鑽井液

鑽工將防沫劑透過鑽機的鑽桿倒入

在岩土工程中，鑽井液用於協助地面鑽孔的鑽探，一般用於開採鑽機對石油和天然氣井的鑽探中，鑽井液還用於簡單鑽孔，例如水井。液體鑽井液常被稱為鑽井泥漿。鑽井液的三大類分別是水基泥漿 (可分為打散和未打散)、非水泥漿（一般稱為油基泥漿）和氣體鑽井液，其中可用多種氣體。

鑽井液的主要功能是提供液體靜壓力，防止地層流體進入井道，保持鑽頭冷卻、清潔，回收岩屑和當鑽探暫停的時候或鑽具套裝進出鑽孔的時候懸浮岩屑，鑽井液的特殊作用是防止油層損害並阻止腐蝕。

鑽井液的分類

有很多鑽井日常使用的鑽井液，一些油井的不同鑽孔需要不同鑽井液，或者相互組合。不同的鑽井液一般可分為幾大類：

空氣：泵入壓縮空氣入環空或入鑽桿。
氣 / 水：同上，加入水增加粘度，沖洗鑽孔，進行冷卻和 / 或控制粉塵。
空氣 / 聚合物：特殊化學品一般為聚合物，加入空氣和水組成混合物，進行特定操作。例如，起泡劑就是一種聚合物。
水：有時水可單獨使用。
水基泥漿 (WBM): 很多水基泥漿先備好水，然後加入粘土和其他化學品，進行同質組合，顏色類似於巧克力奶 (視粘度而定)。粘土 (其岩石形態學名為 "頁岩") 一般為不同天然粘土的混合物的懸濁液，或者一些粘土加入固體新增劑構成 WBM，最常見的新增劑如皂土，在石油開採中稱為 "膠"。泵入加膠的鑽井液後，鑽井液稀釋自由流動 (像巧克力奶)，當停止泵入後，靜態液體可生成阻止流動的膠層。加入適當的泵入力後可打破膠層，很多其他化學品 (如甲酸鉀) 加入 WBM 後，有不同效果，包括控制粘度、控制泥漿穩定性、增加鑽頭穿透力，冷卻和潤滑。
油基泥漿 (OBM): 油基泥漿的配置基礎是石油產品，如柴油。油基泥漿的用途很多，可增加潤滑度、增加頁岩抑制力、以更小的粘性增加清潔力。油基泥漿可承受較高溫度。使用油基泥漿一般考慮成本、環境影響（如回收岩屑，避免汙染環境），在一些油井，如初探井使用油基泥漿是因為無法根據岩心分析出油情況。因為油基泥漿的熒光與油層的熒光會混淆。因為這種汙染，會導致用於 TOC 化學分析和確定實際 API 重力值的樣品、岩心、井壁岩心、回收的汙染。
合成基鑽井液 (SBM) (也稱為低毒油基泥漿，英文簡寫：LTOBM): 合成基鑽井液是用合成油作為調配基的鑽井液，一般用於海上鑽探，因為作為油基泥漿，其液體燃燒的毒性比油基泥漿更小。當工人在封閉環境作業時候顯得尤為重要。使用岩石樣品時也會出現同樣的環境和岩心汙染問題。

在鑽機上，泥漿從泥漿池透過鑽桿泵入，從鑽頭的噴嘴噴出，可以清洗和冷卻鑽頭。鑽井液然後攜帶著鑽頭切割的岩石碎屑 ("岩屑") 透過鑽桿和井壁之間的環形空間 ("環空") 回到地表。岩屑透過振動篩或者新的頁岩輸送機技術進行分離，泥漿回到泥漿池中。泥漿讓鑽頭保持良好狀態，在泥漿池中可以透過新增化學品和藥劑調配泥漿。

返回的泥漿中可能含有天然氣或其他可燃物質，在振動篩或頁岩輸送機附近收集。因為可能點燃導致火災，需要特殊的監控裝置防爆器進行監控，工人採取安全措施。泥漿然後泵回鑽孔中，進行重新迴圈。在泥漿池中需要定期調配鑽井液，保證最優屬性，提高鑽井效率、鑽孔穩定（下述功能）等等。

功能

鑽井泥漿 的功能總結如下：

2.1 移除岩屑

鑽井液將岩屑帶回地表，需要考慮切割尺寸、形狀、密度、速度、液體流速（環空流速）。這都會影響攜帶沉積物的能力，大型砂礫在緩慢流動中會沉澱，小型砂礫在快速流動中會隨水流走，泥漿粘度是一個重要屬性，如果粘度太低岩屑就會沉澱到井底。

2.2 懸浮和釋放岩屑

必須在多種情況下可懸浮岩屑、材料和新增物。
鑽機停頓可導致卡鑽、井漏。
停頓的重材料稱為 sag，導致鑽井液密度大幅變化，常發生在大角度和熱井中。
鑽井固體富集會損害：
鑽井效率 (增加泥漿重量和粘度，從而增加修井和稀釋成本)
鑽進速度 (ROP) (增加迴圈所用功率)
進行懸浮的泥漿屬性必須透過固控裝置，與去除岩屑的屬性進行平衡
為了有效進行固體控制，鑽井固體必須在第一次迴圈中從泥漿中去除，如果進入了重新迴圈，碎成更小塊的岩屑會更難去除
比較流動中和泥漿池中泥漿中的沙土含量，確定岩屑是否已去除

