石油鉆井液概述
鉆井液是鉆探過程中，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、無粘土相沖洗液、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。
旋轉(zhuǎn)鉆井初期，鉆井液的主要作用是把巖屑從井底攜帶至地面。目前，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(rùn)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(duì)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(duì)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(dòng)力鉆具所需動(dòng)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(duì)鉆具和套管的浮力，可減小起下鉆時(shí)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(cè)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。
鉆井液的運(yùn)用淵源
很久以前，人們鉆井通常是為了尋找水源，而不是石油。實(shí)際上，他們偶然間發(fā)現(xiàn)石油時(shí)很懊惱，因?yàn)樗阉廴玖耍?/span>最初，鉆井是為了獲得淡水和海水，前者用于飲用、洗滌和灌溉；后者用作制鹽的原料。直到 19 世紀(jì)早期，由于工業(yè)化增加了對(duì)石油產(chǎn)品的需求，鉆井采油才逐漸普及。
有記載的最早的鉆井要追溯到公元前三世紀(jì)的中國(guó)。他們使用一種叫做繩式頓鉆鉆井的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)方式是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(guó)人在這項(xiàng)技術(shù)上比較領(lǐng)先，中國(guó)也被公認(rèn)為是第一個(gè)在鉆探過程中有意使用流體的國(guó)家。此處所講的流體是指水。它能軟化巖石，從而使鉆具更容易穿透巖石，同時(shí)有助于清除被稱作鉆屑的巖石碎片。（從鉆孔中清除鉆屑這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)橹挥羞@樣，鉆頭才能沒有阻礙地繼續(xù)深鉆。）
1833 年，一位名叫弗勞威勒 (Flauville) 的法國(guó)工程師有一次觀察繩式頓鉆鉆井作業(yè)。作業(yè)進(jìn)行中，鉆井設(shè)備鉆出了水。這時(shí)他意識(shí)到噴出的水對(duì)把鉆屑從井中提出會(huì)非常有效。使用流動(dòng)的液體從鉆孔中清除鉆屑的原理由此確立。他設(shè)想了一種裝置，按照這一設(shè)想，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(huì)將鉆屑一并帶出。此操作程序沿用至今。
1900 年，在德克薩斯州的 Spindletop 鉆探油井期間，鉆井工人驅(qū)趕一群牛趟過了一個(gè)灌滿水的地坑。被牛趟過的水坑中就會(huì)形成泥漿，它是一種粘稠的、泥漿狀的水和泥土的混合物，鉆井工人用泵將它送入鉆孔中。鉆井液如今仍被稱作泥漿，但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(duì)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具體需要?，F(xiàn)代化的鉆井液確實(shí)是油井的命脈。今天如果沒有它們，就不可能鉆出深井。
