隨著溫度的升高，鉆井液的各種性能發生變化。壹般來說，升溫會使鉆井液的造壁性能變差，即泥餅變厚，滲透率變大，濾失量增加。這種趨勢與 API 失重的大小沒有直接關系，即 API 失重小的鉆井液在高溫高壓條件下不壹定失重小。這表明在高溫下存在不同的作用機制。
高溫對鉆井液流變性的影響非常復雜，可以通過粘度-溫度曲線對其影響進行詳細研究。這種粘度-溫度曲線有幾種典型形式（圖 2.2）。
曲線 1 代表粘土含量較低的分散鉆井液，其抗溫能力較強。這類鉆井液的流變組成中，非結構粘度的比例大於結構粘度，如鉆井液的塑性粘度通過聚合物處理劑提高的體系。團聚性強、粘土含量高的鉆井液壹般容易出現曲線③，這類鉆井液的結構性很強（包括 "牌坊結構 "和聚合物-粘土顆粒的空間網絡結構），大大超過塑性粘度對粘度的貢獻。
圖 2.2 幾種常見的水基鉆井液粘度-溫度曲線
各種水基鉆井液在很寬的溫度範圍內（常溫和高溫）壹般都表現出曲線②的變化規律，但不同鉆井液體系表現出不同的塑性粘度（η有效值）和溫度（tB）極小值而已。
如果tB大於鉆井液的使用溫度就會成為曲線①型，如果tB低於室溫，體系的粘度-溫度曲線就為曲線③型。可以說，曲線③是各種水基鉆井液的普遍規律，而曲線①、②是其兩種特例。研究表明，溫度引起的這種變化性質很可能是可逆的。因此，它能較好地反映鉆井液使用過程中，從井口→井筒→井口循環過程中鉆井液性能的實際變化情況。這是鉆井液系統能否滿足深井段工程地質要求的關鍵問題。顯然，這種高溫變化會使井底高溫時的鉆井液性能與井口低溫時的鉆井液性能相差很大，因此，用常規儀器測得的井口鉆井液性能絕不可能測出高溫時井下鉆井液的實際性能。它只能通過模擬井下高溫高壓實際情況的儀器來測定，並以此作為設計和維護深井鉆井液性能參數和判斷井下情況確定工程措施的依據。
2.3.2高溫降低了鉆井液的熱穩定性
高溫使鉆井液各組分本身及各組分之間在低溫下不易發生的變化、不劇烈的反應、不顯著的影響都變得加劇，同時也使長裸眼井段不可避免的地層汙染（鹽、鈣、鉆屑、酸性氣體等）加劇。所有這些作用的結果必然是嚴重改變、破壞以至完全破壞鉆井液的原有性能，而且這種作用是不可逆的、永久性的改變。鉆井液體系的熱穩定性是指鉆井液在高溫條件下的穩定性，它表現了鉆井液體系在高溫條件下的穩定能力（或鉆井液抵抗高溫破壞的能力），特別是鉆井液體系的熱穩定性。壹般用鉆井液在高溫作用前後性能（在相同條件下測得）的變化來實際反映鉆井液在使用過程中井口性能的變化（有時甚至是進、出口性能的變化）。
2.3.2.1高溫對鉆井液流變熱穩定性的影響
（1）高溫增稠
鉆井液受高溫作用後的視覺黏度、塑性黏度、動剪切力和靜剪切力上升的現象，是不可逆的變化。如果鉆井液經高溫後失去流動性，則稱為鉆井液高溫凝膠化。顯然，它可以被視為壹種嚴重的高溫稠化現象。高溫稠化是深井鉆井液最常見的現象。在使用過程中鉆井液粘度、切削力不斷上升，特別是在鉆井作業過程中經過長時間高溫老化的鉆井液上升幅度更大。因此，造成鉆井液性能不穩定，處理頻繁。往往給深井鉆井液（特別是重質鉆井液）的使用帶來麻煩，而對於高溫稠化嚴重的鉆井液，使用稀釋劑壹般不能奏效，甚至反而更加嚴重，這是壹個突出的特點。
其中粘土含量高、分散性強的鉆井液常出現這種現象。
（2）高溫稠化
鉆井液受高溫作用，產生的動靜剪切降現象稱為高溫稠化。主要表現為動、靜剪切力下降。在貧土、低土、高礦化度鹽水鉆井液中經常觀察到這種現象，它不是由於鉆井液組分的變化而純粹是高溫引起的變化。在實際應用中，它表現為鉆井液的粘度和井口切度逐漸緩慢下降。傳統的增稠劑很難改善這種下降。由於嚴重的高溫稠化會導致鉆井液重晶石析出加劇，因此在使用中也應充分註意。壹般情況下，可以通過使用表面活性劑或適當增加鉆井液中的粘土含量來解決。
（3）高溫固化
鉆井液經高溫成型並具有壹定強度的現象稱為高溫固化。凡高溫固化的鉆井液不僅完全失去流動性而且失水量激增。這種情況多發生在粘土含量高、Ca2+濃度大、pH值高的鉆井液中。
實踐證明，鉆井液在高溫作用後往往會出現四種不同的現象，即高溫稠化、膠凝、固化和增稠。這些現象不僅出現在不同的鉆井液體系中，也出現在不同條件下的同壹鉆井液體系中。這充分說明了高溫對鉆井液影響的復雜性。
