鉆井液在鉆進(jìn)工程中的應用

  旋轉鉆井初期，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，避免鉆頭重復切削，減少磨損，提高效率。

 

  （2） 冷卻和潤滑鉆頭及鉆柱。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。鉆井液對鉆具和套管的浮力，可減小起下鉆時(shí)起升系統的載荷。

 

  （9） 提供所鉆地層的大量資料。利用鉆井液可進(jìn)行電法測井，巖屑錄井等獲取井下資料。

 

  （10）水力破碎巖石。鉆井液通過(guò)噴嘴所形成的高速射流能夠直接破碎或輔助破碎巖石。

 

  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)現石油時(shí)很懊惱，因為它把水污染了！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 世紀早期，由于工業(yè)化增加了對石油產(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的中國。他們使用一種叫做繩式頓鉆鉆井的技術(shù)，實(shí)現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。中國人在這項技術(shù)上比較領(lǐng)先，中國也被公認為是第一個(gè)在鉆探過(guò)程中有意使用流體的國家。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(chēng)作鉆屑的巖石碎片。（從鉆孔中清除鉆屑這一點(diǎn)非常重要，因為只有這樣，鉆頭才能沒(méi)有阻礙地繼續深鉆。）

 

  1833 年，一位名叫弗勞威勒 (Flauville) 的法國工程師有一次觀(guān)察繩式頓鉆鉆井作業(yè)。作業(yè)進(jìn)行中，鉆井設備鉆出了水。這時(shí)他意識到噴出的水對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。他設想了一種裝置，按照這一設想，泵將水沿鉆桿的內側送至鉆孔內，而當水經(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，鉆井工人驅趕一群牛趟過(guò)了一個(gè)灌滿(mǎn)水的地坑。被牛趟過(guò)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(chēng)作泥漿，但工程師們已不再只依賴(lài)水和泥土作為鉆井液的原料。他們對混合物的成分進(jìn)行精心調配，以滿(mǎn)足各種鉆探條件下的具體需要?，F代化的鉆井液確實(shí)是油井的命脈。今天如果沒(méi)有它們，就不可能鉆出深井。

 

  旋轉鉆探已基本上取代了繩式頓鉆鉆井。使用這種技術(shù)時(shí)，鉆頭位于旋轉巖管的末端。鉆探過(guò)程與使用手持式電鉆或螺絲鉆鉆入一塊木頭的過(guò)程類(lèi)似。不象鉆木頭那樣只鉆入幾英寸或幾厘米，現代油井可深達地下幾千英尺或幾千米。鉆木時(shí)，鉆屑沿孔道的螺旋槽被從鉆孔中帶出。這種方法對鉆淺孔有效，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，就愈加體現出鉆井液的重要性。它的用途很廣并可解決各種問(wèn)題，而這些問(wèn)題各處差異極大。

 

  鉆井液的類(lèi)型及組成

 

  鉆井液按分散介質(zhì)（連續相）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（膨潤土、加重材料）和無(wú)用固相（巖石）?；瘜W(xué)處理劑包括無(wú)機、有機及高分子化合物。   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(wú)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：

 

  （1）淡水鉆井液。氯化鈉含量低于10mg/cm³，鈣離子含量低于0.12mg/cm³。

 

  （2）鹽水鉆井液（包括海水及咸水鉆井液）。氯化鈉含量高于10mg/cm³。

 

  （3）鈣處理鉆井液。鈣離子含量低于0.12mg/cm³。

 

  （4）飽和鹽水鉆井液。含有一種或多種可溶性鹽的飽和溶液。

 

  （5）混合乳化（水包油）鉆井液。含有3%-40%乳化油類(lèi)的水基鉆井液

 

  （6）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。

 

  （7）鉀基鉆井液。氯化鉀含量高于3%。1978年以來(lái)開(kāi)始在我國鉆井現場(chǎng)使用。

 

  （8）聚合物鉆井液。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(xué)處理劑所組成的鉆井液。它是20世紀80年代發(fā)展起來(lái)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。

 

  油連續相鉆井液

 

