鉆井液循環(huán)過程

上 → 泥漿泵 → 高壓管 → 方鉆桿 → 鉆桿 → 鉆頭水眼高速噴出

水 ↓

池 ← 各種固控設(shè)備 ← 泥漿池 ← 環(huán)形空間 ← 清洗井底攜帶巖屑

旋轉(zhuǎn)鉆井初期，鉆井液的主要作用是把巖屑從井底攜帶至地面。鉆井液被公認為至少有以下十種作用：

（1） 清潔井底，攜帶巖屑。保持井底清潔，避免鉆頭重復切削，減少磨損，提高效率。

（2） 冷卻和潤滑鉆頭及鉆柱。降低鉆頭溫度，減少鉆具磨損，提高鉆具的使用壽命。

（3） 平衡井壁巖石側(cè)壓力，在井壁形成濾餅，封閉和穩(wěn)定井壁。防止對油氣層的污染和井壁坍塌。

（4） 平衡（控制）地層壓力。防止井噴，井漏，防止地層流體對鉆井液的污染。

（5） 懸浮巖屑和加重劑。降低巖屑沉降速度，避免沉沙卡鉆。

（6） 在地面能沉除砂子和巖屑。

（7） 有效傳遞水力功率。傳遞井下動力鉆具所需動力和鉆頭水力功率。

（8） 承受鉆桿和套管的部分重力。鉆井液對鉆具和套管的浮力，可減小起下鉆時起升系統(tǒng)的載荷。

（9） 提供所鉆地層的大量資料。利用鉆井液可進行電法測井，巖屑錄井等獲取井下資料。

（10）水力破碎巖石。鉆井液通過噴嘴所形成的高速射流能夠直接破碎或輔助破碎巖石。

① 初步形成時期：1888~1928年，旋轉(zhuǎn)鉆井開始，最初用清水鉆井。

② 快速發(fā)展時期：1928~1948年，發(fā)現(xiàn)帶有砂的泥漿比清水的攜帶能力

更好。于是出現(xiàn)細分散鉆井液，并使用簡單的處理劑。

③ 高速發(fā)展時期：1948~1965年，發(fā)現(xiàn)細分散泥漿的不足：抗侵能力差，

于是發(fā)展為鈣處理、適度絮凝的粗分散鉆井液。

④ 科學優(yōu)化時期：1965~，高壓噴射鉆井中，要求低固相，于是出

現(xiàn)聚合物不分散低固相鉆井液。

上個世紀80年代末90年代初~至今，先后出現(xiàn)：正電膠、硅酸鹽、甲酸鹽、多元醇、生物降解型等鉆井液體系，并得到廣泛應用。但都沒有形成主流，不能完全取代聚合物鉆井液體系。

與此同時，上個世紀40年開始使用的油基鉆井液也在不斷發(fā)展，從開始用原油發(fā)展為柴油，到礦物油；從全油基發(fā)展為油包水乳化鉆井液；從有毒污染的油基發(fā)展為低毒無毒的油基鉆井液。

鉆井液按分散介質(zhì)（連續(xù)相）可分為水基鉆井液、油基鉆井液、氣體型鉆井流體等。

鉆井液主要由液相、固相和化學處理劑組成。液相可以是水（淡水、鹽水）、油（原油、柴油）或乳狀液（混油乳化液和反相乳化液）。固相包括有用固相（膨潤土、加重材料）和無用固相（巖石）?；瘜W處理劑包括無機、有機及高分子化合物。

水基鉆井液

水基鉆井液是一種以水為分散介質(zhì)，以粘土（膨潤土）、加重劑及各種化學處理劑為分散相的溶膠懸浮體混合體系。其主要組成是水、粘土、加重劑和各種化學處理劑等。水基鉆井液基本經(jīng)歷了五個階段，即天然鉆井液（1904-1921年）、細分散鉆井液（1921-1946年）、粗分散鉆井液（1946-1973年）、不分散低固相鉆井液（1966年至今）、無固相鉆井液（1968年至今）、聚合物鉆井液（1978年至今）階段等。

