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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，因此稱鉆井過程中使用的循環(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，幾乎沒有化學(xué)成分，現(xiàn)場上習(xí)慣稱其為“泥漿”。

鉆井液在鉆井過程中起著重要的作用。主要功能有：

(1)清洗井底。鉆頭在鉆進過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。若巖屑不能及時被清除，巖屑將被重復(fù)破碎，也影響鉆頭鉆進巖石。

(2)冷卻、潤滑鉆頭及鉆柱。鉆進過程中，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，由于鉆柱在旋轉(zhuǎn)過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，而鉆井液則可通過循環(huán)及時把熱量帶走，對鉆具進

行冷卻，同時還能起到潤滑作用，從而減小摩擦。

(3)形成泥餅，保護井壁。地層深處的巖石由于受頂部和周圍巖石的壓力而處于三維受壓狀態(tài)。當(dāng)井眼鉆開后，井眼周圍的巖石必然要承受來自各個方向上的擠壓而產(chǎn)生一個應(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圍井壁上，將使巖石上的應(yīng)力減少，從而使“壓縮性垮塌”的機會減少。但鉆井液的密度不能過大，否則將導(dǎo)致巖石的“裂縫性破碎”，進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)鉆進到高壓油(氣)層時，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。但密度不能過大，否則有可能把油(氣)層堵死。

(5)懸浮巖屑和加重劑。鉆井過程中，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。通過對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，不僅清洗井底巖屑，而且還能將能量傳到井底輔助機械破巖，噴射鉆井就是利用鉆頭水功率的一種鉆井工藝。國內(nèi)外的鉆井實踐已證明，噴射鉆井工藝提高鉆井速度，降低鉆井成本，國外對高壓射流輔助機械破碎進行了一系到試驗研究。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為鉆井液中的固相。鉆井液中的固相，一是來源于鉆屑，二是為滿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：一類是有用固相，如膨潤土、化學(xué)處理劑、重晶石等;另一類是有害固相，如鉆屑(用清水開鉆時，自然造漿所需粘土除外)、劣質(zhì)膨潤土、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別控制在鉆井工藝所要求的范圍之內(nèi)，以滿足鉆井過程對鉆井液性能的要求。通常，將鉆井液的固相控制過程簡稱為固控，現(xiàn)場上也習(xí)慣稱其為泥漿凈化。

1.1.2 鉆井液的污染

在鉆井過程中，鉆頭鉆進時產(chǎn)生的巖屑和地層剝落的巖塊統(tǒng)稱為鉆屑。鉆屑是有害固相的主要來源，它會給鉆井帶來很多危害，而且存在于鉆井過程的始終。鉆屑污染是指鉆屑在機械和化學(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，給鉆井過程及油(氣)層帶來危害的行為。

鉆井液的主要成份有：(1)水(淡水、鹽水、飽和鹽水等);(2)膨潤土(鈉膨潤土、鈣膨潤土、有機土或抗鹽土等);(3)化學(xué)處理劑(有機類、無機類、表面活性劑類或生物聚合物類等);(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)觀點看，鉆井液是一種多相不穩(wěn)定體系。為滿足鉆井工藝要求、改善鉆井液流體性能，常在鉆井液中加入各種添加劑。同時，鉆井液在循環(huán)過程中，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。在鉆井過程中，鉆屑也是鉆井液的一部分，這些鉆屑與膠體級的重晶石顆粒一樣，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。雖然粗顆粒會造成麻煩，但它們對鉆井液的傷害較小，也容易清除。而重晶石和膨潤土則是鉆井液中廣泛使用的有用固相。美國石油協(xié)會標(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，故在使用過程中重晶石顆粒尺寸因磨損而減小得非?？?，一段時間后，很多的細(xì)顆粒將成為膠體，膨潤土的粒徑比重晶石更小，也屬于膠體級。同時，由于在鉆井過程中，產(chǎn)生的巖屑將不可避免地進入鉆井液中，特別用水基鉆井液在松 À;x_|ª” 4軟地層鉆進時，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，鉆下來的和剝落的硬顆粒未到達地面之前，在循環(huán)過程中可能被研碎，這些研碎后的固相顆粒對鉆井液危害最大，會使鉆井液粘度升高，從而引起固控問題，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，增加量的對應(yīng)關(guān)系如下圖曲線所示。

