为了克服钻遇某些复杂地层(如岩盐、石膏、泥页岩）时碰到的困难；适应钻定向井、高温井和完井、修井的需要，以及给油田开发和储量计算提供可靠的各种地质参数（如原始含油饱和度等）研究了油基泥浆，其发展经历了3个阶段：①原油阶段,水基泥浆会损害油层，而油则对地层中的粘土和水溶性物质的影响较小。30年代初期，曾试用原油做钻井液。但原油没有切力,滤失量大,含有易挥发的馏分会引起火灾，以及所含游离水会湿润粘土并进入地层，因而影响了使用。②油基泥浆阶段，在原油或柴油中加入乳化剂和其他处理剂，能悬浮钻屑和加重剂，滤失量低，改善了油基泥浆的性能。③油包水泥浆阶段，60年代，认识到在油中的水珠乳化后其周围的乳化膜具有半渗透膜的性质。随水相盐度的改变而产生渗透压力，利用活度平衡理论在油基泥浆中加入10～50%的高矿化度的水配制成油包水泥浆（或称反向乳化泥浆）。这种泥浆能使泥、页岩井壁稳定，特别适用于复杂的泥、页岩、石膏和岩盐层及超深井。

完井液 即修井液在发展油基泥浆的过程中，注意了钻进油层及在油层井段进行作业时所用的泥浆性能，逐渐发展成专用的“完井液”或“修井液”。有水基和油基两类，其成分及配制方法与钻井液基本相同，只是为了能尽量减少对油、气层的污染，要求的性能指标更高，例如尽量减少固相，最好是无固相，尽量减少滤失量，用可酸化的加重材料或液体加重材料等。

利用空气或天然气作为钻进时循环的流体，是为了钻开低压油（气）层、严重漏失层或坚硬而不含水的地层而发展起来的。由于绝对干燥的地层很少，为克服地层中的水将钻屑湿润、粘合成团，造成排屑困难，在气体中注入泡沫剂形成“泡沫流体”。或者将泥浆与空气同时泵入井中，形成“充气泥浆”。气体钻井可以提高钻速，并有利于保护油、气层，但因受气体本身特性和地层含水的影响，限制了它的使用范围。

钻井工程中使用的循环流体，由于绝大多数使用的是液体,少数情况使用气体或泡沫,因此又称“钻井液”、“洗井液”，俗称“钻井泥浆”。

钻井流体 - 功用 主要是①清洗井底，携带岩屑；②冷却和润滑钻头及钻柱；③形成泥饼，封护井壁；④控制与平衡地层压力；⑤循环停止时，能悬浮岩屑和加重剂；⑥在地面沉除岩屑；⑦提供所钻地层的岩屑、泥浆、气测等有关资料；⑧将流体功率传给钻头（在用井下动力钻具时）等。

钻井流体 - 组成 主要成分有:①淡水或盐水、饱和盐水等;②钠膨润土或钙膨润土、有机土(经表面活性剂处理的土)、抗盐土等；③无机或有机化合物如天然或合成高分子化合物、表面活性剂等；④柴油、原油等（用于油基钻井液）；⑤空气、天然气等（用于气体钻井）。不同成分的组合，形成各种类型的钻井流体。从物理化学观点看，钻井液是一种多相不稳定体系。包括“悬浮体”（如重晶石粉、钻屑、粘土粉）、胶体(如高聚物、膨润土粉)和真溶液（如氯化钠、碳酸钠）。其中起主要作用的是胶体成分，一般称胶态-悬浮体。

处理剂 为了改善钻井流体的性能，满足钻井工程的要求，需要在各类钻井流体中加入处理剂（添加剂）。目前，根据处理剂所起的作用分成：碱度调节剂、除钙剂、除泡剂、起泡剂、降粘剂、增粘剂、絮凝剂、润滑剂、杀菌剂、乳化剂、堵漏剂、加重剂、防腐蚀剂、表面活性剂、页岩抑制剂、降失水剂等16类,总数约100～150种,研究和发展处理剂是提高钻井流体技术水平的重要内容。

