鉆井液

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(rèn)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(fù)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(dòng)力鉆具所需動(dòng)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(shí)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(jìn)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。

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(xué)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）。化學(xué)處理劑包括無機(jī)、有機(jī)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(xué)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(xué)處理劑等。水基鉆井液基本經(jīng)歷了五個(gè)階段，即天然鉆井液（1904-1921年）、細(xì)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(xué)處理劑所組成的鉆井液。它是20世紀(jì)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(xí)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(xué)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(xué)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(gè)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(xué)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(jī)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(xué)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(jì)80年代我國標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)鉆井液體系分委會(huì)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(xué)會(huì))及LADC(國際鉆井承包商協(xié)會(huì))認(rèn)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。

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

① 初步形成時(shí)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(shí)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(xì)分散鉆井液，并使用簡單的處理劑。

③ 高速發(fā)展時(shí)期：1948~1965年，發(fā)現(xiàn)細(xì)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(xué)優(yōu)化時(shí)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(gè)世紀(jì)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(yīng)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(shí)，上個(gè)世紀(jì)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(gè)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(qiáng)（動(dòng)切力高），啟動(dòng)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(shí)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(dāng)。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(hù)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(jìn)入地層后與地層中的液體發(fā)生的化學(xué)作用）等。

保護(hù)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(xué)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(xué)品的入境、生產(chǎn)、運(yùn)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。

按照API（America Petroleum Instistite）推薦的鉆井液性能測試標(biāo)準(zhǔn)，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(dòng)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。

地下鉆井作業(yè)的嚴(yán)酷環(huán)境促進(jìn)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(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)：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(dòng)的鉆井液有時(shí)會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。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(shí)將鉆桿提出了鉆孔。鉆探停止時(shí)，懸浮在鉆井液中的鉆屑就會(huì)沉入鉆孔的底部，將鉆孔堵塞。鉆井液被設(shè)計(jì)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(dòng)后，就會(huì)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(dāng)鉆井液又開始流動(dòng)后，它就會(huì)越變越稀薄，恢復(fù)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(tái)中噴入高空，石油工人為之而歡呼雀躍的情景。實(shí)際上，這類井噴罕有發(fā)生，也并不值得慶祝，因?yàn)殂@探的目標(biāo)是以控制流量的方式來開采石油。泥漿被設(shè)計(jì)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(dá)到適當(dāng)?shù)钠胶?，即鉆井液對鉆孔壁的壓力應(yīng)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(huì)對油井造成破壞。如果鉆井液的重量太大，可能會(huì)使巖石破裂，鉆井液也會(huì)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(jìn)而增大它對鉆孔壁的壓力?？烧{(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(gè)階段：第一階段是鉆穿不含石油的巖層，目標(biāo)是盡快鉆穿不含油巖層，到達(dá)含油巖層，即儲(chǔ)集層。此時(shí)的重點(diǎn)是要保持鉆孔中裸露巖層的穩(wěn)定，同時(shí)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(huì)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(huì)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(huì)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(huì)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(kuò)大或被沖蝕。隨著鉆探不斷深入，井眼被用鋼套管保護(hù)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(dá)儲(chǔ)集層后開采的石油提供了通往地表的通道。到達(dá)儲(chǔ)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(dá)數(shù)千英尺或數(shù)千米。而如此長的鋼鉆桿將重達(dá)上百噸。如果將鉆桿浸入鉆井液，就會(huì)產(chǎn)生浮力作用，降低鉆桿重量，并會(huì)減小對鉆探機(jī)械裝置的壓力。

鉆井液潤滑冷卻

金屬鉆入巖石時(shí)，會(huì)因摩擦生熱。鉆井液可潤滑和冷卻鉆頭，使鉆探平穩(wěn)進(jìn)行，同時(shí)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?yàn)樵谶@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。

一 、鉆具腐蝕和防腐（腐蝕機(jī)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(xué)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(hù)油氣層技術(shù)新進(jìn)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(jìn)行的固相。鉆井液中固相含量高可導(dǎo)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(chǔ)層損害和井眼不穩(wěn)定；造成鉆頭及鉆柱的嚴(yán)重磨損，尤其是造成機(jī)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(diǎn)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(shí)用來清洗井底并把巖屑攜帶至地面、維持鉆井操作正常進(jìn)行的流體。普通鉆井液是由粘土、水和一些無機(jī)或有機(jī)化學(xué)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(dòng)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(hù)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(dòng)力傳給鉆頭，破碎巖石；

(6)鉆井液錄井，取得油、氣、水層資料。