本发明涉及钻井和固井。 采用由安装在钻杆底端的侧旋转钻头所组成的旋转钻井装置以完成井眼的旋转钻井。当向地下旋转产生井眼时，向钻头施以重压。钻杆是中空的，而且当井眼加深时将管状部件接到钻杆上以增加其长度，在旋转钻井时，可以通过旋转钻杆和/或通过驱动安装在铝杆底端的下孔电动机来使钻头转动。
这种旋转钻井过程产生大量的摩擦，会产生热量，以及被穿透的地层的碎块。地层碎块必须从井眼中取出，而且必须使钻头冷却以延长其使用寿命，所有这两个必要条件可以通过将液体沿钻杆内向下和在钻杆和井眼之间向上到达地面的循环来完成。
一旦井眼已经钻到予想的深度，最好能分隔出井眼所穿过地分离的区域、地带或地层。为了能从地层中抽出液体，必从地面向下在井眼内插入导管（套管），并且在套管内按装衬管。
此时必须用一种材料填充套管和井眼臂之间或者衬管和套管之间的环形空间，这种材料会将环形空间密封，并且为套管或衬管提供给构支撑，这通常被称为固井。
通常，井眼被钻井液所充填，此钻井液也叫做钻井泥浆，必须移动这种泥浆与水泥一起去充填套管和井眼臂之间的环形空间域。这其中存在着一个问题，那就是产生了贯穿于加固史上的固井的困难。传统的普通水泥和传统的钻井液是不相容的。因此，当水泥被贯注下到套管或衬管而后向上进入环形空间时，它就和钻井液混合，套管或衬管底部附近的区域被水泥胶合，同时从环形空间的底部向上不同长度的区域被一种混合物所充填，而这种混合物不能形成坚固的水泥。
通常在安装了每个套管或衬管以后必须利用压力测试手段来检验其完整性，然而，如果在其底端区域没有密封好，压力测试就会失败，因此，在工业上就发展了一种复合系统以防止这一问题。通常被称作吊环的装置安装在欲被水泥胶合的套管或衬管底部。套管或衬管有一个向内凸出的边缘。粘结泥浆被导入套管，随后加入橡胶压塞（wiper plug）。然后，移动的液体将压塞向下推，这样移动了套管中的粘结泥浆并进入到套管底部区域，在这里它改变了方向，并且向上流入环形空间。当压塞到达吊环区域时，就被向内凸出的边缘挡住，并形成密封以便进行压力测试，尽管这并不能总得到良好的密封。这些问题在使用大直径套管和衬管时更加严重。
概括地讲，作为粘结材料的炉渣已在美国3 557 876号专利说明书中予以说明。
在油井套管和周围井眼之间环形空间的固井已经实施了90年以上。很早以前人们就已经认识到将环形空间内的钻井液固化以减少加固套管的费用可能是有益的。美国2 649 160号和3 887 009号专利揭示了沿着这一路线人们已经进行了几十年的各种努力。然而，尽管这些技术大概是可行的，但是在经过许多年以后，仍然设有达到商业化。美国3 499 491号专利说明书描述了在这一方向上的另一种努力，其中在水状的钻井液中使用普通水泥（波特兰水泥）以形成泥浆混凝土，然而，普通水泥对水与固体的比值非常敏感。即使在理想条件下，仅仅少量增加固体的量就会导致非常粘稠体。另一方面，仅仅稍微降低一点固体的量就会导致产生一种非常弱的结构的组成。这些问题在试图在钻井液中使用普通水泥时会更加严重。因此，当这种技术在商业上使用，就会产生严重的缺欠。
本发明的一个目的就是加固套管或衬管而不必要用压塞或浮动环。
本发明的另一个目的就是在环形空间得到良好的密封，从而将套管和周围的井眼或管子密封，而且，在有鼠洞的情况下，仍能将要被胶合的套管或衬管的底端进行良好的密封。
本发明的另一个目的是在固井期间避免钻井液和水泥在其界面处不相容的问题。
本发明的另一个目的是经济地密封大直径套管和衬管。
为了达到这一目的，依据本发明，钻井和固井的方法包括：
采用钻井液钻探井眼，如此会产生用过的钻井液;
用水，高炉炉渣和活化剂组合配料以制备胶结泥浆;
在井眼中安置一根管;
使胶结泥浆向下通过管子;以及
通过与置换液直接接触的方法使胶结泥浆向上移动进入管子周围的环形空间。
已经发现通过使用含有高炉矿渣和活化剂的胶结泥浆，可以进行加固，而不必使用滑动片塞和浮动环，就是说，可以通过让置换液和粘结泥浆直接接触的手段。
在本说明书中，胶结材料是指或者是水硬材料，高炉矿渣，在其与水和/或活化剂接触时变硬或固化成硬化的组合物，或者是一种成分，当其与具有反应活性的第二组分接触时，变硬或者固化成硬化的组合物。因此概括地讲，其可以被看作是一种可通过化学结合作用而形成胶合剂的材料。
