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現(xiàn)代鉆井中不可缺少地要使用循環(huán)流體，除少量使用的是氣體和泡沫外，絕大多數(shù)鉆井用循環(huán)流體都是液體，因此稱(chēng)鉆井過(guò)程中使用的循環(huán)液體為鉆井液，由于早期的鉆井液只是粘土和水的混合液體，幾乎沒(méi)有化學(xué)成分，現(xiàn)場(chǎng)上習(xí)慣稱(chēng)其為“泥漿”。

鉆井液在鉆井過(guò)程中起著重要的作用。主要功能有：

(1)清洗井底。鉆頭在鉆進(jìn)過(guò)程中破碎了大量巖屑，這些巖屑就是靠不斷循環(huán)的鉆井液清除的。若巖屑不能及時(shí)被清除，巖屑將被重復(fù)破碎，也影響鉆頭鉆進(jìn)巖石。

(2)冷卻、潤(rùn)滑鉆頭及鉆柱。鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭上承受很重的鉆壓負(fù)荷，使鉆頭軸承及鉆頭工作面發(fā)熱。同時(shí)，由于鉆柱在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不斷地與井壁摩擦，不僅產(chǎn)生熱量，而且加速鉆柱磨損、增加功率消耗，而鉆井液則可通過(guò)循環(huán)及時(shí)把熱量帶走，對(duì)鉆具進(jìn)

行冷卻，同時(shí)還能起到潤(rùn)滑作用，從而減小摩擦。

(3)形成泥餅，保護(hù)井壁。地層深處的巖石由于受頂部和周?chē)鷰r石的壓力而處于三維受壓狀態(tài)。當(dāng)井眼鉆開(kāi)后，井眼周?chē)膸r石必然要承受來(lái)自各個(gè)方向上的擠壓而產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力增量值，即應(yīng)力集中。在這種情況下，如果井眼處巖石的強(qiáng)度不夠大，就可能導(dǎo)致井壁垮塌。但若用含加重劑、濾失量低的鉆井液作用在周?chē)谏?，將使巖石上的應(yīng)力減少，從而使“壓縮性垮塌”的機(jī)會(huì)減少。但鉆井液的密度不能過(guò)大，否則將導(dǎo)致巖石的“裂縫性破碎”，進(jìn)而引起鉆井液的漏失。并且加有各種添加劑的鉆井液循環(huán)過(guò)程中，在井壁上形成一層泥餅，優(yōu)質(zhì)的泥餅不但可以保護(hù)井壁不被鉆井液沖刷，還能減少鉆井液漏向地層。

(4)控制與平衡地層壓力。當(dāng)鉆進(jìn)到高壓油(氣)層時(shí)，若地層的油(氣)層壓力高于鉆井液柱的壓力，將發(fā)生“井噴”導(dǎo)致鉆井事故。為此應(yīng)配制密度適宜的鉆井液，使鉆井液柱的壓力等于(通常是略大于)地層壓力，以保證安全、快速的鉆進(jìn)。但密度不能過(guò)大，否則有可能把油(氣)層堵死。

(5)懸浮巖屑和加重劑。鉆井過(guò)程中，鉆井液在井眼環(huán)形空間的流速不可能太高，而清水由于密度低其懸浮能力差，為把巖屑和加重劑循環(huán)出地面，鉆井液中要加入各種添加劑以增加其懸浮能力。

(6)提供所鉆地層的有關(guān)地質(zhì)資料。通過(guò)對(duì)流出地面的鉆井液取樣分析，可了解所鉆地層的巖性及油氣含量等資料。

(7)將水功率傳給鉆頭。鉆井液從鉆頭水眼流到井底時(shí)，不僅清洗井底巖屑，而且還能將能量傳到井底輔助機(jī)械破巖，噴射鉆井就是利用鉆頭水功率的一種鉆井工藝。國(guó)內(nèi)外的鉆井實(shí)踐已證明，噴射鉆井工藝提高鉆井速度，降低鉆井成本，國(guó)外對(duì)高壓射流輔助機(jī)械破碎進(jìn)行了一系到試驗(yàn)研究。在69～103MPa 的高壓射流下，鉆井速度比普通牙輪鉆頭噴射鉆井速度快2～3 倍。

