量的ζ、水化膜。
对于已经分散的膨润土浆，因被小分子中和、包被作用后使其不再发生水化，维持其分散性，而对钻屑不让其分散。
实验验证
a. 对喷嘴粘度影响
原有稀释剂：PAC-141、HPAN、XA-20均使喷嘴粘度增加，而XY-27则使其降低。
b. 稀释效果对比
浓度低时（100ppm-400ppm），稀释效果明显好于现有任何聚合物稀释剂；
浓度高时（>700ppm），效果差不多。
c. 抑制性对比
原有稀释剂加入均使CST值增加，中值下降，回收率降低。而XY-27加入，均使其降低。
d. 抑制膨胀对比
该种钻井液性能较稳定，排放钻井液量大幅度降低，百米造浆率降低（没百米比重增加很少）。因配浆性好，造壁性也好，防塌性好。
4.1.4.4 存在问题：
① 溶液中构象不清楚
② 与粘土作用机理不十分清楚
③ 阳离子在分子链上的位置等不清楚
④ 抗盐抗钙问题
⑤ 高密度钻井液中问题。
参考文献
1、 夏俭英：“钻井液有机处理剂”，石油大学出版社，1991年。
2、 吴隆杰等：“钻井液处理剂胶体化学原理”，成都科技大学出版社，1992年。
作业题
文献综述：国内外抗高温抗盐抗钙水基钻井液降粘剂的研究现状及其作用特点分析。
5 油田用新型缔合聚合物NAPs 的研究
5.1 问题的提出
1.水溶性聚合物已成为油井工作液的重要组成部分特殊的流变性是油井工作液必须的要求和特点
如:(驱替液、钻井液、完井液、压井液、修井液、酸液、压裂液、调剖液…)天然聚合物 （如XC）
水溶性聚合物
合成聚合物（如HPAM）缔合、非缔合水溶性聚合物主要大量用于聚合物驱油
聚合物驱油技术趋于成熟：
已进入大规模工业应用阶段，吨增油可达120-150吨
如大庆：聚驱比水驱提高采收率10%OOIP以上；
ASP复合驱：比水驱提到20%OOIP以上。
对可采储量有限的大多数油田的稳产高产和抑制产量递减来说，具有十分重要的意义。 但：现有聚合物产品难以很好满足要求
如在辽河油田：
 用量大 1200～2200mg/L,吨增油60～150 t
 耐盐性差 难以用污水配液，遇地层盐水降粘更严重
 耐温性差 一般低于70℃
 抗剪切能力差 剪切降解大幅度损失粘度
 稳定性差 剪切、高温、氧化及生物稳定性差
由于聚合物的原因导致三次采油技术在不少油田难以推广！对聚合物水溶液流变性的基本要求：1)高效增粘性：
2)抗温性与抗盐(钙)性；
3)剪切稀释性；
4)悬浮性；
5)稳定性(长效性)；
剪切降解稳定性；
高温降解稳定性；
生物降解稳定性。
解决聚合物溶液以上问题的主要思路：
5.2 理论分析与研究
一种新的理论假设假设：
1) 溶液中聚合物分子链间适当结合，形成布满整个体系的三维立体网状结构(多级结构)；
2) 此结构随速梯的增减而可逆变化；
3) 此溶液体系为结构流体,有：
η视＝η结构＋η非结构
则： 有更高的高效增粘性
有足够的悬浮性
有良好的剪切稀释特性
可能有好的抗温性、热增粘特性
可能有好的抗盐性、盐增粘特性新型缔合聚合物NAPs的研制
1、国内外研究动态
2、在溶液中形成的网状结构的模型构想
3、聚合物溶液内部网状结构与溶液流变特性
1)表现粘度更大：
η视＝η结构＋η非结构
2)存在临界浓度Cc与临界粘度ηc ：
3)盐度增加引起缔合力增强，则：抗盐性 甚至盐增粘；
温度上升引起缔合力增强，则：抗温性 甚至热增粘。4)其它特殊流变特性：如粘弹性、触变性……
4、能在水溶液中形成结构的聚合物
——新型缔合聚合物 NAPs
NAPs分子结构模型与设计：
以乙烯型单体通过自由基引发聚合的，分子量适度（200~1000万）的，在稀溶液中能够形成多种缔合形式的水溶性聚合物
新单体研究与研制：
1)主体单体
