摘要：在地层压力系数小于等于1的地层当中，钻井极易发生井漏等井下复杂情况，文章对常见的低密度钻井液体系的特点进行了研究，对在常压和低压地层钻探作业当中如何合理优选低密度钻井液体系提供了理论依据。

关键词：井漏 地层压力系数 压差 低密度钻井液体系

井漏是钻井、固井、完井作业中的一个棘手的问题，当井眼和地层之间的压差过大时极易发生井漏，井漏不仅会浪费大量的钻井液，同时对井漏的处理需要花费大量的时间和资金，井漏会引发井塌、卡钻、井喷等事故，甚至使一口井报废。在一些老油田当中，地下油气只出不进，或者没有及时注入流体补充压力，会导致地层流体孔隙压力逐渐下降。如果使用普通的水基钻井液体系会导致大量的钻井液进入地层，造成固相、无机垢、有机垢、乳化和细菌堵塞油气孔道，降低油气井的产量，影响油气产量的正确估算，更严重的后果是在风险探井当中会使一些本来有希望的油气层被误判为干层或不具备工业价值，给投资者造成巨大的经济损失。因此合理的优选低密度钻井液体系，降低井眼和地层之间的压差，避免井漏等井下复杂情况，已成为一个十分重要的研究课题。

1 地层压力、低密度钻井液的概念及钻探难点

判断地层压力高低的一个重要参数是地层压力系数，原始地层压力除以与静水柱压力，正常地层压力等于1，高异常地层压力大于1，低异常地层压力小于1。用压力系数去衡量地层压力，不同的区块有不同的常压值，由于开采时地下流体处于动态，因此压力系数也是变化的。相应地，如果配制的钻井流体密度小于等于1.0g/cm³，称之为低密度钻井液体系。在地层压力系数为1或者小于1的地层当中进行钻井作业，如果使用普通的钻井液体系，水的密度为1.0g/cm³，再加上一些添加剂，钻井液的密度肯定大于1.0g/cm³，循环压耗和静液柱压力之和远大于地层压力，将压裂地层，形成人为的次生裂缝，钻井液沿裂缝漏入地层，造成井漏。因此必须确定合理的钻井液密度去平衡地层压力，防止井漏等井下复杂情况发生。尤其是在常压和低压地层当中进行钻井作业，需要配制密度小于等于1g/cm³的低密度钻井液，降低井眼和地层之间的压差，防止井漏等复杂的情况发生，这就对低密度钻井液体系的配制及优选提出了更高的要求。

2 气基钻井液

气相为连续相的钻井液称为气基钻井液，由气体（一般为空气，产层多为氮气，特殊情况下也有天然气）、添加剂、水等组成，包括空气、雾状、泡沫和充气钻井液体系。虽然泡沫和充气钻井液体系的连续相是水相，但是它们的流变性能和压力的变化与气基钻井液有许多相似之处，因此习惯上将它们划分到气基钻井液这一大类。气基钻井液密度可小于1，可实现负压（地层的压力大于井眼的压力）钻进，不仅钻速快，还可有效防止漏失。在低压裂缝性油藏、稠油层、低压强水敏或易发生严重漏失的油气层钻井，应用效果较好。

2.1 空气钻

空气钻井液是将空气（有时以其它气相代替，如氮气等）以可以携带岩屑的速度注入井眼。该体系是气基钻井液当中密度最低的。一般情况下，地面注入压力为0.7~1.5MPa，环空返速为12~15m/s。该体系由于低密度对地层的回压小，能大大提高机械钻速，延长钻头寿命；防止水敏性极强的页岩膨胀，可有效地保护低压油气层；不漏失，可在溶洞性和严重漏失地层钻井；钻井用水量很少，特别适用于水源缺乏的地区。但是该体系易引起井下起火和爆炸；不适用于含大量水的井段；不适用于气井或者含毒性气体（硫化氢等）的地层；不适用于深井；需在井场配备空气压缩机等专用设备，所需设备和工艺复杂；不适用于井壁不稳定的地层。

2.2 雾化钻井液

少量液体分散在空气介质中，即将发泡剂注入到空气流中，与产出水混合所形成的雾状流体，称为雾化钻井液。它是空气钻井的一种继续过程，是空气钻井流体和泡沫钻井流体之间的一种过渡形式，所以雾化钻井流体除具有空气钻井的所有优点外，还克服了空气钻井在产水地层不能使用的缺点。在该体系中，可加入3%-5%的KCl和适量聚合物以利于防塌。为了能有效地将岩屑携带至地面，注入压力不得低于2.5MPa，环空返速应保持在15m/s以上。

