■ 激 扬

钻井液是油气勘探开发的钻探过程中，孔内使用的循环冲洗介质。钻井液是钻井的血液，又称钻孔冲洗液。钻井液按组成成分可分为清水、泥浆、无黏土相冲洗液、乳状液、泡沫和压缩空气等。清水是使用最早的钻井液，无需处理，使用方便，适用于完整岩层和水源充足的地区。泥浆是广泛使用的钻井液，主要适用于松散、裂隙发育、易坍塌掉块、遇水膨胀剥落等孔壁不稳定岩层。

钻井液的作用

钻井液几乎是与钻井同时诞生并发展起来的，钻井液的主要作用是把岩屑从井底携带至地面。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）提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）水力破碎岩石。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。

现代化的钻井液是油井的命脉。钻探深井时，钻屑是随循环泥浆一起被带到地表上。油井钻得越深，就愈加体现出钻井液的重要性。如果没有它们，钻出深井是不可想象的。

钻井液的发展史

在公元前3世纪的时候，中国人就开始使用一种叫做绳式顿钻钻井的技术，先使巨大的金属钻具下落，然后用一种管状容器收集岩石的碎片。中国被公认为是第一个在钻探过程中有意使用流体（水）的国家，流体能软化岩石，从而使钻具更容易穿透岩石，同时有助于清除钻屑。

1833年，一位名叫弗劳威勒(Flauville) 的法国工程师在一次观察绳式顿钻钻井作业时，发现作业进行时钻井设备钻出了水。他意识到喷出的水能把钻屑从井中非常有效地提出来，使用流动的液体从钻孔中清除钻屑的原理由此确立。他设计了这样一种装置：泵将水沿钻杆的内侧送至钻孔内，而当水经钻杆和钻孔壁间的缝隙返回到地表后，就会将钻屑一并带出。此操作程序沿用至今。

1900年，在美国德克萨斯州的Spindletop钻探油井期间，钻井工人驱赶一群牛趟过了一个灌满水的泥坑。被牛趟过的水坑中形成大量泥浆，它是一种黏稠的水和泥土的混合物，钻井工人用泵将它送入钻孔中。时至今日，钻井液仍被很多操作人员称作“泥浆”。但后来的工程师们已不再只依赖水和泥土作为钻井液的原料，他们对混合物的成分进行精心调配，以满足各种钻探条件下的特殊需要，这样，多种多样的钻井液就产生了。

钻井液的种类

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。钻井液的种类主要有：

（1）水基钻井液。是一种以水为分散介质，以黏土（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、黏土、加重剂和各种化学处理剂；其中还可分为淡水钻井液、盐水钻井液、钙处理钻井液等 。

（2）油连续相钻井液。习惯称为油基钻井液，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）淡水钻井液。20世纪80年代发展起来的淡水钻井液是一种新型钻井液体系，它以聚合物为主体，配以降黏剂、降滤失剂、防塌剂和润滑剂等多种化学处理剂所组成的钻井液。包括阳离子聚合物钻井液、两性离子聚合物钻井液、全阳离子聚合物钻井液、深井聚合物钻井液和正电胶钻井液等。

（4）气体与泡沫钻井流体。20世纪80年代以后发展起来的气体型钻井流体是以空气或天然气作为钻井循环流体的钻井液；而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。

钻井液在钻井作业和保护油气层中起到的作用和各方面对钻井液的严格要求，促使钻井液技术取得了迅速的发展。经过多年的科研开发和生产实践，钻井液已从仅满足钻头钻进发展到适应各方面需求的钻井液系列。例如为快速钻井服务的低黏度、低摩擦、低固相的聚合物钻井液，防卡钻井液，针对岩石特点的防塌钻井液，钻盐岩层的饱和盐水钻井液，保护油气层的低密度水包油钻井液，防堵塞油气通道的油基钻井液和开发低压油气田的泡沫钻井液等，形成了较为完整的钻井液体系。