2)功能单体→→→改变分子结构和缔合键强弱，及缔合概率
3)缔合单体
4)骨架单体
结构形成的能力及对结构强弱的影响因素：
分子主链结构
分子有效链长
缔合基链长→→→结构形成可能性、结构形成模型、结构形成强弱
缔合基种类
缔合基比例
缔合基在链上的分布
新型缔合聚合物NAPs的分子结构设计应用性能→溶液流变性→溶液结构→分子结构建立起了一座宏观性能与微观结构间的桥梁！5、新型缔合聚合物合成、中试与生产西南石油学院已经完成:
室内研究
中试研究
 在西南石油学院科技开发总公司已能批量生产多种用途的干粉系列。
5.4 性能评价与初步结果
溶液的流变性能特征得到证实
1、样品水溶液的流变性完全达到了预期的结果：粘浓关系之1—— 聚驱(大庆条件TDS4356ppm，45℃)
样品 分子量(万) 表现粘度(mPa.s),1500ppm
TDS5000,70C,7.34 1/s
国产HPAM 2200 25.2
日本三菱Mo 4000 2100 20.5
法国SWF(FO4990) 2000 18.4
英国联合胶体(11754) 1800 12.5
NAPs-11.18 920 46.3
NAPs-PF2 550 38.9 (1200mg/L/Cs3%)
NAPs-PF1 540 32.9 (1500mg/L/Cs6%)
粘浓关系之2—— 聚驱(胜利条件TDS5727ppm，70-85 ℃)
2、耐盐性
不同聚合物的粘度-矿化度关系(Cp1500ppm,85℃,7.34s-1)
即使1250ppm NAPs粘度在全部盐度内比1500ppm的Mo4000高，而后者是进口HPAM耐盐性最好的产品之一。
阳离子缔合聚合物NAPs(CB18.20.025)的粘度-氯化钠浓度关系
测试条件 t=25℃ Cp=0.3%, g=45s-1
表现出典型的耐盐性和盐增粘性！3、粘度-温度关系
淡水 Cp=0.3%wt，剪切速率g=45s-1 表现出明显的耐温性甚至一定范围的热增粘性!
4、剪切稀释性
表观粘度和剪切速率的关系 25 ℃，Cp=0.3%
6 悬浮性初步实验悬浮性是对油田用聚合物溶液的基本要求(钻井、压裂等)但是普通聚合物如HPAM溶液悬浮能力不能满足要求
NAPs溶液能否具有悬浮性？
由于颗粒下降时必然要拆散溶液体系的某种作用力，那么，具有可逆缔合作用的NAPs理应具有较好悬浮性实验操作：在装有10０ml浓度1000～3000ppm聚合物溶液的具塞刻度试管中，分别装入各种被悬浮物(重物10g，气体则通气1min)，密闭振摇1分钟，静置7天后观察，结果如下：7.聚合物溶液粘度稳定性现状：在污水溶液中长期放置，粘度明显大幅度下降粘度不稳定的成因 ：
高分子主链降解断裂而降粘
原因：氧化降解、生物降解、剪切降解。
粘度稳定剂VS （Viscosity Stabilyzer）
系列抗氧化剂作为粘度稳定剂的主剂，抗氧化剂与其他组分如杀菌剂协同作用，构成了新型粘度稳定剂VS。
胜利油田聚合物粘度稳定性
3．3增粘剂和流型改进剂（流型调节剂）
1．增粘剂的作用机理
影响钻井液粘度的主要因素：其一是粘土含量，其二是加入的水溶性大分子，如加入水化性好的粘土粉能迅速提高体系的粘度。但是，这样整个钻井效率会降低，因此加入粘土增粘往往是不合理的，所以，钻井用的增粘剂主要的采用水溶性高分子化合物（在后面会讨论高分子对溶液的影响，体系中大分子同固相分散颗粒之间的相互联系）。此外在泥浆体系中，还应考虑提高结构粘度的问题也就是提高τo、τc的情况。以上的高分子增粘剂在浓溶液或在泥浆中，肯定也会同时提高τo、τc。一种处理剂能大幅度提高τo即增加体系的结构，而本身用量很少，对滤液粘度影响很小，这样就会出现τo／η塑上升，n值下降的情况。