2.3　钻进液

2.3.1　概述

地热钻井中最重要的一环是使用好钻进液。对多数中低温地热钻井的钻进液，在理想的情况下，可以及时准确地探测地热流体情况，包括温度的变化和生产层的岩性。

钻进液的主要作用有：①冷却钻头；②清除钻进面上的岩屑，并把它带到地面；③防止井壁坍塌。除上述作用外，钻进液（通常为泥浆）还可起到下列作用：压住热储中的热流体并冷却它；减少流体向岩层流失；使岩层中流体流入井孔的量减到最少；对旋转部件起润滑作用，减少钻杆腐蚀；当钻进液不循环时可使岩屑悬浮；帮助收集和解释样品，进行井孔地球物理测井等。

钻一般地热井时，对泥浆有一定的要求：

① 能有效地携带岩屑，清洗井底；

② 有利于快速钻进；

③ 有保护井壁、防止井塌的作用；

④ 液柱压力能在较大范围内调节，使之与地层压力平衡；

⑤ 有一定的悬浮岩屑能力；

⑥ 具有抵抗可溶性盐类以及黏土侵污的能力；

⑦ 使电测井及其他井下作业能顺利进行；

⑧ 能使钻井总成本降低。

对钻高温地热井，泥浆的调制还有其他要求。

钻进液一般分为三类：水基的、空气基的和油基的。油基的钻进液一般用于石油钻井，不适用于地热钻井，因为油基钻进液可能会污染含水层。喷雾钻进液纳入空气基类分级，因为它的各种性质与空气类同。水作钻进液纳入泥浆分级，因为再循环的水中带有悬浮的岩屑和岩层中的小颗粒，可以把它看成为极稀的泥浆。泥浆是使用最普遍的钻进液，它可以较好地完成上述功能。不过，目前在地热钻井中也碰到不少问题。

钻进过程中，钻进液会从井孔穿过裂隙、缝隙或多孔岩层漏失。这种漏失可能是一部分也可能是全部，要看具体条件而定。通过返回地面的钻进液就可判知漏失的情况。钻进液的漏失将使它失去运送岩屑至地面的主要功能。岩屑不能从井孔中移走，必然要填塞钻头上部的钻杆，其后果将是卡住钻管，或损坏钻头及钻具，甚至使钻孔报废。

如果岩层有大的裂隙和缝隙，钻进液就可能携带岩屑进入岩层，这样虽然岩屑不会裹住钻具，但有时很难判断是否如此。没有钻进液循环的钻进被称为“盲钻”。若循环钻进液全部漏失将导致水位降到地表以下，其结果会使支持井壁的流体压力下降或完全损失，井壁就会因此而坍塌并卡住钻管。

漏失钻进液是钻进中最重要的问题，它将损失贵重的钻液，损失钻进时间，并使固井发生困难，还可能损坏井内的设备。

尽管有上述诸多问题，但是多数有经验的钻井人员认为，有半数钻进液的漏失问题是可以避免的，而且不少问题是钻井者本身引起的。完善的钻井计划和运行操作十分重要，这方面的技术包括以下几项。

① 在可能的情况下，尽量利用附近已有井的测井资料和地质资料，仔细地做出井孔和套管的设计方案。

② 对井孔要小心从事，要慢慢地升降钻杆和套管，避免铲刮和像活塞似地抽取。循环泵要低速启动慢慢加速。在保证岩屑能运送的前提下，保持循环液在环空中的流动速度最低即可，不要钻得太快而使环空运送岩屑的量超负荷。

③ 不断检测泥浆的性质以保持泥浆黏性最小和脱水最少。

2.3.2　钻进泥浆的主要性能和各种岩层对泥浆的要求

现代钻井泥浆主要是膨润土和水的混合物，钻井者也常加入一些有机聚合物、分散剂、润湿添加剂、填料、稀释剂和润滑剂来改善泥浆的性能，使其适合不同的地热井。为此，钻井者必须了解泥浆的主要性能。

