国内外泥浆研究的现状及水平

4.1.1　国内外泥浆研究的现状及水平

近些年来,随着科技进步和经济发展,岩土钻孔工程在国民经济和社会发展中发挥着越来越重要的作用,已广泛应用于:矿产资源勘探和部分矿产的开采;水文地质勘探;工程地质和环境地质勘察;地质灾害的防治与环境治理;工民建和道路桥梁的基础工程;国防工程及海岸工程;科学钻探等。

在各领域的钻孔工程施工中,经常遇到风化、松散、破碎、节理裂隙发育、矿层蚀变带、遇水膨胀（水敏性)等复杂地层,该类岩土层孔壁极不稳定,容易发生坍塌、漏失、掉块、卡钻、埋钻、井斜、取心困难等钻孔事故。如何确保复杂地层孔壁的稳定性是钻孔工程需要解决的主要技术难题之一。实践证明,选用固壁性能好的泥浆（也称为钻井液)是确保复杂地层孔壁稳定性、提高钻孔工程质量、提高钻进效率、降低生产成本的最有效途径。

配制泥浆用的基本液体是水或油。若黏土在水中分散形成的泥浆即以水为连续相的泥浆,称为水基泥浆;若黏土在油中分散形成的泥浆即以油为连续相的泥浆,称为油基泥浆。大部分钻孔工程,应用较多的是水基泥浆。油基泥浆在一些特定情况下使用,它又分为油包水乳化泥浆和油基泥浆两种类型,前者油水比（指油与水的质量比)为50～80,后者油水比为20～50,后者含水量不超过5%。从黏土在泥浆中的分散程度来看,又可将水基泥浆划分为细分散淡水泥浆、粗分散抑制性泥浆和不分散低固相泥浆。

国内外也有直接用泥浆的主要处理剂成分、关键特性或特殊用途等来命名分类的,如:腐植酸类泥浆、聚合物泥浆、木质素磺酸盐泥浆、抑制性泥浆、充气泡沫泥浆、非水基泥浆、饱和盐水泥浆、混油润滑泥浆、地热井和深井泥浆、石油天然气完井泥浆、小口径金刚石钻进泥浆、基桩钻孔循环泥浆、地下墙槽壁稳定泥浆等。

自从有回转钻孔法以来,泥浆经历了5个发展阶段。第一阶段:清水和自然造浆阶段（第一代钻井液,无任何处理剂);第二阶段:细分散泥浆阶段（第二代钻井液,固相含量高,黏土高度分散);第三阶段:粗分散泥浆阶段（第三代钻井液,固相含量适中,黏土适度分散);第四阶段:不分散低固相泥浆阶段（第四代钻井液,固相含量低,黏土不分散);第五阶段:聚合物型无固相钻井液阶段（第五代钻井液,不含黏土固相)。

对于第四代钻井液,不分散低固相泥浆中的“低固相”是指泥浆体系中的固相含量（造浆黏土和钻渣等所有固相)按体积计不超过4%,由此使得机械钻速提高,尤其是在硬岩钻进中效果更为明显;而不分散有三层含义:一是高聚物存在抑制了造浆黏土颗粒的分散而使其颗粒直径保持较大不分散;二是对进入泥浆体系的岩屑起絮凝作用,不使其分散,利于除渣和净化泥浆;三是对井壁岩土的胶结保护作用,使井壁岩土的稳定性增强,不分散到泥浆中。目前,这种泥浆已成为我国岩土钻孔工程领域使用的主要泥浆类型。

对于第五代聚合物型无固相钻井液,该钻井液一般由高分子聚合物、无机盐和水组成。与传统的泥浆相比,该类钻井液具有护壁性能强、流变特性可调范围大、紊流减阻作用好、润滑性好、适合于金刚石钻进高转速、预防孔壁漏失能力强等一系列优点。

4.1.2　泥浆的功用

泥浆在孔内循环的主要功用是清洗孔底和冷却钻头、保护孔壁和实现平衡钻进、润滑钻具、参与碎岩、输送岩芯或岩样等。

（1)清洗孔底,携带和悬浮岩屑

钻头破碎下来的岩屑（或岩粉),只有及时地从孔底清除,再经冲孔流体（即泥浆)携带至地面聚沉下来,才能保证钻头连续有效地工作。对于大直径岩土钻孔工程,因孔径较大又往往全面破碎孔底岩土,岩屑颗粒粗大,需采用携带和悬浮岩屑能力较强的泥浆来冲洗钻孔。

（2)冷却钻头

钻头破碎岩石时,钻头与岩石发生摩擦而产生大量的热量,冲孔的泥浆将带走热量,实现冷却钻头的目的,从而保证钻头持续正常破碎岩石的功效。

（3)保护孔壁和实现平衡钻进

当钻进到各种松散、破碎、水敏性等复杂地层时,孔壁往往会出现坍塌、掉块和缩径等不稳定状态,为使孔壁保持稳定,合理使用具有稳定孔壁的泥浆冲孔是必要的。一般聚合物型不分散低固相泥浆或无固相泥浆都具有非常好的稳定孔壁功效。

（4)润滑钻具

对于地质勘查钻孔应采用金刚石高转速钻进,为减少钻具与孔壁岩石的摩擦力,减轻钻具回转时的振动和钻具磨损,需要对钻具采用润滑措施,如向泥浆中添加润滑剂,使泥浆在冲孔的同时具有润滑钻具的功能。

（5)参与碎岩

利用冲孔流体（即泥浆)参与碎岩的方式有两种:第一,流体直接参与破碎岩石,如石油钻井中在钻头底部设置喷嘴,发挥泥浆冲孔的高压水力喷射作用而破碎孔底岩石;第二,通过泥浆冲孔时驱动孔内碎岩工具而破碎岩石,如驱动孔内液动冲击器实现冲击—回转碎岩钻进。

（6)输送岩芯或岩样

利用冲孔流体自钻具中心孔道上返的冲孔循环方式,上返的流体同时将钻出的岩芯（或岩屑)有序地带到地面,如全孔反循环连续取芯钻进。