深部地质钻探钻井液体系设计因素及其分析

张政

摘要：社会的进步进一步推动了地质钻探行业的发展，深部地质由于勘探工作难度大、施工周期长、孔内事故频繁等问题，极大地阻碍了地质钻探的行业的发展。

为推动深度地质钻探工程的发展，本文基于深部地质钻井液设计现状，针对地层条件、施工条件、钻井液类型等影响钻井液设计的因素展开分析，对不同地层钻研要求提出了钻井液设计要点，以期为相关人员提供参考。

关键词：深部地质；钻井液；设计因素

引言：钻井液主要由水、重晶石、膨润土、油等基础材料和化学处理剂组成。化学处理剂具有稳定和改善钻井液的作用，在深度地质钻探钻井液体系设计过程中具有重要作用。与普通地质钻探不同的是，深部地质钻探施工难度更大，所需要的技术含量也越高，钻井液作为影响深部地质钻探效率的重要因素，对于促进钻研工程的发展具有重要作用。

一、深部地质钻探钻井液体系设计现状

在复杂地质结构的钻探中钻井液体系设计极为重要，与普通地质钻探相比，深部地质条件钻探会受到地质结构、钻井液等多种因素的因素，目前，深部地质钻探钻井液设计主要存在以下问题：

第一，缺少丰富的施工经验，部分施工单位深部地质结构了解较少，无法掌握深部地质钻井液设计要点。第二，施工成本较高，在深部地质钻探过程中施工人员除了需要开展钻探作业外，还需要对钻孔采取防塌、防漏等防护措施，而这也进一步增加了深部地质钻探成本。第三，深部地质钻探效率低，在深部复杂地质钻探过程中极易出现钻具堵塞的问题，而且孔壁稳定性较差，极易出现孔内事故，极大的影响了钻探效率。第四，转探孔弯曲控制问题，在深部地质钻探过程中，钻头遇到复杂地质结构极易出现钻孔弯曲的情况，并且钻孔越深，弯曲程度越严重^[1]。

二、深部地质钻探钻井液体系设计因素

（一）地质条件

在设计钻井液体系过程中，工作人员首先需要掌握和了解钻探地质条件，如地层应力、地质年代、地层特性、地层完整度、地层温度等。地质条件作为影响钻井液体系设计的主要影响因素，了解和掌握地质条件极为重要。

地层完整度：针对完整度较好的地层，在钻井液体系设计过程中主要考虑钻井液的润滑性能和流变性能；针对破碎、松散的地层，钻井液体系设计时需要考虑钻井液的密度，保证其能够对钻孔起到支撑作用。需要注意的是，该类地层不得使用负压钻井方式，并且钻井液切力粘稠度不能太低，在提钻过程中速度不能过快，避免造成孔壁坍塌。

地层温度：在温度较高的地层中开展钻进作业时，钻井液需要具备一定的耐温性能；在温度较冷的地层中开展钻进作业时，需要采取保温措施或者利用耐寒泥浆。

地质年代：针对年代久远的地层，如泥页岩地层，可以使用具有水敏特性的钻井液；石膏地层可以采用含有结晶水的钻井液。

地层特征：含有光卤石、天然碱、钾盐、芒硝、岩盐、石膏等盐膏地层，在钻探过程中容易产生泥浆，甚至会造成孔壁坍塌的情况，因此在设计钻进液过程中需要采用抑制地层中膏、盐类物质溶解的钻井液，如盐水泥浆、抗污染泥浆、复合盐水泥浆等；高渗透性地层钻探过程中会形成较高的泥层，因此极易造成卡钻，在设计钻进液过程中需要考虑润滑性能^[2]。

（二）钻井液类型

在深部地质钻探钻井液体系设计过程中，需要根据地质、施工条件等因素综合考虑钻井液类型。

（1）清水钻井液。清水钻井液主要用于无水敏、稳定性和完整性良好的地层中。当钻探深度到达第三、第四系时，地层中主要为粘土，利用清水作为钻井液时，可以使清水与粘土混合制成自然泥浆。

（2）粗分散钻井液。粗分散钻井液主要是在泥浆中将入K、Na、Ca等无机盐絮凝剂，从而使泥浆中的颗粒变粗，此外，加入有机处理剂和包被剂即可制备粗分散钻井液。该钻井液主要应用于泥岩层地质钻探中，可以利用过量的K+、Na+、Ca2+等抑制地层水化膨胀和分散，从而达到防治孔洞坍塌和缩径的问题。钾石灰钻井液、石膏钻井液、氯化钾钻井液、盐水钻井液等都属于粗分散钻井液，其应用于厚岩盐层、泥页岩层、石膏层等可溶性盐复杂地层中，能够有效防止岩层中相同离子物质之间的溶解^[3]。

（3）无固相钻井液。该钻井液通常也被称为无粘土钻井液，具体是指只在清水中添加处理剂，而不添加粘土的一种钻井液。其中处理剂主要包括：高聚物溶液，如聚丙烯酰胺溶液，该处理剂具有良好的絮凝性和稀释性，可以对地层中的岩屑进行沉降；植物胶，如田菁、魔芋等聚合物，其具有提切、增粘等特性，并且对孔壁造成的冲刷力较小，该钻井液在松散地质中有着广泛的应用，属于环保型钻井液；水玻璃，该钻井液具有较强的抑制性，并且随着浓度的生态其粘度也会提高，在胶结型较差的深部地层中应用十分广泛；润滑液，该类钻井液主要是在泥浆或清水中加入润滑剂或表面活性剂，在深部地质钻探过程中其会在钻具和孔壁之间形成油膜，有利于降低摩擦阻力，对于加快钻进速度具有重要作用

^[4]。

（三）施工条件

施工设备、钻探方法、井身结构等都是影响钻井液体系设计的重要因素，如孔径大小，孔径大的钻孔泥浆流速越慢，并且对切力、动塑比、粘度等要求也越高；孔深，钻孔越深对于泥浆的摩擦力要求也越高。另外，在全面钻进过程中，钻井液设计需要考虑钻井液的携岩能力。

结论：综合所述，钻井液的性能和类型会直接影响深部地质钻探的效率和成本，因此掌握和了解钻井液体系设计因素对促进钻探工程的发展具有重要作用。尤其是超深井、深井等复杂地质钻探过程中，需要合理把控钻井液设计因素，掌握设计要点，从而达到安全钻进的目的。本文从地质条件、施工条件、钻井液类型等角度分析了钻井液设计要素，并针对不同的地层提出了相应的钻井液设计方法。

参考文献：

[1]欧阳志强, 贺建波, 石卫民,等. 5000米智能地质钻探配套泥浆泵的方案设计[J]. 探矿工程：岩土钻掘工程, 2020, 47(4):5.

[2]史正洪, 陈振国, 田乐,等. 富水软土工程地质特性分析与钻井液性能设计[J]. 建井技术, 2021, 42(5):3.

[3]柴喜元, 李明星, 欧阳志强,等. 地质钻探往复式泥浆泵型式试验方法及现状探讨[J]. 地质装备, 2019, 20(6):6.

[4]邱正松, 赵冲, 张现斌,等. 超高温高密度油基钻井液研究与性能评价[J]. 钻井液与完井液, 2021, 38(6):8.