[科普中国]-钻井液

钻井液技术的发展概况

① 初步形成时期：1888~1928年，旋转钻井开始，最初用清水钻井。

② 快速发展时期：1928~1948年，发现带有砂的泥浆比清水的携带能力

更好。于是出现细分散钻井液，并使用简单的处理剂。

③ 高速发展时期：1948~1965年，发现细分散泥浆的不足：抗侵能力差，

于是发展为钙处理、适度絮凝的粗分散钻井液。

④ 科学优化时期：1965~现在，高压喷射钻井中，要求低固相，于是出

现聚合物不分散低固相钻井液。

上个世纪80年代末90年代初~至今，先后出现：正电胶、硅酸盐、甲酸盐、多元醇、生物降解型等钻井液体系，并得到广泛应用。但都没有形成主流，不能完全取代聚合物钻井液体系。

与此同时，上个世纪40年开始使用的油基钻井液也在不断发展，从开始用原油发展为柴油，到矿物油；从全油基发展为油包水乳化钻井液；从有毒污染的油基发展为低毒无毒的油基钻井液。12

钻井液作用旋转钻井初期，钻井液的主要作用是把岩屑从井底携带至地面。目前，钻井液被公认为至少有以下十种作用：

（1） 清洁井底，携带岩屑。保持井底清洁，避免钻头重复切削，减少磨损，提高效率。

（2） 冷却和润滑钻头及钻柱。降低钻头温度，减少钻具磨损，提高钻具的使用寿命。

（3） 平衡井壁岩石侧压力，在井壁形成滤饼，封闭和稳定井壁。防止对油气层的污染和井壁坍塌。

（4） 平衡（控制）地层压力。防止井喷，井漏，防止地层流体对钻井液的污染。

（5） 悬浮岩屑和加重剂。降低岩屑沉降速度，避免沉沙卡钻。

（6） 在地面能沉除砂子和岩屑。

（7） 有效传递水力功率。传递井下动力钻具所需动力和钻头水力功率。

（8） 承受钻杆和套管的部分重力。钻井液对钻具和套管的浮力，可减小起下钻时起升系统的载荷。

（9） 提供所钻地层的大量资料。利用钻井液可进行电法测井，岩屑录井等获取井下资料。

（10）水力破碎岩石。钻井液通过喷嘴所形成的高速射流能够直接破碎或辅助破碎岩石。

钻井液循环过程上 → 泥浆泵 → 高压管 → 方钻杆 → 钻杆 → 钻头水眼高速喷出

水 ↓

池 ← 各种固控设备 ← 泥浆池 ← 环形空间 ← 清洗井底携带岩屑

钻井液基本类型钻井液按分散介质（连续相）可分为水基钻井液、油基钻井液、气体型钻井流体等。

钻井液主要由液相、固相和化学处理剂组成。液相可以是水（淡水、盐水）、油（原油、柴油）或乳状液（混油乳化液和反相乳化液）。固相包括有用固相（膨润土、加重材料）和无用固相（岩石）。化学处理剂包括无机、有机及高分子化合物。3

水基钻井液

水基钻井液是一种以水为分散介质，以粘土（膨润土）、加重剂及各种化学处理剂为分散相的溶胶悬浮体混合体系。其主要组成是水、粘土、加重剂和各种化学处理剂等。水基钻井液基本经历了五个阶段，即天然钻井液（1904-1921年）、细分散钻井液（1921-1946年）、粗分散钻井液（1946-1973年）、不分散低固相钻井液（1966年至今）、无固相钻井液（1968年至今）、聚合物钻井液（1978年至今）阶段等。

水基钻井液还可分为：

（1）淡水钻井液。氯化钠含量低于10mg/m^3，钙离子含量低于0.12mg/m^3。

（2）盐水钻井液（包括海水及咸水钻井液）。氯化钠含量高于10mg/m^3。

（3）钙处理钻井液。钙离子含量低于0.12mg/m^3。

（4）饱和盐水钻井液。含有一种或多种可溶性盐的饱和溶液。

（5）混合乳化（水包油）钻井液。含有3%-40%乳化油类的水基钻井液

（6）不分散低固相聚合物钻井液。固相含量低于4%，含有适量聚合物。

（7）钾基钻井液。氯化钾含量高于3%。1978年以来开始在我国钻井现场使用。

（8）聚合物钻井液。它是以聚合物为主体，配以降粘剂，降滤失剂、防塌剂和润滑剂等多种化学处理剂所组成的钻井液。它是20世纪80年代发展起来的一种新型钻井液体系。包括阳离子聚合物钻井液、两性离子聚合物钻井液、全阳离子聚合物钻井液、深井聚合物钻井液和正电胶钻井液等。

