鑽井液

① 初步形成時期：1888~1928年，旋轉鑽井開始，最初用清水鑽井。

② 快速發展時期：1928~1948年，發現帶有砂的泥漿比清水的攜帶能力

更好。於是出現細分散鑽井液，並使用簡單的處理劑。

③ 高速發展時期：1948~1965年，發現細分散泥漿的不足：抗侵能力差，

於是發展為鈣處理、適度絮凝的粗分散鑽井液。

④ 科學優化時期：1965~，高壓噴射鑽井中，要求低固相，於是出

現聚合物不分散低固相鑽井液。

上個世紀80年代末90年代初~至今，先後出現：正電膠、硅酸鹽、甲酸鹽、多元醇、生物降解型等鑽井液體系，並得到廣泛應用。但都沒有形成主流，不能完全取代聚合物鑽井液體系。

與此同時，上個世紀40年開始使用的油基鑽井液也在不斷髮展，從開始用原油發展為柴油，到礦物油；從全油基發展為油包水乳化鑽井液；從有毒污染的油基發展為低毒無毒的油基鑽井液。 ^[1-2] 

旋轉鑽井初期，鑽井液的主要作用是把岩屑從井底攜帶至地面。鑽井液被公認為至少有以下十種作用：

（1） 清潔井底，攜帶岩屑。保持井底清潔，避免鑽頭重複切削，減少磨損，提高效率。

（2） 冷卻和潤滑鑽頭及鑽柱。降低鑽頭温度，減少鑽具磨損，提高鑽具的使用壽命。

（3） 平衡井壁岩石側壓力，在井壁形成濾餅，封閉和穩定井壁。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，防止地層流體對鑽井液的污染。

（5） 懸浮岩屑和加重劑。降低岩屑沉降速度，避免沉沙卡鑽。

（6） 在地面能沉除砂子和岩屑。

（7） 有效傳遞水力功率。傳遞井下動力鑽具所需動力和鑽頭水力功率。

（8） 承受鑽桿和套管的部分重力。鑽井液對鑽具和套管的浮力，可減小起下鑽時起升系統的載荷。

（9） 提供所鑽地層的大量資料。利用鑽井液可進行電法測井，岩屑錄井等獲取井下資料。

（10）水力破碎岩石。鑽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岩石。

上 → 泥漿泵 → 高壓管 → 方鑽桿 → 鑽桿 → 鑽頭水眼高速噴出

水 ↓

池 ← 各種固控設備 ← 泥漿池 ← 環形空間 ← 清洗井底攜帶岩屑

鑽井液按分散介質（連續相）可分為水基鑽井液、油基鑽井液、氣體型鑽井流體等。

鑽井液主要由液相、固相和化學處理劑組成。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（岩石）。化學處理劑包括無機、有機及高分子化合物。 ^[3] 

水基鑽井液是一種以水為分散介質，以粘土（膨潤土）、加重劑及各種化學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、加重劑和各種化學處理劑等。水基鑽井液基本經歷了五個階段，即天然鑽井液（1904-1921年）、細分散鑽井液（1921-1946年）、粗分散鑽井液（1946-1973年）、不分散低固相鑽井液（1966年至今）、無固相鑽井液（1968年至今）、聚合物鑽井液（1978年至今）階段等。

水基鑽井液還可分為：

（1）淡水鑽井液。氯化鈉含量低於10mg/m^3，鈣離子含量低於0.12mg/m^3。

（2）鹽水鑽井液（包括海水及鹹水鑽井液）。氯化鈉含量高於10mg/m^3。

（3）鈣處理鑽井液。鈣離子含量低於0.12mg/m^3。

（4）飽和鹽水鑽井液。含有一種或多種可溶性鹽的飽和溶液。

（5）混合乳化（水包油）鑽井液。含有3%-40%乳化油類的水基鑽井液

（6）不分散低固相聚合物鑽井液。固相含量低於4%，含有適量聚合物。

（7）鉀基鑽井液。氯化鉀含量高於3%。1978年以來開始在我國鑽井現場使用。

（8）聚合物鑽井液。它是以聚合物為主體，配以降粘劑，降濾失劑、防塌劑和潤滑劑等多種化學處理劑所組成的鑽井液。它是20世紀80年代發展起來的一種新型鑽井液體系。包括陽離子聚合物鑽井液、兩性離子聚合物鑽井液、全陽離子聚合物鑽井液、深井聚合物鑽井液和正電膠鑽井液等。

