钻井液配方及作用
一、钻井液主要成分
1.1 基础液体
基础液体是钻井液的主要成分之一，通常包括水、油、乳液、乙二醇等。基础液体的选择取决于钻井的地质条件、作业环境和钻井液的目的，如控制井筒压力、润滑和冷却钻头、保持井壁稳定等。
1.2 增稠剂
增稠剂用于增加钻井液的粘度和密度，通常包括黏土和淀粉等。黏土一般用于制备泥浆，淀粉则主要用于制备淀粉浆。增稠剂的种类和用量的选择取决于钻井的地质条件、井深和孔径等因素。
1.3 粘度剂
粘度剂用于改善钻井液的流动性和润滑性，通常包括木糖醇、聚合物和蜡等。这些物质可以使钻井液具有一定的黏度和润滑性，减少钻头和井壁之间的摩擦，延长钻头寿命，同时也能防止井壁坍塌。
图.1 钻井液增粘剂
1.4 防腐剂
防腐剂用于防止钻井液受到微生物和其他污染物的侵害，通常包括甲醛、甲酸等。这些物质可以杀死微生物和其他有害生物，保持钻井液的清洁和稳定性。
1.5 PH调节剂
PH调节剂用于调节钻井液的酸碱度，通常包括氧化钙、氢氧化钠等。这些物质可以调节钻井液的酸碱度，防止井筒中的岩石溶解或腐蚀，同时也可以保护钻头的表面。
1.6 杀菌剂
杀菌剂用于杀灭钻井液中的微生物，通常包括过氧化钙、次氯酸钠等。这些物质可以有效地杀死细菌和其他有害生物，保持钻井液的清洁和稳定性。
1.7 悬浮剂
悬浮剂用于保持钻井液中固体颗粒的分散状态，通常包括硅胶、白云石等。这些物质可以使钻井液中的固体颗粒保持分散状态，防止它们沉淀和凝聚，保持钻井液的稳定性和流动性。
图.2 钻井液悬浮剂
二、钻井液调配比例
2.1 密度为1.06~1.44g/cm3分散钻井液配方
由淡水、配浆膨润土和各种对粘土、钻屑起分散作用的处理剂(简称分散剂)配制成的水基钻井液称为分散钻井液。是油气钻井中最早使用并且使用时间相当长的一类水基钻井液。随着钻井液工艺技术的不断发展，分散钻井液的使用范围已不如过去广泛，但是配制方法简便、处理剂用量较少，成本较低，适于配制密度较大的钻井液，特别是在钻开表层时普遍使用。
分散钻井液的配方通常包含以下成分：
水：作为钻井液的主要成分，用于调节钻井液的密度和黏度。
膨润土：作为钻井液的固相成分，可以增加钻井液的黏度和控制滤失量。
铁铬木质素磷酸盐：降低动切力和静切力，控制滤失量。
褐煤（或配置成褐煤碱液）：降低动切力和静切力，控制滤失量。
多聚合物：降低动切力和静切力。
CMC：滤失量控制，提粘。
聚阴离子纤维素：滤失量控制，提粘。
烧碱：用于调节钻井液的酸碱度。
重晶石：增加密度。
图.3 水基钻井液
2.2 密度大于1.44g/cm3分散钻井液配方
水：作为钻井液的主要成分，用于调节钻井液的密度和黏度。
膨润土：作为钻井液的固相成分，可以增加钻井液的黏度和控制滤失量。
铁铬木质素磷酸盐：降低动切力和静切力，控制滤失量。
褐煤（或配置成褐煤碱液）：降低动切力和静切力，控制滤失量。
烧碱：用于调节钻井液的酸碱度。
磷化褐煤和树脂类处理剂：控制HTHP滤失量并作为稳定剂。
重晶石或氧化铁粉：增加密度。
2.3 钙处理钻井液配方
钙处理钻井液有较好抗盐、钙污染能力和对泥页岩水化有较强抑制作用的一类钻井液。
钙处理钻井液体系主要由含Ca2+的无机絮凝剂、降粘剂和降滤失剂组成。钙处理钻井液体系中的粘土颗粒处于适度絮凝的粗分散状态，称为粗分散钻井液。
目前常用的无机絮凝剂主要有三种:石灰、石膏和氯化钙，即石灰钻井液，石膏钻井液与新型的钾石灰钻井液。钙处理钻井液是以Ca2+提供抑制性化学环境，使钻井液中的钠土转变为钙土，使粘土颗粒由高度分散转变为适度絮凝。钙处理钻井液具有防塌、抗污染和在含有较多Ca2+时使性能保持稳定的特点。
2.4盐水钻井液的定义和分类
NaCl含量超过1%(质量分数，C1-含量约为6000mg/l)的钻井液称为盐水钻井液。一般分为三种类型：
(1)一般盐水钻井液
含盐量1%直至饱和之前。
(2)饱和盐水钻井液
含盐量达到饱和，常温浓度为3.15*106mg/l左右的钻井液。
(3)海水钻井液
用海水配制成的含盐钻井液。体系中含有约3*104mg/l的NaCl，还含有一定量的Ca2+和Mg2+。国外将盐水钻井液分为：含盐量1%-2%微咸钻井液、2%-4%海 水钻井液、4%与近饱和之间为非饱和盐水钻井液、含盐量达到最大值31.5%为饱和盐水钻井液。