2.3.2.2高溫對鉆井液井壁形成熱穩定性的影響
鉆井液經高溫作用後，失水量增加，泥餅增厚是壹種普遍現象。增加的程度因鉆井液體系而異。但有些鉆井液體系，如 SMC-SMP 鹽水鉆井液體系，則表現出相反的結果，即高溫作用後鉆井液的濾失量減少，泥餅質量變好。在前壹種情況下，濾失量或 HIHP 過濾量在井口溫度下增加，井越深、溫度越高，濾失量增加得越多。後者則是鉆井液使用越多，性能越好，並呈現出井越深、溫度越高、使用時間越長，效果越好的趨勢，即高溫對鉆井液性能改善的趨勢，見表2．3 高溫對鉆井液內壁的影響
2.3.3 高溫降低鉆井液的pH值
實踐證明，鉆井液受高溫的作用 實踐證明，高溫後鉆井液的pH值下降，而且下降的程度因鉆井液體系的不同而不同。鉆井液礦化度越高，下降程度越大，經過高溫作用的飽和鹽水鉆井液 pH 值壹般下降到 7 至 8。這種pH值的下降必然會惡化鉆井液的性能，影響鉆井液的熱穩定性，高溫後使用的鉆井液體系出現pH值下降趨勢時，壹般不能通過加燒堿來解決，燒堿加得越多，pH值下降得越厲害，鉆井液的性能越不穩定。燒堿加入量越多，pH 值下降越厲害，鉆井液性能越不穩定。壹般來說，使用表面活性劑可以抑制體系pH值的下降，或使用pH值較低的鉆井液體系。
2.3.4 高溫高壓對泥漿密度和分散性的影響
隨著井深的增加，地層的溫度和壓力也會隨之升高，鉆井液的性能也會發生明顯的變化。其中，密度是發生變化的重要參數之壹。鉆井液在井眼中的密度是各種鉆井施工和設計所必需的基礎數據，而在高溫高壓環境下的超深井中，鉆井液的密度不再是壹個常數，而是隨著溫度和壓力的變化而變化。鉆井液的高溫高壓密度特性直接關系到井眼靜態液柱壓力分布的準確計算和循環壓力消耗的大小。為了更準確地預測鉆井液在高溫高壓下的真實密度，研究高溫高壓水基鉆井液的p-ρ-T特性具有重要的現實意義。
隨著國內油氣田勘探開發的不斷深入，深井和超深井鉆井數量不斷增加，深井和超深井地層復雜，井下溫度和壓力高，鉆井液密度容易發生變化，可能導致壹些井下復雜情況的發生。因此，對於深井、超深井，研究高溫高壓鉆井液密度特性具有重要意義。
2.3.4.1高溫高壓下鉆井液中固相的體積變化
根據美國石油學會（API）的規定，鉆井液中的固相按其顆粒大小可分為三類，即粘土（API膠泥）、泥漿和砂（API砂）。其來源主要是粘土粉、巖屑和重質材料（如重金石）中不需要的成分。高溫高壓下鉆井液密度的變化可能會受到這些固相體積熱膨脹和高壓收縮的影響。
（1）高溫高壓下鉆井液中粘土顆粒的體積變化
有研究表明，高溫高壓下鉆井液中粘土成分的特性會發生很大變化。根據前面的解釋（2.1.1 部分），粘土水化分散性增強，ζ電位提高，顆粒周圍形成比常溫下更厚的水化膜，即出現高溫分散現象。當鉆井液中粘土含量超過壹定上限時，鉆井液在高溫下會出現高溫凝膠現象：粘土體積迅速增大，甚至凝聚成團。此時，與高溫分散相比，粘土顆粒自身的體積變化就無法考慮了。
目前還沒有與鉆井液中粘土顆粒體積變化對鉆井液密度影響直接相關的研究，假設粘土顆粒本身的體積變化應該與不需要的固相的體積變化相似。
（2）高溫高壓條件下鉆井液中有害固相的體積變化
鉆井液中不能形成泥漿的成分，如巖屑和粘土粉中的高嶺石、伊利石等，在鉆井液中占有壹定的比例。在不含加重劑的普通鉆井液中，這壹比例更大。巖屑被鉆頭磨碎或切斷後，受力狀態發生變化，體積也隨之發生變化，之後被鉆井液攜帶，不斷上浮到井口排除。在此期間，巖屑的體積不斷變化，影響井筒環空中鉆井液的密度（圖 2.3）。
圖 2.3 井下巖屑應力狀態分析
理論推導和計算表明，在 300℃高溫和 260 MPa 高壓條件下，鉆井液中有害固相變形的計算結果為 0.25% 至 0.45%（圖 2.4）。
圖 2.4 溫度和壓力引起的巖屑體積變形
從上圖可以看出，A 線從下到上的寬度在 27 到 49 之間，B 線的寬度在 30 到 46 之間。
整體巖屑變形量估計為 40，即 0.4%。假定上返鉆井液中固相體積含量為5%，則固相成分體積變化引起的鉆井液體積變化量為：
超深井鉆井技術科學計劃預研究專題成果報告（中卷）
鉆井液密度變化量為：
超深井鉆井技術科學計劃預研究專題成果報告（中冊）
如果鉆萬米超深井所用鉆井液的密度為 1.