这种胶结材料和一种或多种能使其变硬的成份的泥浆在此处被称作“胶结泥浆”。
“通用液体”在此处是用以指这样一些混合物，其含有胶结材料，它的组成应适于作钻井液，并且以后为了实施本发明的目的，其组成中应具有另外加入胶结材料和/或活化剂如促凝剂（或具有反应活性的第二组分）以形成粘结泥浆。
置换液与胶结泥浆之间的“直接接触”是指置换液直接与胶结液浆柱上表面接触，此上表面系相对于胶结泥浆与置换液之间安置的压塞而言。这样还使得操作在没有浮动环来阻挡压塞的情况下仍能进行。
“水硬性材料”是指一种材料，在与水和/或活化剂接触时，其能成为坚硬的材料。
“管子”是指套管或衬管。
“固”是指任何加固操作，其中，胶结泥浆向下通过管子，并向上进入管子周围和井眼或前述套管间的环形空间，这样就完成了套管和衬管两者的加固，套管加固中，环形空间处于套管和井眼壁之间，而衬管的加固中环形空间是处于衬管和套管之间。
“活化剂系统”在高炉矿渣的情况中是指活化剂，或者是指接受质子的金属化合物的具有反应活性的第二种组份。这具有反应活性的第二种组分可以是如下文详述的高聚物，或者是下文详细说明的磷酸。
本发明进一步包括钻井和固井的方法，包括：
将颗粒尺寸为2000-15000cm2/g之间的高炉矿渣与一种水性钻井液相结合，高炉矿渣的存在量在钻井液加高炉矿渣的2.8-280kg/m3之间;
利用钻井液在钻井运行中形成井眼以产生用过的钻井液;
将另外的高炉炉渣和活化剂同用过的钻井液结合在一起以制造胶结泥浆;
在井眼中安装管子;
让胶结泥浆向下通过管子;以及
通过与置换液直接接触的办法将胶结泥浆向上移动进入管子周围的环形空间。
本发明包括钻井和固井的方法，包括：
将含有水和具有接受质子组分的金属化合物的成分结合在一起以制造钻井液;
在钻井操作中使用钻井液以形成井眼，因此产生用过的钻井液和沉积泥饼;
使泥饼与具反应活性的第二组分接触;
在泥饼沉积以后于井眼内安装管子;
使胶结泥浆向下通过管子;而且
通过用置换液直接接触的方法使胶结泥浆向上移动进入管子周围的环形空间。
现在将依据附图对本发明进行更详细的说明，在这些附图中，相同的参考数字表示以不同的观点所看到的相同的部分，其中
图1是带有根据现有技术所加固的衬管的井眼的横截面图;以及
图2是带有根据本发明所加固的衬管的类似的井眼的横截面图。
现在参看图1，此处展示的是传统的加固操作，其中并不是按照本发明的方法将井眼钻入到地下的地层中。井眼的上部展示出套管10，而且由井眼臂12所限定的井眼的更进一步的延伸已被说明。衬管14被安置在井眼内，此衬管14必须固定在应用的位置上。定中心装置16定在衬管管的中心。具有环形边缘20的吊环18被安置在衬管的底部。压管22被安置在衬管内部。具有阀26的浮动托24附加在吊环的底部。井眼从其底部向上刚好到达浮动托的下面之间充满钻井操作过程中的钻井液，钻井液用参考数字28说明，井眼的这一部分叫做鼠洞，并且一般都存在，尽管浮动托可以静置在井眼的底部。
图1代表了现有技术，而且展示了加固操作的阶段，其中置换液30推着压塞22沿衬管14向下，直到其抵达吊环18的边缘20，如此而形成密封。粘结泥浆32被驱使向下通过阀26并且从浮动托的底部出来，如箭头34所示。在此过程当中，粘结泥浆32同钻井液28混合，就在浮动托的下面和浮动托与井眼壁之间的环形空间上面形成不相容混合物，尽管没有表示出来，这种脆弱的水泥/泥浆混合物在套管10和衬管14之间的环形空间向上程度不同的扩展，基本上这种情况一直扩展到环形水泥柱顶端的整个区域。因此，井眼并没有被很好地密封。因此需要在压塞22和吊环18的环形边缘20之间进行密封。此图表示了刚好将粘结泥浆安置到环形空间时的操作情况。在其凝固时，钻井液正在浮动托和吊环的内部向上移动，形成脆弱的水泥，或者甚至使粘结泥浆不能在合理的时间内凝固。
图2展示了依据本发明的粘结液浆安置情况。因为使用了粘结泥浆38，其与钻井液40相容，在浮动托底部和环形空间上部的区域42是粘结泥浆和钻井液的相容的混合物，该混合物将会凝固而形成坚硬的水泥。如同可以见到的那样，置换液30和可相容的粘结泥浆38在其界面44处直接接触。