这一类增粘剂称为流型调节剂。这种处理剂能提高泥浆的非牛顿性，提高泥浆的剪切稀释作用，这对于提高钻井效率是非常有意义的。而且这种流型改进剂还能改变钻井液在井筒内的流态。尖峰形层流对于携带钻屑是极为不利的，因为钻屑在不同流速的推动下会向井壁翻转并沿着井壁下滑，但对井壁的冲蚀较轻；紊流携带钻屑虽不存在尖峰形层的缺点，但对井壁冲蚀厉害，而且在相同排量情况下，钻屑滑落速度较层流大。因此，对于固相含量很高的钻井液体系，紊流携带钻屑比层流好，但是对于目前广泛使用的低固相钻井液，最理想的是改型层流，即平板型层流。它具有最好的携带能力和井壁安全性。我们可以通过控制钻井液的雷诺数使其保持层流，而通过提高τo／η塑或降低n值来使钻井液的流动截面速度分布最最大限度地保持平板型。
因此，对流型改进剂的主要要求就是对τo提高的幅度大，对η塑的提高幅度小。为了达到这一目的，一般采取的措施是：①保证一定的优质膨润土含量；②使用水化性强的高分子化合物；③配合使用一定数量的无机电解质起交联作用。
2．常用的增粘剂和流型调节剂
（1） Na－CMC和聚阴离子纤维素类
与降滤失剂不同，增粘用Na－CMC和聚阴离子纤维素都是采用高聚合度产品。所以它们有极高的增粘、耐盐并兼有降滤失能力。但它们的增粘作用是同时提高η塑和τo，流型调节作用不明显。
聚阴离子纤维素与相同规格的CMC比较，具有较好的抑制泥页岩膨胀的性能，在耐盐、耐温和抗剪切方面也比CMC好。
（2）生物聚合物
XC聚合物对水溶液流经论如影响
国外普遍采用增粘剂。由于生物聚合物本身就是一种网状结构，而且整个分子结构中有大量位置不同、极性也不同的氧基、羟基和羟甲基，所以能与大量分子形成整个空间的溶剂化结构。因此，生物聚合物是一种提粘效果非常好，且对流变性调节最为有效的增粘剂。表列出美国XC产品对水溶液的提粘效果。
从上表可见，XC生物聚合物是一种优良的增粘剂和流型调节剂。目前已在现场大量使用，尤其是海洋钻探中，粘土的运输费用增大，使钻井成本增加，而生物聚合物属于非离子型聚合物。生物聚合物的缺点是耐温性能不高，大约为120℃。其次是容易发酵，一般是配合多聚甲醛或三氯酚钠等杀菌剂一起使用。除在钻井液中使用外，生物聚合物还常用做完井液增粘剂。实验证明，它对生产后的污染较小，而且具有极好的抗剪切性。
注：在泥浆中，随着粘土含量的增加，XC聚合物增粘性仍很明显，但改进流型的性能却相应降低。这是由于粘土含量提高后，粘土颗粒形成的结构逐渐占据主导地位，XC聚合物反而以位阻效应妨碍粘土颗粒之间的电性作用。所以在高含土量的情况下，XC聚合物反而使τo／η塑比值降低。
（3）聚丙烯酰胺和以乙烯基单体共聚物系列的线型大分子化合物
PAM水解后在不同盐类水溶液中的流变参数
A．这个系列的聚合物应包括不同分子量与不同水解度的聚丙烯酰胺和聚丙烯腈，丙烯腈胺、丙烯酸类的共聚物以及它们的钠盐、钾盐、钙盐和铁盐。这一类产品也是国内外应用最广泛的处理刘。这个系列产品对溶液或泥浆体系流变学性质的影响比较复杂。不同的研究工作者所得的研究结果也不完全一致。
首先对溶液而言，聚丙烯酰胺系列，既有强烈的增粘作用，也有调节流变性的效能，见表。聚丙烯腈系列由于分子量较低而水解度较高，所以提粘效果不如PAM系列，而且没有改善流型的作用。
B．PAM在泥浆中会对粘土颗粒产生“架桥”和絮凝，因此，在加入泥浆中，体系有一个结构先变强（桥联）后变弱（絮凝）的过程。反映到流变学中就可能有一个转折，粘度和切力都有一个随浓度变化的最高点。关于分子量的影响，对于水溶液而言，大体上是分子量越高提粘效果越高。但对动塑比值的影响，测定的规律不太好，见下表：