钻井流体 - 分类 按比重可分低比重和高比重两种：按对粘土的作用可分抑制性和非抑制性两种（前者加有抑制剂，使流体具有防止钻屑水化和碎裂及稳定井壁作用），按分散体系中的连续相可分为水基（以水为连续相）、油基（以油为连续相）和气体三种。目前，根据地层的特点习惯分成：高碱性淡水泥浆、高碱性石灰泥浆、低碱性淡水泥浆、低碱性盐水泥浆、低碱性石膏泥浆、低碱性饱和盐水泥浆、低固相泥浆、油基泥浆、油包水浮化泥浆、气体等10种。

水基泥浆 是目前研究最多、应用最广泛的一类泥浆,发展过程大概经历了5个阶段:①自然造浆阶段,1901年开始用旋转钻井方法钻井，用清水作循环液体。1914年后,认识到混入的粘土对钻进有利,开始使用泥浆；②细分散泥浆阶段，在浑水泥浆中加入如烧碱、纯碱、丹宁、褐煤等具有分散作用的处理剂,使粘土颗粒变小,从而提高泥浆的稳定性。③粗分散泥浆阶段，在加入分散剂的基础上再加入适量的无机絮凝剂如石灰、石膏等,使粘土颗粒保持在“适度絮凝”状态，可获得更高的抗石膏、抗盐能力。④不分散泥浆阶段，60年代出现了喷射钻井工艺，研究了泥浆水力学及其他有机处理剂。水基泥浆从分散体系发展到不分散体系。前者是把粘土的大颗粒变小、变细，以利于胶态体系的稳定；后者把颗粒变粗、变大，以利于沉淀和清除固相。这一技术的突破，有效地提高了钻井速度。⑤无固相钻井液，70年代，利用有机高聚物、生物聚合物、液体加重剂等配成不含固相的钻井液，彻底消除泥浆中的固相对钻井及油层的影响。目前正处在试验和发展中。

为了能充分发挥喷射钻井工艺的效能，60年代以来，对钻井液的流变特性与循环系统的水力参数的关系，对泥浆中固相含量与钻井工程的关系进行了系统的研究。发现钻井液中的固相害多利少。特别是小的颗粒影响更大。在相同钻井液浓度下，胶体颗粒对钻速的影响，小于1μm的为大于1μm的11.7倍，因此，发展了一整套控制固相的工艺和设备，可大幅度地提高钻速。

参考书目

George R.Gray, et al.,Composition and Properties of Oil Well Drilling Fluids, 4th ed., Gulf Oil Co., Houston,1980.

G.V.Chilingarian, P.Vonaburt, Drilling and Drilling Fluids, Elsevier Scientific, Amsterdam,1981.

《钻井流体工艺原理》从钻井流体的基础理论、钻井液的性能与组成入手，系统全面地介绍了钻井流体工艺的相关知识。主要内容包括黏土矿物与胶体化学基础，钻井液界面化学，钻井液的流变性和钻井液的滤失与造壁性，钻井液性能与测试，钻井液材料化学与处理剂，水基钻井液，油基与合成基钻井液，气体型和泡沫型钻井流体，储层钻井液，水平井与大位移井钻井液，高温水基钻井液，井壁稳定，防漏与堵漏，卡钻和井喷，提高钻速的水基钻井液，固相控制，腐蚀与防护，废弃钻井液处理技术和一口井的钻井液设计。

《钻井流体工艺原理》可供钻井流体工作者、石油与天然气钻井、采油、地质勘探的工程技术人员、科研人员和院校师生参考。

黄汉仁，教授，香港亚洲知识管理学院院士，美国林肯大学荣誉工程博士。1953年毕业于清华大学石油工程系。曾在北京、西安和四川的石油高校任教，任泥浆研究室主任，1979年被评为教授，同年提出并主编《泥浆工艺原理》，首次将泥浆工艺技术建立成一门大学课程，1987年获石油工业部颁发教材奖。1988年成立南海设备化工（香港）公司，任总经理。参与塔里木油田超深井固井、长庆油田酸化压裂、海上油田钻井液等工程项目；推介钻井液处理剂应用于全国的水平穿越工程：早引进印度瓜尔胶粉到中国的食品工业与石油工业。在六十多年的工作中一直重视创新发展，曾获2014年中国创新企业家称号。2100433B

