鑽井液

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杆。
- 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添加劑構成WBM，最常見的添加劑如皂土，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，避免污染環境），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。因為油基泥漿的螢光與油層的螢光會混淆。因為這種污染，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、回收的污染。
- 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污染問題。

在鑽機上，泥漿從泥漿池通過鑽杆泵入，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")通過鑽杆和井壁之間的環形空間("環空")回到地表。岩屑通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，在泥漿池中可以通過添加化學品和藥劑調配泥漿。

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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，需要特殊的監控設備防爆器進行監控，工人採取安全措施。泥漿然後泵回鑽孔中，進行重新循環。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：

### 移除岩屑

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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。

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其他屬性包括：

- 很多鑽井泥漿有觸變性 (即在靜態條件下會變為膠質)。這個屬性可以讓岩屑在鑽井液不流動時懸浮。
- 具有剪切稀化和粘性增加的鑽井液可以有效洗井。
- 環空流動速度增加提高岩屑攜帶率，攜帶率(攜帶速度/最低環空速度)應為至少50%。
- 儘管環空速度低時，高密度鑽井液可洗井(增加應用於岩屑的浮力)。但是如果岩屑重量超過所需平衡周邊岩石壓力（地層壓力）的重量時會有負面效果，所以泥漿重量在洗井時一般不應增加。
- 鑽機旋轉速度增加會增加環空通道的循環速度，這種鑽機周圍的螺旋力會導致井壁周圍的岩屑，在洗井條件不好的情況下，移動到環空的更高段。增加轉速是大角度和水平井的最佳方法。

### 懸浮和釋放岩屑

- 必須在多種情況下可懸浮岩屑、材料和添加物。
- 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) (增加循環所用功率)
- 進行懸浮的泥漿屬性必須通過固控設備，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循環中從泥漿中去除，如果進入了重新循環，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

### 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

### 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
- 在大口徑鑽杆的高穿透油層，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，不同添加劑可提高濾餅(如皂土, 天然和合成聚合物, 瀝青和黑瀝青)

### 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，孔徑增加可以通過機械動作完成(水力和噴頭速度)。通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

### 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

### 冷卻、潤滑和支撐鑽頭、鑽井鑽具

- 當鑽杆旋轉時，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、鑽杆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（但後者可添加潤滑劑改善）
- 鑽井液提供的潤滑程度取決於鑽井固體的類型、數量和重量物質+化學組成
- 潤滑較差導致高摩阻扭矩，鑽杆熱裂、往往由鍵槽、洗井不佳、井下鑽具設計問題導致
- 鑽井液通過浮力支撐鑽杆、套管，通過與泥漿重量（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、鑽杆和套管的深度增加限制
- 使用長、重鑽杆和套管時，浮力可以帶動重量超過鑽機起吊載荷的鑽杆

### 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，優化井底衝擊力。

- 泵功率
- 鑽杆內壓力損失
- 最大表面壓力
- 最佳流量
- 鑽杆壓力損失超過液體密度、塑性粘度和固體
- 低固剪切稀化鑽井液，如聚合物在傳遞水力上更有效
- 可通過控制泥漿屬性增加深度
- 通過壓力脈衝，得到MWD & LWD到地表的傳遞資訊

### 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
- 通過檢查礦層岩屑、油氣表徵、記錄岩石泥漿記錄、天然氣探測、地理參數等進行錄井
- 電纜測井 – 電氣、聲波、核能、磁性和回聲
- 孤立產區、油層測試和鑽杆測試
- 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添加劑的混合泥漿).

### 防腐蝕(有一定效果)

- 鑽杆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類型、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 + 硫污染化學品(鋅).

### 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

### 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)和添加劑構成

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，其他物質可以添加不同的屬性#功能。一些其他常用的添加劑包括潤滑劑、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：

### 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

### 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9.5 lbs/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，水作為污染物，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