(8)在地面分離清除鉆屑。分散于鉆井液中的固相顆粒稱(chēng)為鉆井液中的固相。鉆井液中的固相，一是來(lái)源于鉆屑，二是為滿(mǎn)足鉆井工藝要求而人為加入的。按固相在鉆井液中所起的作用可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是有用固相，如膨潤(rùn)土、化學(xué)處理劑、重晶石等;另一類(lèi)是有害固相，如鉆屑(用清水開(kāi)鉆時(shí)，自然造漿所需粘土除外)、劣質(zhì)膨潤(rùn)土、砂粒等。所謂鉆井液的固相控制，就是清除有害固相，保留有用固相，或者將鉆井液中的固相總含量及粒度級(jí)別控制在鉆井工藝所要求的范圍之內(nèi)，以滿(mǎn)足鉆井過(guò)程對(duì)鉆井液性能的要求。通常，將鉆井液的固相控制過(guò)程簡(jiǎn)稱(chēng)為固控，現(xiàn)場(chǎng)上也習(xí)慣稱(chēng)其為泥漿凈化。

1.1.2 鉆井液的污染

在鉆井過(guò)程中，鉆頭鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的巖屑和地層剝落的巖塊統(tǒng)稱(chēng)為鉆屑。鉆屑是有害固相的主要來(lái)源，它會(huì)給鉆井帶來(lái)很多危害，而且存在于鉆井過(guò)程的始終。鉆屑污染是指鉆屑在機(jī)械和化學(xué)作用下分散成大小不等的顆粒，混入鉆井液后使鉆井液性能變壞，給鉆井過(guò)程及油(氣)層帶來(lái)危害的行為。

鉆井液的主要成份有：(1)水(淡水、鹽水、飽和鹽水等);(2)膨潤(rùn)土(鈉膨潤(rùn)土、鈣膨潤(rùn)土、有機(jī)土或抗鹽土等);(3)化學(xué)處理劑(有機(jī)類(lèi)、無(wú)機(jī)類(lèi)、表面活性劑類(lèi)或生物聚合物類(lèi)等);(4)油(輕質(zhì)油或原油等);(5)氣體(空氣或天然氣等)。不同的鉆井流體形成的分散體系不同、作用也不同。從物理化學(xué)觀點(diǎn)看，鉆井液是一種多相不穩(wěn)定體系。為滿(mǎn)足鉆井工藝要求、改善鉆井液流體性能，常在鉆井液中加入各種添加劑。同時(shí)，鉆井液在循環(huán)過(guò)程中，不能始終保持其優(yōu)良的性能，而要被鉆屑、油、氣、水、鹽等礦物污染，其中，鉆屑是最主要的污染源。

鉆井液使用固相顆粒的目的一般是為了提供合適的密度、粘度和濾失量控制。在鉆井過(guò)程中，鉆屑也是鉆井液的一部分，這些鉆屑與膠體級(jí)的重晶石顆粒一樣，均導(dǎo)致鉆井液濃度偏大，這將損害鉆井液性能，故把它們看作污染源。雖然粗顆粒會(huì)造成麻煩，但它們對(duì)鉆井液的傷害較小，也容易清除。而重晶石和膨潤(rùn)土則是鉆井液中廣泛使用的有用固相。美國(guó)石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)中允許有30%的重晶石顆粒小于 6 mm，這 30%中的大部分都是膠體級(jí)的顆粒。在鉆井液體系中，由于純凈重晶石的物理特征較軟，故在使用過(guò)程中重晶石顆粒尺寸因磨損而減小得非?？?，一段時(shí)間后，很多的細(xì)顆粒將成為膠體，膨潤(rùn)土的粒徑比重晶石更小，也屬于膠體級(jí)。同時(shí)，由于在鉆井過(guò)程中，產(chǎn)生的巖屑將不可避免地進(jìn)入鉆井液中，特別用水基鉆井液在松 À;x_|ª” 4軟地層鉆進(jìn)時(shí)，大量鉆屑極易分散，并形成很難從鉆井液中分離出去的膠體顆粒。并且，鉆下來(lái)的和剝落的硬顆粒未到達(dá)地面之前，在循環(huán)過(guò)程中可能被研碎，這些研碎后的固相顆粒對(duì)鉆井液危害最大，會(huì)使鉆井液粘度升高，從而引起固控問(wèn)題，導(dǎo)致井下復(fù)雜事故。特別是細(xì)顆粒、膠體顆粒和超細(xì)顆粒，在一定固相含量下，由于其尺寸小和數(shù)量多，它們的單位體積具有不成比例的巨大比表面積，正是顆粒比表面積和顆粒濃度導(dǎo)致了固控問(wèn)題，而不是固相顆粒本身的體積。并且即使鉆井液中的固相濃度不變，隨著顆粒粒徑的變小，顆粒表面積和數(shù)量的增加將使粘度上升，會(huì)導(dǎo)致井壁失穩(wěn)。

圖 1—1 表明，在體積一定情況下，平均粒徑減小將導(dǎo)致比表面積增加，增加量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖曲線(xiàn)所示。