油連續相鑽井液（習慣稱為油基鑽井液）是一種以油（主要是柴油或原油）為分散介質，以加重劑、各種化學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、化學處理劑和水等。它基本經歷了原油鑽井液（1930年初）、油基鑽井液、油包水（反相乳化）鑽井液（1960年至今）等三個階段。

（1）原油鑽井液。主要成分是原油。

（2）油基鑽井液。以柴油（或原油）為連續相，以氧化瀝青為分散相，再配以加重劑和各種化學處理劑配製而成。

（3）油包水（反相乳化）鑽井液。一柴油（或原油）為連續相，以水為分散相呈小水滴分散在油中（水可佔60%的體積），以有機膨潤土（親油膨潤土）和氧化瀝青等穩定劑，再配以加重劑和各種化學處理劑等配製而成。1978年以來開始在我國鑽井現場使用。

氣體鑽井液是以空氣或天然氣作為鑽井循環流體的鑽井液。

泡沫鑽井液是以泡沫作為鑽井循環流體的鑽井液。主要組成是液體、氣體及泡沫穩定劑等。

20世紀80年代我國標準化委員會鑽井液體系分委會把鑽井液分為：不分散地固相聚合物鑽井液、淡水鑽井液、鹽水鑽井液、飽和鹽水鑽井液、鈣處理鑽井液、鉀基鑽井液、油基鑽井液、氣體鑽井液等八大體系。

API(美國石油學會)及LADC(國際鑽井承包商協會)認可的鑽井液體系如下：

不分散鑽井液體系、分散性鑽井液體系、鈣處理鑽井液體系、聚合物鑽井液體系、低固相鑽井液體系、飽和鹽水鑽井液體系、修井完井鑽井液體系、油基鑽井液體系和空氣、霧、泡沫和氣體體系。

油基鑽井液和微錳完井液，密度均為2.10克每立方厘米 ^[5]  。

鑽井液是鑽井的“血液”，在鑽井作業中起着非常重要的作用。因此對鑽井液要求很高，主要有四個方面：

鑽井循環對鑽井液的要求是泵壓低（粘度低），攜砂能力強（動切力高），啓動泵壓低（靜切力低），潤滑性能好，摩擦力低，磨損小（固體顆粒少）。

鑽穿的地層要用鑽井液的壓力柱與地層壓力取得平衡，鑽井液密度穩定；鑽井油氣層時要靠鑽井液的壓力柱來平衡油氣的壓力要求鑽井液密度適當。要求鑽井液有克服不穩定地層的性能，例如泥岩吸水膨脹造成井眼收縮；礫岩、火山岩遇水造成跨塌，鹽巖遇水而形成溶洞等，即要求有不同性質的鑽井液。

鑽開油氣層後，鑽井液與油氣層接觸，為防止鑽井液損害油氣層，要求鑽井液的失水小、泥餅薄（鑽井液失水後，固壓差固體顆粒在井壁上形成泥餅環）、固相含量低、濾液的水化作用低（濾液進入地層後與地層中的液體發生的化學作用）等。

鑽井液中常含有原油、柴油和各種油類以及含有大量的化學處理劑，為防止鑽井液對地層、土壤、環境和生態可能造成的影響，要求使用無害、無毒的鑽井液。隨着人們環保意識的提高，很多國家對泥漿化學品的入境、生產、運輸以及廢棄鑽井液的回收和無害化處理提出了更高的要求。

地下鑽井作業的嚴酷環境促進了對鑽井液的研究和開發，要求能夠在鑽井過程中完成以下多項關鍵任務：懸浮、壓力控制、岩層穩定性、浮力、潤滑和冷卻。

沿鑽桿向下或從鑽孔中向上流動的鑽井液有時會停止運動。出現這種情況只能有兩種原因：一是出現了故障，二是在更換鑽頭時將鑽桿提出了鑽孔。鑽探停止時，懸浮在鑽井液中的鑽屑就會沉入鑽孔的底部，將鑽孔堵塞。鑽井液被設計為具有一種非常有趣的特性，而該特性可以解決這一問題。鑽井液的稠度（或粘度）隨鑽井液流速降低而增加。鑽井液停止流動後，就會形成一種粘稠的凝膠體，這種凝膠體可使岩石鑽屑懸浮在其中，從而防止它們沉入鑽孔底部。而當鑽井液又開始流動後，它就會越變越稀薄，恢復到其以前稀薄的液體形態。

