鉆井液類型對(duì)南極冰層取心鉆進(jìn)工作的影響

宋佳宇，徐會(huì)文，韓麗麗，劉 寧，張 楠，Pavel Talalay

(1．吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春130026;2．中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000)

鉆井液技術(shù)是南極科學(xué)鉆探的重要技術(shù)之一。它是實(shí)現(xiàn)高效鉆進(jìn)、獲得高質(zhì)量冰心樣品的重要保證。鑒于南極特殊的地理環(huán)境與溫度條件，在要求鉆井液具有耐低溫性強(qiáng)、流動(dòng)性好的同時(shí)，還應(yīng)保證不污染環(huán)境。在南極內(nèi)陸所進(jìn)行的科學(xué)鉆探中，絕大多數(shù)都是在冰層中完成的，為防止鉆進(jìn)過程中對(duì)孔壁與冰心樣品的溶解，多以疏水介質(zhì)作為鉆井液的主要類型，如煤油、硅油以及脂肪酸酯等類物質(zhì)。為避免冰層因蠕變所造成的鉆孔縮徑，還要求鉆井液具有與冰層相適應(yīng)的密度。國內(nèi)外在南極與格陵蘭等地區(qū)的冰層鉆探實(shí)踐中，已經(jīng)成功應(yīng)用了航空煤油、硅油、飽和的或不飽和的脂肪酸酯類作為鉆井液，并取得了一定的技術(shù)效果。但某些鉆井液還存在著低溫粘度過大、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重及影響工作人員健康等問題。鉆井液類型不同，其結(jié)構(gòu)與組成也不同，性能差別很大，特別是在低溫條件下的性能變化也存在著巨大的差異。為進(jìn)一步提高極地科學(xué)鉆探的生產(chǎn)效率，提升鉆井液的應(yīng)用水平，有必要對(duì)鉆井液的類型與性能進(jìn)行深入的分析，為尋找更適合極地冰層取心鉆探用鉆井液奠定理論基礎(chǔ)。

1 極地冰鉆鉆具與工作原理簡介

在極地進(jìn)行冰層取心鉆進(jìn)多采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方法。鎧裝電動(dòng)機(jī)械鉆具是一種重要的鉆具類型，許多國家都采用了此種類型的鉆具。這種鉆具主要由提升的鎧裝電纜、反扭裝置、電動(dòng)機(jī)械回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、鉆具運(yùn)動(dòng)控制單元、鉆井液循環(huán)泵、取心管及鉆頭等組成。我國正在南極昆侖站所實(shí)施的南極冰層取心鉆進(jìn)也采用了此類型的鉆具，但缺少鉆井液循環(huán)泵，采用螺旋鉆的排屑形式排除冰屑。在鉆進(jìn)深度比較大的冰孔時(shí)，可能會(huì)遇到排屑不暢的問題，此時(shí)就應(yīng)采用鉆井液循環(huán)泵來排除冰屑。采用設(shè)置有鉆井液循環(huán)泵的鉆具，在正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆具在反扭裝置的配合下，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆具回轉(zhuǎn)以切削碎冰，在冰心進(jìn)入到取心管的同時(shí)，破碎下來的冰屑則由鉆井液循環(huán)泵的抽吸作用下進(jìn)入取心管的內(nèi)環(huán)空，再經(jīng)過冰屑室過濾后返回到鉆孔的外環(huán)空。鉆井液的循環(huán)過程如圖1所示。

圖1 鉆進(jìn)時(shí)孔底反循環(huán)示意圖

2 鉆井液在極地冰鉆中的主要作用及對(duì)其性能的要求

在進(jìn)行冰層取心鉆進(jìn)時(shí)，鉆井液的主要作用是維護(hù)鉆孔的穩(wěn)定、清洗鉆孔的底部與排除冰屑的作用。

因此冰層鉆進(jìn)對(duì)鉆井液的性能要求如下。

(1)要有低的冰點(diǎn)，防止鉆井液對(duì)冰層與冰心的溶解，多使用疏水型鉆井液作為沖洗介質(zhì)。

(2)由于鉆井液在整個(gè)鉆孔中是不循環(huán)的，只在鉆具的下部進(jìn)行局部的反循環(huán)，要保證鉆孔的穩(wěn)定，只能依靠鉆井液的密度。因此要求鉆井液要具有與冰相當(dāng)或稍大于冰的密度(920～950 kg/m3)。鉆井液在保證平衡冰層壓力的條件下，其密度也不應(yīng)過大，否則將因鉆井液的浮力過大，導(dǎo)致鉆壓下降，降低鉆進(jìn)效率。同時(shí)，也將會(huì)引起鉆具下放速度的降低，增加鉆進(jìn)輔助時(shí)間。

(3)由于采用鉆孔底部的局部反循環(huán)方式，還要求鉆井液具有低溫條件下的低粘度，以保持良好的流動(dòng)性，保證對(duì)鉆孔的底部的清洗效果，避免冰屑的重復(fù)破碎，提高鉆進(jìn)效率。鉆井液的低粘度，也可減小鉆井液循環(huán)時(shí)的阻力，保證鉆井液的順利循環(huán)，提高鉆井液的流動(dòng)速度，將冰屑順利地?cái)y帶至冰屑室。另外，低的粘度還有利于冰屑的沉積與分離，保證鉆井液的清潔性。

