钻探冲洗介质(drilling flushing medium)

工程钻探中用以冲洗钻孔的流体。冲洗钻孔的目的，主要是：(1)清除孔底岩粉，保证钻头有效钻进；(2)冷却钻头，润滑钻头和钻具；(3)保护孔壁和岩心。此外，还可以利用冲洗介质传递动力，驱动孔底动力钻具；高速喷射冲洗液，可钻进松软岩层；可提取地层样品；在钻粒钻进中，可使钻粒在孔底正常分布，并分选更新。

对冲洗介质的技术要求：(1)在钻孔内流动时携带岩粉的能力强，循环停止时悬浮岩粉能力强，而在地面容易净化除渣；(2)润滑性能好，能使钻具高速旋转，而不易离析淤积于钻管内壁；(3)有护壁堵漏(见钻孔堵漏)功能，形成的泥皮或硬壳薄而韧，或稍加处理即可成堵漏浆液；(4)适应性强，配制工艺简便，性能稳定，易调控；’(5)对岩心和孔壁无溶蚀、不污染，对环境无污染或少污染；(6)原料易获取，成本低。

简史     公元前3世纪中国在钻凿盐井时，已采用向井内注水排除钻屑。近代机械钻探的洗孔，除使用清水外，到20世纪初期还使用黄泥加水或自然造浆的泥浆并开始使用空气(见空气钻进)。30～40年代，泥浆得到广泛应用，并配制成硅酸钠泥浆、钙处理泥浆，泥浆类型由细分散泥浆向粗分散泥浆发展。1945年后，随高分子聚合物的出现，低固相聚合物泥浆配制成功；处理剂也向无机、有机和高分子化合物的多种类型的商业产品发展；泥浆性能测试仪器和泥浆净化设备均较完善。

中国自1949年至60年代中期，采用的钻探冲洗泥浆也从细分散泥浆发展为粗分散泥浆，采用的处理剂有煤碱剂、野生植物制剂等。1962年制成了羧甲基纤维素，1963年研制成铁铬木质素磺酸盐，70年代还推广了聚丙烯酰胺不分散低固相泥浆，并更新了泥浆性能测试仪器。

随着深井和地热钻井的发展，相继出现了一批抗污染、抗高温的处理剂和不分散低固相和无固相冲洗液，研制了在泥浆循环中可自动连续检测和记录55个各种性能参数的自动检测系统。

分类     钻探冲洗介质有液体和气体两大类。液体类主要有清水、泥浆、乳状液、无粘土冲洗液和饱和盐水溶液；气体类主要有空气和泡沫。

清水     包括淡水和矿化水。特点是：易于取得且价廉，粘度小，冷却能力强，冲洗效果好；但向地层内的渗漏量大；易引起许多地层膨胀、分散、坍塌或掉块，易使某些地层冲蚀、溶解，洗孔循环停止时对孔内岩粉悬浮能力差。清水适用于稳定和非冲蚀性地层，在取水容易地区可用于部分或完全漏失的稳定地层。

泥浆     粘土在液体(水或油)中高度分散后形成的多相分散体系。工程钻探中泥浆广泛用于松散、破碎、水敏等各类不稳定复杂地层的钻进。

(1)类型。在泥浆中，微小的粘土颗粒为分散相，液体为分散介质。泥浆常按分散介质的不同分为水基泥浆和油基泥浆两大类。工程钻探中使用水基泥浆。水基泥浆分为：细分散泥浆，含盐(NaCl)量小于1％，含钙量(Ca²⁺)小于120mg／L，固相含量高，且高度分散于水中；粗分散泥浆，用化学处理剂使粘土微粒适度絮凝变粗而成，包括盐水泥浆(含盐量大于1％)和钙处理泥浆(含钙量大于120mg／L)；非分散低固相泥浆，固相含量小于4％；混油乳化泥浆和泡沫泥浆。

(2)造浆材料。水基泥浆的基本原料是粘土和水，另有处理剂。

造浆粘土主要由极细的含水铝硅酸盐粘土矿物组成，还含有非粘土矿物、有机质和水溶性盐类。粘土矿物主要有四种：高岭石，属非膨胀型，造浆性能差，不适配制泥浆；蒙脱石，又称微晶高岭石，水化性能强，分散度高，以蒙脱石为主的粘土称膨润土或搬土，造浆能力强，是泥浆的优质原料；伊利石，不易水化，分散度不高；海泡石族矿物，热稳定性和抗盐性好，是深孔高温泥浆的好材料。粘土按API(美国石油协会)标准选用。

造浆用水常溶解有盐碱类物质，使用前应分析其矿化度和硬度，以便添加适当的处理剂。

处理剂常用于调整泥浆性能，以满足钻进工艺要求。分为无机化学和有机化学两大类。无机化学处理剂的作用是：实现离子交换吸附；控制分散和絮凝；沉淀钙镁离子；调节pH值；中和水解有机处理剂；抑制溶解；加大密度等等。有机化学处理剂处理泥浆的性能稳定，便于调控，应用日益广泛，品种繁多。其主要作用有降失水、稀释降粘、增稠、絮凝、乳化、发泡或消泡、减摩润滑等。

(3)物理化学性质。泥浆是胶体和悬浮体的混合液，具有二者特性：粘土一水界面的吸附特性，即粘土颗粒表面吸附化学处理剂分子而改变表面性质的现象，包括物理、化学和离子交换吸附；粘土的水化特性，即粘土微粒表面吸附水分子形成水化膜的现象；粘土一水界面双电层特性，即粘土微粒带负电，周围分布阳离子，在两相界面形成扩散的双电层；泥浆的稳定和聚结特性，粘土微粒能长久分散、均匀悬浮而不粘结成大粒团的性能称稳定性，粘结成大粒团称为聚结(絮凝)。

