鉆井的“血液”：鉆井液今昔

■ 激 揚

鉆井液是油氣勘探開發(fā)的鉆探過程中，孔內(nèi)使用的循環(huán)沖洗介質(zhì)。鉆井液是鉆井的血液，又稱鉆孔沖洗液。鉆井液按組成成分可分為清水、泥漿、無黏土相沖洗液、乳狀液、泡沫和壓縮空氣等。清水是使用最早的鉆井液，無需處理，使用方便，適用于完整巖層和水源充足的地區(qū)。泥漿是廣泛使用的鉆井液，主要適用于松散、裂隙發(fā)育、易坍塌掉塊、遇水膨脹剝落等孔壁不穩(wěn)定巖層。

鉆井液的作用

鉆井液幾乎是與鉆井同時誕生并發(fā)展起來的，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。傳遞井下動力鉆具所需動力和鉆頭水力功率；

（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。

現(xiàn)代化的鉆井液是油井的命脈。鉆探深井時，鉆屑是隨循環(huán)泥漿一起被帶到地表上。油井鉆得越深，就愈加體現(xiàn)出鉆井液的重要性。如果沒有它們，鉆出深井是不可想象的。

鉆井液的發(fā)展史

在公元前3世紀(jì)的時候，中國人就開始使用一種叫做繩式頓鉆鉆井的技術(shù)，先使巨大的金屬鉆具下落，然后用一種管狀容器收集巖石的碎片。中國被公認(rèn)為是第一個在鉆探過程中有意使用流體（水）的國家，流體能軟化巖石，從而使鉆具更容易穿透巖石，同時有助于清除鉆屑。

1833年，一位名叫弗勞威勒(Flauville) 的法國工程師在一次觀察繩式頓鉆鉆井作業(yè)時，發(fā)現(xiàn)作業(yè)進(jìn)行時鉆井設(shè)備鉆出了水。他意識到噴出的水能把鉆屑從井中非常有效地提出來，使用流動的液體從鉆孔中清除鉆屑的原理由此確立。他設(shè)計了這樣一種裝置：泵將水沿鉆桿的內(nèi)側(cè)送至鉆孔內(nèi)，而當(dāng)水經(jīng)鉆桿和鉆孔壁間的縫隙返回到地表后，就會將鉆屑一并帶出。此操作程序沿用至今。

1900年，在美國德克薩斯州的Spindletop鉆探油井期間，鉆井工人驅(qū)趕一群牛趟過了一個灌滿水的泥坑。被牛趟過的水坑中形成大量泥漿，它是一種黏稠的水和泥土的混合物，鉆井工人用泵將它送入鉆孔中。時至今日，鉆井液仍被很多操作人員稱作“泥漿”。但后來的工程師們已不再只依賴水和泥土作為鉆井液的原料，他們對混合物的成分進(jìn)行精心調(diào)配，以滿足各種鉆探條件下的特殊需要，這樣，多種多樣的鉆井液就產(chǎn)生了。

鉆井液的種類

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。鉆井液的種類主要有：

（1）水基鉆井液。是一種以水為分散介質(zhì)，以黏土（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、黏土、加重劑和各種化學(xué)處理劑；其中還可分為淡水鉆井液、鹽水鉆井液、鈣處理鉆井液等 。

（2）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。

（3）淡水鉆井液。20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的淡水鉆井液是一種新型鉆井液體系，它以聚合物為主體，配以降黏劑、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。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。

（4）氣體與泡沫鉆井流體。20世紀(jì)80年代以后發(fā)展起來的氣體型鉆井流體是以空氣或天然氣作為鉆井循環(huán)流體的鉆井液；而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。

鉆井液在鉆井作業(yè)和保護(hù)油氣層中起到的作用和各方面對鉆井液的嚴(yán)格要求，促使鉆井液技術(shù)取得了迅速的發(fā)展。經(jīng)過多年的科研開發(fā)和生產(chǎn)實踐，鉆井液已從僅滿足鉆頭鉆進(jìn)發(fā)展到適應(yīng)各方面需求的鉆井液系列。例如為快速鉆井服務(wù)的低黏度、低摩擦、低固相的聚合物鉆井液，防卡鉆井液，針對巖石特點的防塌鉆井液，鉆鹽巖層的飽和鹽水鉆井液，保護(hù)油氣層的低密度水包油鉆井液，防堵塞油氣通道的油基鉆井液和開發(fā)低壓油氣田的泡沫鉆井液等，形成了較為完整的鉆井液體系。

鉆井液的發(fā)展趨勢

鉆井液技術(shù)作為鉆進(jìn)復(fù)雜地層的關(guān)鍵技術(shù)之一，在大量的資金支持和鉆井作業(yè)難題的推動下，在短短的幾年時間里取得了較大的發(fā)展，取得了一系列成果。

