钻井液功用

一、钻井液的功用

钻井液(DrillingFluids)是指油气钻井过程中以其多种功能满足钻井工作需要的各种循环流体的总称。钻井液又称做钻井泥浆(DrillingMuds)，或简称为泥浆(Muds)。钻井液的循环是通过泥浆泵来维持的。从泥浆泵排出的高压钻井液经过地面高压管汇、立管、水龙带、水龙头、方钻杆、钻杆、钻铤到钻头，从钻头喷嘴喷出，以清洗井底并携带岩屑。然后再沿钻柱与井壁(或套管)形成的环形空间向上流动，在到达地面后经排出管线流人泥浆池，再经各种固控设备进行处理后返回上水池，最后进入泥浆泵循环再用。钻井液流经的各种管件、设备构成了一整套钻井液循环系统。

钻井液工艺技术是油气钻井工程的重要组成部分。随着钻井难度的逐渐增大，该项技术在确保安全、优质、快速钻井中起着越来越重要的作用。钻井液最基本的功用有以下几点：

1．携带和悬浮岩屑

钻井液首要和最基本的功用，就是通过其本身的循环，将井底被钻头破碎的岩屑携至地面，以保持井眼清洁，使起下钻畅通无阻，并保证钻头在井底始终接触和破碎新地层，不造成重复切削，保持安全快速钻进。在接单根、起下钻或因故停止循环时，钻井液又将井内的钻屑悬浮在钻井液中，使钻屑不会很快下沉，防止沉砂卡钻等情况的发生。

2．稳定井壁和平衡地层压力

井壁稳定、井眼规则是实现安全、优质、快速钻井的基本条件。性能良好的钻井液应能借助于液相的滤失作用，在井壁上形成一层薄而韧的泥饼，以稳固已钻开的地层并阻止液相侵人地层，减弱泥页岩水化膨胀和分散的程度。与此同时，在钻进过程中需通过不断调节钻井液密度，使液柱压力能够平衡地层压力，从而防止井塌和井喷等井下复杂情况的发生。

3．冷却和润滑钻头、钻具

在钻进中钻头一直在高温下旋转并破碎岩层，产生很多热量，同时钻具也不断地与井壁摩擦而产生热量。正是通过钻井液不断地循环作用，将这些热量及的吸收，然后带到地面释放到大气中，从而起到了冷却钻头、钻具，延长其使用寿命的作用。由于钻井液的存在，使钻头和钻具均在液体内旋转，因此在很大程度上降低了摩擦阻力，起到了很好的润滑作用。

4．传递水动力

钻井液在钻头喷嘴处以极高的流速冲击井底，从而提高了钻井速度和破岩效率。高压喷射钻井正是利用了这一原理，即采用高泵压钻进，使钻井液所形成的高速射流对井底产生强大的冲击力，从而显著地提高了钻速。在使用涡轮钻具钻进时，钻井液由钻杆内以较高流速流经涡轮叶片，使涡轮旋转并带动钻头破碎岩石。

但是，钻井实践表明，作为一种优质的钻井液，仅做到以上几点是不够的。为了防止和尽可能减少对油气层的损害，现代钻井技术还要求钻井液必须与所钻遇的

油气层相配伍，满足保护油气层的要求；为了满足地质上的要求，所使用的钻井液必须有利于地层测试，不影响对地层的评价；此外，钻井液还应对钻井人员及环境不发生伤害和污染，对井下工具及地面装备不腐蚀或尽可能减轻腐蚀。 一般情况下，钻井液成本只占钻井总成本的7％～10％，然而先进的钻井液技术往往可以成倍地节约钻时，从而大幅度地降低钻井成本，带来十分可观的经济效益。 二、钻井液的类型返回

随着钻井液工艺技术的不断发展，钻井液的种类越来越多。目前，国内外对钻井液有各种不同的分类方法。其中较简单的分类方法有以下几种： 按其密度大小可分为非加重钻井液和加重钻井液。

