鉆井流體鉆井流體

鉆井工程中使用的循環(huán)流體，由于絕大多數(shù)使用的是液體,少數(shù)情況使用氣體或泡沫,因此又稱“鉆井液”、“洗井液”，俗稱“鉆井泥漿”。

鉆井流體 - 功用 主要是①清洗井底，攜帶巖屑；②冷卻和潤滑鉆頭及鉆柱；③形成泥餅，封護(hù)井壁；④控制與平衡地層壓力；⑤循環(huán)停止時，能懸浮巖屑和加重劑；⑥在地面沉除巖屑；⑦提供所鉆地層的巖屑、泥漿、氣測等有關(guān)資料；⑧將流體功率傳給鉆頭（在用井下動力鉆具時）等。

鉆井流體 - 組成 主要成分有:①淡水或鹽水、飽和鹽水等;②鈉膨潤土或鈣膨潤土、有機(jī)土(經(jīng)表面活性劑處理的土)、抗鹽土等；③無機(jī)或有機(jī)化合物如天然或合成高分子化合物、表面活性劑等；④柴油、原油等（用于油基鉆井液）；⑤空氣、天然氣等（用于氣體鉆井）。不同成分的組合，形成各種類型的鉆井流體。從物理化學(xué)觀點(diǎn)看，鉆井液是一種多相不穩(wěn)定體系。包括“懸浮體”（如重晶石粉、鉆屑、粘土粉）、膠體(如高聚物、膨潤土粉)和真溶液（如氯化鈉、碳酸鈉）。其中起主要作用的是膠體成分，一般稱膠態(tài)-懸浮體。

處理劑 為了改善鉆井流體的性能，滿足鉆井工程的要求，需要在各類鉆井流體中加入處理劑（添加劑）。目前，根據(jù)處理劑所起的作用分成：堿度調(diào)節(jié)劑、除鈣劑、除泡劑、起泡劑、降粘劑、增粘劑、絮凝劑、潤滑劑、殺菌劑、乳化劑、堵漏劑、加重劑、防腐蝕劑、表面活性劑、頁巖抑制劑、降失水劑等16類,總數(shù)約100～150種,研究和發(fā)展處理劑是提高鉆井流體技術(shù)水平的重要內(nèi)容。

鉆井流體 - 分類 按比重可分低比重和高比重兩種：按對粘土的作用可分抑制性和非抑制性兩種（前者加有抑制劑，使流體具有防止鉆屑水化和碎裂及穩(wěn)定井壁作用），按分散體系中的連續(xù)相可分為水基（以水為連續(xù)相）、油基（以油為連續(xù)相）和氣體三種。目前，根據(jù)地層的特點(diǎn)習(xí)慣分成：高堿性淡水泥漿、高堿性石灰泥漿、低堿性淡水泥漿、低堿性鹽水泥漿、低堿性石膏泥漿、低堿性飽和鹽水泥漿、低固相泥漿、油基泥漿、油包水浮化泥漿、氣體等10種。

水基泥漿 是目前研究最多、應(yīng)用最廣泛的一類泥漿,發(fā)展過程大概經(jīng)歷了5個階段:①自然造漿階段,1901年開始用旋轉(zhuǎn)鉆井方法鉆井，用清水作循環(huán)液體。1914年后,認(rèn)識到混入的粘土對鉆進(jìn)有利,開始使用泥漿；②細(xì)分散泥漿階段，在渾水泥漿中加入如燒堿、純堿、丹寧、褐煤等具有分散作用的處理劑,使粘土顆粒變小,從而提高泥漿的穩(wěn)定性。③粗分散泥漿階段，在加入分散劑的基礎(chǔ)上再加入適量的無機(jī)絮凝劑如石灰、石膏等,使粘土顆粒保持在“適度絮凝”狀態(tài)，可獲得更高的抗石膏、抗鹽能力。④不分散泥漿階段，60年代出現(xiàn)了噴射鉆井工藝，研究了泥漿水力學(xué)及其他有機(jī)處理劑。水基泥漿從分散體系發(fā)展到不分散體系。前者是把粘土的大顆粒變小、變細(xì)，以利于膠態(tài)體系的穩(wěn)定；后者把顆粒變粗、變大，以利于沉淀和清除固相。這一技術(shù)的突破，有效地提高了鉆井速度。⑤無固相鉆井液，70年代，利用有機(jī)高聚物、生物聚合物、液體加重劑等配成不含固相的鉆井液，徹底消除泥漿中的固相對鉆井及油層的影響。目前正處在試驗(yàn)和發(fā)展中。

利用空氣或天然氣作為鉆進(jìn)時循環(huán)的流體，是為了鉆開低壓油（氣）層、嚴(yán)重漏失層或堅硬而不含水的地層而發(fā)展起來的。由于絕對干燥的地層很少，為克服地層中的水將鉆屑濕潤、粘合成團(tuán)，造成排屑困難，在氣體中注入泡沫劑形成“泡沫流體”。或者將泥漿與空氣同時泵入井中，形成“充氣泥漿”。氣體鉆井可以提高鉆速，并有利于保護(hù)油、氣層，但因受氣體本身特性和地層含水的影響，限制了它的使用范圍。