(4)性能和测定方法。包括以下各种性能和相应的测定方法：

流变性。外力作用下，泥浆流动及其内部结构变形的特性。主要表征参数为切力和粘度，它们直接反映泥浆流动时的压力损失、岩屑升举和护壁能力等。切力是液流层问单位面积上的内摩擦力。泥浆静置时形成网状结构，而搅动时结构破坏的特性称触变性。静止后切力随时间而增大，以静置10min和1min的切力差值表示触变性大小。静切力是泥浆开始流动的最小切力，又称凝胶强度。动切力是泥浆以层流形流动时内部网状结构的强度。粘度是液体流动时各种阻力的综合表现。流变性的测量主要是测量静切力和粘度，有多种测量方法和仪器，如沉筒式静切力计、漏斗粘度计和旋转粘度计等。

失水量、造壁能和泥皮厚。在压差作用下，泥浆中的自由水向地层渗透的现象叫失水。失水时，粘土颗粒滞积在孔壁上形成泥皮的能力称造壁能。致密而薄的泥皮能阻止继续失水，有护壁堵漏作用。失水量测定是在定压差下30min内通过一定面积滤纸的滤失水量，以mL／30min表示。

相对密度。泥浆密度与同体积纯水密度之比。相对密度对钻进速度和控制地层压力有重要意义，取决于泥浆中的固相(粘土和岩屑)含量，用泥浆秤测定。

含砂量。泥浆中大于74扯m(200目筛)的非粘土砂粒含量的体积百分比。用含砂量杯或砂量测定器测定。

稳定性。将泥浆静置24h，分成上中下三部分，以下上两部分相对密度之差值表示。

胶体率。泥浆中粘土颗粒分散和水化程度，以及保持悬浮状态的粗略衡量。以泥浆静置24h，上部出现澄清水后余下的泥浆体积与总体积的百分比表示。

酸碱值(pH值)。泥浆中氢离子浓度的负对数值，可用pH试纸比色法测定。

(5)制备和净化。泥浆可在钻场配制或由泥浆站统一配制。常用的配制方法为机械或水力搅拌。制浆中严格按配方控制粘土、水和处理剂的量，并保证足够的搅拌时间。将钻进中不断混入的岩粉及时清除，称泥浆净化。岩心钻探中常用的净化装置是沉淀箱和循环槽。循环槽内设上下相间的隔板。粘土和泥质岩层的钻进，可用絮凝剂促其聚结后再除去。还可采用旋流除砂器和振动筛除渣。大口径钻进采用专门的泥浆净化装置(见大口径钻探)。

乳状液      清水或低固相泥浆中添加乳化油制成的稳定而均匀的混合液。它粘度低、流动性和润滑性能好，能减弱钻具振动，适用于金刚石钻进。乳状液分两大类：微小油珠(不大于0.1μm)分散在水中的，称水包油型，以O／W表示；水珠分散在油中，称油包水型，以W／O表示。乳化油由乳化剂和基础油配成，乳化剂是能使互不相溶的液体形成稳定的乳状液的表面活性剂，基础油多采用机油、燃料油等矿物油。

乳状液因溶剂化层(界面膜)和液珠带电而较稳定，需加入足够的活性剂才能乳化。有钙镁离子浸入而失去稳定的叫破乳。乳化油中加入添加剂后可软化水、防锈、防腐蚀、中和游离酸和防止破乳。

无粘土冲洗液     不含粘土的冲洗液，由不同种类的高分子聚合物和无机盐与清水制成。又称无固相冲洗液。其特点是：粘度较大，剪切稀释性好，排粉能力强；能在孔壁上形成韧性好的吸附膜，失水量低，护壁堵漏性能好；能润滑减阻，减振；稍加处理剂即成为堵漏浆液。它适用于各种地层和各种钻进方法。常用类型有：部分水解聚丙烯酰胺溶液；天然植物胶溶液；生物聚合物溶液；硅酸钠溶液等。

饱和盐水溶液盐     在水中的溶解和结晶析出的速度平衡的盐水溶液。它适用于岩盐层的钻进，能保护孔壁和岩心；因其冰点低，可用于冻结地层的钻进。

空气     空气的密度和粘度很小，在足够的流速下，可将孔底冲洗干净。但用于潮湿孔和含水地层钻进时，岩粉易成团块，堵塞排粉通道。空气洗孔一般用于干旱缺水地区和干孔、严重漏失地层的钻进(见空气钻进)。

泡沫     由气体、液体(水)和泡沫剂组成的用于空气钻进的钻探冲洗介质。通过专用泵将泡沫剂溶液注入压缩空气流中，与同时注入的水或地下水相遇，即成稳定的泡沫。泡沫具有一定的膜强度，能使空气、水和岩粉成为稳定的栓塞形流动体系向上流动，增强了悬浮、携带和捕集岩粉的能力。同空气钻进比较，其需要的压缩空气量较少，但风压较高。使用泡沫无粉尘污染，在潮湿地层钻进时无钻杆外环的泥团滞塞现象，能钻大口径钻孔，适于漏失地层的钻进。

泡沫剂须是发泡能力强、泡沫稳定、不受地下水中离子的干扰、无毒、易于生物溶解的物质。为使泡沫稳定，可同时注入附加剂如原油、乳化液、清水(雾化)；亦可注入优质泥浆，制成粘性泡沫(又称泡沫泥浆)。这种泡沫泥浆较纯泡沫更稳定，悬浮力更强，孔壁上能形成好泥皮，应用范围更广。