钻井液在钻进工程中的应用

  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。

 

  很久以前，人们钻井通常是为了寻找水源，而不是石油。实际上，他们偶然间发现石油时很懊恼，因为它把水污染了！最初，钻井是为了获得淡水和海水，前者用于饮用、洗涤和灌溉；后者用作制盐的原料。直到 19 世纪早期，由于工业化增加了对石油产品的需求，钻井采油  才逐渐普及。

 

  有记载的最早的钻井要追溯到公元前三世纪的中国。他们使用一种叫做绳式顿钻钻井的技术，实现方式是先使巨大的金属钻具下落，然后用一种管状容器收集岩石的碎片。中国人在这项技术上比较领先，中国也被公认为是第一个在钻探过程中有意使用流体的国家。此处所讲的流体是指水。它能软化岩石，从而使钻具更容易穿透岩石，同时有助于清除被称作钻屑的岩石碎片。（从钻孔中清除钻屑这一点非常重要，因为只有这样，钻头才能没有阻碍地继续深钻。）

 

  1833 年，一位名叫弗劳威勒 (Flauville) 的法国工程师有一次观察绳式顿钻钻井作业。作业进行中，钻井设备钻出了水。这时他意识到喷出的水对把钻屑从井中提出会非常有效。使用流动的液体从钻孔中清除钻屑的原理由此确立。他设想了一种装置，按照这一设想，泵将水沿钻杆的内侧送至钻孔内，而当水经钻杆和钻孔壁间的缝隙返回到地表后，就会将钻屑一并带出。此操作程序沿用至今。

 

  1900 年，在德克萨斯州的 Spindletop 钻探油井期间，钻井工人驱赶一群牛趟过了一个灌满水的地坑。被牛趟过的水坑中就会形成泥浆，它是一种粘稠的、泥浆状的水和泥土的混合物，钻井工人用泵将它送入钻孔中。钻井液如今仍被称作泥浆，但工程师们已不再只依赖水和泥土作为钻井液的原料。他们对混合物的成分进行精心调配，以满足各种钻探条件下的具体需要。现代化的钻井液确实是油井的命脉。今天如果没有它们，就不可能钻出深井。

 

  旋转钻探已基本上取代了绳式顿钻钻井。使用这种技术时，钻头位于旋转岩管的末端。钻探过程与使用手持式电钻或螺丝钻钻入一块木头的过程类似。不象钻木头那样只钻入几英寸或几厘米，现代油井可深达地下几千英尺或几千米。钻木时，钻屑沿孔道的螺旋槽被从钻孔中带出。这种方法对钻浅孔有效，却不适用于钻探深井。钻探深井时，钻屑是随循环泥浆一起被带到地表上。油井钻得越深，就愈加体现出钻井液的重要性。它的用途很广并可解决各种问题，而这些问题各处差异极大。

 

  钻井液的类型及组成

 

  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。   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/cm³，钙离子含量低于0.12mg/cm³。

 

  （2）盐水钻井液（包括海水及咸水钻井液）。氯化钠含量高于10mg/cm³。

 

  （3）钙处理钻井液。钙离子含量低于0.12mg/cm³。

 

  （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。

 

  油连续相钻井液

 

  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水中（水可占60%的体积），以有机膨润土（亲油鹏润土）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。

 

  钻井液的选用标准

 

  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，为防止钻井液对环境和生态可能造成的影响，要求使用无害、无毒的钻井液。  钻井液的主要作用

 

  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油井中的环境要求。

 

  裸露岩层的稳定性

 

  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。而一根如此长的钢钻杆将重达数吨。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。

 

  润滑和冷却

 

  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。对延伸区域或水平油井而言，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。

 

  钻井液的正确维护

 

  越来越多的钻井承包商正在换用大型钻机并使用固控系统。固控系统不适用于高粘度钻井液。高粘度钻井液不像低粘度钻井液那样容易过筛，高粘度钻井液能使钻井液堵塞泥浆筛而造成漫筛。另外，对水力旋流器（除砂器、除泥器等）的尺寸要求也增大了。

 

  遇到这种情况怎么办？倒划眼时要泵入更多的泥浆，理由是较大的钻机要使用较大的泥浆泵。倒划眼要产生更多的固相，如果没有大泵要使用低粘度泥浆。往泥浆体系中加水，稀释作用可增加分离设备的效率。可添加任何一种稀释剂来稀释泥浆，用文丘里混合器和任何搅拌器来混合泥浆添加剂，这样就可能保证泥浆稳定通过固控设备。

 

  在使用某些聚合物添加剂时，如果使用固控设备，混合不当或在高浓度下能发生问题。PHPA聚合物可包被作用而堵塞网筛的孔眼，这到不是说不能使用这种添加剂，而是说要注意加入聚合物的方法，在固控设备前方不要加入任何种类的泥浆添加剂。       加入其他干聚合物添加剂时，要用文丘里漏斗缓慢加入。

 

  钻井液的负面作用

 

  钻井液在使用过程中，对油气层有一定程度的损害，主要表现在：

 

  (1)固相颗粒及泥饼堵塞油气通道；

 

  (2)滤失液使地层中粘土膨胀而堵塞地层孔隙；

 

  (3)钻井液滤液中离子与地层离子作用产生沉淀堵塞通道；

 

  (4)产生水锁效应，增加油气流动阻力。  钻井液的迅速发展

 

  钻井液在钻井作业和保护油气层中起到的作用和各方面对钻井液的严格要求，促使钻井液技术取得了迅速的发展。经过多年的科研开发和生产实践，钻井液已从仅满足钻头钻进发展到适应各方面需求的钻井液体系。例如为快速钻井服务的低粘度、低摩擦、低固相的聚合物钻井液，防卡钻井液，针对岩石特点的防塌钻井液，钻盐岩层的饱和盐水钻井液，保护油气层的低密度水包油钻井液，防堵塞油气通道的油基钻井液和开发低压油气田的泡沫钻井液等。形成了较为完整的钻井液体系。

 

  如今优质的钻井液已不是由一两种材料（例如膨润土，俗称搬土）配制的，保持钻井液的性能要依靠加入各种处理剂。例如钻井液润滑剂、高温稳定剂、防塌处理剂和防卡处理剂等。据1992年统计，处理剂系列已发展到10类202种，形成油田化学的一个重要分支。

 

  为清除钻井液中的固相颗粒，钻井液中的固相颗粒处理系统已经得到了加强和改进。钻井液中的固相颗粒像钻屑、重晶石等，使钻井液的流动性能变坏，不但破坏了钻井液性能的稳定，而且增大了循环系统的摩擦力，使设备过早磨损。清除钻井液中固体含量的主要方法是加强振动筛的振动频率，采用增加筛网的目数和双层筛网，提高除砂器、除泥器的除砂效率。另外，有时还用增设分离器来清除钻井液中的微细颗粒。       为了提高钻井液的使用和测量标准，我国目前已经采用了比较先进的美国石油学会标准和规范及其钻井液测量仪器和设备。