油基钻井液

油连续相钻井液（习惯称为油基钻井液）是一种以油（主要是柴油或原油）为分散介质，以加重剂、各种化学处理剂及水等为分散相的溶胶悬浮混合体系。其主要组成是原油、柴油、加重剂、化学处理剂和水等。它基本经历了原油钻井液（1930年初）、油基钻井液、油包水（反相乳化）钻井液（1960年至今）等三个阶段。

（1）原油钻井液。主要成分是原油。

（2）油基钻井液。以柴油（或原油）为连续相，以氧化沥青为分散相，再配以加重剂和各种化学处理剂配制而成。

（3）油包水（反相乳化）钻井液。一柴油（或原油）为连续相，以水为分散相呈小水滴分散在油中（水可占60%的体积），以有机膨润土（亲油膨润土）和氧化沥青等稳定剂，再配以加重剂和各种化学处理剂等配制而成。1978年以来开始在我国钻井现场使用。

气体型钻井流体

气体钻井液是以空气或天然气作为钻井循环流体的钻井液。

泡沫钻井液是以泡沫作为钻井循环流体的钻井液。主要组成是液体、气体及泡沫稳定剂等。

20世纪80年代我国标准化委员会钻井液体系分委会把钻井液分为：不分散地固相聚合物钻井液、淡水钻井液、盐水钻井液、饱和盐水钻井液、钙处理钻井液、钾基钻井液、油基钻井液、气体钻井液等八大体系。

API(美国石油学会)及LADC(国际钻井承包商协会)认可的钻井液体系如下：

不分散钻井液体系、分散性钻井液体系、钙处理钻井液体系、聚合物钻井液体系、低固相钻井液体系、饱和盐水钻井液体系、修井完井钻井液体系、油基钻井液体系和空气、雾、泡沫和气体体系。

选用原则钻井液是钻井的“血液”，在钻井作业中起着非常重要的作用。因此对钻井液要求很高，主要有四个方面：

钻井循环的要求

钻井循环对钻井液的要求是泵压低（粘度低），携砂能力强（动切力高），启动泵压低（静切力低），润滑性能好，摩擦力低，磨损小（固体颗粒少）。

要保持井眼的稳定

钻穿的地层要用钻井液的压力柱与地层压力取得平衡，钻井液密度稳定；钻井油气层时要靠钻井液的压力柱来平衡油气的压力要求钻井液密度适当。要求钻井液有克服不稳定地层的性能，例如泥岩吸水膨胀造成井眼收缩；砾岩、火山岩遇水造成跨塌，盐岩遇水而形成溶洞等，即要求有不同性质的钻井液。

要求钻井液保护油气层

钻开油气层后，钻井液与油气层接触，为防止钻井液损害油气层，要求钻井液的失水小、泥饼薄（钻井液失水后，固压差固体颗粒在井壁上形成泥饼环）、固相含量低、滤液的水化作用低（滤液进入地层后与地层中的液体发生的化学作用）等。

保护环境和生态

钻井液中常含有原油、柴油和各种油类以及含有大量的化学处理剂，为防止钻井液对地层、土壤、环境和生态可能造成的影响，要求使用无害、无毒的钻井液4。随着人们环保意识的提高，很多国家对泥浆化学品的入境、生产、运输以及废弃钻井液的回收和无害化处理提出了更高的要求。4