当这种方法与衬管的加固相连系而被描述的时候，其中粘结泥浆被驱使进入衬管和套管之间的环形空间46，同样可以用来加固套管，在这之中，粘结泥浆被驱使向上进入套管和井眼壁之间的环形区。
本文所使用的术语“钻井液”是指水，或者是油基液体，其包含水和至少一种添加剂，例如增调剂，稀释剂，溶解的盐，从钻探的地层中所得到的固体，用以增加液体密度的固体增重剂，用以阻止在钻井液和地质构造之间有害相互作用的地层稳定剂，以及改进钻井液润滑性的添加剂。
所以使用传统的钻井液或者采用此处所描述的通用液体进行钻井。
一般地，在通用液体的实施方案中，向其中加入粘结材料以形成本发明所使用的通用液体的原料就是传统的钻井液。“水基钻井液”意指包括淡水钻井液和含盐水的钻井液两者。无论其是由海水制成的还是由盐水制成的，以及其他包括油水乳液的并含有作为连续相水的钻井液。
有时希望水基钻井液使用含水的可溶性盐，尤其是氯化钠，在这些例子当中，可以使用0.1%至26%，最好是3%至10%重量比的氯化钠，一个适宜的来源是使用海水，或者是模拟海水的盐溶液，尤其是在使用矿渣的实施方案中，所得到的水泥的强度实际上是增强了，这一点与普通水泥对盐水不能相容的情况恰好相反。除去NaCl以外，或者代替NaCl，不同的盐类，可取的是有机盐，也适用于本发明所用的钻井液，其中包括，但非限制性，NaBr，KCl，CaCl2，NaNO3，NaC2H3O2，KC2H3O2，NaCHO2，以及KCHO2，其中氯化钠是优先选择的，正如上边已经提到的。如果需要，在所采用的条件下，这些盐可以一直使用到其饱和程度。
术语“油基液体”是指作为连续相的含油的包容液体，其包括低水含量的油基钻井液和逆油乳化钻井液。
一种典型的钻井液的配方如下所示，可以向其中添加胶结材料以形成通用钻井液：10-20%重量比的盐，23-28kg/m3的皂土，11-17kg/m3羧甲基淀粉（液体损耗阻止剂），是Milpark Drilling Fluids以“BIOLOSE”的商品名出售的，1-3kg/m3部分水解的聚丙烯酸酰胺（PHPA），这是一种页岩稳定剂，由Milpark Drilling Fluids以“NEWDRIL”的商品名出售的，3-4kg/m3CMC，是由Milpark Drilling Fluids以“MILPAC”的商品名出售的，85-200kg/m3的钻屑，以及0-715kg/m3的重晶石。
因此，这种通用液使钻井和固井的方法成为可能，这种方法包括利用将钻井液与粘结材料混合的办法制造通用液;用钻井液钻探一个井眼以及在钻井过程中在井眼壁上沉积可凝固的泥饼;添加另外的粘结材料和/或促凝剂（或者是具有反应活性的第二种组分）以及依据本发明的直接置换的方法将如此形成的粘结泥浆导入井眼和管子周围的环形空间，在这里胶结泥浆变硬并且与泥饼之间形成很好的粘结，这种泥饼本身也随时间而变硬，因为在其中存在着粘结材料。加入任何促凝剂均能使这种变硬过程变得很容易，这些促凝剂可以存在于粘结泥浆中，并且它可通过扩散和/或渗透作用迁移到泥饼中。
胶结材料可以是下述物质中所选出的一种，包括高炉矿渣，用以产生离子交联聚合物的金属氧化物，以及用以产生磷盐的金属氧化物成分。高炉矿渣是指从金属的熔化过程中或者高炉中矿石的还原过程中所产生的水硬性废弃物，如同美国5058679号专利说明书中所揭示的那样，其内容在此结合参照。“磷盐”是指膦酸盐，磷酸盐或者多磷酸盐，后文详述。
本发明优选的高炉矿渣是一种通过用大量的水密切接触的方法将温度在1400℃至1600℃之间的熔融的炉渣流快速淬冷而制得的高玻璃态成分的炉渣。淬冷使炉渣流转化成具有水硬性质的玻璃态的一种材料。在这个阶段，它一般是颗粒状的材料，这种材料很容易研磨成理想的细度。二氧化硅，氧化铝，氧化铁，氧化钙，氧化镁，氧化钠，氧化钾，以及硫是炉渣中的一些化学组分。本发明中所使用的高炉矿渣最好具有如此大小的颗粒，以使其比表面积在2000cm2/g和15000cm2/g之间，优选是在3000cm2/g和15000cm2/g之间，较佳在4000cm2/g和9000cm2/g之间，最佳在4000cm2/g和9000cm2/g之间，最佳在4000cm2/g和8500cm2/g之间。在每种情况下，比表面积或表面积是指Blaine比表面积，一种能满足这些要求的可使用的高炉矿渣是Blue Circle Cement公司以“NEWCEM”为商品名而在市场上出售的。这种矿渣是从位于Sparrows Point，Maryland的Bethlehem钢铁有限公司的高炉中得到的。
