低溫鉆井液研究和應用進展

陳鴕，張楠，楊雙春，蔡家鐵，李敏，Nakekes Pokawin

(1.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；2.中國石油大學 化學工程與環境學院， 北京 102249；3.遼寧石油化工大學 國際教育學院，遼寧 撫順 113001)

低溫鉆井液(LTDF)是指在冰層、永凍土層、極地、海洋深水等低溫地層鉆進所用的特殊鉆井液。其要求鉆井液在低溫條件下有堵漏防塌能力、有良好的流變性和失水特性、密度、粘度、剪切強度，并具有較好的“自控能力”，能控制其本身的流體溫度等。目前關于LTDF的資料較少，這大概是由于國內外當前在極地、永凍層以及冰層等特殊環境的鉆進研究和工程實踐數量少，專家學者們也就開始涉足低溫鉆井液的研究，如Wang等[1]采用防凍劑甲酸鉀、KULI植物膠、納米SiO2、無機處理劑、高分子增效劑等配制了一種低溫綠色納米材料復合的植物膠鉆井液，并用該鉆井液體系在阿爾卑斯生態脆弱地區進行勘探鉆探，其鉆井液低溫流變性好、粘彈性和抗塌性能較好，符合環保要求；國內學者張靈霞等[2]研究了在水基鉆井液中添加乙二醇[(CH2OH)2]和無機鹽類(磷P、鉀K、硫S)防凍劑，發現此類鉆井液中乙二醇或者其衍生物起抗低溫作用，無機鹽類起防凍作用，在凍土層中二者協同。

本文通過大量的文獻調研，綜述了低溫地層、海洋深水相關低溫鉆井液的研究現狀，分析了它們的優缺點以及應用情況，提出了低溫鉆井液LTDF科研方向與建議。

1 冰層和極地鉆進使用的低溫鉆井液

冰層是非線性流變介質，可以與地層壓力達到平衡狀態，使孔壁達到穩定。因為其礦產與油氣資源的非常規勘探開采，低溫地層的科學鉆進顯得十分關鍵，低溫地層鉆進與常規鉆進一樣需要合適的鉆井液，以達到實現平衡地層壓力、保持孔壁穩定、冷卻和潤滑鉆頭和鉆具、攜帶和懸浮鉆屑的目標。

外國學者在早期提出除了航空煤油鉆井液(TC-1型航空燃料、柴油機燃料)外，還有氟代烴類、有機硅類和脂肪酸酯類[3]。如今國內對低溫鉆進的研究也涌現了一些研究成果，比如王莉莉等[4]對不同混合酯的耐低溫性能進行分析，討論了脂肪酸酯類(一元、二元脂肪酸酯)分子特點，得到低分子飽和脂肪酸單酯具有較強的耐溫能力，在-60 ℃下，單酯的密度為0.934～0.964 g/cm3，黏度為3.72～15.2 mPa·s，較好地符合粘度與密度范圍，能達到鉆探南極冰層取心的條件，且具有良好的低溫流動性；但作者還發現混合酯的分子內酯基較多，分子鏈長度大，不能達到所需的粘度與密度的條件。

宋佳宇等[5]以二元脂肪酸二醇酯、低分子量飽和脂肪酸酯與甲基硅油為試驗對象，研究了鉆井液粘度與密度對鉆進效率與孔壁穩定的影響。發現了低分子量飽和脂肪酸單酯，在-60 ℃ 條件下，具有較低的粘度與合適的密度，并提出鉆探時其中丁酸丁酯最佳；甲基硅油因具有粘溫系數小、無毒、揮發性小，可用作極地冰鉆鉆井液材料。

中國石油大學(華東)學者[6]研制了一種水基無粘土相鉆井液，鉆井液體系包括超低溫基液、封堵劑、增粘劑和水等，其中由無機鹽和醇組成了超低溫基液，凝固點≤-28 ℃，導熱系數<0.5 W/(m·K)。作者提出該水基無粘土相鉆井液在-25 ℃的條件下仍具有良好的流變性、濾失性、低導熱特性、井壁穩定性及環保性，能夠應用于極地凍土地層鉆探中。

總的來說，在進行冰層取心鉆進時，鉆井液的主要作用是維護鉆孔的穩定、清洗鉆孔的底部與排除冰屑的作用。國內外有研究表明在南極與格陵蘭等地區的極地冰層鉆探實踐中，使用的低溫鉆井液取得了成功，文獻調研發現適合于冰層鉆探用的鉆井液類型比較多，各自都存在一些缺點，難以完全滿足南極極地冰層鉆探的具體要求，如某些鉆井液還存在著低溫粘度過大、低溫條件下的性能變化有差異、對環境污染嚴重等問題。可見，在冰層和極地鉆進使用的鉆井液方面，要做的研究還有很多，建議通過對已有鉆井液體系的性能和機理分析，先進行大規模的處理劑篩選進行體系研發，然后進行關鍵處理劑開發，研究關注不要都集中在單一的抗凍劑上。