雾化钻井液的缺点与空气钻井基本相同，雾化钻井需要空气量比空气钻井多30%～40%，这需要更大的空压和增压设备。

2.3 泡沫钻井液

泡沫钻井液是在欠平衡钻井当中使用最成功和应用效果最好的一种气体型钻井完井流体。该流体的静压力只有水的1/50~1/20，携岩能力是水的10倍，是常规钻井液的4~5倍。它主要利用表面活性剂、黏土或者聚合物将气体介质（空气）分散在水中，剧烈搅拌，形成具有高携带能力的泡沫再泵入井内的一种流体。

泡沫钻井液的优点是：在低压油气层中可实现负压钻井，有利于保护油气层；对岩心、岩屑基本无污染，有利于分析地层，正确录井；液柱压力低，减少上部地层的压持效应，缩短施工周期；基本无失水和漏失，可在易漏地层和强水敏性地层钻进；由于用水量少和低温不结冰，可用于缺水地区和永冻地区；钻进时环空流速高达30~100m/min，减少了岩屑进入储层的机会；与储层有较好的配伍性，有效对付地层水，抗污染能力强；泡沫是一种增能型流体，井内压力降低时，气体体积可膨胀，利于液体反排出来。

该体系的缺点：配制成本较高；作业时对气液比的要求十分严格，控制气液比有一定的难度；废泡沫的排放问题必须加以考虑；需要专用的设备，占用场地空间大。

2.4 充气钻井液

充气钻井液是以气体为分散相，钻井液为连续相的气液均匀混合体系，类似于气举井的情况，将气体（空气、氮气等）在一定的压力下注入水或钻井液当中，有效的降低井眼内的静液柱压力，调整充气比可将密度调至0.70g/cm³左右，气体体积占总体积数低于55%。

充气钻井液的优点是：在基液的基础上，能够通过充气对密度进行有效地调整，从而降低静液柱压力，实现近平衡或欠平衡钻井，保护油气层；将充气钻井液应用到其它气体体系不能凑效的情况下，例如，在欠平衡钻井过程中，能够产岀大量水的严重漏失地层，通过调整气体体积和液量，可以在环空中获得平衡状态，从而既不漏失，也不井涌；对井塌等钻井复杂问题亦较泡沫有较强适应能力；钴井时效高，能大幅提高钻机作业效率；可用于任何类型的地层，包括硬地层、软地层、干地层或湿地层，而空气钻井需要干燥的条件；根据压力变化随时调整注液量和液相密度控制井口和井底压力的变化，阻止盐水流入或井喷事故的发生；不需要转换体系，允许全井电测以及提高套管固井的成功率。

充气钻井液的缺点是：需要增加气体的注入压力，井深增加，注入压力随之增大，对空压和增压设备提出了更高的要求；不适用于高压高产储层；存在井壁不稳定问题；遇到高压水层会产生技术上的困难；如果充空气需要进行更广泛的腐蚀控制；成本高、需增加附加的井场充气和脱气设备、使用工艺复杂。

3 油基钻井液

由各种油类、添加剂、有机土和水组成，包括全油基钻井液体系和油包水反相乳化钻井液体系。目前主要使用该类型的钻井液油水比在（50～80）：（50～20）范围内。通过调整油水比，地面配制最低密度大约在0.95g/cm³。

该体系主要用于需要同时考虑钻井液稳定性和页岩抑制性的地层，比如高温井、深井、粘卡和井壁垮塌等复杂地层。主要特点有很强的抑制性和抗盐、钙污染的能力，抗高温可用于深井，润滑性好适于水平井，有利于保护油气层等。目前国内的深井、大位移井、水平井等使用的钻井液体系大部分都是该体系。由于其配制成本较高、污染严重、容易发生火灾、对录井有影响，以及使用时会对环境造成一定污染，因而使其应用受到一定的限制。

在常压和低压地层当中，尤其是深井当中，加上循环压耗，如果因降低密度选用了油基钻井液，在裂缝发育的地层当中，一旦发生了井漏，成本更是难以接受。因此该体系很少用来作为低密度钻井液体系。