泥浆的主要性能有相对密度、黏度、含砂量、失水量、胶体率、静切力等。其中又以相对密度和黏度最为重要。

（1）相对密度

相对密度是单位体积泥浆的质量与同体积清水质量的比值。泥浆在钻孔中对孔壁产生压力，可以防止钻孔坍塌。泥浆的相对密度越大，产生的压力也越大。在钻进过程中，应根据所钻岩层的稳定情况，地下水的压力情况，适当确定泥浆的相对密度。相对密度大的泥浆虽具有较高的护壁能力，但容易形成较厚的泥皮，增加洗井的困难。因此，在钻进一般岩层时，相对密度不宜过大，应以保持钻孔不坍塌为原则，而在高压自流水含水层钻进时，则应根据计算，加大泥浆相对密度。如果泥浆相对密度过小，将会增加泥浆进入岩层的可能，其结果将使泥浆漏失增多。实际上，循环泥浆的漏失有时可以简单地通过降低泥浆相对密度加以回收。

加入重晶石粉（BaSO4）可使泥浆相对密度增加1.5～1.8倍而不会太大地改变泥浆的其他性质，这样就可以达到平衡钻进。因此，此法是钻进浅层热储采取的主要防喷手段。加入其他固体物质如砂、细岩屑、泥砂等也可以增加泥浆相对密度，但是一般不希望采用，原因是加入这些物质会增加泵和其他部件的磨损率，降低钻进速率，形成一厚层泥饼，并增加泥浆泵的动力消耗。常用的处理剂有铁铬盐、烧碱、草炭等。地热钻井的关键是要做好泥浆的相对密度设计，它可按预计的热储深度和已知的地层压力梯度来计算。

用纯水钻进虽然可以消除泥浆破坏岩层的可能性，压差也依然可达约1.0MPa，但却降低了探测地热水的可能性。

地热钻井的泥浆与温度关系密切，膨润土等黏土泥浆只能耐150℃，因为高温下泥浆要胶化。对高温碱性条件，可用铬褐煤或铬褐煤磺酸盐（CL/CLS）和少量膨润土，再加极少烧碱与去沫剂配制。

（2）黏度

黏度是表示泥浆的黏滞程度，是衡量泥浆提携岩屑至泥浆池并使之胶化能力的主要指标。泥浆在流动时内部分子之间产生一种抵抗流动的力，这种力称为内摩擦力，常用野外标准黏度计来测定。黏度的大小，是以泥浆在一定的压力下，500mL的泥浆流过直径5mm、长100mm的铁皮管所需要的时间来确定的，以秒（s）表示。黏度大的泥浆可以形成坚固的泥壁，保护钻孔不塌；但黏度过大，将造成洗井困难。在钻进一般岩层时，不宜采用黏度过大的泥浆；在钻进漏失泥浆的岩层或易坍塌的流砂层时，则应加大泥浆的黏度。要改变泥浆的黏度，可通过改变膨润土和水的用量来实现，也可添加聚合物使泥浆变稠或添加磷酸盐使泥浆变稀。目前还没有简单精确又经济的测量方法测量泥浆的黏度，但是可以通过视黏度或漏斗黏度来测量。

（3）含砂量

含砂量是指泥浆中不能通过200号筛子（或直径大于0.074mm）的砂子加上没有分散的黏土颗粒的体积所占泥浆体积的百分比。泥浆的含砂量越小越好。在回转钻进中，含砂量大，会严重地影响泥浆泵的寿命、钻头的寿命、钻进速度和破坏岩层。在冲击钻进中，含砂量大，会使泥浆沉积物增多，降低钻进效率，并易发生埋钻事故。

要控制泥浆中的含砂量可用低黏度泥浆、设计多个体积足够大的泥浆池来避免循环路线太短以及采用除砂器等办法。泥浆池的体积至少要有最终井孔体积的3～4倍。泥浆泵的入口必须悬吊在接近地表处。