钻井液的发展趋势

钻井液技术作为钻进复杂地层的关键技术之一，在大量的资金支持和钻井作业难题的推动下，在短短的几年时间里取得了较大的发展，取得了一系列成果。

（1）高性能水基钻井液体系。BHDF公司研制了适用于北美马拉开波湖区的新型高性能水基钻井液体系（HPWBM）。HPWBM通过减少钻头泥包来提高钻进速度，同时可以减小钻具的扭矩和摩阻，转移钻头重量。与传统的钻井液相比，更能增强井筒的稳定性，减少漏失。此外，体系由低盐分物质组成，这减少了废物处理的难度和费用，满足了环境的要求。与传统的钻井液相比，HPWBM钻井液体系能更好地抑制黏土和钻屑分散，减少钻头泥包。目前，HPWBM体系已在墨西哥湾、美国、巴西、澳大利亚及沙特得到了应用。

（2）抗高温钻井液体系。新型环保抗高温水基钻井液是 M-I钻井液公司研制成的一种耐高温（232℃）高压水基钻井液。该钻井液体系使用一种不含铬、对环境无害的新型合成基聚合物，且体系简单，只需要两种聚合物、 pH控制剂、加重材料和少量用于控制滤饼质量的黏土。这种新型合成基聚合物是一种新型交联聚合物，用丙烯酰胺、一种磺酸盐单体和一种交联单体配制的新的交联共聚物。交联聚合物的独特结构使其在空间上受到限制，从而增大了其内在水解稳定性。同时，交联使其对固体不太敏感，抗剪切能力强，从而改进了水基钻井液的流动特性和降滤失特性。

（3）流变性恒定的合成基钻井液。合成基钻井液CR-SBM体系，在深水作业时具有“恒定的流变性”，从而减小激动压力和当量循环密度，降低频繁发生的井漏事故，克服了使用传统钻井液时产生的与压力有关的问题。通过实验测试，CR-SBM主要特点是凝胶强度、屈服值在6/3(r/min)时都不会明显受到温度和压力的影响。现场实践表明，CR-SBM具有稳定的流变性，尤其是与聚晶金刚石复合片钻头配合时，能避免深水环境下温度和压力的影响，从而提高了机械钻速，保证了井眼的稳定性，减少了井下钻井液漏失，明显地提高了钻井作业效率。

（4）流变性可控的聚合物钻井液体系。控制钻井液流变性的传统方法是使用生物聚合物和高分子电解质（低剪切稀释性和高塑性）。这里所说的新方法，是指所选的聚合物和加重剂都是用来生成和控制高剪切稀释性和热稳定流变性的。改良的丙烯酸类聚合物、乙烯基磺酸盐共聚物与非离子聚合物之间表现出良好的协同作用。而非离子型聚合物聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）能产生需要的流变性和稳定性。对加重剂的要求是细粒径和高表面电荷浓度。新配方中采用了可以替换的重晶石和四氧化锰加重剂，通过实验证明，四氧化锰的加重效果优于重晶石。该水基钻井液配方已经用在温度高于180℃的油气田开采过程中。钻井液体系通过加重剂和聚合物的协同作用保持了稳定可控的流变性，同时还具有良好的抑制性和润滑性。

（5）成膜水基钻井液体系。我国石油工程技术人员将有机胺天然纤维聚合物CMJ-2和降失水剂XNJ-1复配形成复合膜。CMJ-2 侧链羟基、胺基对黏土矿物既有吸附作用，又能与黏土颗粒形成氢键，加之分子链的非离子特性，容易在滤饼上形成一层保护膜。而XNJ-1 是一种惰性的变形软粒子，具有很好的封堵能力，能堵塞、填补泥饼上CMJ-2 膜结构中的孔隙部位，与CMJ-2 产生协同效应，组成了薄而致密、韧性好的复合膜结构，从而有效地阻止了滤液及钻井液(包括固相) 向地层渗透，达到稳定井壁，保护储层的目的。成膜(隔离膜) 水基钻井液体系具有很强的抗温(180℃)、抗盐(20%NaCl)、抗钻屑污染能力，在低密度和高密度条件下均具有良好的封堵能力。