水基鉆井液還可分為：

（1）淡水鉆井液。氯化鈉含量低于10mg/m^3，鈣離子含量低于0.12mg/m^3。

（2）鹽水鉆井液（包括海水及咸水鉆井液）。氯化鈉含量高于10mg/m^3。

（3）鈣處理鉆井液。鈣離子含量低于0.12mg/m^3。

（4）飽和鹽水鉆井液。含有一種或多種可溶性鹽的飽和溶液。

（5）混合乳化（水包油）鉆井液。含有3%-40%乳化油類的水基鉆井液

（6）不分散低固相聚合物鉆井液。固相含量低于4%，含有適量聚合物。

（7）鉀基鉆井液。氯化鉀含量高于3%。1978年以來開始在我國鉆井現(xiàn)場使用。

（8）聚合物鉆井液。它是以聚合物為主體，配以降粘劑，降濾失劑、防塌劑和潤滑劑等多種化學處理劑所組成的鉆井液。它是20世紀80年代發(fā)展起來的一種新型鉆井液體系。包括陽離子聚合物鉆井液、兩性離子聚合物鉆井液、全陽離子聚合物鉆井液、深井聚合物鉆井液和正電膠鉆井液等。

油基鉆井液

油連續(xù)相鉆井液（習慣稱為油基鉆井液）是一種以油（主要是柴油或原油）為分散介質(zhì)，以加重劑、各種化學處理劑及水等為分散相的溶膠懸浮混合體系。其主要組成是原油、柴油、加重劑、化學處理劑和水等。它基本經(jīng)歷了原油鉆井液（1930年初）、油基鉆井液、油包水（反相乳化）鉆井液（1960年至今）等三個階段。

（1）原油鉆井液。主要成分是原油。

（2）油基鉆井液。以柴油（或原油）為連續(xù)相，以氧化瀝青為分散相，再配以加重劑和各種化學處理劑配制而成。

（3）油包水（反相乳化）鉆井液。一柴油（或原油）為連續(xù)相，以水為分散相呈小水滴分散在油中（水可占60%的體積），以有機膨潤土（親油膨潤土）和氧化瀝青等穩(wěn)定劑，再配以加重劑和各種化學處理劑等配制而成。1978年以來開始在我國鉆井現(xiàn)場使用。

氣體型鉆井流體

氣體鉆井液是以空氣或天然氣作為鉆井循環(huán)流體的鉆井液。

泡沫鉆井液是以泡沫作為鉆井循環(huán)流體的鉆井液。主要組成是液體、氣體及泡沫穩(wěn)定劑等。

20世紀80年代我國標準化委員會鉆井液體系分委會把鉆井液分為：不分散地固相聚合物鉆井液、淡水鉆井液、鹽水鉆井液、飽和鹽水鉆井液、鈣處理鉆井液、鉀基鉆井液、油基鉆井液、氣體鉆井液等八大體系。

API(美國石油學會)及LADC(國際鉆井承包商協(xié)會)認可的鉆井液體系如下：

不分散鉆井液體系、分散性鉆井液體系、鈣處理鉆井液體系、聚合物鉆井液體系、低固相鉆井液體系、飽和鹽水鉆井液體系、修井完井鉆井液體系、油基鉆井液體系和空氣、霧、泡沫和氣體體系。

鉆井液是鉆井的“血液”，在鉆井作業(yè)中起著非常重要的作用。因此對鉆井液要求很高，主要有四個方面：

鉆井循環(huán)的要求

鉆井循環(huán)對鉆井液的要求是泵壓低（粘度低），攜砂能力強（動切力高），啟動泵壓低（靜切力低），潤滑性能好，摩擦力低，磨損?。ü腆w顆粒少）。

要保持井眼的穩(wěn)定

鉆穿的地層要用鉆井液的壓力柱與地層壓力取得平衡，鉆井液密度穩(wěn)定；鉆井油氣層時要靠鉆井液的壓力柱來平衡油氣的壓力要求鉆井液密度適當。要求鉆井液有克服不穩(wěn)定地層的性能，例如泥巖吸水膨脹造成井眼收縮；礫巖、火山巖遇水造成跨塌，鹽巖遇水而形成溶洞等，即要求有不同性質(zhì)的鉆井液。