<>如果萬米超深井鉆井液密度為 1.76g/cm3，固相體積變化引起的鉆井液變化量為 0.0007g/cm3，影響很小。2.3.4.2高溫高壓條件下鉆井液中液相的體積變化
高溫高壓對鉆井液密度的影響主要是受高溫高壓條件下鉆井液中液相組分體積變化的影響，從前人已有的研究成果來看，液相對鉆井液密度的影響遠遠大於固相的影響。這大概有兩個原因：壹是液相組分在鉆井液中占有相當主要的部分，液相的微小變化可能會放大累積結果；二是液相分子間作用力小，受溫度變化的可能性比固相分子大。
根據同濟大學齊德清等人撰寫的《工程流體力學》壹書中的描述：實驗指出，在壹個大氣壓下，當溫度較低時（10-20℃），每升高1℃，水的體積變化1.5×10-4。溫度高時的變化量約為 T×10-4。
由此可以大致推算出，當鉆井液的溫度上升到 300 ℃ 時，鉆井液的體積變化量約為 T×10-4。鉆井液的體積變化約為：
科學超深井鉆井技術方案預研究專題成果報告（中卷）
是原體積的 0.0017 倍。
鉆井液密度變化比為：
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假設超深井鉆井液密度為 1.76g/cm3，則僅水基鉆井液中水介質高溫體積變化引起的鉆井液密度變化量為
由此可見，液相體積的變化對鉆井液的密度有影響。這說明液相體積變化對鉆井液密度的影響比鉆井液中固相含量的影響大壹個數量級。
2.3.4.3 高溫高壓對鉆井液密度的影響
密度特性主要由體積變化決定，而體積變化又受溫度和壓力的影響。溫度的影響表現為膨脹，壓力的影響表現為壓縮。高溫高壓密度試驗主要測量鉆井液在不同溫度和壓力組合狀態下相對於室溫（常溫）的體積，常壓下的體積變化量，試驗液的體積變化量是通過吸入多少或排出多少來測量的，然後通過稱重法得到。cm3；V0 為試驗液的初始體積，m3；ΔV 為體積變化量，m3。
（1）溫度對鉆井液密度的影響
根據王民生（2007）等人利用高溫高壓鉆井液密度表征試驗裝置對勝科1井現場配制的超深井鉆井液和王貴（2007）等人在實驗室配制的鉆井液的研究，壓力為10MPa、30MPa、50MPa時溫度對密度的影響如圖2．5 和圖 2.6。
圖 2.5 溫度對鉆井液密度的影響1
圖 2.6 溫度對鉆井液密度的影響2
圖 2.5 中的曲線關系為：
在 10MPa 時：R2=0.9998；ρ=-1×T2+0.0007T+1.7408
在 20MPa 時：R2= 0.9999; ρ=-1×T2+0.0008T+1.7363
30MPa 時：R2=1；ρ=-1×T2+0.001T+1.7266
從圖 2.5 中可以看出，當壓力壹定時，鉆井液的密度隨溫度的升高而減小，且減小的幅度較大，在壓力為 50MPa，溫度為 60℃時，密度為 1.758g/cm3，當溫度達到 150℃時，密度減小到 1.703g/cm3，減小的幅度約為 3%。同時，在相同壓力下，隨著溫度的升高，密度下降的趨勢更加明顯，說明鉆井液在高溫下的可壓縮性更大，曲線的非線性更加嚴重。從圖 2.6 可以看出，在壹定壓力條件下，水基鉆井液的密度與溫度呈二次曲線關系。而且密度的下降幅度在幾個百分點之內。
（2）壓力對鉆井液密度的影響
壓力對鉆井液密度的影響如圖 2.7 和圖 2.8 所示。2.8 壓力對鉆井液密度的影響2
圖 2.7 中的壓力和密度可以用直線關系描述如下：
100℃時：ρ=0.0004p+1.7102，R2=0.9997；
在 120℃時：ρ=0.0006p+1.6771，R2=0.9999；
在 140℃時：ρ=0.0007p+1.6408，R2=0.9996；
在 170℃時：ρ=0.0009p+1.5664，R2=0.9986.