通常高炉矿渣组成范围的重量百分比为：SiO2，30-40;Al2O3，8-18;CaO，35-50;MgO，0-15;铁的氧化物，0-1;S，0-2以及锰的氧化物，0-2。一个典型的特例是：SiO2，36.4;Al2O3，16.0;CaO，43.3;MgO，3.5;氧化铁，0.3;S，0.5;以及氧化锰，＜0.1。
具有相对较小颗粒的高炉矿渣常常是理想的，因为它在许多情况下能使最终生成的水泥具有更大的强度。依据颗粒大小为特征，“细”可以用以描述比表面积在4000至7000cm2/g之间的颗粒，相应于16至31微米大小，“微细”可以用来描述比表面积在7000至10000cm2/g范围的颗粒，其相应于5.5-16微米大小的颗粒，以及“超细”可以用来描述比表面积超过10000cm2/g的颗粒，其相应于5.5微米和更小的颗粒。小颗粒的高炉矿渣可以从Blue Circle Cement Co.，Koch Industries，Tulsa，Oklahoma处得到，其商品名为“WELL-CEM”，也可从Geochem处得到，其商品名为“MICROFINE MC100”。
然而，将高炉矿渣研磨成如此大小的颗粒需要非常多的时间，不可能将高炉矿渣研磨成全部只有一种大小的颗粒。因此，任何研磨操作都将得到多分散的颗粒大小的分布。将颗粒大小对具有那种大小的颗粒的百分比作图将会得到一条曲线来表明颗粒大小的分布。
根据本发明的优选实施方案，一种具有多分散颗粒大小分布，与在颗粒大小对具有那样大小颗粒百分比的曲线上至少有两个交点的高炉矿渣将被采用。已经发现，如果仅有一部分颗粒处于超细范围内，其余大部分炉渣可以被较为粗糙地研磨而且仍能得到与从全部高炉矿渣被较昂贵的研磨或超细状态所能得到的基本上相同的结果。因此，能够得到至少5%在1.9至5.5微米范围颗粒的研磨工艺在经济和有效性方面能提供特殊的好处。更好的是有6-25%重量比的颗粒其大小处于1.9至5.5微米的范围内。得到这种组成的最直接的方法是简单地将小部分高炉炉渣研磨至超细状态，并且将所得到的粉末与在较不严格条件下研磨所得到的矿渣混合，即使采用不太严格的条件，仍然会有一部分颗粒处于细的、微细的或超细的范围，因此，只有一小部分，即少至4%重量比的矿渣需要研磨成超细颗粒。一般地，5至25%，最好是5-10%重量比的矿渣被研磨成超细大小的颗粒，而剩余的以正常方式研磨，这样得到的颗粒处在大于11微米的范围，其中大部分处于11至31微米范围内。
适宜的活化剂包括氢氧化锂，碳酸锂，硅酸钠，氟化钠，硅氟化钠，氢氧化镁，氧化镁，硅氟化镁，碳酸锌，硅氧化锌，氧化锌，碳酸钠，碳酸钛，碳酸钾，氢氧化钠，氢氧化钾，硫酸钾，亚硝酸钾，硝酸钾，氢氧化钙，硫酸钠，硫酸铜，氧化钙，硫酸钙，硝酸钙，亚硝酸钙，以及它们的混合物。苛性苏打（氢氧化钠）和纯碱（碳酸钠）的混合物是优先选用的，因为其有效性和易于使用。当使用诸如苛性苏打和纯碱之类的碱性试剂的混合物时，其比例可在相当大的范围内变化，因为每一种都能单独起到促凝剂的作用。最好是用3-57kg/m3的苛性苏打，较佳用6-18kg/m3的苛性苏打与6-143kg/m3，较佳是6-60kg/m3的纯碱相配合使用。
离子交联聚合物是指有机金属组合物，其含有附着在聚合物链上，或者与聚合物单链或多链发生啮合（交联）作用的金属，这种离子交联聚合物的合适的聚合物成分可以用分子式表示：
在这里A是羧基，硫酸根，磷酸根，或者是羧基和酰胺基的混合物，R是H，或者是含1-10个碳原子的烷基。m与n的比值通常在0∶1和100∶1之间，最好是在0.1∶1和10∶1之间。