　　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

加量的對應(yīng)關(guān)系如下圖曲線所示。

　　圖 1—2 鉆井液中顆粒數(shù)量與顆粒粒徑的關(guān)系

1.1.3 鉆屑和膠體級重晶石對鉆井液的影響

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，無論是何種鉆井液體系，固相含量除非過量，否則，一般不會對鉆井液性能產(chǎn)生影響，具體而言：對水基鉆井液來說，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%膨潤土，低密度固相的總含量則為7%。大部分專家認(rèn)為在水基鉆井液中，低密度的固相超過10%將可能導(dǎo)致井眼相關(guān)問題。因此，在非加重水基鉆井液中，當(dāng)鉆屑體積含量超過8%，即被認(rèn)為過量。當(dāng)鉆井液完全依賴鉆屑密度而使自身密度大于 1.13～1.15 g / cm3時，就有可能導(dǎo)致上述問題，因為此時鉆井液相當(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，鉆屑的體積濃度可以高達 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大，會降低泥餅質(zhì)量、降低機械鉆速、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，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)比稱為級配。固相顆粒對油(氣)層的損害既與固相含量有關(guān)，也與固相粒度及級配有關(guān)。當(dāng)鉆井液液柱的壓力大于地層壓力時，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)進行采油(氣)時，僅借助于原油(氣)進入井口的反向流動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：有害固相對中低滲率油(氣)層的損害尤為明顯，而我國的中低滲透率油(氣)層占較大比例，這是油氣勘探開發(fā)過程中必須預(yù)防和解決的問題。具體而言，當(dāng)鉆井液中的固相接觸油(氣)層時，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)過程中，鉆屑將被不斷地被破碎，雖然體積沒有改變，但表面積增加了。表面積越大，固相顆粒的吸附能力越強，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)過鉆井泵的多次循環(huán)、鉆頭的重復(fù)破碎，就會變?yōu)?l2.5萬個直徑為 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倍的水來覆蓋其表面，從而使鉆井液的塑性粘度、屈服點、靜切力大大提高，流動性能變壞，由此引起諸多不良后果。

比如在起下鉆過程中，當(dāng)起鉆速度過快時，會因為粘度過大導(dǎo)致鉆井液充滿井底的速度慢，形成“抽汲”現(xiàn)象，井底壓力降低，容易導(dǎo)致井噴;當(dāng)下鉆速度過快，或上下活動鉆具時，又容易引起壓力激烈脈動，壓潰地層。另外，如果粘度過大，當(dāng)開泵時，可能憋漏地層;正常鉆進循環(huán)時，會使鉆井泵泵壓增高，消耗的功率增大，鉆柱在井眼中旋轉(zhuǎn)的摩擦力也增加;粘度過大，還容易在鉆頭處形成泥包，嚴(yán)重時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圍形成泥餅，降低失水率、防止垮塌、保護油(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)重時還會引起井壁垮塌。同時，在厚泥餅使井徑變小后，必然增加鉆柱運動阻力，摩擦系數(shù)增大，致使鉆柱扭矩增大;起下鉆時掛卡情況加劇，特別有假泥餅時情況更壞，其結(jié)果導(dǎo)致動力消耗增大、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，鉆井液液柱對井底的壓力增大，這不僅影響鉆速，而且還可能壓漏地層，進而損害油(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，鉆柱會因重力作用而躺靠在井壁上，迫使鉆柱與井壁在很長的井段上都保持有很大的接觸面積，此時鉆柱就會受井內(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)動鉆柱運動的外力小于摩擦阻力或外力矩小于摩擦阻力矩，鉆柱則不能運動而發(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。