从第一次开钻起到钻完全部井深这一阶段的工作。以一定压力作用在钻头上，使钻头的刃部吃入岩石，并用接在钻头上部的钻柱带动钻头旋转以破碎井底岩石，所产生的岩屑通过钻井流体循环到地面上来，井就会逐渐加深。钻头加到地层上的压力叫钻压，是靠钻柱在钻井流体中的自重的一部分产生的。钻柱从地面一直延伸到井底，井有多深，钻柱就有多长。随着井的加深，钻柱也逐渐增长，其重量也逐渐加大。过大的钻压将会引起钻头、钻柱、设备过早的损坏，所以必须将大于所要求钻压的那部分钻柱重量吊悬起来，不使其作用到钻头上。下部形成钻压的那部分钻柱处于压应力状态，上部被吊悬部分处于拉应力状态。

钻进时要循环钻井流体，钻井流体可以是以水、油为基础的悬浮液体，也可以是空气或天然气等气体。钻井流体经中空的钻柱内孔注入，从钻头水眼中流出，清洗钻头，冲向井底，将钻屑冲离井底，携带着岩屑进入井眼与钻柱之间的环形空间向上返到地面（见图2）。返出地面的钻井流体在分离出钻屑后被再次注入井内，循环使用。（见钻井液循环系统）

钻进包括如下作业：

（1）接单根。在钻进过程中，由于井在不断加深，钻柱也要及时接长，每次接入一根钻杆叫做接单根。通常每根单根长近10m，打一口井要接很多次单根。用顶部驱动钻井装置时接立根（一般由三个单根组成）。

（2）起下钻。在井底破碎岩石的钻头会逐渐磨损，当钻头磨损到一定程度后，破岩速度就会很慢，需要更换新钻头。为此，需将钻柱从井中取出（起钻），更换新钻头后再将新钻头及钻柱下入井内（下钻）。这一过程称为起下钻。一口井一般要用多只钻头才能钻成，可能需多次起下钻。有时为了处理井下复杂情况和事故，进行测井、取心等作业，也需要起下钻作业。

（3）固井。一口井在钻凿过程所形成的井（筒）壁应当是稳定的，才能保证继续向下钻进。实际上，井眼所要穿过的地层性质各异：有的地层岩石坚硬，井眼形成以后可以维持较长时间而不致坍塌；有的地层则很松软、破碎，岩石极易坍塌落入井内；有的地层内含高压油、气、水等流体；有的地层强度不高，易被压裂，造成钻井液漏失；有的地层含有盐、石膏、芒硝等成分，对钻井液产生不良影响等。尽管地层复杂多变，还是得设法将这些地层钻穿。当这些地层被钻穿以后，上述的各种复杂情况有的可能消失，对以后的钻井不再危害，有的则继续给钻井工作造成麻烦，也许会形成隐患。为了保护已钻成的井眼和使以后的钻井工作顺利进行，或为生产造成通路，防止各层间窜通，需要在适当的时候对井眼进行加固，称为固井。固井的方法是将套管下入井中，并在井眼与套管之间的环形空间内灌注水泥浆（在套管的下段部分或全部环空）从而将套管和地层固结在一起，隔开某些地层。然后用较小的钻头继续钻出新的井段。一口井从开始到完成，常需下入多层套管并注水泥，即需进行数次固井作业。

（4）处理事故。如物件落入井内，需进行打捞；钻杆断在井内也要打捞；钻柱被卡在井内时则要设法解除卡钻。井喷失控着火是钻井的灾难性事故，处理这种事故难度最大。

（5）其他作业。在钻井过程中要进行岩屑录井、气测等录井工作，必要时还要钻取岩心、进行电法测井等。探井在钻遇好的油气显示时要进行地层测试等。

完井 从钻完全部井深起到交井或弃井这一阶段的工作。完井阶段的工艺包括测井、确定完井方式、下生产套管固井、下油管、射孔、装油管头和采油树，然后进行替喷、诱导油气进入井筒，进而便可进行采油生产。钻井意义上的完井是从钻完全部井深起到下生产套管（如需要）固井并测完声幅验收合格为止。