聚合物的官能团与聚合物链碳原子之比一般在1∶2和1∶10之间，更好地大约是1∶3。因此，如果m和n都是1，R是H，A是羧酸根，那么羧基碳（1）对聚合物链碳（4）之比为1∶4。这种聚合物还可以是一种多羧酸的聚合物。另一种聚合物是由部分水解的聚丙烯酰胺制得的。水解作用可以从1%到100%之间变化，更好地是从10%到50%，而最好是从25%到40%聚合物的分子量可以在很大范围内变化，只要是使聚合物要么是水溶性的，或者是水可分散的即可。重均分子量可以在1000和1000000之间，但较好地是在1000和250000之间，而最好是在10000和100000之间。具有在1∶3和2∶5之间低COOH∶C比例的羧酸聚合物是优先选用的。特别优选的是羧基碳与聚合物链碳（包在介链碳）的比例大约是1∶3和分子量在10000和100000之间的羧酸聚合物。分子量在5000和15000000之间的部分水解聚丙烯酰胺是适宜的。共聚物一般含有2-99摩尔百分比的含酸单元，较好的是含有5-80摩尔百分比的，更好的是含有10-60的。
这种多羧酸成分可以是任何水溶性的或是水分散的羧酸聚合物，它将会形成离子交联聚合物，形成聚合物的离子交联聚合物是本领域熟知的。适宜的聚合物包括聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚乙基丙烯酸，聚反丁烯二酸，聚顺丁烯二酸，聚亚甲基丁二酸以及共聚物，如乙烯/丙烯酸共聚物和乙烯/甲基丙烯酸共聚物。这些共聚物一般是无规共聚物。膦酸聚合物的一个例子是聚乙烯基膦酸，其是从乙烯基膦酸CH2＝CH-PO3H2而制得。
含有乙烯基膦酸的适宜的共聚物包括乙烯基膦酸/丙烯酸共聚物，以及和其他带有或不带官能团的不饱和单体的共聚物。
在某些情况下，最好使用水分散性聚合物以和水溶性的相对照。确实，在这些情况下，聚合物的熔点在“固井”操作期间应该比井眼中的安置温度（循环温度）要高，而低于周围地层构造的最高及静态温度。井眼中作为温度的安置由循环温度上升到周围地层构造的静态温度后，聚合物熔化并与金属氧化物组分进行反应是理想的。
适用于本发明的离子交联聚合物是接收质子金属化合物的水溶性反应产物，它可用作胶结成分，以及羧酸，磺酸，或膦酸聚合物成分。金属化合物通常是金属氧化物，如CaO，MgO，或ZnO。优选的金属氧化物是氧化镁和氧化锌，最好的是氧化镁。可使用的金属氧化物在研磨成最终大小的颗粒之前要在高于540℃温度下灼烧几个小时，以降低化学活性，以便用于同酸性组分发生反应。
在希望金属化合物组分能增加钻井液重量的情况下，金属化合物最好是水不溶性的，其比重至少是3.0，最好是3.5。“不溶性”是指在室温下，100份重的冷水中只能溶解0.01份重量以下的物质。
所使用的聚合物的量可以依据聚合物中羧酸的含量在很大范围内变化;一般地说，基于金属化合物的重量，可以在10-200重量百分比的范围内存在，较好的是在10-100之间，最好是在10-80之间，对于具有低m与n比值的聚合物，只需要较少量这种聚合物，因为这种聚合物中官能团含量高。相反地，对于具有高m与n比值的聚合物，最好使聚合物的量达到此范围的上限。
按照本发明所使用的磷酸盐和膦酸盐，此处都被称作磷盐，也是用两成分的组合物制得的，其中第一种成分是金属化合物，其与上述离子交联聚合物中所使用的范围是一样的，只要所生成的磷盐不溶于水即可。最优先选用的是CaO，MgO，和ZnO。
第二种成分是膦酸或磷酸，最好是多磷酸。这里说的“磷酸”包括直链的和环状的多磷酸。这些第二成分的酸在此处被认为是磷的酸。直链磷酸可以用通式Hn+2PnO3n+1来描述，此处n是从1到100，较好的是从2到50，更好的是2到20。一些实例包括二（焦）磷酸，三（三聚）磷酸，四磷酸和更高分子量的多聚磷酸，以及磷酸。包括这些传统中被称叫偏磷酸的酸的混合物尤其适用于本发明。
使用金属氧化物作为金属化合物的一种磷酸粘结剂的结构可以表示如下：
可溶性 微溶性
M3（PO4）2·XH2O
不溶性（水泥）
其中：
X一般是4;
MO是金属氧化物，其是两性的，或是接收质子金属化合物。
使用离子交联聚合物以及用多价金属化合物所制得的磷盐，作为第二成分添加的结果，产生了交联的网状结构，因此得到非常强的固体粘结剂。
