钻井液

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。

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

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。

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。

* 僅限於：
  * 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 到地表的傳遞信息

### 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（[//web.archive.org/web/20131226035948/http://www.vanityfair.com/politics/features/2007/05/texaco200705?currentPage=5 頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 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泄。

## 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。

 

## 參見

* 定向鑽探
* 石油鑽機
* 鑽機
* 油層評估
* 鑽井中測井
* 鑽工
* 負壓油井
* 油氣分離
* 泥漿系統
* 油井控制

## 參考

## 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_

## 外部連結

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