從圖 2.7可以看出，當溫度壹定時（溫度分別為 60℃、90℃、120℃、150℃），鉆井液密度隨壓力的增加而增加，當壓力增加到壹定值時，鉆井液密度不再明顯增加。對比曲線 2 和圖 2.7 可以看出，鉆井液受溫度的影響較大，受壓力的影響較小。從圖 2.8 可以看出，在溫度壹定的條件下，水基鉆井液的密度與壓力呈線性關系，且隨著溫度的升高，直線的斜率逐漸變大。
（3）理論模型的推導
分析高溫高壓下鉆井液密度變化規律的理論模型有很多，大致可分為復合模型、經驗模型、鉆井液密度隨溫度和壓力變化的模型。
對於復合模型，鉆井液由水、油、固相和加重物質等組成，各組分的性能隨溫度和壓力的變化不同。在確定這些單壹成分的高溫高壓變化規律後，就可以得到壹個復合模型來預測鉆井液的密度變化。這類模型與 Hoberock、Scolle 等人的模型類似，其中考慮了鉆井液不同液相成分的壓縮性和熱膨脹特性，而忽略了固相的壓縮和膨脹。使用復合模型需要分別對鉆井液的不同成分（水、油、固相等）進行測試，才能掌握其規律，因此其應用受到壹定限制。
經驗模型有不同的表達形式，使用起來也比較準確。該模型只需對所用鉆井液進行有限的幾組試驗，確定模型中的常數，然後根據模型計算出鉆井液的靜柱壓力和當量靜密度大小即可。由於實驗設備的限制，測試壓力和溫度與實際溫度和壓力還有壹定的距離，而且液相成分復雜，所以只能采用經驗模型。對圖中實驗數據進行擬合，得到公式
科學超深井鉆井技術方案預研究專題成果報告（中卷）
式中，x1表示溫度，℃；x2表示壓力，MPa。
從式（2.6）可以看出，如果井底壓力為 100MPa，溫度為 220℃，密度變為 1.62g/cm3 ，與常溫下的 1.75g/cm3 相比，下降了 7.5 個百分點。根據上述模型，在低溫梯度為 2.5℃/100m、地表溫度為 25℃的條件下，當井深超過 1 萬米時，溫度和壓力對鉆井液密度的影響應在幾個百分點之內。ρ=ρ0 (aT2+bT+cp+dpT+e);
對數函數形式： ρ=ρ0ln (aT2+bT+cp+dpT+e);
指數函數形式：ρ=ρ0exp（aT2+bT+cp+dpT+e）；
實證模型：ρ=ρ0exp（aT2+bT+cp+d）；
計算回歸模型的回歸系數、相關系數、回歸平方和、殘差平方和和 F 值。通過對回歸模型進行 F 檢驗，優選出最佳模型。最終得出本文所舉實例中鉆井液密度與溫度、壓力的關系式為
科學超深井鉆井技術方案預研究專題成果報告（中文）
表 2.4 模型誤差比較
從表 2.4 可以看出，采用王貴等人的指數模型計算的水基鉆井液密度模型的準確度要高得多。
2.3.5高溫會增加處理液的消耗量
經驗證明，高溫鉆井液在淺井中消耗的處理液比常規鉆井液要多得多，表2.5是美國的統計數據。
表 2.5 不同溫度下處理液消耗量的變化
盡管本資料中記錄的數據可能不適用於所有類型的鉆井液，但隨著井深的增加，鉆井液處理液消耗量顯著增加的總體趨勢是相同的。其原因有二：壹是為了保持鉆井液在高溫高壓下的性能，需要比低溫下更多的處理劑；二是為了彌補高溫破壞作用造成的損失，進行必要的添加。因此，溫度越高，使用時間越長，處理劑的消耗量勢必增加，加大了深井鉆井液的技術難度。