低溫鉆井液體系研究現狀

張雨晨，郝樹青,2，杜欣齊，呂銳杰，劉學暢

1.中國礦業大學資源與地球科學學院（江蘇 徐州 221116）

2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室（江蘇 徐州 221116）

3.中國礦業大學孫越崎學院（江蘇 徐州 221116）

全球凍土及南極大陸占地球總面積的33%，廣闊的面積中儲存著大量的礦產資源及清潔的天然氣水合物資源。在常年凍土、極地及深海區域鉆井時，由于特殊的地理環境使得勘探過程中所使用的鉆井液要在0 ℃以下具有良好的流變性能、濾失性能、潤滑性能，并對地層有良好的封堵性能，還要求具有及時冷卻鉆具以及清潔井底的能力等。一般使用無機鹽或醇類作為抗凍劑，結合降濾失劑、增黏劑等試劑配置出適合某地區的低溫水基鉆井液[1-3]。在極地等極端氣溫環境鉆井時對鉆井液的性能要求更加苛刻，要求在-60～-30 ℃下依然具有良好流變性能、護壁性能之外，還要對環境友好及不會對人體健康造成影響。多通過在航空燃油、柴油基或酯基[4-5]等溶劑中加入加重劑來平衡密度以滿足極地開采需求。本文通過查閱相關文獻，總結了低溫水基鉆井液、油基鉆井液及酯基鉆井液的應用研究現狀，分析其優缺點并提出建議。

1 水基鉆井液

水基鉆井液相較于油基鉆井液具有成本低、配置簡單、添加劑選擇多樣且來源廣泛、性能容易控制等優點，但容易受到污染且不易回收。目前在水基鉆井液中所使用的抗凍劑多為醇類及無機鹽類。但鉆井液性能并不隨著抗凍劑含量的增加而一直變好，例如當乙二醇的含量達到35%時可以抗-20 ℃的低溫，但是含量再升高則會與其他的添加劑表現出不相容性，并且NaCl的含量影響著鉆井液的流變性能及濾失量，含量越高其黏度越高，并且其濾失量也會隨之升高[6]。所以在對目標區域進行鉆井勘探時選擇合適且含量合理的抗凍劑尤為重要。

1.1 醇類低溫鉆井液

從水基鉆井液的工作特點來看，其耐溫介質須是價格低廉、來源廣泛、無毒無污染、可溶于水的，醇類由于其具有較低的凍點而被廣泛關注。但并不是所有醇類均可作為抗凍劑，像甲醇、乙醇由于易燃、沸點低等缺點[7]而不被研究工作者所使用，而乙二醇、丙二醇等是鉆井液最為常見的醇類抗凍劑，表1為乙二醇與丙二醇在不同體積分數下的凝固點。

表1 乙二醇與丙二醇在不同體積分數下的凝固點

楊軍虎、Nikolaev等[8-9]面對天然氣水合物（NGH）開采時易分解造成井壁水化坍塌等安全事故，采用復合醇（丙二醇和聚乙二醇）作為防凍劑結合水合物抑制劑配置成鉆井液。發現復合醇鉆井液密度合理、潤滑性及流變性能優異、能夠有效地抑制泥頁巖的水化膨脹和水合物的生成。在-8 ℃下塑性度（PV）為25 mPa·s，動切力（YP）為10.5 Pa，濾失量僅為5.8 mL，16 h 內泥頁巖的線性膨脹量僅為清水中的1/3，并且在12 h后幾乎不再發生膨脹。

馮哲等[10]以乙二醇為主抗凍劑結合抑制劑（聚乙烯醇）、絮凝劑（水解聚丙烯酰胺）等研制出一種復合聚合物類鉆井液，在-15 ℃低溫條件下具有優秀的流變性能及失水性能，并隨著乙二醇含量的增加其防塌性能在逐步提升，主要原因可能為乙二醇的鏈式分子結構與抑制劑聚乙烯醇分子結構相似，并且乙二醇水溶液呈現弱酸性能夠加速聚合物的絮凝使其快速成膜提高鉆井液的防塌性能。此類鉆井液隨著乙二醇的加入均為牛頓流體，嚴重影響鉆井液的流變性能，故需要進一步對鉆井液進行優化。