旋轉(zhuǎn)鉆探已基本上取代了繩式頓鉆鉆井。使用這種技術(shù)時(shí)，鉆頭位于旋轉(zhuǎn)巖管的末端。鉆探過程與使用手持式電鉆或螺絲鉆鉆入一塊木頭的過程類似。不象鉆木頭那樣只鉆入幾英寸或幾厘米，現(xiàn)代油井可深達(dá)地下幾千英尺或幾千米。鉆井時(shí)，鉆屑沿孔道的螺旋槽被從鉆孔中帶出。這種方法對(duì)鉆淺孔有效，卻不適用于鉆探深井。鉆探深井時(shí)，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。它的用途很廣并可解決各種問題，而這些問題各處差異極大。
鉆井液的類型及組成
鉆井液按分散介質(zhì)（連續(xù)相）可分為水基鉆井液、油基鉆井液、氣體型鉆井流體等。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(rùn)土、加重材料）和無用固相（巖石）?；瘜W(xué)處理劑包括無機(jī)、有機(jī)及高分子化合物。
①水基鉆井液
水基鉆井液是一種以水為分散介質(zhì)，以粘土（膨潤(rùn)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、粘土、加重劑和各種化學(xué)處理劑等。水基鉆井液基本經(jīng)歷了五個(gè)階段，即天然鉆井液（1904-1921年）、細(xì)分散鉆井液（1921-1946年）、粗分散鉆井液（1946-1973年）、不分散低固相鉆井液（1966年至今）、無固相鉆井液（1968年至今）、聚合物鉆井液（1978年至今）階段等。
水基鉆井液還可分為：
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淡水鉆井液。氯化鈉含量低于10mg/cm³，鈣離子含量低于0.12mg/cm；
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鹽水鉆井液（包括海水及咸水鉆井液）。氯化鈉含量高于10mg/cm³；
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鈣處理鉆井液。鈣離子含量低于0.12mg/cm³；
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飽和鹽水鉆井液。含有一種或多種可溶性鹽的飽和溶液；
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混合乳化（水包油）鉆井液。含有3%-40%乳化油類的水基鉆井液；
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不分散低固相聚合物鉆井液。固相含量低于4%，含有適量聚合物；
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鉀基鉆井液。氯化鉀含量高于3%。1978年以來開始在我國(guó)鉆井現(xiàn)場(chǎng)使用
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聚合物鉆井液。它是以聚合物（如：聚陰離子纖維素、羧甲基纖維素等）為主體，配以降粘劑，降濾失劑、防塌劑和潤(rùn)滑劑等多種化學(xué)處理劑所組成的鉆井液。它是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型鉆井液體系。包括陽(yáng)離子聚合物鉆井液、兩性離子聚合物鉆井液、全陽(yáng)離子聚合物鉆井液、深井聚合物鉆井液和正電膠鉆井液等。
②油連續(xù)相鉆井液
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。它基本經(jīng)歷了原油鉆井液（1930年初）、油基鉆井液、油包水（反相乳化）鉆井液（1960年至今）等三個(gè)階段。
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原油鉆井液。主要成分是原油。
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油基鉆井液。以柴油（或原油）為連續(xù)相，以氧化瀝青為分散相，再配以加重劑和各種化學(xué)處理劑配制而成。