C．水解度的影响，结果比较一致，即30％左右的Na－PAM在溶液中的尺寸最大，也就是分子最伸展，因此粘度和切力均出现最大值，对动塑比的影响也大体如此。在泥浆体系中，分子量的影响如图。水解度的影响如图所示。
不同分子量的Na－PAM水溶液的流变参数（α=30%，C=500mg/L）
从图中可以看出，分子量高一些对泥浆粘度有一定的提高作用，但在3×106以上提高就不明显了。有的资料报导，分子量继续升高，泥浆发生絮凝，反而粘度下降。水解度的影响仍然是同PAM的尺寸有关，在30％左右出现泥浆结构的最大值。至于水解后成盐阳离子的影响，二价离子的提粘切能力比值提到1.3，Na－PAM只提到0.44。对PAN而言，由于分子量较小，成盐阳离子的影响不明显。
（4）羟乙基纤维素
它是耐盐耐高价阳离子污染的增粘剂，属非离子聚合物，取代度一般在1.2～1.8。由于价格较高，一般钻井液很少使用，主要用于重盐水完井液，使用温度为 107℃～12l℃。
（5）其它
可用于钻井液、完共液增粘剂的还有天然植物胶，如胍儿胶、田菁胶、木榆胶等；合成聚合物如磺化聚丙烯酰胺、多元共聚物PAC－141等。近年来又开发了两性复合离子型增粘剂。
d.通过控制内泥饼控制失水
下面利用内外泥饼之间关系说明这一点。
泥饼的形成机制相当复杂，影响因素繁多，假设钻井液向井壁滤失过程符合达西（Darcy）定律，则
（1-14）
式中，h—泥饼厚度，cm；K—滤层渗透系数，darcy。
由于泥饼厚度h和滤层渗透系数K实质上是以阻力形式影响滤失过程，因此，（1-14）式可以表示为：
（1-15）
式中，F—泥饼阻力，其值为h/K；F内、F外—分别为内泥饼阻力和外泥饼阻力。
Vf实际上是考虑了内、外泥饼过滤介质阻力时的滤失量（失水），与不考虑内泥饼阻力时的失水Vf外之比为：
（1-16）
因为，Vf=Vf外+Vf内，则
（1-17）
由（1-17）式可见内外泥饼之间失水量的关系：内泥饼上失水增大，外泥饼上失水相应增大，取决于内外泥饼阻力的比值。
代F=h/K入（1-17）式，得
（1-18）
将Vf内=ΔP/μF内代入（1-18），得
（1-19）
（1-19）式表明，外泥饼上的失水量与内泥饼渗透率的二次方成正比，与内泥饼厚度的二次方和外泥饼渗透率的一次方成反比。显然，内泥饼的质量参数显著影响外泥饼上的失水量。
如何才能形成良好的内泥饼？对于高渗砂岩地层，关键是高密度钻井液体系中应含有一定比例的细小粒子，它们能够迅速在岩石近井壁内侧表面浅层桥塞住孔喉，大幅度降低滤失介质的渗透率。根据1/2～2/3桥塞理论和砂岩孔喉大小，对于大多数泥页岩地层，形成内泥饼的粒径范围通常为1～100微米。
（3）钻井液抑制性控制同钻井液性能的稳定始终处于两难抉择
①油田中使用的水基钻井液，历来都是将粘土分散在水中所形成的负电分散体系。粘土颗粒的分散，是依靠其自身所带的负电荷，添加的分散剂和稳定剂的主要作用原理就是增强粘土颗粒的负电动电位，强化这种负电的水化效应。
②处理剂本身大都带有很强的负电基团，几乎全都是阴离子型的。这样的钻井液体系，对于井壁和地层中的粘土矿物来说，无疑是一种不稳定因素。因为：凡是能使钻井液中粘土颗粒分散的因素，也必然会导致井壁和地层中粘土矿物的水化、膨胀和分散。
③稳定井壁和地层的措施主要是靠正电的物质，如高价的金属离子Ca2+、A13+、Fe3+等，它们能够中和粘土颗粒表面的负电荷，降低粘土颗粒的ξ电位，从而削弱其水化效应；而K+则依靠与粘土颗粒的牢固吸附，长效地降低粘土颗粒ξ电位，从而成为长效的防塌剂。
然而，这些稳定井壁措施都不利于钻井液的稳定，将导致钻井液滤失量大幅度增加，欲改善此时钻井液的胶体稳定性，将被迫追加大量的稳定剂（降滤失剂和分散剂），而这些处理刘又会将负电荷送入地层。所以，钻井液的稳定性与地层的稳定性之间，始终在相互矛盾着。