1.2 聚合醇類鉆井液

聚合醇類鉆井液是在20 世紀70 年代發展起來的一種新型鉆井液體系，相較于傳統的醇類鉆井液體系具有以下優點：①固相含量低，能有效提升鉆井速度；②在高速的剪切作用下固相與聚合醇分子之間及聚合醇分子之間的橋聯易發生破裂，使其具有良好的流變性能及較高的動切力；③能抑制孔壁的水敏地層發生水化坍塌，有良好的防塌效果；④擁有低密度、低固相的特點使其能夠有效地保護油氣藏，降低對油氣藏的傷害；⑤在鉆進過程中易維護、易降解且價格低廉[11]。

在對凍土區天然氣水合物鉆探時，由于長年處于低溫高壓下，巖石會更加的致密，鉆探速度會降低。為提高凍土區的鉆探速度，使用5%聚乙二醇+1%PVP（K90）作為基漿，研究低溫條件下不同的無機鹽及表面活性劑對巖石的軟化效果。發現表面活性劑對砂巖的軟化效果大于無機鹽類，并且十二烷基硫酸鈉對砂巖的軟化效果最好，能降低砂巖26.7%的顯微硬度、30%的靜態抗壓強度、18.8%的動態抗壓強度和38.5%的最大變形量，效果遠好于甲酸鉀、Mirapol Surf S210 等，可為聚乙二醇低溫鉆井液中砂巖表面活性劑[12]。韓月[13]以聚乙二醇為主結合NaCl 配置適合高原凍土區天然氣水合物開采的鉆井液，在-8 ℃下表觀黏度（AV）為42 mPa·s，動切力（YP）為13 Pa，濾失量為8.6 mL，對泥頁巖的水化有良好抑制作用，并通過COMSOL 軟件探究鉆井液對地層溫壓影響范圍進行模擬。發現鉆井液對井壁地層溫壓影響范圍最大僅為0.2 m 和0.4 m，能夠有效地保護地層減少鉆井液對地層的侵害。

聚合醇類鉆井液是近年來研制比較成功的鉆井液，但當遇到水化能力強的Li+時其抑制性就會消失，故在使用此類鉆井液時，應該探明鉆探位置地化特征，減少由于井壁發生水化而坍塌的安全事故。

1.3 無機鹽類鉆井液

無機鹽類鉆井液體系的塑性黏度要低于其他鉆井液體系，能夠降低井下壓力損失，提高鉆井效率。常用的無機鹽包括NaCl、KCl 等。NaCl 價格低廉、分布及來源廣泛，常用在高原凍土區及海洋水合物勘探中充當耐低溫介質，具有降低溶液凝固點（表2）[14]及一定的防塌性能等特點。KCl 亦可充當鉆井液抗凍劑，但在相同含量下其凝固點高于NaCl，但抑制性強于NaCl，故其主要被當作抑制劑使用[15-16]。

表2 NaCl含量與凝固點關系

楊陽等[17]根據不同的聚合物對鉆井液流變性能、濾失量及對巖石試塊的抑制能力大小，配置出乙二醇（15%～20%）+NaCl（7.5%）+膨潤土（1.5%）+聚乙烯醇（1.875%～2.25%）+水解聚丙烯酰胺（PHPA）（0.25%～0.313%）鉆井液，應用于漠河盆地對天然氣水合物的勘探中，發現其流動性隨溫度的降低變差，但降低幅度不大可以滿足在該地區使用，并對井壁起著良好的防塌效果。