（1）高性能水基鉆井液體系。BHDF公司研制了適用于北美馬拉開波湖區(qū)的新型高性能水基鉆井液體系（HPWBM）。HPWBM通過減少鉆頭泥包來提高鉆進(jìn)速度，同時可以減小鉆具的扭矩和摩阻，轉(zhuǎn)移鉆頭重量。與傳統(tǒng)的鉆井液相比，更能增強(qiáng)井筒的穩(wěn)定性，減少漏失。此外，體系由低鹽分物質(zhì)組成，這減少了廢物處理的難度和費用，滿足了環(huán)境的要求。與傳統(tǒng)的鉆井液相比，HPWBM鉆井液體系能更好地抑制黏土和鉆屑分散，減少鉆頭泥包。目前，HPWBM體系已在墨西哥灣、美國、巴西、澳大利亞及沙特得到了應(yīng)用。

（2）抗高溫鉆井液體系。新型環(huán)?？垢邷厮@井液是 M-I鉆井液公司研制成的一種耐高溫（232℃）高壓水基鉆井液。該鉆井液體系使用一種不含鉻、對環(huán)境無害的新型合成基聚合物，且體系簡單，只需要兩種聚合物、 pH控制劑、加重材料和少量用于控制濾餅質(zhì)量的黏土。這種新型合成基聚合物是一種新型交聯(lián)聚合物，用丙烯酰胺、一種磺酸鹽單體和一種交聯(lián)單體配制的新的交聯(lián)共聚物。交聯(lián)聚合物的獨特結(jié)構(gòu)使其在空間上受到限制，從而增大了其內(nèi)在水解穩(wěn)定性。同時，交聯(lián)使其對固體不太敏感，抗剪切能力強(qiáng)，從而改進(jìn)了水基鉆井液的流動特性和降濾失特性。

（3）流變性恒定的合成基鉆井液。合成基鉆井液CR-SBM體系，在深水作業(yè)時具有“恒定的流變性”，從而減小激動壓力和當(dāng)量循環(huán)密度，降低頻繁發(fā)生的井漏事故，克服了使用傳統(tǒng)鉆井液時產(chǎn)生的與壓力有關(guān)的問題。通過實驗測試，CR-SBM主要特點是凝膠強(qiáng)度、屈服值在6/3(r/min)時都不會明顯受到溫度和壓力的影響?，F(xiàn)場實踐表明，CR-SBM具有穩(wěn)定的流變性，尤其是與聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭配合時，能避免深水環(huán)境下溫度和壓力的影響，從而提高了機(jī)械鉆速，保證了井眼的穩(wěn)定性，減少了井下鉆井液漏失，明顯地提高了鉆井作業(yè)效率。

（4）流變性可控的聚合物鉆井液體系。控制鉆井液流變性的傳統(tǒng)方法是使用生物聚合物和高分子電解質(zhì)（低剪切稀釋性和高塑性）。這里所說的新方法，是指所選的聚合物和加重劑都是用來生成和控制高剪切稀釋性和熱穩(wěn)定流變性的。改良的丙烯酸類聚合物、乙烯基磺酸鹽共聚物與非離子聚合物之間表現(xiàn)出良好的協(xié)同作用。而非離子型聚合物聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）能產(chǎn)生需要的流變性和穩(wěn)定性。對加重劑的要求是細(xì)粒徑和高表面電荷濃度。新配方中采用了可以替換的重晶石和四氧化錳加重劑，通過實驗證明，四氧化錳的加重效果優(yōu)于重晶石。該水基鉆井液配方已經(jīng)用在溫度高于180℃的油氣田開采過程中。鉆井液體系通過加重劑和聚合物的協(xié)同作用保持了穩(wěn)定可控的流變性，同時還具有良好的抑制性和潤滑性。

（5）成膜水基鉆井液體系。我國石油工程技術(shù)人員將有機(jī)胺天然纖維聚合物CMJ-2和降失水劑XNJ-1復(fù)配形成復(fù)合膜。CMJ-2 側(cè)鏈羥基、胺基對黏土礦物既有吸附作用，又能與黏土顆粒形成氫鍵，加之分子鏈的非離子特性，容易在濾餅上形成一層保護(hù)膜。而XNJ-1 是一種惰性的變形軟粒子，具有很好的封堵能力，能堵塞、填補泥餅上CMJ-2 膜結(jié)構(gòu)中的孔隙部位，與CMJ-2 產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，組成了薄而致密、韌性好的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，從而有效地阻止了濾液及鉆井液(包括固相) 向地層滲透，達(dá)到穩(wěn)定井壁，保護(hù)儲層的目的。成膜(隔離膜) 水基鉆井液體系具有很強(qiáng)的抗溫(180℃)、抗鹽(20%NaCl)、抗鉆屑污染能力，在低密度和高密度條件下均具有良好的封堵能力。