許多人都看到過石油從鑽井台中噴入高空，石油工人為之而歡呼雀躍的情景。實際上，這類井噴罕有發生，也並不值得慶祝，因為鑽探的目標是以控制流量的方式來開採石油。泥漿被設計為可以抵消岩層中流體的自然壓力，從而防止發生此類事故。壓力間必須達到適當的平衡，即鑽井液對鑽孔壁的壓力應足以抵消岩層和石油或天然氣施加的壓力，但這種壓力又不能太大，否則會對油井造成破壞。如果鑽井液的重量太大，可能會使岩石破裂，鑽井液也會因此而流失入地下。

液體的壓力隨其濃度的變化而變化。在鑽井液中添加增重劑可以提高其濃度，進而增大它對鑽孔壁的壓力。可調整液體的濃度以滿足鑽井中的環境要求。

鑽井過程分為兩個階段：第一階段是鑽穿不含石油的岩層，目標是儘快鑽穿不含油岩層，到達含油岩層，即儲集層。此時的重點是要保持鑽孔中裸露岩層的穩定，同時還要避免鑽井液流失。而如果保持鑽井液壓力高於岩層孔隙流體壓力，鑽井液就會出現向岩層的透水岩石中滲入的自然趨勢。在鑽井液中加入特殊的添加劑，就能防止發生這種情況。

鑽井液可能會以其它方式與周圍的岩石相互作用。例如，如果岩石含鹽量很高，水就會溶解其中的鹽分，從而使鑽孔壁變得不穩定。在這種情況下，使用油基鑽井液效果會更好。粘土含量高的岩層也容易被水沖刷掉。對這類岩層需使用抑止性的鑽井液，以保持井眼穩定並防止井眼擴大或被沖蝕。隨着鑽探不斷深入，井眼被用鋼套管保護起來，鋼套管用水泥加固，這樣既保持了井眼的穩定性，又為到達儲集層後開採的石油提供了通往地表的通道。到達儲集層後，必須改變鑽井液的成分，以避免阻塞岩石孔隙。保持岩石孔隙不被阻塞可使石油更順暢地流入鑽孔，然後上流至地表。

一座油井可能深達數千英尺或數千米。而如此長的鋼鑽桿將重達上百噸。如果將鑽桿浸入鑽井液，就會產生浮力作用，降低鑽桿重量，並會減小對鑽探機械裝置的壓力。

金屬鑽入岩石時，會因摩擦生熱。鑽井液可潤滑和冷卻鑽頭，使鑽探平穩進行，同時延長鑽頭的壽命。對延伸區域或水平井而言，潤滑可能尤為重要，因為在這些地方，鑽桿、鑽頭和岩石表面間的摩擦必須保持在最低水平。

按照API（America Petroleum Instistite）推薦的鑽井液性能測試標準，需要檢測的鑽井液常規性能有：

密度、漏斗粘度、塑性粘度、動切力、靜切力、API濾失量、HTHP濾失量、pH值、含砂量、固相含量、膨潤土含量、濾液各種離子濃度。 ^[4] 

一 、鑽具腐蝕和防腐（腐蝕機理研究、檢測及防止措施）

二、 廢棄鑽井液對環境的污染及其處理

1、廢棄鑽井液對環境的影響（對土壤、植物、地下飲用水、海洋生物等）

2、處理方法（回填法、土地耕作法、泵入井眼環形空間、固液分離法、化學固化法、其它方法）

3、防污染的新型鑽井液（甘油類鑽井液、甲基葡萄糖苷鑽井液、聚丙烯酰胺類鑽井液）

三、 新型鑽井液體系的研究合成基鑽井液、聚合醇鑽井液、硅酸鹽鑽井液、甲酸鹽鑽井液

四、 井壁不穩定地層分類與穩定井壁的鑽井液技術

五 、保護油氣層技術新進展 ^[2]