張川等[2]根據高原凍土區天然氣水合物的儲層條件，以NaCl 為抗凍劑結合成都理工大學自制的ALT-1、ALT-2稀釋劑配置出在-14 ℃下具有良好性能的聚合物鉆井液，濾失量僅為4.6 mL，在對得到的實驗數據進行回歸分析發現其在低溫條件下趨勢十分符合赫-巴模式擬合度，可以達到0.997，并建立低溫條件下AV響應數學模型，精度在98.5%以上。

王勝等[18]研制以15%NaCl為基礎液的無固相鉆井液體系，配方為15%NaCl + 0.8% 植物膠+0.05%NaOH+0.5%FA，其中自制研制的特種聚合物FA解決了鉆井液的低溫技術問題，具有創新性。此方案簡單，可改變處理劑的類型及含量，適用于不同的地質條件但其實用性還需進行現場實踐。

周忠鳴等[19]選擇NaCl、腐殖酸鉀（KHM）、水解聚丙酰胺（PHP)等試劑，篩選出兩組在低溫條件下具有良好性能的鉆井液。在-15 ℃下表觀黏度分別為46.5、47.5 mPa·s，動切力分別為34、35 Pa，濾失量分別為6.8、7.6 mL。PHP 與KHM 進行配置能夠有效地增強鉆井液的抑制能力，滿足高原凍土層的使用條件并且價格低廉具有一定的實用價值。但還需進一步在實地進行鉆探試驗，以此對鉆井液的實用性進行驗證和優化PHP 與KHM 的配比提高鉆井液防塌性能。

無機鹽類鉆井液中材料來源廣泛、價格低廉，在相同的含量下其凝固點要低于乙醇、乙二醇及甲酸鹽類，是在高原凍土及深海中鉆探天然氣水合物常用的一種抗凍劑，但其對井壁的水敏地層的抑制性較小常需要添加抑制劑，而含量過高則會影響鉆井液的流變性能及增大濾失量。故在以后的工作中應該著重關注鉆井液中抗鹽添加劑的開發，有效解決“鹽侵”問題。

1.4 甲酸鹽類鉆井液

甲酸鹽類鉆井液具有對地層破壞性小、固相含量低、清潔能力強、污染小、對水敏地層抑制性強、與聚合醇類相復配時具有良好的防塌性能和潤滑性等優點而引起廣泛關注[20]。在甲酸鹽中一般使用甲酸鉀與甲酸鈉，相同含量情況下甲酸鈉的凝固點要遠低于甲酸鉀[21]。

WANG[22]以甲酸鉀為耐溫介質結合植物膠、納米二氧化硅等配置成低溫植物膠鉆井液（水+15%HCOOK+0.6% kuli gum+0.3% 瓜兒豆膠+0.1%Nano silica+0.15%Na2SiO3），對其性能進行測試發現在-10 ℃下具有良好的流變性及黏彈性，在進行膨脹量測試時發現在清水中浸泡的試塊在48 h時完全坍塌，在該鉆井液中膨脹量為4.65 mm，且96 h 后依舊保存完好并在高寒復雜地質條件下進行實地應用，表現出良好的流變性能及防塌性能。

張鵬飛[23]選用甲酸鈉作為抗凍劑，結合Na2SiO3、羥甲基淀粉等配置成的鉆井液（1 000 mLH2O+5%鈉土+16%HCOONa+0.1%Na2SiO3+1.5%羥甲基淀粉+0.2%瓜兒豆膠）具有良好的流變性能（AV=18 mPa·s，PV=12 mPa·s，YP=3.8 Pa），并在川藏線中易破碎地層進行實地鉆探，使用此鉆井液平均鉆進速度提升66.7%，巖心采取率高達90%，并且形成了更加優異的泥皮保護膜。

盡管甲酸鹽類鉆井液在低溫條件下擁有良好的流變性能、防塌性能、潤滑性、易維護及能夠有效地保護儲層等優點，但是其價格要高于一般的無機鹽（NaCl）和泥頁巖抑制劑（KCl）故在實地應用方面并未進行大規模的應用，需要進行優化減少損耗量和提高回收率。