2.3 控制油層壓力

如果油層壓力增加，油層密度必須增加，一般用重晶石 (或其他加重材料) 以平衡壓力，保持井內穩定。不穩定的油層壓力會導致壓力意外外溢，可能導致壓力油層的井噴
液體靜壓力 = 鑽井液密度 真實垂直深度 重力加速度，如果液體靜壓力大於等於油層壓力，釉層液體會流入井道
井控是指釉層液體流入井道
液體靜壓力也控制地質構造力的壓力，地質構造力也會導致，在油層壓力穩定的時候，井道壓力不穩定
如果油層壓力不穩定，可以使用空氣、天然氣、粉塵、泡沫、低濃度泥漿（油基泥漿）
實際中，泥漿密度應限於井控和井道穩定所需的最小壓力，如果太多會壓裂油層

2.4 密封油層

泥漿柱壓力必須超過油層壓力，在這種條件下，泥漿濾液會侵入油層，井壁上會形成泥漿濾餅
泥漿可以形成稀薄、低穿透性的濾餅，限制侵入
如果形成稀薄的濾餅會有問題：孔內壓力過大、錄井條件不好、卡鑽、井漏、損害油層
在大口徑鑽桿的高穿透油層，根據泥漿固體尺寸，整個泥漿可能侵入油層
要使用橋堵劑堵住大的空隙，讓泥漿固體形成密封
更加有效的是，用橋堵劑比較蓋過孔隙、孔裂的一半尺寸
橋堵劑 (如碳酸鈣、基礎纖維素).

根據使用的泥漿，不同新增劑可提高濾餅 (如皂土，天然和合成聚合物，瀝青和黑瀝青)

2.5 保持井內穩定

泥漿的屬性和化學組成必須混合，提供井內更好的穩定性。泥漿重量必須在機械力的適當範圍內
井內不穩定 = 坍塌油層，可能導致井陘緊、橋堵 (井內清洗有問題)
井內穩定 = 鑽孔保持大小和圓柱形狀不變
如果井陘增加，會更加脆弱，會造成如環空速度降低、洗井困難、固體體積和油層評估困難
在沙土和砂石層，孔徑增加可以透過機械動作完成 (水力和噴頭速度)。透過保持水力系統降低油層損害。高質量的濾餅包含皂土，可以限制井陘增加。
在頁岩中，泥漿重量一般足夠平衡油層壓力，井一般穩定。用水基泥漿，化學品的不同可能導致泥漿和頁岩的互動，導致天然岩石的鬆動。高度破碎、乾燥、脆弱的頁岩可能非常不穩定 (導致機械問題)。
不同的化學抑制劑可以控制泥漿 / 頁岩互動 (鈣、鉀、鹽、聚合物、瀝青、乙二醇和石油 —— 最好用於水敏感油層)
石油 (或合成油) 基鑽井液用於大部分難鑽探區的水敏感頁岩
為了增加抑制效果，乳化鹽 (氯化鈣) 鑽井液可用於減少水活動，創造滲透力，防止水被頁岩吸收

2.6 減少地層損害

自然油層的多孔性和滲透性 (washout) 的損害和減少都可稱為油層損害
一般損害
泥漿或鑽井固體侵入油層，減少多孔性，導致皮損
油層中粘土膨脹，減少滲透性
不同泥漿濾液混合導致固體沉澱，油層液體中不可溶性鹽的沉澱
泥漿濾液和油層液體構成乳濁液，減少油層多孔性
特別設計的鑽井、修井或完井液，減少油層損害

2.7 冷卻、潤滑和支撐鑽頭、鑽井鑽具

當鑽桿旋轉時，機械力和水力在鑽頭上產生熱，與套管和井壁摩擦
從源頭冷卻和轉移熱量，降低溫度
否則鑽頭、鑽桿和井下動力鑽具可能迅速失效
根據摩擦係數進行潤滑，油基和合成油基一般比水基潤滑效果好（但後者可新增潤滑劑改善）
鑽井液提供的潤滑程度取決於鑽井固體的型別、數量和重量物質 + 化學組成
潤滑較差導致高摩阻扭矩，鑽桿熱裂、往往由鍵槽、洗井不佳、井下鑽具設計問題導致
鑽井液透過浮力支撐鑽桿、套管，透過與泥漿重量（密度）相等的懸浮在鑽井液上，減少井架的起吊載荷
井架能支撐的重量受到機械力、鑽桿和套管的深度增加限制
使用長、重鑽桿和套管時，浮力可以帶動重量超過鑽機起吊載荷的鑽桿