按与粘土水化作用的强弱可分为非抑制性钻井液和抑制性钻井液。

按其固相含量的不同，将固相含量较低的叫做低固相钻井液，基本不含固相的叫做无固相钻井液。

然而，一般所指的分类方法是按钻井液中流体介质和体系的组成特点来进 行分类的。根据流体介质的不同，总体上分为水基钻井液、油基钻井液和气体型钻井流体等三种类型。由于水基钻井液在实际应用中一直占据着主导地位，根据体系在组成上的不同又将其分为若干种类型。下面是在参考国外钻井液分类标准的基础上，在国内得到认可的各种钻井液类型。

1．分散钻井液(Dispersed Drilling Fluids)

分散钻井液是指用淡水、膨润土和各种对粘土与钻屑起分散作用的处理剂(简称为分散剂)配制而成的水基钻井液。它是一类使用历史较长、配制方法较简单且配制成本较低的常用钻井液。其主要特点是：

(1)可容纳较多的固相，较适于配制高密度钻井液。

(2)容易在井壁上形成较致密的泥饼，故其滤失量一般较低。

3)某些分散钻井液，如以磺化栲胶、磺化褐煤和磺化酚醛树脂作为主处理剂的三磺钻井液具有较强的抗温能力，适于在深井和超深井中使用。但与其它钻井液类型相比，它也有一些缺点。除抑制性和抗污染能力较差外，还因体系中固相含量高，对提高钻速和保护油气层均有不利的影响。

2．钙处理钻井液(Calcium-treatedDrillingFluids)

钙处理钻井液的组成特点是体系中同时含有一定浓度(质量浓度)的Ca2+和分散剂。Ca2+通过与水化作用很强的钠膨润土发生离子交换，使一部分钠膨润土转变为钙膨润土，从而减弱水化的程度。分散剂的作用是防止Ca2+引起体系中的粘土颗粒絮凝过度，使其保持在适度絮凝的状态，以保证钻井液具有良好、稳定的性能。这类钻井液的特点是，抗盐、钙污染的能力较强；并且对所钻地层中的粘土有抑制其水化分散的作用，因此可在一定程度上控制页岩坍塌和井径扩大，同时能减轻对油气层的损害。

3．盐水钻井液(SaltwaterDrillingFluids)

盐水钻井液是用盐水(或海水)配制而成的。在含盐量从1％(Cl-质量浓度为

6 000mg／1)直至饱和(Cl-质量浓度为189 000mg／1)之前的整个范围内都属于此种类型。盐水钻井液也是一类对粘土水化有较强抑制作用的钻井液。

4．饱和盐水钻井液(SaturatedSaltwaterDrillingFluids)

是指钻井液中NaCI含量达到饱和时的盐水钻井液体系。它可以用饱和盐水配成，亦可先配成钻井液再加盐至饱和。饱和盐水钻井液主要用于钻其它水基钻井液难以对付的大段岩盐层和复杂的盐膏层，也可作为完井液和修井液使用。

5．聚合物钻井液(PolymerDrillingFluids)

聚合物钻井液是以某些具有絮凝和包被作用的高分子聚合物作为主处理剂的水基钻井液。由于这些聚合物的存在，体系所包含的各种固相颗粒可保持在较粗的粒度范围内，与此同时所钻出的岩屑也因及时受到包被保护而不易分散成微细颗粒。其主要优点表现在：

(1)钻井液密度和固相含量低，因而钻进速度可明显提高，对油气层的损害程度也较小。

(2)剪切稀释特性强。在一定泵排量下，环空流体的粘度、切力较高，因此具有较强的携带岩屑的能力；而在钻头喷嘴处的高剪切速率下，流体的流动阻力较小，有利于提高钻速。

(3)聚合物处理剂具有较强的包被和抑制分散的作用，因此有利于保持井壁稳定。因此，自20世纪70年代以来，该类钻井液一直在国内外得到十分广泛的应用，并且其工艺技术不断得到完善和发展。

6．钾基聚合物钻井液(Potassium-basedPolymerDrillingFluids)