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油包水（反相乳化）鉆井液。一柴油（或原油）為連續(xù)相，以水為分散相呈小水滴分散在水中（水可占60%的體積），以有機(jī)膨潤(rùn)土（親油鵬潤(rùn)土）和氧化瀝青等穩(wěn)定劑，再配以加重劑和各種化學(xué)處理劑等配制而成。1978年以來開始在我國(guó)鉆井現(xiàn)場(chǎng)使用。
③氣體型鉆井流體
氣體鉆井液是以空氣或天然氣作為鉆井循環(huán)流體的鉆井液。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。20世紀(jì)80年代我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)鉆井液體系分委會(huì)把鉆井液分為：不分散地固相聚合物鉆井液、淡水鉆井液、鹽水鉆井液、飽和鹽水鉆井液、鈣處理鉆井液、鉀基鉆井液、油基鉆井液、氣體鉆井液等八大體系。
API(美國(guó)石油學(xué)會(huì))及LADC(國(guó)際鉆井承包商協(xié)會(huì))認(rèn)可的鉆井液體系如下：不分散鉆井液體系、分散性鉆井液體系、鈣處理鉆井液體系、聚合物鉆井液體系、低固相鉆井液體系、飽和鹽水鉆井液體系、修井完井鉆井液體系、油基鉆井液體系和空氣、霧、泡沫和氣體體系。
鉆井液的選用標(biāo)準(zhǔn)
鉆井液是鉆井的“血液”，在鉆井作業(yè)中起著非常重要的作用。因此對(duì)鉆井液要求很高，主要有四個(gè)方面：
①鉆井循環(huán)的要求
鉆井循環(huán)對(duì)鉆井液的要求是泵壓低（粘度低），攜砂能力強(qiáng)（動(dòng)切力高），啟動(dòng)泵壓低（靜切力低），潤(rùn)滑性能好，摩擦力低，磨損?。ü腆w顆粒少）。
②要保持井眼的穩(wěn)定
鉆穿的地層要用鉆井液的壓力柱與地層壓力取得平衡，鉆井液密度穩(wěn)定；鉆井油氣層時(shí)要靠鉆井液的壓力柱來平衡油氣的壓力要求鉆井液密度適當(dāng)。要求鉆井液有克服不穩(wěn)定地層的性能，例如泥巖吸水膨脹造成井眼收縮；礫巖、火山巖遇水造成跨塌，鹽巖遇水而形成溶洞等，即要求有不同性質(zhì)的鉆井液。
③要求鉆井液保護(hù)油氣層
鉆開油氣層后，鉆井液與油氣層接觸，為防止鉆井液損害油氣層，要求鉆井液的失水小、泥餅?。ㄣ@井液失水后，固壓差固體顆粒在井壁上形成泥餅環(huán)）、固相含量低、濾液的水化作用低（濾液進(jìn)入地層后與地層中的液體發(fā)生的化學(xué)作用）等。
④保護(hù)環(huán)境和生態(tài)
鉆井液中常含有原油、柴油和各種油類以及含有大量的化學(xué)處理劑，為防止鉆井液對(duì)環(huán)境和生態(tài)可能造成的影響，要求使用無害、無毒的鉆井液。
鉆井液的主要作用
地下鉆井作業(yè)的嚴(yán)酷環(huán)境促進(jìn)了對(duì)鉆井液的研究和開發(fā)，要求能夠在鉆井過程中完成以下多項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)：懸浮、壓力控制、巖層穩(wěn)定性、浮力、潤(rùn)滑和冷卻。
1、懸浮
沿鉆桿向下或從鉆孔中向上流動(dòng)的鉆井液有時(shí)會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。出現(xiàn)這種情況只能有兩種原因：一是出現(xiàn)了故障，二是在更換鉆頭時(shí)將鉆桿提出了鉆孔。鉆探停止時(shí)，懸浮在鉆井液中的鉆屑就會(huì)沉入鉆孔的底部，將鉆孔堵塞。鉆井液被設(shè)計(jì)為具有一種非常有趣的特性，而該特性可以解決這一問題。鉆井液的稠度（或粘度）隨鉆井液流速降低而增加。鉆井液停止流動(dòng)后，就會(huì)形成一種粘稠的凝膠體，這種凝膠體可使巖石鉆屑懸浮在其中，從而防止它們沉入鉆孔底部。而當(dāng)鉆井液又開始流動(dòng)后，它就會(huì)越變?cè)较”。謴?fù)到其以前稀薄的液體形態(tài)。
2、壓力控制
