钻井的血液—泥浆

钻井液的概念

     钻井液(Dlilling Fluids)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(Drilling Muds)，或简称为泥浆(Muds)。

钻井液的分类

      钻井液由分散介质、分散相和添加剂组成。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。

   1）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。

   2）油连续相钻井液

  油连续相钻井液(习惯称为油基泥浆)，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。

   3）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。

钻井液循环系统

    钻井液的循环是通过循环泥浆泵来维持的，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入泥浆池，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。

钻井液的功能

    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）  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。

钻井液的组成
     1）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项分散体系。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。
     2）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。

钻井液性能

     按照API推荐的钻井液性能测试标准，需检测的钻井液常规性能包括：密度、漏斗粘度、塑性粘度、动切力、静切力、API滤失量、HTHP滤失量、PH值、碱度、含砂量、固相含量、膨润土含量和滤液中各种离子的质量浓度等。
   1）钻井液密度
   钻井液的密度是指每单位体积钻井液的重量，常用g/cm3（或kg/cm3）表示。在钻井工程上，钻井液密度和泥浆比重（Mud Weight）是两个等同的术语。钻井液密度是确保安全、快速钻井和保护油气层的一个十分重要的参数。通过钻井液密度的变化，可调节钻井液在井筒内的静液柱压力，以平衡地层孔隙压力。有时亦用于平衡地层构造应力，以避免井塌的发生。如果密度过高，将引起钻井液过度增稠、易漏失、钻速下降、对油气层损害加剧和钻井液成本增加等一系列问题；而密度过低则容易发生井涌甚至井喷，还会造成井塌、井径缩小和携屑能力下降。  

    2）钻井液的流变性
   钻井液的流变性(Rheological  Properties of Drilling Flrids)是指钻井液流动和变形的特性。该特性通常是由不同的流变模式及参数来表征的.此外，漏斗粘度(Funnel Viscosity)、表现粘度(Apparent Viscosity)和静切力(Gel Strength)等也是钻井液的重要流变参数。由于钻井液的流变性与携岩、井壁稳定、提高机械钻速和环空水力参数计算等一系列钻井工作密切相关，因此它是钻井液最重要的性能之一。

    3)钻井液的滤失造壁性
   在钻井过程中，当钻头钻过渗透性地层时，由于钻井液的液柱压力一般总是大于地层孔隙压力，在压差作用下，钻井液的液体便会渗入地层，这种特性常称为钻井液的滤失性(Filtration Properties Fluids)。在液体发生渗滤的同时，钻井液中的固相颗粒会附着并沉积在井壁上形成一层泥饼(Mud Cake)。随着泥饼的逐渐加重以及在压差作用下被压实，针对裸眼井壁有效地起到稳定和保护作用，这就是钻井液的所谓造壁性。

   由于泥饼的渗透率远远小于地层的渗透率，因而形成的泥饼还可以有效地阻止钻井液中的固相和滤液继续侵入地层。在钻井液工艺中，通常用一个重要参数—滤失量(Water Loss or Foltration Rate)来表征钻井油液的渗滤速率。

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：  

   1）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)。  

   2）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。  

  3）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。  

   4）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。

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