金属化合物成分颗粒的大小可以在很大范围内改变。一般地讲，其颗粒大小可以处于这样一个范围，使得其表面积在1000cm2/g和30000cm2/g之间，较好的是在1500cm2/g和25000cm2/g之间，最好是在2000cm2/g和20000cm2/g之间。
磷酸一般是以化学计量的量或再少一些的量使用，因为通常要避免其过量，比化学计量少1-10，或者甚至少1-50摩尔百分比的量是适宜的。概括地讲，以金属化合物的重量为基准，化学计量的重量百分比将处于10-100之间。
由于离子交联聚合物的金属化合物成分，或者是多磷酸盐规定了质量，这些粘结材料实际上一般是要比大多数矿渣或普通水泥材料重。在使用这些粘结材料的实施方案中，这种高密度在某些应用方面具有明显的优势。首先，可以使用较少量的这种材料仍能获得最终的钻井液，而且最终能得到理想密度的粘结泥浆。其次，因为其密度高，有可能不用诸如硫酸钡或重晶石之类的增重剂进行操作。它们还具有另外的优越性，在加入第二成分之前它们不会凝固。
离子交联聚合物或磷盐的金属化合物可以作为单独的粘结材料使用，或者与含硅的水硬材料，例如高炉矿渣或普通水泥组成掺合剂使用。在一个实施方案中，可以使用一种水硬的成分，例如高炉矿渣，以得到离子交联聚合物或磷酸盐的金属离子成份，实际上，可得到在现场所形成的混合物。
在采用离子交联聚合物或磷盐的时候，最好是首先加入金属化合物，然后在一定的时间，当粘结剂正好被活化而凝固的时候，加入另一种成分。在通用钻井液的情况下，可以向钻井液中加入整个金属化合物的一部分，当粘结泥浆正在形成的时候，将其余部分加入。
在本发明的这个实施方案中对于通用液的优选顺序是：制备含有一部分要使用的整个炉渣或金属化合物的钻井液，进行钻井操作，稀释钻井液，加入剩余部分的矿渣或金属化合物，之后加入酸成分和为了予期的目的，例如加固套管而使用粘结剂。
一般地，使用过的通用钻井液会被稀释，而且要加入更多的粘接材料，以及在粘结泥浆形成的时候加入反应活性的第二成分。通常为了控制密度和最终的粘结泥浆的液流学特性而需要将钻井液稀释。根据所要求的应用情况，稀释的量可以在很大范围内变化。一般地，每体积的初始钻井液要用水稀释5-200%（在水基质液的情况下），较好的是5-100%，更好的是5-50%。在一个特别优选的实施方案中，稀释到这样程度，加上粘结成分（在适用液的情况下加上剩余的粘结成分）最终所得到的密度比原始密度低30%和高70%之间，较好的是在低15%和高25%之间，最好的是基本上相同，即变化不超过±5%重量比。在为防止井喷所需压力和能使钻井的地层发生破裂或破碎的压力之间存在很小差别的情况下操作时，这一点具有特殊的价值。
稀释剂与最初制造钻井液用的液体可以相同或者不同。在含盐的钻井液的情况下，稀释剂一般也是盐水，这一点对在近海钻井操作时特别有益，在近海淡水不是很容易就能得到，而海水却很丰富。
最好利用向用过的钻井液流体中加入稀释液而后再加入另外成分的方法“飞散”进行稀释。
在某些情况下，顺序结合各种成分进入到钻井液中是合乎需要的。例如，用矿渣作为粘结组分，最好是导入和混合稀释剂和/或延迟剂和活化剂，并且在其后导入矿渣，如果在钻井液中使用混合的金属氢氧化物以赋与其摇溶性质，那么这一顺序就尤其要配准。混合的金属氢氧化物可提供更好的固体悬浮性。同本发明的技术中所得到的可凝固的泥饼结合在一起，这将在有限的环形空间内极大地增强粘结力。这种混合的金属氢氧化物在含有泥土，例如钠皂土的钻井液中尤其有效。用这种方法增稠的优选系统包含3-57kg/m3的泥土，如皂土，较好的是6-43kg/m3，最好是20-34kg/m3。混合的金属氢氧化物一般存在的量是钻井液总量的0.3和6kg/m3之间，较好的是0.3和4kg/m3之间，最好是在2和4kg/m3之间。混合的金属氢氧化物是本领域公知的，而且是含三价金属氢氧化物的组合物，例如MgAl（OH）4.7Cl0.3。它们基本上符合分子式LimDdT（OH）（m+2d+3+na）Ana
这里
m表示存在的Li离子的数目;其数值在0和大约1之间;
D代表二价金属离子;
d表示D离子的数量，在0和大约4之间;