（4）胶体率

胶体率表示悬浮状态黏土颗粒与水分离的程度，是当泥浆静置24h后泥浆的体积与原体积的比值，用百分数表示。胶体率值越大越好，胶体率大，可以减少泥浆在孔内的沉淀，对孔壁的稳定有好处。

（5）失水量

泥浆受外界压力后，其中游离的水分被分离出来，这种现象称为失水性。在一定时间内分离出来的水，用数量来表示就叫失水量。泥浆失水量越大，形成泥皮越厚，使钻孔直径变小。在膨胀的地层中如果失水量大，就会使地层吸水膨胀，造成钻孔掉块、坍塌。

（6）静切力

泥浆在静止状态时受外力影响而开始流动所需最小的力，即破坏1cm2面积上泥浆颗粒间的结构联系所需要的最小力，称之为静切力。静切力大，泥浆的结构强度大，泥浆的悬浮能力也大，能有效地携带岩屑。但静切力过大，则泥浆开始流动所需的泵压增高，消耗动力大，而且孔内返上的泥浆岩屑不易沉淀。

各种岩层具有不同的特性，对泥浆的要求也不相同。不同岩层如何确定泥浆的不同指标是一件比较复杂的工作，因为它不仅和岩层的稳定情况，松散、致密、胶结程度，以及含水层水头压力有密切关系，而且和钻孔口径、深度、施工期限及钻探工人的技术熟练程度的关系也很大。因而，对钻进各种岩层的泥浆指标只能提出一般要求，在实际工作中，需根据具体情况灵活运用。

泥浆在钻进过程中总是在不停地运动变化，其性能也在不断地演变。泥浆的各种性能不是孤立的，而是相互联系和相互影响的。现在应用的泥浆性能是过去沿用下来的，我们必须加强对泥浆的观测，提高对泥浆的认识能力，以便在钻进过程中防止发生各种复杂情况，有利于快速钻进，提高井的出水量。

2.3.3　聚合物流体

钻井也常用各种聚合物流体，有机和无机的都有，有的可以生物降解，有些十分容易被氧化分解。聚合物基本没有凝聚强度，但有高黏度，因此能很好地将岩屑携带上来并迅速地在泥浆池中分离。由于它们易分解又无凝聚强度，所以常被推荐用于低温地热井钻进以克服膨润土产生的一些问题。

选择聚合物要注意适用的温度。有些聚合物对温度很敏感，不到40℃就会迅速失去其黏性，有些到150℃仍很稳定。有机聚合物还有污染的可能，而有些低温地热含水层可能与地下饮用水层有水力联系，所以聚合物的使用也受到限制。

2.3.4　空气基流体

用干空气钻进是最简单的钻进技术。一般地说，空气提升岩屑的能力与其密度和空气在环隙内的流速平方成正比。流速一般要求达到914～1524m/min（Driscoll，1987）。对于给定的井孔和钻管尺寸，空气容积需求量直接与钻孔深度成正比。随着井孔的加深，钻头处的空气膨胀由于提升的岩屑量增加而减少（速度也因此降低），压力也因摩擦力而增加。过大的气流速度对较软的岩层会产生腐蚀，结果环隙被扩大，因而需要更多的空气才能保持足够的流速。过高的空气压力会使空气向岩层的渗漏量增加，就像用水基流体钻进时的循环液漏失一样。漏失空气使岩屑无法提升，还有产生卡住钻具的危险。空气系统对不坚固的岩层没有多大的支撑作用，因此在洞穴处可能会引起坍塌并波及钻具。在坚硬的岩层中空气钻进，一般就不会有这些危险。

气雾钻进和泡沫钻进也是两种空气基的类型。前者是在表面加入少量水，使空气润湿有助于冲掉环隙中的岩屑泥浆并控制尘埃；后者则是大量空气中有少量的水，就像浅盘中的肥皂沫，由水注入空气流中形成，适用于有大量水进入井孔的情况。