2 永凍土層地層鉆進使用的鉆井液

凍土地層的鉆進主要是在凍結巖層進行，凍結巖層在長期的低溫和壓力條件下，由未凍結的水、冰塊以及充滿水蒸氣的空氣、不同種類的礦物顆粒等形成的多成分巖系。在鉆進時，導致永凍層自身物理性質發生本質變化，是隨外部溫度和壓力條件發生的變化，對原有平衡造成破壞。凍土地層鉆進中使用的鉆井液體系與常用鉆井液不相同，除具有良好的穩定孔壁的能力、凈化孔底、懸浮排出巖屑與冷卻鉆頭作用外，還要求其在凍土層鉆孔時有優良的流變性來滿足高壓、低溫的條件。

馮哲等[7]在無固相聚合物低溫鉆井液中加入乙二醇、其他高聚物等處理劑利用正交實驗法分析了鉆井液的耐低溫特性，得到配方體系使用的主劑為乙二醇與 PVA，其鉆井液-20 ℃條件下有著較好的流變性能。

吉林大學展嘉佳[8]依據高原凍土地層使用鉆井液原則，在無固相高聚物抗低溫鉆井液研究的基礎上，對不分散低固相高聚物體系的抗低溫鉆井液進行了進一步實驗研究。得出以(CH2OH)2和 NaCl 為主要防凍劑的耐低溫鉆井液，鉆井液配方符合在-20～-5 ℃低溫條件下的應用，保持優良使用性能，且鉆井液體系配比的經濟性較好，成本較低。

綜上所述，大多數學者以NaCl 作為鉆井液的抗凍劑，并發現其隨著濃度的增高，抗低溫效果逐步增強。如丁付利[9]通過幾組配方進行實驗，得出NaCl 濃度為 20%時，可以達到抗低溫-18 ℃的效果；在此基礎上并研發了新型抗鹽處理劑 GTQ，以 GTQ 作為增粘劑的鉆井液，具有很好的抗鹽效果，有效解決了“鹽侵”的問題，使配方的整體效果能夠發揮。但由于時間原因，所得到的最佳鉆井液配方比例沒有在現場進行應用，因此建議需要進一步驗證在現場使用時能否達到效果。此外，除了NaCl、氯鹽類等無機鹽鉆井液體系，應加強研發其他體系。

3 天然氣水合物鉆進使用的鉆井液

由充分的天然氣和水分以及沒有影響的形成空間在高壓(主要取決于上覆地層厚度)、低溫(主要影響是平均地表溫度、地溫梯度)的前提下構成的結晶籠型化合物稱為天然氣水合物。大多積聚于永凍土層區和海水底部。據調查，國內外已探采的資源儲量[10]大概為2.1×1016m3，其含碳量為天然氣、煤和石油的2倍左右，被認為是未來替代石油和煤等的新型清潔能源。

3.1 賦存天然氣水合物永凍層鉆進使用的鉆井液

鉆井液是凍層鉆井流程中極其重要的部分，高原凍土是天然氣水合物永凍層主要賦存的區域，為確保成功鉆探，其不僅在低溫環境下有優良的流變性能，還要能夠抑制水合物分解、用來維護相對平衡。

Freij-Ayoub等[11]采用卵磷脂試劑并添加PVP溶液和多聚物等，在阿拉斯加北極地區進行鉆進，其機理是卵磷脂試劑能夠在天然氣水合物外表上吸附，形成新凍土層，有效抑制氣體擴散，使凍土層可分解出的自由水和氣體結合，降低分解速度。

Nikolaev等[12]根據我國西部含天然氣水合物多年凍土的特點，以及醇鉆井液的應用，研究了聚乙二醇-丙二醇復合醇鉆井液。發現其密度合理，能有效控制頁巖膨脹，還有著較好的低溫流變性、抑制能力和潤滑性等，防止少量天然氣水合物釋放的游離物在井筒周圍循環產生影響。

王勝等[13]研制了用溶液(15%氯化鈉)作為基礎液來滿足鉆探要求的無固相低溫鉆井液體系，配料比：1 000 mL水+8%SW+0.5%NaOH+15% NaCl+5% FA(FA為特種高聚物，是一種新型增粘劑)，解決了低溫技術問題，具有創新性。

劉華南[14]通過數值模擬建立了一個室內凍土溫度場檢測實驗平臺，采用發泡劑，研制出一種機能較好的低溫泡沫鉆井液，探索了鉆井液不同因素影響凍土層擾動的情況，分析了凍土地區施工常遇的各類問題，并應用于現場，效果良好。