钻井液主要作用地下钻井作业的严酷环境促进了对钻井液的研究和开发，要求能够在钻井过程中完成以下多项关键任务：悬浮、压力控制、岩层稳定性、浮力、润滑和冷却。

悬浮沿钻杆向下或从钻孔中向上流动的钻井液有时会停止运动。出现这种情况只能有两种原因：一是出现了故障，二是在更换钻头时将钻杆提出了钻孔。钻探停止时，悬浮在钻井液中的钻屑就会沉入钻孔的底部，将钻孔堵塞。钻井液被设计为具有一种非常有趣的特性，而该特性可以解决这一问题。钻井液的稠度（或粘度）随钻井液流速降低而增加。钻井液停止流动后，就会形成一种粘稠的凝胶体，这种凝胶体可使岩石钻屑悬浮在其中，从而防止它们沉入钻孔底部。而当钻井液又开始流动后，它就会越变越稀薄，恢复到其以前稀薄的液体形态。

压力控制许多人都看到过石油从钻井台中喷入高空，石油工人为之而欢呼雀跃的情景。实际上，这类井喷罕有发生，也并不值得庆祝，因为钻探的目标是以控制流量的方式来开采石油。泥浆被设计为可以抵消岩层中流体的自然压力，从而防止发生此类事故。压力间必须达到适当的平衡，即钻井液对钻孔壁的压力应足以抵消岩层和石油或天然气施加的压力，但这种压力又不能太大，否则会对油井造成破坏。如果钻井液的重量太大，可能会使岩石破裂，钻井液也会因此而流失入地下。

液体的压力随其浓度的变化而变化。在钻井液中添加增重剂可以提高其浓度，进而增大它对钻孔壁的压力。可调整液体的浓度以满足钻井中的环境要求。

岩层稳定钻井过程分为两个阶段：第一阶段是钻穿不含石油的岩层，目标是尽快钻穿不含油岩层，到达含油岩层，即储集层。此时的重点是要保持钻孔中裸露岩层的稳定，同时还要避免钻井液流失。而如果保持钻井液压力高于岩层孔隙流体压力，钻井液就会出现向岩层的透水岩石中渗入的自然趋势。在钻井液中加入特殊的添加剂，就能防止发生这种情况。

钻井液可能会以其它方式与周围的岩石相互作用。例如，如果岩石含盐量很高，水就会溶解其中的盐分，从而使钻孔壁变得不稳定。在这种情况下，使用油基钻井液效果会更好。粘土含量高的岩层也容易被水冲刷掉。对这类岩层需使用抑止性的钻井液，以保持井眼稳定并防止井眼扩大或被冲蚀。随着钻探不断深入，井眼被用钢套管保护起来，钢套管用水泥加固，这样既保持了井眼的稳定性，又为到达储集层后开采的石油提供了通往地表的通道。到达储集层后，必须改变钻井液的成分，以避免阻塞岩石孔隙。保持岩石孔隙不被阻塞可使石油更顺畅地流入钻孔，然后上流至地表。

浮力一座油井可能深达数千英尺或数千米。而如此长的钢钻杆将重达上百吨。如果将钻杆浸入钻井液，就会产生浮力作用，降低钻杆重量，并会减小对钻探机械装置的压力。

润滑冷却金属钻入岩石时，会因摩擦生热。钻井液可润滑和冷却钻头，使钻探平稳进行，同时延长钻头的寿命。对延伸区域或水平井而言，润滑可能尤为重要，因为在这些地方，钻杆、钻头和岩石表面间的摩擦必须保持在最低水平。

钻井液性能及测试按照API（America Petroleum Instistite）推荐的钻井液性能测试标准，需要检测的钻井液常规性能有：

密度、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、HTHP滤失量、pH值、含砂量、固相含量、膨润土含量、滤液各种离子浓度。5

国内外钻井液技术新进展一 、钻具腐蚀和防腐（腐蚀机理研究、检测及防止措施）

二、 废弃钻井液对环境的污染及其处理

1、废弃钻井液对环境的影响（对土壤、植物、地下饮用水、海洋生物等）

2、处理方法（回填法、土地耕作法、泵入井眼环形空间、固液分离法、化学固化法、其它方法）

3、防污染的新型钻井液（甘油类钻井液、甲基葡萄糖苷钻井液、聚丙烯酰胺类钻井液）

三、 新型钻井液体系的研究合成基钻井液、聚合醇钻井液、硅酸盐钻井液、甲酸盐钻井液

四、 井壁不稳定地层分类与稳定井壁的钻井液技术

五 、保护油气层技术新进展2