大有可为的添加材料

（1）石墨粉、碳酸钙和磺化沥青的混合物堵漏材料。在开采枯竭、裂缝性储层和易受深层钻井液固相侵害的油藏时，钻井液必须快速形成泥饼，且滤液对地层的损害要尽量小。为此研制了石墨粉、碳酸钙和磺化沥青的混合物堵漏材料，其特点为：石墨、碳酸钙和磺化沥青的混合物堵漏材料能显著减少滤液漏失，并明显减少孔隙压力传输；如果过平衡压力减小，石墨将很容易从孔喉和裂缝中回流出来；石墨的浓度对钻井液滤失量有很大的影响，浓度越大，滤失量越小；磺化沥青的存在是为了使油藏的渗透率恢复值达到最大；渗透率测试的结果和经验可以很容易应用到现场，可重复性强。

（2）易熔颗粒降滤失材料包括熔融粒子、加重剂、降滤失剂和抑制剂。它的熔融性取决于脱水率，而脱水率则随着岩石的性质和裂缝的几何形状发生变化。易熔颗粒降滤失材料在裂缝中分别向轴向和径向两个方向脱水，从而隔离了裂缝，增加近井筒的环向应力。在裂缝产生或扩大时能产生最好的降滤失效果。实验室数据表明，易熔颗粒降滤失材料可以同时通过小钻头喷嘴进入各种不同几何构型的裂缝，在模拟井下温度的条件下仍可长时间稳定不会产生凝胶。易熔颗粒降滤失材料也可与改性的纤维材料一起使用，达到更好的降滤失效果。

（3）超低渗透添加剂。通过改变聚合物与固体颗粒的表面性质，使不同的组分在不同的钻井液体系（油基和水基）中有不同的溶解度和润湿性，再按一定的比例混合这些组分即可得到超低渗透添加剂。如果将超低渗透添加剂加入水基钻井液中，亲油物质被润湿或溶解；如果加到油基钻井液中则更多的亲油物质被溶解，并形成聚合体附在渗透性岩石表面，形成超低渗透的屏障，从而进一步避免流体入侵和压力传递。通常情况下，如果不形成这种聚合体，那么在岩石表面将发生持续的漏失。这种添加剂不仅可以用在水基、油基、合成基的钻井液中，同时可以添加在完井液、修井液中。根据超低渗透添加剂作用原理和现场实例证明，可以将超低渗透钻井液广泛用于裂缝性和层状易断泥页岩地层的开采。

（4）微凝胶聚合物降滤失剂。一种具有独特微凝胶结构的聚合物，通过优化聚合物形态、溶解度以及交联密度，达到最佳聚合物形态和溶解性，提高降滤失性能。地层损害主要发生在过滤期间的固体入侵，通过对多孔介质渗透率产生不利影响，从而损害储层。钻井液的滤失性以及产生的滤饼属性可直接影响井壁稳定性，发生不同程度的卡钻事故。独特的微凝胶聚合物颗粒通过吸收基液，体积略微膨胀并堆叠起来，膨胀的聚合物在剪切力下变形，从而更有效地与其他细小固体颗粒重叠在一起形成一个薄而高效的滤饼，减少了滤饼在静态和动态下的渗透性。此外，这种微凝胶颗粒的变形能力使它们比普通添加剂更容易从地层中回流出来，从而减少对储层的伤害。甚至在极端的钻井环境下仍具有低剪切黏度，有助于提高钻井液体系的流变性。

（5）生物可降解的表面活性添加剂。随着环境法规的限制，用作黏土添加剂的传统的季铵盐由于对环境污染较大，因此被禁止使用。通过实验测试，虽然许多化合物都可以用作黏土添加剂，但只有少数生物可降解的季铵盐满足环境要求。这类季铵盐与传统的季铵盐特性相似，但这种季铵盐表面活性剂具有酰胺键，可以作用于黏土表面与钻井液形成络合物，从而提高黏度和悬浮性。

目前，石油工业界还研发了泥页岩抑制剂、高温保护剂、泥饼清除技术等新产品和技术，大大地推动了钻井液的发展，进而促进了石油工业的发展。