許多人都看到過石油從鉆井臺(tái)中噴入高空，石油工人為之而歡呼雀躍的情景。實(shí)際上，這類井噴罕有發(fā)生，也并不值得慶祝，因?yàn)殂@探的目標(biāo)是以控制流量的方式來開采石油。泥漿被設(shè)計(jì)為可以抵消巖層中流體的自然壓力，從而防止發(fā)生此類事故。壓力間必須達(dá)到適當(dāng)?shù)钠胶猓?/span>即鉆井液對(duì)鉆孔壁的壓力應(yīng)足以抵消巖層和石油或天然氣施加的壓力，但這種壓力又不能太大，否則會(huì)對(duì)油井造成破壞。如果鉆井液的重量太大，可能會(huì)使巖石破裂，鉆井液也會(huì)因此而流失入地下。
液體的壓力隨其濃度的變化而變化。在鉆井液中添加增重劑可以提高其濃度，進(jìn)而增大它對(duì)鉆孔壁的壓力。可調(diào)整液體的濃度以滿足油井中的環(huán)境要求。
3、裸露巖層的穩(wěn)定性
鉆井過程分為兩個(gè)階段：第一階段是鉆穿不含石油的巖層，目標(biāo)是盡快鉆穿不含油巖層，到達(dá)含油巖層，即儲(chǔ)集層。此時(shí)的重點(diǎn)是要保持鉆孔中裸露巖層的穩(wěn)定，同時(shí)還要避免鉆井液流失。而如果保持鉆井液壓力高于巖層孔隙流體壓力，鉆井液就會(huì)出現(xiàn)向巖層的透水巖石中滲入的自然趨勢(shì)。在鉆井液中加入特殊的添加劑，就能防止發(fā)生這種情況。
鉆井液可能會(huì)以其它方式與周圍的巖石相互作用。例如，如果巖石含鹽量很高，水就會(huì)溶解其中的鹽分，從而使鉆孔壁變得不穩(wěn)定。在這種情況下，使用油基鉆井液效果會(huì)更好。粘土含量高的巖層也容易被水沖刷掉。對(duì)這類巖層需使用抑止性的鉆井液，以保持井眼穩(wěn)定并防止井眼擴(kuò)大或被沖蝕。隨著鉆探不斷深入，井眼被用鋼套管保護(hù)起來，鋼套管用水泥加固，這樣既保持了井眼的穩(wěn)定性，又為到達(dá)儲(chǔ)集層后開采的石油提供了通往地表的通道。到達(dá)儲(chǔ)集層后，必須改變鉆井液的成分，以避免阻塞巖石孔隙。保持巖石孔隙不被阻塞可使石油更順暢地流入鉆孔，然后上流至地表。
4、浮力
一座油井可能深達(dá)數(shù)千英尺或數(shù)千米。而一根如此長(zhǎng)的鋼鉆桿將重達(dá)數(shù)噸。如果將鉆桿浸入鉆井液，就會(huì)產(chǎn)生浮力作用，降低鉆桿重量，并會(huì)減小對(duì)鉆探機(jī)械裝置的壓力。
5、潤(rùn)滑和冷卻
金屬鉆入巖石時(shí)，會(huì)因摩擦生熱。鉆井液可潤(rùn)滑和冷卻鉆頭，使鉆探平穩(wěn)進(jìn)行，同時(shí)延長(zhǎng)鉆頭的壽命。對(duì)延伸區(qū)域或水平油井而言，潤(rùn)滑可能尤為重要，因?yàn)樵谶@些地方，鉆桿、鉆頭和巖石表面間的摩擦必須保持在最低水平。
鉆井液的正確維護(hù)
越來越多的鉆井承包商正在換用大型鉆機(jī)并使用固控系統(tǒng)。固控系統(tǒng)不適用于高粘度鉆井液。高粘度鉆井液不像低粘度鉆井液那樣容易過篩，高粘度鉆井液能使鉆井液堵塞振動(dòng)篩而造成漫篩。另外，對(duì)水力旋流器（除砂器、除泥器等）的尺寸要求也增大了。
遇到這種情況怎么辦？倒劃眼時(shí)要泵入更多的泥漿，理由是較大的鉆機(jī)要使用較大的泥漿泵。倒劃眼要產(chǎn)生更多的固相，如果沒有大泵要使用低粘度泥漿。往泥漿體系中加水，稀釋作用可增加分離設(shè)備的效率?？商砑尤魏我环N稀釋劑來稀釋泥漿，用文丘里混合器和任何攪拌器來混合泥漿添加劑，這樣就可能保證泥漿穩(wěn)定通過固控設(shè)備。
在使用某些聚合物添加劑時(shí)，如果使用固控設(shè)備，混合不當(dāng)或在高濃度下能發(fā)生問題。PHPA聚合物可包被作用而堵塞網(wǎng)篩的孔眼，這不是說不能使用這種添加劑，而是說要注意加入聚合物的方法，在固控設(shè)備前方不要加入任何種類的泥漿添加劑。
加入其他干聚合物添加劑時(shí)，要用文丘里漏斗緩慢加入。
鉆井液的負(fù)面作用
鉆井液在使用過程中，對(duì)油氣層有一定程度的損害，主要表現(xiàn)在：
1)固相顆粒及泥餅堵塞油氣通道；
2)濾失液使地層中粘土膨脹而堵塞地層孔隙；
3)鉆井液濾液中離子與地層離子作用產(chǎn)生沉淀堵塞通道；
4)產(chǎn)生水鎖效應(yīng)，增加油氣流動(dòng)阻力。