1.5 醇/無機鹽類低溫鉆井液

鉆井液中試劑的抗鹽性能決定著無機鹽的含量不能過高進而導致使用溫度范圍有限，醇類鉆井液含有較少的黏土等固相顆粒令其在低溫條件下流變性能較高于無機鹽類鉆井液，并且不與鉆井液中添加劑發生化學反應，故將兩者相結合可以在一定程度上緩解無機鹽對試劑的“鹽侵”傷害，擴大使用范圍。

NaCl 和乙二醇復配得到的鉆井液能在低溫條件下體現出優異性能。10%NaCl+5% 乙二醇在-10 ℃條件下流動性良好未絮凝，并在-9.1 ℃下形成薄而密的濾餅，濾失量僅為8.2 mL，并且隨溫度的降低鉆井液的非牛頓性隨之增強[24]。邱正松等[25]在極地凍土鉆探條件下，使用乙二醇與NaCl復配添加黃原膠(XG)、羥乙基纖維素和改性淀粉等配置成無固相鉆井液，凝固點均小于-28 ℃、導熱系數＜0.5 W/（m·K）。在-25 ℃時泥頁巖膨脹率僅為0.4%～0.5%，遠小于在清水中的10.4%。

Hao S Q[26]使用聚乙二醇（PEG）與NaCl 作為防凍劑結合抑制劑KCl及防塌劑羥乙基纖維素（HEC）利用正交實驗法配置而成低固相鉆井液（0.5%HEC+5%PEG+20%NaCl+ 5%KCl），滿足鉆井液在低溫條件下的流變性能及失水量，并通過浸泡實驗表明該配方能將NGH樣品帶到地面。

劉天樂[27]對適用于海底天然氣水合物鉆探的鉆井液進行探究，配制出人造海水+10%聚乙二醇+3%膨潤土+0.3%Na2CO3+20%NaCl+4%磺甲基酚醛樹脂+1%低黏聚陰離子纖維素（LV-PAC）+1%聚乙烯毗咯烷酮PVP（K90）+0.5%NaOH，該鉆井液密度適中，在16 h 膨脹實驗后其線性膨脹量僅為13.8%，相較于清水減少了65.93%，能夠抑制頁巖膨脹，且在18 MPa 下，能夠20 h 內抑制水合物生成，保證鉆探的安全進行。

相較于單純的無機鹽基鉆井液和醇基鉆井液，對兩者進行復配能夠表現出更加優良的流變性能和對泥頁巖的抑制性能，對不同類型抗凍劑進行復配以減緩或消除單個抗凍劑具有的缺陷是未來發展的重要方向。

2 油基低溫鉆井液

油基鉆井液相較于水基鉆井液更抗鹽侵、潤滑性能好和優秀的抑制穩定性成為非常規油氣藏地層鉆探開發的首選，但是其流變性能受溫度的影響較大。

2.1 煤油、柴油機鉆井液

煤油和柴油都是輕質石油，柴油運動黏度（3～8 mm2/s）高于煤油（1～2 mm2/s），均不溶于水可溶于醇類和其他有機溶劑。兩者凝固點低，分別為-47、-50 ℃，多用于冰層的鉆探中，是在南極鉆探中使用最早的油基溶劑，亦是最早在南極地區使用的石油基鉆井液。但煤油的滲透性高，容易侵入到有裂縫發育的地層當中，造成地層膨脹坍塌并且對地層環境造成嚴重的污染，兩者均具有毒性，故隨著毒性較低、易降解的脫芳香烴類溶劑油（ExxsolTMD30、ExxsolTMD40）和異構烷烴類（IsoparTMK）的出現，煤油柴油等逐步被取代[28]。