稳定的泡沫是由于加入表面活化剂产生的，也可加入聚合物和黏土去增加黏度和密度。加入表面活化剂可以增加提升水的能力，减少空气需求量，提高气体携带固体岩屑的能力，减轻对不坚固岩层的侵蚀。

要使井的环隙流速低至15～30m/min，可使用浓稠的泡沫，它是用聚合物（3.6～7.2kg/m3）或膨润土（36～60kg/m3）和1%～2%的表面活化剂制成。加入0.25%表面活化剂能使湿泡沫在井孔环隙内的流速达到300m/min以上而不用其他添加物。表面活化剂和其他添加物在一个大罐中混合后用计量泵注入空气流。流体容积百分比为（自由空气容积）时可获得最大的提升能力（Driscoll，1987）。

与水基流体相比，空气基流体对坚硬的岩石有较高的穿透率，容易探测含水层，减轻对岩层损坏，延长钻头寿命，钻进时不要水或只要少量的水。使用空气基流体的主要缺点是：空气系统将大量热水带至地面，处置较困难。如果遇到热水接近或超过当地沸点，又是高矿化度，处置这么多高矿化度热水可能成为一个严重的问题。此外，空气钻进的设备费和空气压缩机燃料费较高，有尘埃，噪声也大。

2.3.5　复杂岩层中钻进用泥浆的处理

（1）各种复杂地层钻进时对泥浆的要求

在各种复杂地层钻进时，对泥浆性能有不同的要求，例如对于遇水膨胀的地层，不但要求泥浆胶体率高，而且要求失水量非常低。在漏失地层，不但要求泥浆有一定黏度和静切力，而且要求适当降低相对密度。在高压含水层则要求泥浆具有较大的相对密度。在钻进的岩层或含水层含有盐类时，会引起泥浆凝结和聚沉，使泥浆性能变坏。遇到上述情况都需对泥浆进行适当处理。一般有如下处理方法。

① 钻进砂层时：由于砂侵，泥浆含砂量、相对密度、静切力和黏度均升高，此时需完善除砂系统，降低泥浆静切力，对涌砂层必须提高泥浆相对密度。

② 钻进泥岩、黏土层时：此时，会钻遇各类易水化黏土，使泥浆变稠，黏度、静切力升高，失水量降低；孔壁由于黏土水化膨胀，可能引起缩径或坍落，此时就要加水稀释，采用含钙泥浆如石灰泥浆或石膏泥浆加以抑制。

③ 钻遇高压含水层时：高压水侵入泥浆会使泥浆相对密度降低甚至造成井塌，此时要提高泥浆相对密度，必要时可加入加重剂。

④ 钻进石膏层时：泥浆的黏度、静切力会因钙离子而急剧升高，失水量增大。此时，可用纯碱沉除钙离子，或以单宁酸碱液处理。如果石膏层较厚，上法无效，可转化为石膏泥浆，以铁、铬盐减稠，必要时辅以降失水剂。

⑤ 钻进岩盐、钾盐、盐水层时：由于存在氯化钠或氯化钾等氯离子，会使泥浆性能变化。当含盐量在9%以下时，随含盐量升高，泥浆急剧变稠，黏度、静切力、失水量均上升，此时，就要以减稠为主，辅以降失水剂；若含盐量超过7%时，应以降失水为主，当层位较厚时，为防止岩盐溶解造成事故，可转化为饱和盐水泥浆。

⑥ 深井或地热井钻进时：高温会破坏处理剂及泥浆的胶体状态，使泥浆的黏度、切力上升，失水量升高。此时，应以铁铬盐、铬腐植酸作减稠剂，以水解聚丙烯腈作降失水剂。

（2）泥浆处理的方法

泥浆处理有机械法和化学法两种。机械法是利用机械能力提高泥浆搅拌质量和粒土颗粒分散程度。它可部分地调整泥浆性能，如提高黏度、降低失水量、提高加土率、增加相对密度等。化学法处理泥浆，是通过加入不同化学处理剂改变黏土颗粒的表面性质和表面状态，改变水的性质，以获得所需要的泥浆性能。