　　圖 1—1 鉆井液中鉆屑表面積與顆粒粒徑的關(guān)系

　　圖 1—2 表明，在體積一定的情況下，平均粒徑的減小將導(dǎo)致顆粒數(shù)量的增加，增

加量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖曲線(xiàn)所示。

　　圖 1—2 鉆井液中顆粒數(shù)量與顆粒粒徑的關(guān)系

1.1.3 鉆屑和膠體級(jí)重晶石對(duì)鉆井液的影響

鉆井液體系一般分為：水基鉆井液和非水基鉆井液體系、加重和非加重鉆井液體系。在非加重鉆井液中，無(wú)論是何種鉆井液體系，固相含量除非過(guò)量，否則，一般不會(huì)對(duì)鉆井液性能產(chǎn)生影響，具體而言：對(duì)水基鉆井液來(lái)說(shuō)，許多作業(yè)要求鉆屑含量應(yīng)該控制在5%以下，假設(shè)含2%膨潤(rùn)土，低密度固相的總含量則為7%。大部分專(zhuān)家認(rèn)為在水基鉆井液中，低密度的固相超過(guò)10%將可能導(dǎo)致井眼相關(guān)問(wèn)題。因此，在非加重水基鉆井液中，當(dāng)鉆屑體積含量超過(guò)8%，即被認(rèn)為過(guò)量。當(dāng)鉆井液完全依賴(lài)鉆屑密度而使自身密度大于 1.13～1.15 g / cm3時(shí)，就有可能導(dǎo)致上述問(wèn)題，因?yàn)榇藭r(shí)鉆井液相當(dāng)于清水中含有9%～l0%的低密度固相。在固相濃度較小的低密度鉆井液中，顆粒的粒徑對(duì)鉆井液性能影響不大。非水基鉆井液可以容納更多固相。當(dāng)這些鉆井液是非加重的鉆井液時(shí)，鉆屑的體積濃度可以高達(dá) 12%，相應(yīng)的非加重鉆井液密度大約為 1.10 g / cm3。由于固相含量高、細(xì)顆粒容限低，特別是大顆粒變成小顆粒后，使細(xì)顆粒含量急劇增加，因此固相含量問(wèn)題在非加重鉆井液中更為頻繁和嚴(yán)重。而細(xì)顆粒和膠體顆粒濃度過(guò)大，會(huì)降低泥餅質(zhì)量、降低機(jī)械鉆速、增加扭矩及摩阻和卡鉆幾率，導(dǎo)致井下復(fù)雜狀況。為了避免這些情況，當(dāng)水基鉆井液密度高于 1.15 g / cm3或非水基鉆井液密度高于 1.10 g / cm3時(shí)，就應(yīng)該使用重晶石或其它加重材料了。

1.1.4 有害固相的危害

1.1.4.1 堵塞油(氣)層通道

鉆井液中固相顆粒的大小不等，大小固相顆粒的含量也不等。固相顆粒的大小稱(chēng)為粒度(即粗細(xì)程度)。各種大小固相顆粒占固相總量的百分?jǐn)?shù)比稱(chēng)為級(jí)配。固相顆粒對(duì)油(氣)層的損害既與固相含量有關(guān)，也與固相粒度及級(jí)配有關(guān)。當(dāng)鉆井液液柱的壓力大于地層壓力時(shí)，在壓力差作用下，鉆井液將向油(氣)層滲透而產(chǎn)生濾失。在井壁上形成泥餅以前，鉆井液中小于油(氣)層孔隙的固相顆粒隨濾液進(jìn)入油(氣)層，形狀大小與油(氣)層孔道相當(dāng)?shù)哪切╊w粒，卡在孔隙之中而形橋塞狀態(tài)。更小的顆粒繼續(xù)深入，直到被孔徑更小的孔隙堵住為止。這樣必然使油(氣)層的滲透率下降。當(dāng)進(jìn)行采油(氣)時(shí)，僅借助于原油(氣)進(jìn)入井口的反向流動(dòng)力是很難解除這種堵塞狀態(tài)的，從而造成油(氣)層的永久性損害。

有研究表明：有害固相對(duì)中低滲率油(氣)層的損害尤為明顯，而我國(guó)的中低滲透率油(氣)層占較大比例，這是油氣勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須預(yù)防和解決的問(wèn)題。具體而言，當(dāng)鉆井液中的固相接觸油(氣)層時(shí)，若顆粒直徑d 粒大于油(氣)層孔隙直徑d 孔，顆粒將被擋住，對(duì)油(氣)層損害小;若d 粒大地?fù)p害油(氣)層。通常，若3d孔

