钻井流体

钻井工程名词

钻井工程中使用的循环流体，由于绝大多数使用的是液体,少数情况使用气体或泡沫,因此又称“钻井液”、“洗井液”，俗称“钻井泥浆”。

名词简介

钻井流体 - 功用主要是①清洗井底，携带岩屑；②冷却和润滑钻头及钻柱；③形成泥饼，封护井壁；④控制与平衡地层压力；⑤循环停止时，能悬浮岩屑和加重剂；⑥在地面沉除岩屑；⑦提供所钻地层的岩屑、泥浆、气测等有关资料；⑧将流体功率传给钻头（在用井下动力钻具时）等。

钻井流体 - 组成主要成分有:①淡水或盐水、饱和盐水等;②钠膨润土或钙膨润土、有机土(经表面活性剂处理的土)、抗盐土等；③无机或有机化合物如天然或合成高分子化合物、表面活性剂等；④柴油、原油等（用于油基钻井液）；⑤空气、天然气等（用于气体钻井）。不同成分的组合，形成各种类型的钻井流体。从物理化学观点看，钻井液是一种多相不稳定体系。包括“悬浮体”（如重晶石粉、钻屑、粘土粉）、胶体(如高聚物、膨润土粉)和真溶液（如氯化钠、碳酸钠）。其中起主要作用的是胶体成分，一般称胶态-悬浮体。

处理剂为了改善钻井流体的性能，满足钻井工程的要求，需要在各类钻井流体中加入处理剂（添加剂）。目前，根据处理剂所起的作用分成：碱度调节剂、除钙剂、除泡剂、起泡剂、降粘剂、增粘剂、絮凝剂、润滑剂、杀菌剂、乳化剂、堵漏剂、加重剂、防腐蚀剂、表面活性剂、页岩抑制剂、降失水剂等16类,总数约100～150种,研究和发展处理剂是提高钻井流体技术水平的重要内容。

钻井流体 - 分类按比重可分低比重和高比重两种：按对粘土的作用可分抑制性和非抑制性两种（前者加有抑制剂，使流体具有防止钻屑水化和碎裂及稳定井壁作用），按分散体系中的连续相可分为水基（以水为连续相）、油基（以油为连续相）和气体三种。目前，根据地层的特点习惯分成：高碱性淡水泥浆、高碱性石灰泥浆、低碱性淡水泥浆、低碱性盐水泥浆、低碱性石膏泥浆、低碱性饱和盐水泥浆、低固相泥浆、油基泥浆、油包水浮化泥浆、气体等10种。

水基泥浆是目前研究最多、应用最广泛的一类泥浆,发展过程大概经历了5个阶段:①自然造浆阶段,1901年开始用旋转钻井方法钻井，用清水作循环液体。1914年后,认识到混入的粘土对钻进有利,开始使用泥浆；②细分散泥浆阶段，在浑水泥浆中加入如烧碱、纯碱、丹宁、褐煤等具有分散作用的处理剂,使粘土颗粒变小,从而提高泥浆的稳定性。③粗分散泥浆阶段，在加入分散剂的基础上再加入适量的无机絮凝剂如石灰、石膏等,使粘土颗粒保持在“适度絮凝”状态，可获得更高的抗石膏、抗盐能力。④不分散泥浆阶段，60年代出现了喷射钻井工艺，研究了泥浆水力学及其他有机处理剂。水基泥浆从分散体系发展到不分散体系。前者是把粘土的大颗粒变小、变细，以利于胶态体系的稳定；后者把颗粒变粗、变大，以利于沉淀和清除固相。这一技术的突破，有效地提高了钻井速度。⑤无固相钻井液，70年代，利用有机高聚物、生物聚合物、液体加重剂等配成不含固相的钻井液，彻底消除泥浆中的固相对钻井及油层的影响。目前正处在试验和发展中。

油基泥浆

为了克服钻遇某些复杂地层（如岩盐、石膏、泥页岩）时碰到的困难；适应钻定向井、高温井和完井、修井的需要，以及给油田开发和储量计算提供可靠的各种地质参数（如原始含油饱和度等）研究了油基泥浆，其发展经历了3个阶段：①原油阶段,水基泥浆会损害油层，而油则对地层中的粘土和水溶性物质的影响较小。30年代初期，曾试用原油做钻井液。但原油没有切力,滤失量大,含有易挥发的馏分会引起火灾，以及所含游离水会湿润粘土并进入地层，因而影响了使用。②油基泥浆阶段，在原油或柴油中加入乳化剂和其他处理剂，能悬浮钻屑和加重剂，滤失量低，改善了油基泥浆的性能。③油包水泥浆阶段，60年代，认识到在油中的水珠乳化后其周围的乳化膜具有半渗透膜的性质。随水相盐度的改变而产生渗透压力，利用活度平衡理论在油基泥浆中加入10～50%的高矿化度的水配制成油包水泥浆（或称反向乳化泥浆）。这种泥浆能使泥、页岩井壁稳定，特别适用于复杂的泥、页岩、石膏和岩盐层及超深井。

完井液即修井液在发展油基泥浆的过程中，注意了钻进油层及在油层井段进行作业时所用的泥浆性能，逐渐发展成专用的“完井液”或“修井液”。有水基和油基两类，其成分及配制方法与钻井液基本相同，只是为了能尽量减少对油、气层的污染，要求的性能指标更高，例如尽量减少固相，最好是无固相，尽量减少滤失量，用可酸化的加重材料或液体加重材料等。

气体钻井

利用空气或天然气作为钻进时循环的流体，是为了钻开低压油（气）层、严重漏失层或坚硬而不含水的地层而发展起来的。由于绝对干燥的地层很少，为克服地层中的水将钻屑湿润、粘合成团，造成排屑困难，在气体中注入泡沫剂形成“泡沫流体”。或者将泥浆与空气同时泵入井中，形成“充气泥浆”。气体钻井可以提高钻速，并有利于保护油、气层，但因受气体本身特性和地层含水的影响，限制了它的使用范围。

固相控制

为了能充分发挥喷射钻井工艺的效能，60年代以来，对钻井液的流变特性与循环系统的水力参数的关系，对泥浆中固相含量与钻井工程的关系进行了系统的研究。发现钻井液中的固相害多利少。特别是小的颗粒影响更大。在相同钻井液浓度下，胶体颗粒对钻速的影响，小于1μm的为大于1μm的11.7倍，因此，发展了一整套控制固相的工艺和设备，可大幅度地提高钻速。

参考书目

George R.Gray, et al.,Composition and Properties of Oil Well Drilling Fluids, 4th ed., Gulf Oil Co., Houston,1980.

G.V.Chilingarian, P.Vonaburt, Drilling and Drilling Fluids, Elsevier Scientific, Amsterdam,1981.

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