為了克服鉆遇某些復(fù)雜地層(如巖鹽、石膏、泥頁巖）時碰到的困難；適應(yīng)鉆定向井、高溫井和完井、修井的需要，以及給油田開發(fā)和儲量計算提供可靠的各種地質(zhì)參數(shù)（如原始含油飽和度等）研究了油基泥漿，其發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：①原油階段,水基泥漿會損害油層，而油則對地層中的粘土和水溶性物質(zhì)的影響較小。30年代初期，曾試用原油做鉆井液。但原油沒有切力,濾失量大,含有易揮發(fā)的餾分會引起火災(zāi)，以及所含游離水會濕潤粘土并進(jìn)入地層，因而影響了使用。②油基泥漿階段，在原油或柴油中加入乳化劑和其他處理劑，能懸浮鉆屑和加重劑，濾失量低，改善了油基泥漿的性能。③油包水泥漿階段，60年代，認(rèn)識到在油中的水珠乳化后其周圍的乳化膜具有半滲透膜的性質(zhì)。隨水相鹽度的改變而產(chǎn)生滲透壓力，利用活度平衡理論在油基泥漿中加入10～50%的高礦化度的水配制成油包水泥漿（或稱反向乳化泥漿）。這種泥漿能使泥、頁巖井壁穩(wěn)定，特別適用于復(fù)雜的泥、頁巖、石膏和巖鹽層及超深井。

完井液 即修井液在發(fā)展油基泥漿的過程中，注意了鉆進(jìn)油層及在油層井段進(jìn)行作業(yè)時所用的泥漿性能，逐漸發(fā)展成專用的“完井液”或“修井液”。有水基和油基兩類，其成分及配制方法與鉆井液基本相同，只是為了能盡量減少對油、氣層的污染，要求的性能指標(biāo)更高，例如盡量減少固相，最好是無固相，盡量減少濾失量，用可酸化的加重材料或液體加重材料等。

為了能充分發(fā)揮噴射鉆井工藝的效能，60年代以來，對鉆井液的流變特性與循環(huán)系統(tǒng)的水力參數(shù)的關(guān)系，對泥漿中固相含量與鉆井工程的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。發(fā)現(xiàn)鉆井液中的固相害多利少。特別是小的顆粒影響更大。在相同鉆井液濃度下，膠體顆粒對鉆速的影響，小于1μm的為大于1μm的11.7倍，因此，發(fā)展了一整套控制固相的工藝和設(shè)備，可大幅度地提高鉆速。

參考書目

George R.Gray, et al.,Composition and Properties of Oil Well Drilling Fluids, 4th ed., Gulf Oil Co., Houston,1980.

G.V.Chilingarian, P.Vonaburt, Drilling and Drilling Fluids, Elsevier Scientific, Amsterdam,1981.

《鉆井流體工藝原理》從鉆井流體的基礎(chǔ)理論、鉆井液的性能與組成入手，系統(tǒng)全面地介紹了鉆井流體工藝的相關(guān)知識。主要內(nèi)容包括黏土礦物與膠體化學(xué)基礎(chǔ)，鉆井液界面化學(xué)，鉆井液的流變性和鉆井液的濾失與造壁性，鉆井液性能與測試，鉆井液材料化學(xué)與處理劑，水基鉆井液，油基與合成基鉆井液，氣體型和泡沫型鉆井流體，儲層鉆井液，水平井與大位移井鉆井液，高溫水基鉆井液，井壁穩(wěn)定，防漏與堵漏，卡鉆和井噴，提高鉆速的水基鉆井液，固相控制，腐蝕與防護(hù)，廢棄鉆井液處理技術(shù)和一口井的鉆井液設(shè)計。

《鉆井流體工藝原理》可供鉆井流體工作者、石油與天然氣鉆井、采油、地質(zhì)勘探的工程技術(shù)人員、科研人員和院校師生參考。

黃漢仁，教授，香港亞洲知識管理學(xué)院院士，美國林肯大學(xué)榮譽(yù)工程博士。1953年畢業(yè)于清華大學(xué)石油工程系。曾在北京、西安和四川的石油高校任教，任泥漿研究室主任，1979年被評為教授，同年提出并主編《泥漿工藝原理》，首次將泥漿工藝技術(shù)建立成一門大學(xué)課程，1987年獲石油工業(yè)部頒發(fā)教材獎。1988年成立南海設(shè)備化工（香港）公司，任總經(jīng)理。參與塔里木油田超深井固井、長慶油田酸化壓裂、海上油田鉆井液等工程項(xiàng)目；推介鉆井液處理劑應(yīng)用于全國的水平穿越工程：早引進(jìn)印度瓜爾膠粉到中國的食品工業(yè)與石油工業(yè)。在六十多年的工作中一直重視創(chuàng)新發(fā)展，曾獲2014年中國創(chuàng)新企業(yè)家稱號。2100433B