泥浆处理剂大都是一些无机物和高分子有机胶类，按其对泥浆性能的作用可分为加重剂、减稠剂、降失水剂、增黏剂等。

① 加重剂：用于增加泥浆相对密度，平衡含水层水的压力。一般采用的加重剂为重晶石粉（BaSO4），它能使泥浆相对密度提高1.4～1.8倍，经过处理后可达2.0～2.2倍。

② 减稠剂：用来降低泥浆黏度和静切力，改善流动性。褐煤、烤胶、单宁酸、铁铬木素、磺酸盐等都可作为减稠剂。

③ 降失水剂：可降低泥浆失水量，也可用作增黏剂，常用的有淀粉、野生植物胶类、聚丙烯腈等。

④ 黏土水化抑制剂：用于抑制黏土的水化性能，防止地层中黏土吸水膨胀，增加泥浆的稳定性，防止盐层溶解，常用的有石灰、石膏、氯化钙、氯化钠等。

⑤ 增黏剂：用于提高泥浆黏度，对于无机物类增黏剂，在增黏同时会伴随着失水量增加。水泥、水玻璃、石灰、石膏、氯化钠等都可作为增黏剂。

⑥ 酸碱度控制剂：用来调节泥浆的酸碱度（pH值），稳定泥浆，常用的有烧碱、纯碱、石灰等。

⑦ 钙离子控制剂：用于控制或沉除泥浆中的钙离子，常用的有纯碱、烧碱等。

⑧ 灭泡剂：用于消除泥浆中的泡沫。常用的有硬脂酸铝、脂肪醇（含5个碳原子以上）等。

2.3.6　散低固相泥浆

不分散低固相泥浆是由淡水、膨润土、钻屑以及用于获得絮凝和井眼稳定的添加剂所组成。所用的膨润土应充分水化后，再加入泥浆中。需要使用低硬度的水来配浆，使膨润土能较好地造浆，一般钙离子含量应低于200mg/L。若使用硬水则需要加纯碱或碳酸钡处理。钙离子不妨碍絮凝，但是将妨碍膨润土的造浆，使失水量和动切力达不到要求。

低固相泥浆易于控制泥浆的失水量和流变性，使井壁稳定，便于加重，同时又把膨润土质黏土以外的次土颗粒统统絮凝，聚沉下来清除出去，使泥浆能保持低固相、低的相对密度（1.03～1.06）。当不分散低固相泥浆的性能达到一定的标准时能使钻速显著提高，它有良好的带砂能力和使井壁保持稳定。聚丙烯酰胺泥浆是最常用的低固相泥浆，它是用絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM）或部分水解聚丙烯酰胺（PHP）处理的泥浆。

2.3.7　高温地热钻进泥浆

高温地热钻井具有与一般钻井不同的特点。首先，地热资源多产于火成岩、变质岩中，岩层坚硬，研磨性高，构造复杂，孔隙裂隙发育，地层压力低，岩层不稳定；其次，地热流体温度高，一般都在150～200℃以上，其矿化度也高，容易产生严重的化学危害。此外，高温下钻进，井内事故处理复杂。由于这些特点，所以地热井使用泥浆的目的除与一般水井、油井有相同之处外，还有其特殊的要求：要求泥浆密度较低；由于井温明显提高，要求使用150℃以上能保持泥浆稳定的处理剂；对于会影响生态环境的含重金属的化学处理剂，原则上禁止使用。

对钻井液来说，180～200℃是一个台阶。国内石油井的温度，一般不超过180℃，因而各种高温泥浆体系一般只适用于180～200℃，主要类型为三磺泥浆体系。高温地热资源温度已超过300℃，热储井段通常用充气泡沫钻进，进入热储前用的泥浆，一般采用能抗220～250℃的海泡石聚合物体系。这些聚合物一般为聚苯乙烯及乙烯基类（如聚丙烯酸钠盐）聚合物。高温地热钻进泥浆有一系列的性能要求和选择设计方法，这里不再详述。