1.1.4.2 破壞鉆井液性能，誘發(fā)井下事故

(1)鉆井液粘度增大，所需的剪切力增加。

在鉆井液循環(huán)過(guò)程中，鉆屑將被不斷地被破碎，雖然體積沒(méi)有改變，但表面積增加了。表面積越大，固相顆粒的吸附能力越強(qiáng)，從而導(dǎo)致吸附的水含量增多，使鉆井液性能變壞。例如，一顆直徑為 l0 mm的鉆屑從井底被攜帶到地面后，未被清除而留在鉆井液中，經(jīng)過(guò)鉆井泵的多次循環(huán)、鉆頭的重復(fù)破碎，就會(huì)變?yōu)?l2.5萬(wàn)個(gè)直徑為 2 mm的小顆粒。這不但增加了將其清除掉的難度，還使表面積驟增了50倍，這意味著需要50倍的水來(lái)覆蓋其表面，從而使鉆井液的塑性粘度、屈服點(diǎn)、靜切力大大提高，流動(dòng)性能變壞，由此引起諸多不良后果。

比如在起下鉆過(guò)程中，當(dāng)起鉆速度過(guò)快時(shí)，會(huì)因?yàn)檎扯冗^(guò)大導(dǎo)致鉆井液充滿(mǎn)井底的速度慢，形成“抽汲”現(xiàn)象，井底壓力降低，容易導(dǎo)致井噴;當(dāng)下鉆速度過(guò)快，或上下活動(dòng)鉆具時(shí)，又容易引起壓力激烈脈動(dòng)，壓潰地層。另外，如果粘度過(guò)大，當(dāng)開(kāi)泵時(shí)，可能憋漏地層;正常鉆進(jìn)循環(huán)時(shí)，會(huì)使鉆井泵泵壓增高，消耗的功率增大，鉆柱在井眼中旋轉(zhuǎn)的摩擦力也增加;粘度過(guò)大，還容易在鉆頭處形成泥包，嚴(yán)重時(shí)將引起卡鉆等井下事故。

(2)泥餅質(zhì)量變差，將導(dǎo)致井下復(fù)雜情況。

鉆井液的功能之一是在井壁周?chē)纬赡囡灒档褪?、防止垮塌、保護(hù)油(氣)層。若鉆井液中的巖屑增多將導(dǎo)致泥餅變厚，而這種泥餅質(zhì)地松軟(特別是分散的巖屑在泥餅中容易形成厚而松的假泥餅)、失水量大，使水敏性的巖層形成吸水縮徑現(xiàn)象(即這種巖層吸水后膨脹，使井徑變小)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起井壁垮塌。同時(shí)，在厚泥餅使井徑變小后，必然增加鉆柱運(yùn)動(dòng)阻力，摩擦系數(shù)增大，致使鉆柱扭矩增大;起下鉆時(shí)掛卡情況加劇，特別有假泥餅時(shí)情況更壞，其結(jié)果導(dǎo)致動(dòng)力消耗增大、鉆柱壽命縮短、鉆具事故增多。

(3)鉆井液密度增大，使井底壓力增加。

被破碎的鉆屑如不及時(shí)被排除，由于鉆井液中的固相含量增加、密度變大，鉆井液液柱對(duì)井底的壓力增大，這不僅影響鉆速，而且還可能壓漏地層，進(jìn)而損害油(氣)層。

(4)容易引起壓差卡鉆。

若在滲透性地層打斜井或定向井時(shí)，鉆柱會(huì)因重力作用而躺靠在井壁上，迫使鉆柱與井壁在很長(zhǎng)的井段上都保持有很大的接觸面積，此時(shí)鉆柱就會(huì)受井內(nèi)鉆井液液柱壓力與地層壓力之間的壓差作用而被緊緊地壓在井壁上。

若驅(qū)動(dòng)鉆柱運(yùn)動(dòng)的外力小于摩擦阻力或外力矩小于摩擦阻力矩，鉆柱則不能運(yùn)動(dòng)而發(fā)生了卡鉆，這種卡鉆是在鉆井液壓力與地層壓力差的情況下發(fā)生的，因此稱(chēng)為壓差卡鉆。壓差卡鉆是否發(fā)生，決定于鉆柱與井壁間(或與泥餅間)粘附力的大小。當(dāng)鉆井液中的固相含量過(guò)多，其密度增大，形成厚而松的泥餅，使鉆柱與井壁接觸面積增大，也使摩擦系數(shù)增大，因而易于發(fā)生壓差卡鉆，如圖1—3所示。

　　圖 1—3 泥餅厚度對(duì)鉆柱粘附面積的影響

通常情況下，影響粘附力大小的因素主要有以下三個(gè)方面：

① 鉆井液密度越大、鉆井液液柱壓力越高、壓力差越大、粘附力越大;

②鉆具與井壁接觸面積越大，粘附力越大;

③泥餅?zāi)Σ料禂?shù)越大，粘附力越大。