從第一次開鉆起到鉆完全部井深這一階段的工作。以一定壓力作用在鉆頭上，使鉆頭的刃部吃入巖石，并用接在鉆頭上部的鉆柱帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)以破碎井底巖石，所產(chǎn)生的巖屑通過鉆井流體循環(huán)到地面上來，井就會逐漸加深。鉆頭加到地層上的壓力叫鉆壓，是靠鉆柱在鉆井流體中的自重的一部分產(chǎn)生的。鉆柱從地面一直延伸到井底，井有多深，鉆柱就有多長。隨著井的加深，鉆柱也逐漸增長，其重量也逐漸加大。過大的鉆壓將會引起鉆頭、鉆柱、設(shè)備過早的損壞，所以必須將大于所要求鉆壓的那部分鉆柱重量吊懸起來，不使其作用到鉆頭上。下部形成鉆壓的那部分鉆柱處于壓應(yīng)力狀態(tài)，上部被吊懸部分處于拉應(yīng)力狀態(tài)。

鉆進(jìn)時要循環(huán)鉆井流體，鉆井流體可以是以水、油為基礎(chǔ)的懸浮液體，也可以是空氣或天然氣等氣體。鉆井流體經(jīng)中空的鉆柱內(nèi)孔注入，從鉆頭水眼中流出，清洗鉆頭，沖向井底，將鉆屑沖離井底，攜帶著巖屑進(jìn)入井眼與鉆柱之間的環(huán)形空間向上返到地面（見圖2）。返出地面的鉆井流體在分離出鉆屑后被再次注入井內(nèi)，循環(huán)使用。（見鉆井液循環(huán)系統(tǒng)）

鉆進(jìn)包括如下作業(yè)：

（1）接單根。在鉆進(jìn)過程中，由于井在不斷加深，鉆柱也要及時接長，每次接入一根鉆桿叫做接單根。通常每根單根長近10m，打一口井要接很多次單根。用頂部驅(qū)動鉆井裝置時接立根（一般由三個單根組成）。

（2）起下鉆。在井底破碎巖石的鉆頭會逐漸磨損，當(dāng)鉆頭磨損到一定程度后，破巖速度就會很慢，需要更換新鉆頭。為此，需將鉆柱從井中取出（起鉆），更換新鉆頭后再將新鉆頭及鉆柱下入井內(nèi)（下鉆）。這一過程稱為起下鉆。一口井一般要用多只鉆頭才能鉆成，可能需多次起下鉆。有時為了處理井下復(fù)雜情況和事故，進(jìn)行測井、取心等作業(yè)，也需要起下鉆作業(yè)。

（3）固井。一口井在鉆鑿過程所形成的井（筒）壁應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)定的，才能保證繼續(xù)向下鉆進(jìn)。實(shí)際上，井眼所要穿過的地層性質(zhì)各異：有的地層巖石堅硬，井眼形成以后可以維持較長時間而不致坍塌；有的地層則很松軟、破碎，巖石極易坍塌落入井內(nèi)；有的地層內(nèi)含高壓油、氣、水等流體；有的地層強(qiáng)度不高，易被壓裂，造成鉆井液漏失；有的地層含有鹽、石膏、芒硝等成分，對鉆井液產(chǎn)生不良影響等。盡管地層復(fù)雜多變，還是得設(shè)法將這些地層鉆穿。當(dāng)這些地層被鉆穿以后，上述的各種復(fù)雜情況有的可能消失，對以后的鉆井不再危害，有的則繼續(xù)給鉆井工作造成麻煩，也許會形成隱患。為了保護(hù)已鉆成的井眼和使以后的鉆井工作順利進(jìn)行，或?yàn)樯a(chǎn)造成通路，防止各層間竄通，需要在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)圻M(jìn)行加固，稱為固井。固井的方法是將套管下入井中，并在井眼與套管之間的環(huán)形空間內(nèi)灌注水泥漿（在套管的下段部分或全部環(huán)空）從而將套管和地層固結(jié)在一起，隔開某些地層。然后用較小的鉆頭繼續(xù)鉆出新的井段。一口井從開始到完成，常需下入多層套管并注水泥，即需進(jìn)行數(shù)次固井作業(yè)。

（4）處理事故。如物件落入井內(nèi)，需進(jìn)行打撈；鉆桿斷在井內(nèi)也要打撈；鉆柱被卡在井內(nèi)時則要設(shè)法解除卡鉆。井噴失控著火是鉆井的災(zāi)難性事故，處理這種事故難度最大。

（5）其他作業(yè)。在鉆井過程中要進(jìn)行巖屑錄井、氣測等錄井工作，必要時還要鉆取巖心、進(jìn)行電法測井等。探井在鉆遇好的油氣顯示時要進(jìn)行地層測試等。

完井 從鉆完全部井深起到交井或棄井這一階段的工作。完井階段的工藝包括測井、確定完井方式、下生產(chǎn)套管固井、下油管、射孔、裝油管頭和采油樹，然后進(jìn)行替噴、誘導(dǎo)油氣進(jìn)入井筒，進(jìn)而便可進(jìn)行采油生產(chǎn)。鉆井意義上的完井是從鉆完全部井深起到下生產(chǎn)套管（如需要）固井并測完聲幅驗(yàn)收合格為止。