要求鉆井液保護油氣層

鉆開油氣層后，鉆井液與油氣層接觸，為防止鉆井液損害油氣層，要求鉆井液的失水小、泥餅?。ㄣ@井液失水后，固壓差固體顆粒在井壁上形成泥餅環(huán)）、固相含量低、濾液的水化作用低（濾液進入地層后與地層中的液體發(fā)生的化學作用）等。

保護環(huán)境和生態(tài)

鉆井液中常含有原油、柴油和各種油類以及含有大量的化學處理劑，為防止鉆井液對地層、土壤、環(huán)境和生態(tài)可能造成的影響，要求使用無害、無毒的鉆井液。隨著人們環(huán)保意識的提高，很多國家對泥漿化學品的入境、生產(chǎn)、運輸以及廢棄鉆井液的回收和無害化處理提出了更高的要求。

地下鉆井作業(yè)的嚴酷環(huán)境促進了對鉆井液的研究和開發(fā)，要求能夠在鉆井過程中完成以下多項關(guān)鍵任務：懸浮、壓力控制、巖層穩(wěn)定性、浮力、潤滑和冷卻。

鉆井液懸浮

沿鉆桿向下或從鉆孔中向上流動的鉆井液有時會停止運動。出現(xiàn)這種情況只能有兩種原因：一是出現(xiàn)了故障，二是在更換鉆頭時將鉆桿提出了鉆孔。鉆探停止時，懸浮在鉆井液中的鉆屑就會沉入鉆孔的底部，將鉆孔堵塞。鉆井液被設(shè)計為具有一種非常有趣的特性，而該特性可以解決這一問題。鉆井液的稠度（或粘度）隨鉆井液流速降低而增加。鉆井液停止流動后，就會形成一種粘稠的凝膠體，這種凝膠體可使巖石鉆屑懸浮在其中，從而防止它們沉入鉆孔底部。而當鉆井液又開始流動后，它就會越變越稀薄，恢復到其以前稀薄的液體形態(tài)。

鉆井液壓力控制

許多人都看到過石油從鉆井臺中噴入高空，石油工人為之而歡呼雀躍的情景。實際上，這類井噴罕有發(fā)生，也并不值得慶祝，因為鉆探的目標是以控制流量的方式來開采石油。泥漿被設(shè)計為可以抵消巖層中流體的自然壓力，從而防止發(fā)生此類事故。壓力間必須達到適當?shù)钠胶猓淬@井液對鉆孔壁的壓力應足以抵消巖層和石油或天然氣施加的壓力，但這種壓力又不能太大，否則會對油井造成破壞。如果鉆井液的重量太大，可能會使巖石破裂，鉆井液也會因此而流失入地下。

液體的壓力隨其濃度的變化而變化。在鉆井液中添加增重劑可以提高其濃度，進而增大它對鉆孔壁的壓力。可調(diào)整液體的濃度以滿足鉆井中的環(huán)境要求。

鉆井液巖層穩(wěn)定

鉆井過程分為兩個階段：第一階段是鉆穿不含石油的巖層，目標是盡快鉆穿不含油巖層，到達含油巖層，即儲集層。此時的重點是要保持鉆孔中裸露巖層的穩(wěn)定，同時還要避免鉆井液流失。而如果保持鉆井液壓力高于巖層孔隙流體壓力，鉆井液就會出現(xiàn)向巖層的透水巖石中滲入的自然趨勢。在鉆井液中加入特殊的添加劑，就能防止發(fā)生這種情況。

鉆井液可能會以其它方式與周圍的巖石相互作用。例如，如果巖石含鹽量很高，水就會溶解其中的鹽分，從而使鉆孔壁變得不穩(wěn)定。在這種情況下，使用油基鉆井液效果會更好。粘土含量高的巖層也容易被水沖刷掉。對這類巖層需使用抑止性的鉆井液，以保持井眼穩(wěn)定并防止井眼擴大或被沖蝕。隨著鉆探不斷深入，井眼被用鋼套管保護起來，鋼套管用水泥加固，這樣既保持了井眼的穩(wěn)定性，又為到達儲集層后開采的石油提供了通往地表的通道。到達儲集層后，必須改變鉆井液的成分，以避免阻塞巖石孔隙。保持巖石孔隙不被阻塞可使石油更順暢地流入鉆孔，然后上流至地表。