T表示三价金属离子;
A代表除OH-以外的一价和n价的多价的阴离子，a为A′阴离子量;
且（m+2d+3+na）等于或大于3。
可以在美国4 664 843号专利说明书中找到更为详细的描述。钻井液中混合的金属氢氧化物与高炉矿渣相结合可以在比较短的时间内凝固成具有相当强度的粘结剂，即在低至38℃温度时大约需要半个小时。这在某些应用当中可能是非常有价值的。在这些情况中，在加入矿渣之前优先加入诸如磺化油之类的稀释剂，然而，本发明的优点之一是减少或消除了为控制游离态水或固体悬浮而对添加剂的需求。可以在加入另外的高炉矿渣之前或之后，加入一种或多种活化剂。
在某些情况下，希望能使用一种材料，与活化剂一起发挥特殊作用，即便它也可能是一种缓凝剂。例如，尽管木素磺酸铬也具有缓凝作用，但它们可与活化剂一起用作稀释剂。
其他适用的稀释剂包括无铬木素磺酸盐，褐煤，磺化褐煤，磺化苯乙烯顺丁烯二酸酐，磺甲基化腐殖酸，磺酸萘，聚丙烯酸酯和聚甲基丙烯酸酯的混合物，丙烯酰胺丙烯酸共聚物，苯酚磺酸酯，十二烷基苯磺酸酯，以及这些物质的混合物。
在使用高炉矿渣的情况下，通用液中所存在的矿渣的量一般在最终钻井液的3和300kg/m3之间，较好的是30和240kg/m3之间，最好是在60和150kg/m3之间。在使用有机金属（离子交联聚合物）或磷盐的时候，开始时存在于通用液中的金属化合物的量也可以很大范围内变化。一般所使用的金属化合物的范围在3和1450kg/m3之间，较好的是在145和860kg/m3之间，最好是在290和715kg/m3之间。
粘结材料在粘结泥浆中的总量一般是处在大约60和1700kg/m3之间，较好的是290和1450kg/m3之间，最好是在450和1000kg/m3之间。
本文涉及的添加剂包括本发明所必须的两种特殊化的添加剂，如在使用离子交联聚合物时的羧酸聚合物，或在使用多聚磷酸盐时的多聚磷酸，还包括传统的添加剂。
所能使用的传统添加剂包括促凝剂，缓凝剂，以及其他已知的粘结材料的成分。
钻井液中可以存在的其他添加剂包括低的和中等流动性的粘土，羧甲基纤维素，聚丙烯腈，天然树胶，分子态的无水磷酸盐，单宁酸化合物，白雀树，矿物褐煤，宽限的木素磺酸盐，云母，甘蔗纤维和粒状材料。与混合金属氢氧化物相结合而能发挥有益作用的材料除皂土以外，还有无定形的和结晶态的粘土，例如：高岭土，多水高岭土，绿土，蒙脱土，伊利石，saconite，蛭石，绿泥石，坡缕石，海泡石，蒙德土有效成分和Fuller土。
在本发明的另一个相关的实施方案中，在钻井操作中使用通用液，然后逐步加入另外的粘结材料和/或添加剂，或者二成分系统中的第二种成分，如此逐步改变由钻井液到粘结泥浆的循环材料。
在本发明的另外一个实施方案中，采用通用液用上面所描述的方法进行钻井以建造一个穿过复杂地层的井眼，从而沉积出泥饼。在固化操作以前，通入一种活化剂或者具有反应活性的第二种成分，使其和泥饼接触，例如，可以将活化剂或具反应活性的第二成分沿钻杆向下并沿钻杆与泥饼之间的环形空间向上流动，或者将钻杆取出，插入套管，使活化剂通过套管向下而后沿环形空间向上流动。此处所使用的“向下”这个词，当它与钻杆或套管相关时是指向井眼最远区域的方向，尽管在极少情况下，井眼可以被设置在水平位置上。与此相似，所谓“向上”是指反向井眼开始端的方向。更可取地，是用钻杆进行循环，这一点是本发明的这一实施方案的有益之处，借此泥饼可以“凝固”以切断气体地带，水损失，或切断损失的循环流体，以便在不需要取出钻杆和安置另外的套管的情况下使钻井继续进行。这一点还要以被用来稳定那些可能很容易被冲洗掉的地带（例如盐层，这里盐在水中是可溶性的），或者其他不稳定的地带。在钻探完成以后，取出钻杆，并且按照本发明上面所描述的方法进行加固，这项工作可以利用循环含有活化剂的单独的液体或者通过添加诸如上面所描述的碱类物质到钻井液中的方法来完成。
在上述的顺序中可以使用传统的隔离液。另外，其中含活化剂的液体上部的任何剩余物都可以被下一个液体和/或隔离液从井眼中置换出来，并被贮存以便随后使用，或者被处理。