2.8 將水力轉給工具與鑽頭

水能給井下動力鑽具提供能量，讓鑽頭旋轉，進行 MWD (鑽井中測量) 和 LWD (鑽井中錄井)。

以鑽頭噴嘴尺寸為基礎，水力設計可用於泥漿泵功率，最佳化井底衝擊力。

僅限於：
泵功率
鑽桿內壓力損失
最大表面壓力
最佳流量
鑽桿壓力損失超過液體密度、塑性粘度和固體
低固剪下稀化鑽井液，如聚合物在傳遞水力上更有效
可透過控制泥漿屬性增加深度
透過壓力脈衝，得到 MWD & LWD 到地表的傳遞資訊

2.9 保證測井正確

泥漿的化學和物理屬性和井內條件，進行鑽後油層評估
透過檢查礦層岩屑、油氣表徵、記錄岩石泥漿記錄、天然氣探測、地理引數等進行錄井
電纜測井 – 電氣、聲波、核能、磁性和回聲
孤立產區、油層測試和鑽桿測試
泥漿防止岩屑分散，提高岩屑運輸，用於錄井，確定岩屑深度
油基泥漿、潤滑劑、瀝青可掩蓋油氣表徵
選擇調配基泥漿用於岩心鑽探 (很多岩心操作需要最少數量的新增劑的混合泥漿).

2.10 防腐蝕 (有一定效果)

鑽桿和套管不斷與鑽井液接觸可能導致腐蝕.

溶解氣體 (氧氣、二氧化碳、硫化氫) 導致嚴重腐蝕
導致災難性故障
可以在短時間內導致人員傷亡
低 pH 腐蝕，使用腐蝕取樣對腐蝕型別、腐蝕率進行檢測，使用正確的抑制劑
泥漿通氣、起泡等 O2 可在短時間內導致腐蝕
在高 H2S 環境中，增加 pH + 硫汙染化學品 (鋅).

2.11 加速固井和完井

關鍵地區的固井和完井
在下套管過程中，泥漿保持流動，減少壓力波動，不會發生井漏
泥漿應該稀薄、濾餅狀、無岩屑、坍塌和橋堵
為了正確完井和固井，泥漿應用水泥替代

增加效率：
需要測量的鑽孔
低粘度泥漿
無漸進膠強度的泥漿

2.12 減少環境影響

泥漿在很多時候有毒。從環境角度處理非常困難、昂貴。

一篇 Vanity Fair 的文章介紹了 Lago Agrio 油田（厄瓜多大型油田）的方法

鑽井液構成

水基鑽井液一般由皂土 粘土 (膠) 和新增劑構成

硫酸鋇 (重晶石), 碳酸鈣 (石灰) 或赤鐵礦。使用不同的粘稠劑改變液體的粘度，如黃原膠、瓜爾豆膠、乙二醇、羧甲基纖維素、聚陰離子纖維素 (PAC)、澱粉等。. In turn, 粘土懸浮劑、陰離子型聚電解質用於減少粘土基泥漿的粘性 (如丙烯酸鹽、三聚氰胺聚磷酸鹽、木質素磺酸鹽 (Lig) 或單寧酸的衍生物，如常用 Quebracho 單寧)。紅土是 Quebracho 單寧基混合物的俗稱，是因為紅色單寧酸鹽呈紅色。後來，逐漸被木質素磺酸鹽所取代，其他物質可以新增不同的屬性 #功能。一些其他常用的新增劑包括潤滑劑、頁岩抑制劑、失水劑 (控制鑽井液從滲透油層流失)。增重劑如重晶石是為了增加鑽井液的整體密度，可以保持井底壓力，防止不必要或危險的油層液體外洩。

影響鑽井液屬性的因素

三個因素可能影響鑽井液的屬性

鑽井液粘度
鑽井液密度
泥漿 pH 值

鑽井液分類

根據流體、鹼性、擴散性和化學構成可以分為：

5.1 可擴散系統

淡水泥漿 – 低 pH 泥漿 (7.0–9.5)，包括探測液、皂土、天然磷酸鹽泥漿、有機泥漿和有機膠質泥漿，高 pH 泥漿如鹼性單寧酸鹽泥漿，pH 超過 9.5
水基鑽井液抑制粘土的水合作用和擴散 – 有四種：高 pH 石灰泥漿、低 pH 石膏、海水泥漿和飽和鹽水泥漿

5.2 不擴散系統

低固體泥漿 –包括少於 3–6% 固體的泥漿，重量低於 9.5lbs/gal。很多這種泥漿都是水基的，有不同含量的皂土和聚合物。
乳化劑 – 兩種是油中有水 (油乳化泥漿)、水中有油 (反向油乳化泥漿).

油基泥漿 – 油基泥漿將油作為調配劑，水作為汙染物，通常包括體積少於 5% 的水。油基泥漿一般是柴油、瀝青的混合物，可能基於原油和泥漿。

閱讀更多

ASME Shale Shaker Committee (2005) The Drilling Fluids Processing Handbook ISBN 0-7506-7775-9
Kate Van Dyke (1998) Drilling Fluids, Mud Pumps, and Conditioning Equipment
G. V. Chilingarian & P. Vorabutr (1983) Drilling and Drilling Fluids
G. R. Gray, H. C. H. Darley, & W. F. Rogers (1980) The Composition and Properties of Oil Well Drilling

Fluids

DCS Shale Shaker SUPPLIER The Drilling Fluids cleaning system