華緒[15]研制出一種適于凍土天然氣水合物鉆探護壁堵漏的納米復合水泥漿液，發現該納米復合水泥漿液在不同低溫環境下性能良好且較穩定，加大結石體的抗壓能力，還能在時間上減短凝結；能夠促進水泥漿液水化，填充漿液結石體內部孔隙[16]，改善其流變性能，使得復合水泥漿在低溫環境下性能更優，且不同低溫環境下性能更為穩定。

3.2 賦存天然氣水合物海水鉆進相關的鉆井液

海洋天然氣水合物地層鉆進過程中，隨著鉆井液的侵入有可能會出現水合物分解，繼而引發井壁失穩等問題。

蔣國盛等[17]研究了以海水、NaCOOH、SK-2、改性淀粉、KPAM、LV-PAC、PVPK-90配制的甲酸鹽無粘土鉆井液，得出動力學抑制劑PVPK-90的水合物生成抑制性添加量為 1%較好，能有效保證在水合物地層的鉆井安全。

王震等[18]研制了一種納米SiO2鉆井液，配方：海水納米 SiO2+膨潤土+Na-CMC(羧甲基纖維素鈉)+SMP-2(磺甲基酚醛樹脂)+PVP(K90) (聚乙烯吡咯烷酮)+KCl(氯化鉀)，對其低溫性能和水合物生成抑制能力展開了討論。發現該鉆井液低溫流變性、泥頁巖水化抑制能力和密度較好等，適合海洋鉆進施工使用。建議日后的研發中，加強利用納米材料的化學活性、晶核等特性，注重研究其在低溫鉆井液 LTDF 中的應用原理，以便設計更合理的納米鉆井液。

劉天樂等[19]研究了動力學抑制劑的聚合醇鉆井液，配方：人造海水+3% 膨潤土+1% LV-PAC +4% SMP-2+10% 聚乙二醇+0.5% NaOH+20% NaCl+1% PVP (K90)，低溫聚合醇鉆井液體系改良之后擁有最佳的流變性和頁巖抑制性等。但此實驗只在室內實驗室下進行分析，希望在以后的調研中能結合鉆井技術需要，進一步研究現場鉆井液的應用情況。

邱正松等[20]以十二烷基硫酸鈉(SDS)、聚乙烯基吡咯烷酮DY-1和改性卵磷脂、去離子水、純度 ≥99.9% 甲烷氣體等配制，研制了一套水合物地層鉆探的低溫水基鉆井液，其低溫流變性、頁巖抑制性、潤滑性和抑制鉆井液中水合物生成與分解性能都較好。

綜合上述文獻，根據天然氣水合物凍土層、海洋天然氣水合物的鉆進特點，建議今后加強多種鉆井液體系適用性的研發，如耐低溫泡沫鉆井液、耐低溫復合醇體系等；同時發現我國在設計抑制劑結構分析方面缺少創新，如采用聚合物分子結構設計低溫鉆井液可提高鉆井液抗凍性；在研發新型添加劑時，大多只關注抑制性能，針對鉆井液的其他內容如懸浮性、潤滑性的研究都很少，限制了天然氣水合物鉆井液的發展；在日后研究過程中，可在納米技術等方面多關注，并加強多學科交叉配合。

4 低溫鉆井液的現狀總結

目前國內外在低溫條件和低溫地層鉆進中勘探開發積聚的經驗不多，文獻也較少，但是近年來由于低溫地層資源已成為石油開發重點，因此在對低溫鉆井液LTDF體系的逐漸增加研究中，也收獲了一些成績。將相關的低溫地層鉆井液研究和應用現狀進行比較列表(表1)，總的來說，縱觀國內外對低溫鉆井液的研究(采用水基鉆井液對解決抑制天然氣水合物分解問題)，已取得了較好的效果。因此，要落實低溫物層的安全鉆井，重點技術在于鉆井液。

表1 鉆進使用的低溫鉆井液情況Table 1 Low temperature drilling fluid used in drilling

5 結束語

隨著石油工業的發展，低溫地層資源已成為石油開發重點領域，本文對低溫鉆井液進行了綜述，得出了以下幾點建議：

(1)針對當前在極地冰層鉆進中已使用過的鉆井液低溫粘度大、低溫條件下的性能不穩定、環境污染嚴重的問題，建議研發安全、環保的新型耐低溫鉆井液。

(2)凍土層的低溫鉆井液配方的低溫流變穩定性較好，低溫下不易“稠化”，但不足的是其動切力稍偏低，建議主要關注鉆井液體系動切力性能的優化。

(3)天然氣水合物的低溫鉆井液研發方面，可加強研究其他耐低溫鉆井液LTDF體系如泡沫體系；加強研究懸浮性能、潤滑性能。

(4)探索研發添加更先進、更智能、低溫適用溫度范圍更廣的材料，如加入納米復合材料、耐低溫無機鹽、智能材料，使其能夠滿足不同地層的鉆進要求。