2.5阴离子聚合物钻井液
主要处理剂：
① 聚丙烯酰胺
聚丙烯酰胺(简称PAM)的结构式为图.4，随聚丙烯酰胺相对分子质量的增大，絮凝能力、提粘效应、堵调和防塌效果提高。主要使用聚丙烯酰胺的衍生物。
② 部分水解聚丙烯酰胺
是由聚丙烯酰胺水溶液加碱水解制得。分子结构式为图.5，水解度是影响PHPA性能的重要参数。水解度增大，分子链伸展，在钻井液中桥联作用增强，对劣质土的絮凝作用增强。水解度过大，在粘土颗粒上的吸附作用减弱，加上羧酸根基团间的静电排斥作用增强，对劣质土的絮凝作用降低。现场控制滤失量和提粘堵漏用水解度为60%-70%的PHPA，絮凝用30%-40%的PHPA。
③ 水解聚丙烯腈(钠盐)
分子式为图.6，水解聚丙烯腈(钠盐)主要用做降滤失剂。水解度和聚合度是影响降滤失效果的主要因素。羧基含量在70%-80%时降滤失效果最好。水解聚丙烯腈(钠盐)有降滤失作用外，一般对淡水钻井液有增粘作用;对盐水钻井液有降粘作用。水解聚丙烯腈(钠盐)的抗钠盐能力较强，抗钙能力较弱。
④ 水解聚丙烯腈铵盐
水解聚丙烯腈铵盐(简称NPAN或NH4-HPAN ) NPAN，结构式为图.7，水解聚丙烯腈铵盐是一种抗高温降滤失剂。可提供NH4+，抑制粘土分散的能力强，是一种较好的防塌剂。使用浓度一般为0.3%~0.4%。
2.6阳离子聚合物钻井液
阳离子聚合物分子带有大量正电荷，在粘土或岩石上的吸附除取氢键外，主要的是靠静电作用、比阴离子聚合物的吸附力更强。阳离子聚合物能中和粘土或岩石表面的负电荷，絮凝能力和抑制岩石分散能力也比阴离子聚合物强。阳离子聚合物钻井液具有优良的流变性、抑制性、稳定井壁能力、携带钻屑能力和防卡、防泥包等性能。
小阳离子的主要作用是抑制钻屑分散，大阳离子的主要作用是絮凝钻屑。小阳离子在钻屑上的吸附速度一般比大阳离子快。在钻进过程中、小阳离子首先吸附在新产生的钻屑上抑制分散，大阳离子再吸附在钻屑上靠桥联作用形成絮凝体，利用固控设备清除钻屑絮凝体。对负电性很强的有用固相膨润土颗粒，吸附的小阳离子比较多，削弱了大阳离子的吸附，大阳离子对膨润土的絮凝作用相对较弱，钻井液中保持适量的有用固相。大、小阳离子的协同配合产生了一定的“选择性”絮凝作用。
三、钻井液作用
3.1 维持井壁稳定
钻井液通过控制井筒内的压力和稳定井壁，保护井筒不受塌陷和倒塌的影响。当钻井液注入井筒时，它会产生一定的压力，从而支撑起井壁，防止井壁因为受力而坍塌。同时，钻井液中的固体颗粒也可以填充井壁裂缝，保持井壁的稳定性。
3.2 冷却和润滑
钻井液在钻井过程中可以冷却和润滑钻头，减少摩擦，延长钻头寿命。当钻头钻进岩石时，会产生高温和摩擦力，钻井液可以通过冷却和润滑来减少钻头受损和磨损，延长钻头寿命。
3.3 清洁井筒
钻井液可以将钻头和井壁上的岩屑清除，保持井筒的清洁。在钻井过程中，钻头会将岩屑带到井筒内部，钻井液可以将这些岩屑带到井口，保持井筒的清洁，防止岩屑阻塞井筒和影响钻井效率。
3.4 控制井筒压力
钻井液可以控制井筒内的压力，防止气体和油藏中的液体向井筒内渗透，保证钻井安全。在钻井过程中，如果不及时控制井筒内的压力，可能会导致井筒内涌入大量的气体和液体，影响钻井效率，甚至危及钻井安全。
3.5 支撑钻柱
钻井液可以支撑钻柱，防止钻柱下降或断裂。在钻井过程中，钻柱需要不断地向下推进，如果没有足够的支撑，钻柱可能会下降或断裂，导致钻井事故的发生。钻井液可以通过增加密度和黏度来支撑钻柱，保证钻柱的稳定性和安全性。
3.6 传递信息
钻井液可以传递信息，如井壁岩石的性质、油藏的含量等，帮助钻井工人进行钻井决策。通过对钻井液中固体和液体成分的分析，可以了解井壁的岩石组成、裂隙情况和含油气层的性质，为钻井工人提供钻井决策的参考依据。
3.7 防止污染
钻井液可以防止井筒受到污染，保护地下水资源。在钻井过程中，如果没有采取适当的措施，可能会导致井筒受到污染，从而对地下水资源造成影响。钻井液可以通过杀菌剂、防腐剂等物质来保持清洁和稳定性，防止其对地下水资源造成污染。