大有可為的添加材料

（1）石墨粉、碳酸鈣和磺化瀝青的混合物堵漏材料。在開采枯竭、裂縫性儲層和易受深層鉆井液固相侵害的油藏時，鉆井液必須快速形成泥餅，且濾液對地層的損害要盡量小。為此研制了石墨粉、碳酸鈣和磺化瀝青的混合物堵漏材料，其特點為：石墨、碳酸鈣和磺化瀝青的混合物堵漏材料能顯著減少濾液漏失，并明顯減少孔隙壓力傳輸；如果過平衡壓力減小，石墨將很容易從孔喉和裂縫中回流出來；石墨的濃度對鉆井液濾失量有很大的影響，濃度越大，濾失量越??；磺化瀝青的存在是為了使油藏的滲透率恢復(fù)值達(dá)到最大；滲透率測試的結(jié)果和經(jīng)驗可以很容易應(yīng)用到現(xiàn)場，可重復(fù)性強(qiáng)。

（2）易熔顆粒降濾失材料包括熔融粒子、加重劑、降濾失劑和抑制劑。它的熔融性取決于脫水率，而脫水率則隨著巖石的性質(zhì)和裂縫的幾何形狀發(fā)生變化。易熔顆粒降濾失材料在裂縫中分別向軸向和徑向兩個方向脫水，從而隔離了裂縫，增加近井筒的環(huán)向應(yīng)力。在裂縫產(chǎn)生或擴(kuò)大時能產(chǎn)生最好的降濾失效果。實驗室數(shù)據(jù)表明，易熔顆粒降濾失材料可以同時通過小鉆頭噴嘴進(jìn)入各種不同幾何構(gòu)型的裂縫，在模擬井下溫度的條件下仍可長時間穩(wěn)定不會產(chǎn)生凝膠。易熔顆粒降濾失材料也可與改性的纖維材料一起使用，達(dá)到更好的降濾失效果。

（3）超低滲透添加劑。通過改變聚合物與固體顆粒的表面性質(zhì)，使不同的組分在不同的鉆井液體系（油基和水基）中有不同的溶解度和潤濕性，再按一定的比例混合這些組分即可得到超低滲透添加劑。如果將超低滲透添加劑加入水基鉆井液中，親油物質(zhì)被潤濕或溶解；如果加到油基鉆井液中則更多的親油物質(zhì)被溶解，并形成聚合體附在滲透性巖石表面，形成超低滲透的屏障，從而進(jìn)一步避免流體入侵和壓力傳遞。通常情況下，如果不形成這種聚合體，那么在巖石表面將發(fā)生持續(xù)的漏失。這種添加劑不僅可以用在水基、油基、合成基的鉆井液中，同時可以添加在完井液、修井液中。根據(jù)超低滲透添加劑作用原理和現(xiàn)場實例證明，可以將超低滲透鉆井液廣泛用于裂縫性和層狀易斷泥頁巖地層的開采。

（4）微凝膠聚合物降濾失劑。一種具有獨特微凝膠結(jié)構(gòu)的聚合物，通過優(yōu)化聚合物形態(tài)、溶解度以及交聯(lián)密度，達(dá)到最佳聚合物形態(tài)和溶解性，提高降濾失性能。地層損害主要發(fā)生在過濾期間的固體入侵，通過對多孔介質(zhì)滲透率產(chǎn)生不利影響，從而損害儲層。鉆井液的濾失性以及產(chǎn)生的濾餅屬性可直接影響井壁穩(wěn)定性，發(fā)生不同程度的卡鉆事故。獨特的微凝膠聚合物顆粒通過吸收基液，體積略微膨脹并堆疊起來，膨脹的聚合物在剪切力下變形，從而更有效地與其他細(xì)小固體顆粒重疊在一起形成一個薄而高效的濾餅，減少了濾餅在靜態(tài)和動態(tài)下的滲透性。此外，這種微凝膠顆粒的變形能力使它們比普通添加劑更容易從地層中回流出來，從而減少對儲層的傷害。甚至在極端的鉆井環(huán)境下仍具有低剪切黏度，有助于提高鉆井液體系的流變性。

（5）生物可降解的表面活性添加劑。隨著環(huán)境法規(guī)的限制，用作黏土添加劑的傳統(tǒng)的季銨鹽由于對環(huán)境污染較大，因此被禁止使用。通過實驗測試，雖然許多化合物都可以用作黏土添加劑，但只有少數(shù)生物可降解的季銨鹽滿足環(huán)境要求。這類季銨鹽與傳統(tǒng)的季銨鹽特性相似，但這種季銨鹽表面活性劑具有酰胺鍵，可以作用于黏土表面與鉆井液形成絡(luò)合物，從而提高黏度和懸浮性。

目前，石油工業(yè)界還研發(fā)了泥頁巖抑制劑、高溫保護(hù)劑、泥餅清除技術(shù)等新產(chǎn)品和技術(shù)，大大地推動了鉆井液的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了石油工業(yè)的發(fā)展。