钾基聚合物钻井液是一类以各种聚合物的钾(或铵、钙)盐和KCl为主处理剂的防塌钻井液。在各种常见无机盐中，以KCl抑制粘土水化分散的效果为最好；而聚合物处理剂的存在使该类钻井液具有聚合物钻井液的各种优良特性。因此，在钻遇泥页岩地层时，使用它可以取得比较理想的防塌效果。

7．油基钻井液(Oil-basedDrillingFluids)

以油(通常使用柴油或矿物油)作为连续相的钻井液称做油基钻井液。目前含水量在5％以下的普通油基钻井液已较少使用，而主要使用油水比在(50～80)：(50～20)范围内的油包水乳化钻井液。与水基钻井液相比较，油基钻井液的主要特点是能抗高温，有很强的抑制性和抗盐、钙污染的能力，润滑性好，并可有效地减轻对油气层的损害等。因此，使用该类钻井液已成为钻深井、超深井、大位移井、水平井和各种复杂地层的重要手段之一。但另一方面，由于其配制成本较高，以及使用时会对环境造成一定污染，因而使其应用受到一定的限制。

8.合成基钻井液(SyntheticDrillingFluids)

合成基钻井液是以合成的有机化合物作为连续相，盐水作为分散相，并含有乳化剂、降滤失剂、流型改进剂的一类新型钻井液。由于使用无毒并且能够生物降解的非水溶性有机物取代了油基钻井液中通常使用的柴油，因此这类钻井液既保持了油基钻井液的各种优良特性，同时又能大大减轻钻井液排放时对环境造成的不良影响，尤其适用于海上钻井。

9．气体型钻井流体(Gas-typedDrillingFluids)

气体型钻井流体主要适用于钻低压油气层、易漏失地层以及某些稠油油层。其特点是密度低，钻速快，可有效保护油气层，并能有效防止井漏等复杂情况的发生。通常又将气体型钻井流体分为以下4种类型：

(1)空气或天然气钻井流体(Air／NaturalGasDrillingFluids)

即钻井中使用干燥的空气或天然气作为循环流体。其技术关键在于必须有足够大的注入压力，以保证能达到将全部钻屑从井底携至地面的环空流速。

(2)雾状钻井流体(MistGasDrillingFluids)

即少量液体分散在空气介质中所形成的雾状流体。它是空气钻井流体与泡沫钻井流体之间的一种过渡形式。

(3)泡沫钻井流体(FoamDrillingFluids)

钻井中使用的泡沫是一种将气体介质(一般为空气)分散在液体中，并添加适量发泡剂和稳定剂而形成的分散体系。

(4)充气钻井液(AeratedDrillingFluids)

有时为了降低钻井液密度，将气体(一般为空气)均匀地分散在钻井液中，便形成充气钻井液。显然，混入的气体越多，钻井液密度越低。 三、钻井液的组成返回

水基钻井液是由膨润土(Bentonite)、水(或盐水)、各种处理剂、加重材料以及钻屑所组成的多相分散体系。其中膨润土和钻屑的平均密度均为2．6g／cm3，通常称它们为低密度固相；而加重材料常被称为高密度固相。最常用的加重材料为API重晶石，其密度为4．2g／cm3。由于在水基钻井液中膨润土是最常用的配浆材料，在其中主要起提粘切、降滤失和造壁等作用，因而又将它和重晶石等加重材料称做有用固相，而将钻屑称做无用固相。在钻井液中，应通过各种固控措施尽量减少钻屑的含量，膨润土的用量也应以够用为度，不宜过大，否则会造成钻井液粘切过高，还会严重影响机械钻速，并对保护油气层产生不利影响。 油基钻井液是以水滴为分散相，油为连续相，并添加适量乳化剂、润湿剂、亲油的固体处理剂(有机土、氧化沥青等)、石灰和加重材料等所形成的乳状液体系。

3分别表示密度为1．32g／cm的水基和油基钻井液的典型组成。