航空燃料鉆井液是一類在極地極端低溫條件下使用的鉆井液，由石油加工而得，相較于柴油，其具有良好的流變性能、凝固點低更清潔等優點，但有一定的揮發性和毒性。1980 年于格陵dye3 被首次使用，之后中國的東方科考站以苯甲醚為加重劑添加乙醇、n-乙酸丁酯劑硅有機溶液進行改進。煤油、柴油及航空燃料等石油基鉆井液，由于其自身密度不能滿足極地鉆探需求，需添加加重劑來調節其密度。美國首先在南極地區使用C2HCl3作為加重劑，又在20世紀80—90年代使用C2Cl4，但由于其毒性較高被三氯氟甲烷和三氯三氟乙烷所取代，隨后研究人員相繼開發出二氯氟乙烷、氫氟醚等毒性更加低的加重劑[29-31]。但不論哪種加重劑在低溫條件下黏度高、價格昂貴、均具有毒性、對該地區的環境造成污染甚至破壞臭氧層而被舍棄，嚴重限制了其在極地地區的應用，在未來的研究應著重于無毒、無污染且價格適中的新型加重劑的開發。

以上石油基鉆井液一般運用在極地等極端氣候條件下，要求在-60～-30 ℃下具有良好性能，在一般的高原凍土區或者深海地區進行勘探由于石油基鉆井液的污染性及價格的制約而被其他油基鉆井液所取代。劉剛[32]采用氣制油作為鉆井液油相和作為水相的CaCl2溶液加入自制的乳化劑、降濾失劑等配置成一種新型的油包水耐低溫鉆井液，在-10 ℃下仍具有良好的流變性能和濾失量，并且可抗鉆屑、CaCl2、劣質土等的污染。

2.2 甲基硅油類鉆井液

甲基硅油是一種無色無味不易揮發且化學性質穩定的液體，與金屬、塑料橡膠等不發生反應、不溶于水、甲醇等，但可以與煤油、苯等互溶，具有在低溫條件下黏度系數小、無污染等優點[33]。甲基硅油屬于塑性流體的密度與溫度大致呈線性關系，隨溫度的降低密度增大，在-60 ℃密度約為0.98 g/cm3，-40 ℃時其流變性能良好并且流變特性與溫度之間關系符合二次曲線方程μ= 0.001 9t2-0.123 3t+ 7.031 7（μ為運動黏度，mm2/s；t為溫度，℃），推斷出在-60 ℃時其運動黏度為21 mm2/s。將日本生產的硅油（2.0 mm2/s）與我國生產的硅油（5.0 mm2/s）進行對比，發現日產的硅油在-60 ℃下密度為0.952 g/cm3，運動黏度為12.29 mm2/s，而國產的則為0.993 9 g/cm3和43.06 mm2/s，相較而言常溫下黏度在1.5～2.0 mm2/s更能符合其在低溫條件下的鉆探要求[34-35]。但是由于其價格是一般鉆井液的5～10 倍嚴重制約了其在實地鉆探中的應用，到目前還未應用在南極實地勘探當中。

3 酯基鉆井液

酯基鉆井液在低溫條件下一般運用在極地冰層及對天然氣水合物的鉆探中，極地由于嚴酷的氣象條件需要特殊的鉆井液添加劑來保證鉆井液在-30 ℃以下流變性能良好且在-60 ℃時運動黏度保持在10～15 mm2/s。

美國PICO 在對近25 萬種化學物調查后總結出4 種潛在的酯類鉆井液，正丙酯、n-乙酸正丁酯、醋酸戊酯及丙酸酯，對比其在低溫條件下黏度、密度及污染性等因素，發現只有n-乙酸正丁酯符合條件。n-乙酸正丁酯是一種白色有水果氣味的酯，凝固點-77 ℃，在-30 ℃密度為0.930 g/m3，溶于乙醇、乙醚、苯等，微溶于水。一般應用在極地環境，但對橡膠具有強腐蝕性并對人的身心健康有一定影響[34]，故在沒有辦法消除其乙酸蒸汽時不建議使用。