4 水基钻井液

在水基钻井液体系当中，只有无固相、水包油、微泡沫钻井液体系密度可控制在小于等于1g/cm³的范围内，因此该文章只对这3种钻井液体系做了介绍。

4.1 无固相低密度钻井液

该类钻井液不含膨润土及其它任何固相，密度通过加入不同类型和数量的可溶性无机盐进行调节，流变参数和滤失量通过添加对油气层无害的聚合物来进行控制。为了防止对钻具造成的腐蚀，还应加入适量缓蚀剂。选用的无机盐包括NaCl、CaCl₂、KCl、NaBr、KBr、CaBr₂和ZnBr₂等，如果为了降低密度，通过加入聚胺、聚合醇、油等液体类密度小于1g/cm³的处理剂，可将该体系密度控制在1.0g/cm³以内。该类钻井液所需处理剂来源广，可供选择的类型多，配制成本低；技术成熟，性能较易控制，抑制性强；加入液体润滑类（主要指油类）等处理剂，不仅可以降低钻井液的密度，还可以提高润滑性，大部分生产井为提高采收率，在水平段应用此体系的较多。综上所述，该体系特别适合于低压（地层压力系数在1左右）、低渗裂缝发育的油气藏，有利于发现和保护好油气层。

4.2 水包油低密度钻井液

该类钻井液的连续相依然是水，分散相是油、乳化剂等各类添加剂。将一定量的油分散在淡水或者不同矿化度的盐水当中形成的无固相水包油乳状液。通过加入一定量的增黏剂、降滤失剂和乳化剂等来调节性能，其密度范围通过油水比和加入不同类型、不同质量分数的可溶性无机盐来调节，0.89g/cm3是下限。和普通水基钻井液相比，该类钻井液配制成本高，但是具有密度低、抗高温以及性能稳定的特点，在水基钻井液当中抑制黏土水化的能力最强，润滑性强。由于含有油类，对环保要求严的地方，不适用此体系。据调查，该类钻井液在辽河油田静北地区古潜山裂缝性油藏应用较多。

4.3 微泡沫

微泡（Micro-Bubbles）钻井液是美国Adsystems公司在20纪90年代末期研制成功的一种密度低于1.0g/cm3的水基钻井液，英文称为“Aphron”钻井液。和充气钻井液的区别是其中的微气泡（Apin-on）不是通过注入气体产生的，而是在钻井液喷出钻头水眼时的水动力气蚀作用、紊流和压力降产生微空隙等条件下产生的，在室内则可以通过搅动或摇动产生；微泡也比较稳定，经过除砂器、除泥器也不会被清除，因此对固控设备使用不受限制。

可循环微泡钻井液是加入独特的发泡、稳泡材料，在不改变常规钻井液性能的基础上，实现提高地层承压能力和近/欠平衡作业。如果用淡水配制，地面密度下限为0.8g/cm³左右。如果不转换体系，可降低钻、修井液密度，一般降低0.1~0.15g/cm³，降低0.15g/cm³时，钻、修井液中气泡含量已达到15%左右。理论上讲，还可以更大幅度降低密度，但泥浆泵上水就出现抽空现象。查阅相关资料，辽河油田曙古172井，井深4684m，创国内微泡沫应用最深记录。

5 结束语

优选钻井液体系必须与钻井工艺技术紧密结合起来，优化井身结构，建立空隙压力、坍塌压力、破裂压力和地应力等4个压力剖面来确定钻井液密度。当地层压力为一特定值时，欠平衡钻井可以使用低密度钻井液诱使地层流体进入井眼[3]。在地层压力系数小于等于1的地层当中钻井，保持合理的井眼和地层之间的压差是首要选项，防止人为的压裂地层导致井漏；其次，井漏风险较大的井，从配制成本考虑不易选用油基钻井液，同时要考虑井温、井壁稳定性、泥页岩的水化程度等因素，对钻井液性能的抑制性和井眼稳定性是否有特殊需求；最后考虑井的深度对地面配套设备的要求，场地摆放，当地环保要求等因素。

参考文献

[1]吴应凯，石晓兵，陈平，等.低压易漏地层防漏堵漏机理探讨及现场应用[J].天然气工业，2004，24（3）：81-83.

[2]鄢捷年.钻井液工艺学[M].东营：石油大学出版社，2001.

[3]陈羽羽.基于低密度钻井液欠平衡钻井理论分析与运用[J].石化技术，2016，23（3）：150.

作者简介

白海鹏（1985-），男，工程师，2010年毕业于东北石油大学石油工程专业，本科学历（工学学士），现就职于北京京能油气资源开发有限公司，从事钻井液与完井液工作。