钻井流体工艺原理

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

《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。

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。

稀浆封层工艺原理是将乳化沥青、符合级配的骨料、水、填料及添加剂按一定的设计配比搅拌成稀浆混合料，均匀地摊铺在待处理的路面上，经裹覆、破乳、析水、蒸发和固化等过程与原路面牢固地结合在一起，形成密实、坚固、耐磨和道路表面封层，大大提高路面使用性能。

高层建筑多层地下室传统的施工方法，是放坡大开挖或用支护结构支护后垂直开挖，挖至设计标高后浇筑钢筋混凝土底板，再由下而上逐层施工各层地下室结构，待地下结构完成后再进行地上结构施工。 “逆筑法”的施工程序与传统的施工方法正相反。

其工艺原理是：先沿建筑物周围施工地下连续墙，在建筑物内部按柱网轴线施工少量中间支承拄(办称中柱桩)，然后进行地下首层的梁板楼面结构施工。完成后同时施工地下、地上结构、待地下室大底板完成后，再进行复合柱、复合墙的施工。但在地下室浇筑钢筋混凝土底板之前，地面上的上部结构允许施工的层数要经计算确定。 “逆筑法”施工，根据以地面一层楼面结构下挖土是封闭还是敞开，分为“封闭式逆筑法”和“明暗结合式逆筑法”。前者可以地面上、下结构同时进行施工；后者上部结构不能与地下结构同时进行施工。