吉林大學韓麗麗[4]依據在極地極端氣溫條件下所使用的一種無毒、密度適中、環保及廉價的鉆井液，對一元酸酯MFAE、二元脂肪酸酯STE-A、混合酯STE-B、多元醇混合酯STE-C 及二元酸酯DBE-N在低溫條件下進行密度及流變性能測試，結果見表3。發現MFAE在低溫條件下密度、黏度均符合極地冰層的鉆探工作，STE-A 可以滿足在-30 ℃左右環境的冰層鉆探但在-45 ℃以下其黏度偏高，STE-B、STE-C 兩種酯在-30 ℃以下密度黏度均偏高，但可以作為加重劑或增黏劑使用。將不同的脂肪酸酯在-60 ℃下測量黏度及密度，發現低分子飽和脂肪酸單酯的黏度范圍在3.72～15.2 mPa·s，密度在0.934～0.964 g/cm3，其中又以丁酸丁酯性能最優（8.7 mPa·s、0.942 5 g/cm3），是在冰層鉆探最為理想的鉆井液材料。同時發現混合酯黏度及密度變化與酯的數量、分子間結構、碳氫鏈長度有關，數量越多、分子間作用力越大及碳氫鏈越長，酯的密度及黏度變化越大[35-36]。

表3 不同酯在不同溫度下的密度及黏度

綜上酯基鉆井液能夠在極地極端氣溫條件下具有合適密度及良好的流變性能，但由于其自身或多或少具有毒性易對人體的身心健康造成影響，個別適合極地鉆探酯類但由于其具有強腐蝕性，腐蝕鉆具及其密封圈使鉆井工作不能長久。故在后面工作對現有的酯類進行復配挑選出在低溫條件下具有理想密度和流變性能的酯基鉆井液，開發出更加環保、無毒、污染小的新型酯基鉆井液。

4 結束語

水基鉆井液目前工藝已較成熟，其在低溫條件下具有良好流變性能、原料來源廣泛、添加劑比油基鉆井液相比價格更加低廉、環保，但是其容易受到油氣藏的污染并且鉆井液的水分對井壁的水敏地層容易造成傷害且不好回收。油基鉆井液目前在低溫條件下一般應用在極地地區的鉆井勘探以全油基鉆井液為主，而在高原凍土、深海天然氣水合物的開采時以油包水乳化鉆井液為主是未來的發展趨勢，相較于水基鉆井液其自身抗污能力、抗鹽能力強、良好的潤滑性對油氣藏的傷害小且可回收重復利用，但是會對開采地區周圍環境造成污染且其成本高于水基鉆井液?？沟蜏仵セ@井液一般使用在極地環境中，其在-60～-30℃下流變性能良好能滿足在南極鉆井需求，但其自身化學性質及在使用時用來調節密度的加重劑均對人體身心及周圍環境有一定傷害，故在透氣不好的環境下不建議使用。

目前對于低溫鉆井液多為室內研究，得到的理論值與實際施工數據有所差別，在未來對低溫鉆井液研究要與目標地區實際地層特性、鉆井壓力、鉆井液對地層封堵機理、地層溫壓與鉆井液之間傳遞規律進行數值模擬。對低溫鉆井液配方進行更加深入研究，目前所使用的水基低溫鉆井液中所使用抗凍劑含量影響著與其他試劑的協同作用效果，添加劑抗鹽性能都有所欠缺，在以后的工作研究當中應該研發抗鹽能力強的封堵劑、降濾失劑等新型試劑，構建功能易調節、后期易維護及對環境友好的鉆井液體系。在對極地冰層鉆井時一般使用油基、酯基鉆井液，少量使用醇基鉆井液。但由于油基、酯基鉆井液影響人體健康、價格高昂和對周圍環境有一定污染，在未來低廉、無毒環保的鉆井液基液及加重劑是研究工作的重點方向。