  油連續相鉆井液（習慣稱(chēng)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。

 

  （1）原油鉆井液。主要成分是原油。

 

  （2）油基鉆井液。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(xué)處理劑配制而成。

 

  （3）油包水（反相乳化）鉆井液。一柴油（或原油）為連續相，以水為分散相呈小水滴分散在水中（水可占60%的體積），以有機膨潤土（親油鵬潤土）和氧化瀝青等穩定劑，再配以加重劑和各種化學(xué)處理劑等配制而成。1978年以來(lái)開(kāi)始在我國鉆井現場(chǎng)使用。

 

  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、氣體及泡沫穩定劑等。

 

  20世紀80年代我國標準化委員會(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(美國石油學(xué)會(huì ))及LADC(國際鉆井承包商協(xié)會(huì ))認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。

 

  鉆井液的選用標準

 

  鉆井液是鉆井的“血液”，在鉆井作業(yè)中起著(zhù)非常重要的作用。因此對鉆井液要求很高，主要有四個(gè)方面：

 

  鉆井循環(huán)的要求

 

  鉆井循環(huán)對鉆井液的要求是泵壓低（粘度低），攜砂能力強（動(dòng)切力高），啟動(dòng)泵壓低（靜切力低），潤滑性能好，摩擦力低，磨損?。ü腆w顆粒少）。

 

  要保持井眼的穩定

 

  鉆穿的地層要用鉆井液的壓力柱與地層壓力取得平衡，鉆井液密度穩定；鉆井油氣層時(shí)要靠鉆井液的壓力柱來(lái)平衡油氣的壓力要求鉆井液密度適當。要求鉆井液有克服不穩定地層的性能，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。

 

  要求鉆井液保護油氣層

 

  鉆開(kāi)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。

 

  保護環(huán)境和生態(tài)

 

  鉆井液中常含有原油、柴油和各種油類(lèi)以及含有大量的化學(xué)處理劑，為防止鉆井液對環(huán)境和生態(tài)可能造成的影響，要求使用無(wú)害、無(wú)毒的鉆井液。  鉆井液的主要作用

 

  地下鉆井作業(yè)的嚴酷環(huán)境促進(jìn)了對鉆井液的研究和開(kāi)發(fā)，要求能夠在鉆井過(guò)程中完成以下多項關(guān)鍵任務(wù)：懸浮、壓力控制、巖層穩定性、浮力、潤滑和冷卻。

 

  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 )停止運動(dòng)。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。鉆井液被設計為具有一種非常有趣的特性，而該特性可以解決這一問(wèn)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。而當鉆井液又開(kāi)始流動(dòng)后，它就會(huì )越變越稀薄，恢復到其以前稀薄的液體形態(tài)。

 

  壓力控制

 

  許多人都看到過(guò)石油從鉆井臺中噴入高空，石油工人為之而歡呼雀躍的情景。實(shí)際上，這類(lèi)井噴罕有發(fā)生，也并不值得慶祝，因為鉆探的目標是以控制流量的方式來(lái)開(kāi)采石油。泥漿被設計為可以抵消巖層中流體的自然壓力，從而防止發(fā)生此類(lèi)事故。壓力間必須達到適當的平衡，即鉆井液對鉆孔壁的壓力應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)而增大它對鉆孔壁的壓力?？烧{整液體的濃度以滿(mǎn)足油井中的環(huán)境要求。

 

  裸露巖層的穩定性

 

  鉆井過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一階段是鉆穿不含石油的巖層，目標是盡快鉆穿不含油巖層，到達含油巖層，即儲集層。此時(shí)的重點(diǎn)是要保持鉆孔中裸露巖層的穩定，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 )出現向巖層的透水巖石中滲入的自然趨勢。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?chē)膸r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。對這類(lèi)巖層需使用抑止性的鉆井液，以保持井眼穩定并防止井眼擴大或被沖蝕。隨著(zhù)鉆探不斷深入，井眼被用鋼套管保護起來(lái)，鋼套管用水泥加固，這樣既保持了井眼的穩定性，又為到達儲集層后開(kāi)采的石油提供了通往地表的通道。到達儲集層后，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。