在这个泥饼是“凝固”的实施方案中，活化剂可以是上面所说的碱类活性剂中的任何一种，例如氢氧化钠和碳酸钠的混合物就可在通用液中含有矿渣的时候使用。具有反应活性的第二成分在通用液中含有接受质子金属化合物时是一个带有诸如上述的羧基类官能团的聚合物，或者在通用液含有接收质子金属化合物时是磷酸盐或膦酸盐的磷酸或膦酸成分。
在本发明的另一个实施方案中，使用含金属化合物的钻井液进行钻探，以便能沉积出泥饼，这种泥饼最好是同反应性的第二成分按上面所描述的方式凝固，而后用包括高炉矿渣，水和促凝剂的粘结泥浆进行加固。
另外，在这个实施方案中还可以使用如上所述的高炉矿渣作为金属化合物来源，这样，离子交联聚合物或磷酸盐可以形成泥饼，而后用高炉矿渣加固。
正如下例范例所示，本发明在加固大套管和衬管时具有特殊的价值。“大”是指30-75cm，一般是41cm或更大一点的外径。
现在将参考下面的实施对本发明进行更详细的说明。
为了说明已知的钻井和固井的方法，在钻好的井眼中安装8根41cm的套管，所用的传统钻井液包含下列成分：10-20重量百分比的盐，20-30kg/m3的皂土，11-18kg/m3的羧甲基淀粉（液体损失阻止剂），其由Milpark以“BIOLOSE”的商品名出售的，1.4-2.8kg/m3作为地层稳定剂的部分水解的聚丙烯酰胺（PHPA），其由Milpark以“NEWDRIL”的商品名出售的，2.8-3.5kg/m3CMC，其由Milpark以“MILPAC”的商品名出售的，86-200kg/m3的钻屑，和0-715kg/m3的重晶石。
钻井液用1960kg/m3H级的波特兰粘结泥浆所置换。粘结泥浆以图1所示的方式沿套管压下，这里使用了压塞，而后加入另外的钻井液（与图1有所不同，在图1中描述的是衬管的加固，而没有按照本发明的这些实例包括套管的加固）。所有8根套管都没能承受标准的13.8MPa（表压）的压力实验，表明具有较差的加固作用，这可能提示人们，靠在吊环上的压塞密封已经损坏，并且一部分添加的钻井液可能通过密封同环形空间内的粘结泥浆混合。
实例1：在测试本发明的实验中，一根与对照实验所描述的相同的41cm套管被安装在带有相同的钻井液的钻好的井眼中。将在钻井过程中所使用的带有高炉矿渣活化剂的钻井液与添加剂结合而制得粘结泥浆。准备两份单独的试料，一份用于顶部的加固，一份用于尾部，每个样品都在其使用以前取出，以便测定粘结泥浆的性质以及采用井眼底部予期的温度对从每个样品中所制得的测试样进行压力强度检测。
钻井液的体积是指对于每m3的最终粘结泥浆的钻井液的m3数，而其他成份是用每（立方米）m3的最终粘结泥浆中的kg数来表示。下面将这些成份列出。
表1.实例1中所用液体组成的数据
矿渣-混合型 头部 尾部
胶结泥浆密度,kg/m31617 1833
泥浆密度,kg/m31341 1341
泥浆体积,m3/m3粘泥 0.81 0.08
SPERCENE CF1,kg/m3粘泥 2.3 …
UNICAL CF2,kg/m3粘泥 … 7.1
NaOH,kg/m3粘泥 14 14
Na2CO3,kg/m3粘泥 28 14
NEWCEM3,kg/m3粘泥 485 856
液流学性(21℃)
塑性粘度,mPa.S 19 75
屈服点,Pa 1.4 11
10秒凝胶强度,Pa 1.4 9.6
10分凝胶强度,Pa 6.7 34
底孔静态温度,℃ 38 41
抗压强度,MPa 13 36
1.“SPERCENE CF”是木素磺酸铬的M-I钻井液商品名称。
2.“UNICAL CF”是Milchem的无铬木素磺酸盐的商品名称。
3.“NEWCEM”是从Blue Circle Cement公司得到的比表面大约是5500的研磨高炉矿渣。
高炉矿渣加固头部粘结剂被导入套管以置换钻井液，在头部粘结剂之后加入尾部粘结剂，以便在套管托周围形成高强度的粘结。如图2所示，通过采用已测体积的钻井液与粘结剂柱顶部直接接触的方法使尾部粘结剂沿套管向下移动。对套管进行同样标准的13.8MPa（表压）的压力测试，并获得通过。
这表明按照本发明的技术采用直接液体接触的方法通过去掉了压塞不仅能使程序简化，而且还能得到更好的结果。
在基本相同的条件下进行了另两次实验，亦取得了同样满意的结果。