鉆井液浮力

一座油井可能深達數(shù)千英尺或數(shù)千米。而如此長的鋼鉆桿將重達上百噸。如果將鉆桿浸入鉆井液，就會產(chǎn)生浮力作用，降低鉆桿重量，并會減小對鉆探機械裝置的壓力。

鉆井液潤滑冷卻

金屬鉆入巖石時，會因摩擦生熱。鉆井液可潤滑和冷卻鉆頭，使鉆探平穩(wěn)進行，同時延長鉆頭的壽命。對延伸區(qū)域或水平井而言，潤滑可能尤為重要，因為在這些地方，鉆桿、鉆頭和巖石表面間的摩擦必須保持在最低水平。

按照API（America Petroleum Instistite）推薦的鉆井液性能測試標準，需要檢測的鉆井液常規(guī)性能有：

密度、漏斗粘度、塑性粘度、動切力、靜切力、API濾失量、HTHP濾失量、pH值、含砂量、固相含量、膨潤土含量、濾液各種離子濃度。

一 、鉆具腐蝕和防腐（腐蝕機理研究、檢測及防止措施）

二、 廢棄鉆井液對環(huán)境的污染及其處理

1、廢棄鉆井液對環(huán)境的影響（對土壤、植物、地下飲用水、海洋生物等）

2、處理方法（回填法、土地耕作法、泵入井眼環(huán)形空間、固液分離法、化學固化法、其它方法）

3、防污染的新型鉆井液（甘油類鉆井液、甲基葡萄糖苷鉆井液、聚丙烯酰胺類鉆井液）

三、 新型鉆井液體系的研究合成基鉆井液、聚合醇鉆井液、硅酸鹽鉆井液、甲酸鹽鉆井液

四、 井壁不穩(wěn)定地層分類與穩(wěn)定井壁的鉆井液技術(shù)

五 、保護油氣層技術(shù)新進展 2100433B

鉆井液固相分為有用固相和無用固相(也叫有害固相)。有用固相是指有助于改善鉆井液性能的固相，無用固相是指不能改善鉆井液性能。

鉆井液中加重劑、巖屑及黏土等固體顆粒所組成的體系稱為固相。按其作用可分為有用固相和無用固相(也叫有害固相)。有用固相是指有助于改善鉆井液性能的固相，如膨潤土、加重劑(青石粉、重晶石及肽鐵礦)等；無用固相是指不能改善鉆井液性能，甚至影響鉆井液性能，危害鉆井正常進行的固相。鉆井液中固相含量高可導致形成厚的濾餅，容易引起壓差卡鉆；形成的濾餅滲透率高，濾失量大，造成儲層損害和井眼不穩(wěn)定；造成鉆頭及鉆柱的嚴重磨損，尤其是造成機械鉆速降低。

鉆井液（Drilling Fluids）

鉆井液分類

鉆井液以流體介質(zhì)和體系的組成特點分類可被分為：水基鉆井液、油基鉆井液、氣體型鉆井液和合成基鉆井液。

水基鉆井液：

水基鉆井液是由膨潤土、水（或鹽水）、各種處理劑、加重材料以及鉆屑所組成的多相分散體系。

從流體介質(zhì)角度看水基鉆井液，它就是以水為連續(xù)流體介質(zhì)的鉆井液。

鉆井液，俗稱泥漿，是鉆井時用來清洗井底并把巖屑攜帶至地面、維持鉆井操作正常進行的流體。普通鉆井液是由粘土、水和一些無機或有機化學處理劑攪拌而成的懸浮液和膠體溶液的混合物，其中粘土呈分散相，水是分散介質(zhì)，組成固相分散體系。

鉆井液具有以下功能：

(1)帶動渦輪，冷卻鉆頭和鉆具；

(2)攜帶巖屑，懸浮巖屑，防止巖屑下沉；

(3)保護井壁，防止地層垮塌；

(4)平衡地層壓力，防止井噴與井漏：

(5)將水動力傳給鉆頭，破碎巖石；

(6)鉆井液錄井，取得油、氣、水層資料。