 

  浮力

 

  一座油井可能深達數千英尺或數千米。而一根如此長(cháng)的鋼鉆桿將重達數噸。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 )減小對鉆探機械裝置的壓力。

 

  潤滑和冷卻

 

  金屬鉆入巖石時(shí)，會(huì )因摩擦生熱。鉆井液可潤滑和冷卻鉆頭，使鉆探平穩進(jìn)行，同時(shí)延長(cháng)鉆頭的壽命。對延伸區域或水平油井而言，潤滑可能尤為重要，因為在這些地方，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

 

  越來(lái)越多的鉆井承包商正在換用大型鉆機并使用固控系統。固控系統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(guò)篩，高粘度鉆井液能使鉆井液堵塞泥漿篩而造成漫篩。另外，對水力旋流器（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，理由是較大的鉆機要使用較大的泥漿泵。倒劃眼要產(chǎn)生更多的固相，如果沒(méi)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備的效率?？商砑尤魏我环N稀釋劑來(lái)稀釋泥漿，用文丘里混合器和任何攪拌器來(lái)混合泥漿添加劑，這樣就可能保證泥漿穩定通過(guò)固控設備。

 

  在使用某些聚合物添加劑時(shí)，如果使用固控設備，混合不當或在高濃度下能發(fā)生問(wèn)題。PHPA聚合物可包被作用而堵塞網(wǎng)篩的孔眼，這到不是說(shuō)不能使用這種添加劑，而是說(shuō)要注意加入聚合物的方法，在固控設備前方不要加入任何種類(lèi)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。

 

  鉆井液的負面作用

 

  鉆井液在使用過(guò)程中，對油氣層有一定程度的損害，主要表現在：

 

  (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，增加油氣流動(dòng)阻力。  鉆井液的迅速發(fā)展

 

  鉆井液在鉆井作業(yè)和保護油氣層中起到的作用和各方面對鉆井液的嚴格要求，促使鉆井液技術(shù)取得了迅速的發(fā)展。經(jīng)過(guò)多年的科研開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)實(shí)踐，鉆井液已從僅滿(mǎn)足鉆頭鉆進(jìn)發(fā)展到適應各方面需求的鉆井液體系。例如為快速鉆井服務(wù)的低粘度、低摩擦、低固相的聚合物鉆井液，防卡鉆井液，針對巖石特點(diǎn)的防塌鉆井液，鉆鹽巖層的飽和鹽水鉆井液，保護油氣層的低密度水包油鉆井液，防堵塞油氣通道的油基鉆井液和開(kāi)發(fā)低壓油氣田的泡沫鉆井液等。形成了較為完整的鉆井液體系。

 

  如今優(yōu)質(zhì)的鉆井液已不是由一兩種材料（例如膨潤土，俗稱(chēng)搬土）配制的，保持鉆井液的性能要依靠加入各種處理劑。例如鉆井液潤滑劑、高溫穩定劑、防塌處理劑和防卡處理劑等。據1992年統計，處理劑系列已發(fā)展到10類(lèi)202種，形成油田化學(xué)的一個(gè)重要分支。

 

  為清除鉆井液中的固相顆粒，鉆井液中的固相顆粒處理系統已經(jīng)得到了加強和改進(jìn)。鉆井液中的固相顆粒像鉆屑、重晶石等，使鉆井液的流動(dòng)性能變壞，不但破壞了鉆井液性能的穩定，而且增大了循環(huán)系統的摩擦力，使設備過(guò)早磨損。清除鉆井液中固體含量的主要方法是加強振動(dòng)篩的振動(dòng)頻率，采用增加篩網(wǎng)的目數和雙層篩網(wǎng)，提高除砂器、除泥器的除砂效率。另外，有時(shí)還用增設分離器來(lái)清除鉆井液中的微細顆粒。       為了提高鉆井液的使用和測量標準，我國目前已經(jīng)采用了比較先進(jìn)的美國石油學(xué)會(huì )標準和規范及其鉆井液測量?jì)x器和設備。