3 鉆井液對(duì)孔內(nèi)液動(dòng)壓力的影響

在極地冰層取心時(shí)，由于采用無鉆桿鉆具，避免了鉆具回轉(zhuǎn)對(duì)孔壁的破壞作用。同時(shí)因鉆井液僅在鉆孔的底部進(jìn)行局部的反循環(huán)，在鉆具的上部鉆井液是不流動(dòng)的，也避免了鉆井液對(duì)孔壁的沖刷作用，兩者都有利于孔壁的穩(wěn)定。對(duì)孔壁造成破壞作用的是升降鉆具所引起的孔內(nèi)的壓力波動(dòng)問題。

3．1 下降鉆具所產(chǎn)生的壓力“激動(dòng)”

在鉆具下降時(shí)，如果忽略鎧裝電纜的質(zhì)量，可以認(rèn)為整個(gè)鉆具的質(zhì)量是恒定的。并且由于鉆具的上部是封閉的，可以認(rèn)為鉆具是一個(gè)閉口管，下落所引起的鉆井液均在鉆具與孔壁的環(huán)空中流動(dòng)。因鉆具的下降所引起的孔內(nèi)鉆井液的擾動(dòng)僅限于鉆具的長度范圍之內(nèi)，環(huán)空中的鉆井液的流量等于鉆具的橫截面積與鉆具的下落速度之積。鉆具的下降過程分為兩個(gè)階段，在經(jīng)過一個(gè)變加速的運(yùn)動(dòng)過程后，當(dāng)鉆具的質(zhì)量與其下降速度所產(chǎn)生的阻力平衡時(shí)，即進(jìn)入勻速下降階段。變加速的運(yùn)動(dòng)時(shí)間與勻速度下降的速度取絕于鉆具的質(zhì)量、長度和鉆具的直徑。同時(shí)，在孔內(nèi)溫度一定時(shí)，也取決于鉆井液的密度與粘度。在鉆具的參數(shù)一定時(shí)，鉆井液的密度與粘度越大，變減速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間也越短，勻速下降的速度也越小。可以預(yù)見的是，因鉆具的下降所引起的孔內(nèi)的壓力“激動(dòng)”是比較小的，不會(huì)造成孔壁的破壞，這已經(jīng)在吉林大學(xué)極地研究中心的試驗(yàn)中得到了初步的驗(yàn)證。

3．2 提升鉆具所產(chǎn)生的抽吸壓力

提升鉆具是在絞車回轉(zhuǎn)的作用下，通過纏繞鎧式電纜來實(shí)現(xiàn)的。鉆具的運(yùn)動(dòng)特性與下降時(shí)基本上是一致的，不同的只是運(yùn)動(dòng)方向相反。與下降鉆具不同的是，由于巖心管內(nèi)已經(jīng)充滿了巖心，加上所鉆下來的冰屑在內(nèi)及其內(nèi)部所含有的鉆井液，此時(shí)鉆具的實(shí)際質(zhì)量要比下降時(shí)大得多。以現(xiàn)在南極冰鉆所使用的鉆具為例，鉆具的外徑為132 mm，巖心管的內(nèi)徑為101.6 mm，有效長度為3900 mm，冰的密度為915 kg/m3，鉆井液的密度為920 kg/m3，冰屑的孔隙率為20%計(jì)算，每回次進(jìn)尺達(dá)到理論長度80% ～100%，則鉆具的質(zhì)量增加42.27～52.84 kg。如果下降時(shí)的鉆具質(zhì)量為200 kg，提升時(shí)整體質(zhì)量將增加約為21.14%～26.42%。在鉆具的勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度與鉆具的質(zhì)量成線性關(guān)系，所以在提升鉆具時(shí)，提升的最大速度應(yīng)控制在鉆具下降速度的1.25倍。如果提升鉆具的速度大于此值，則孔內(nèi)鉆井液來不及補(bǔ)充，將會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生較大的抽吸壓力，這對(duì)于具有強(qiáng)蠕變性的冰層的穩(wěn)定來說是非常有害的。

4 鉆井液的類型與特點(diǎn)分析

適合于冰層取心鉆探用的鉆井液類型比較多，性能差異也比較大，但各自都存在一些缺點(diǎn)，難以完全滿足南極冰層鉆探的具體要求。在現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上，對(duì)目前已經(jīng)應(yīng)用于冰層鉆進(jìn)鉆井液類型進(jìn)行分析，為今后更好地選擇鉆井液提供一定的理論基礎(chǔ)。

4．1 烴類鉆井液

烴類鉆井液是最早使用的鉆井液類型之一。目前可作為冰層取心鉆進(jìn)用烴類鉆井液主要有兩類，一類是碳?xì)漕惖暮娇彰河?另一類為氟代烴類。

(1)航空煤油是最早使用的一種冰層鉆進(jìn)鉆井液。以3號(hào)航空煤油為例，其主要成份是C8～C18的飽和烴類，是為高空航行發(fā)動(dòng)機(jī)專門研制的燃料，其冰點(diǎn)為－55～－60℃，具有低溫粘度低，流動(dòng)性好的特點(diǎn)。但這種物質(zhì)的閃點(diǎn)比較低，約為38℃。當(dāng)空氣中的濃度達(dá)到0.6% ～3.7%時(shí)，可能會(huì)發(fā)生爆炸。同時(shí)使用航空煤油可能會(huì)對(duì)極地的環(huán)境造成比較嚴(yán)重的污染和破壞。

(2)氟代烴也曾在冰層取心鉆進(jìn)中進(jìn)行了應(yīng)用。氟代烴有多種類型，主要有HFC、CFC、HCFC F141b等產(chǎn)品。以HFC為例，為無色透明液體，有多種同分異構(gòu)體?；瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，低毒，無閃火點(diǎn)，不易燃，沸點(diǎn)高等特點(diǎn)。其分子量比較小，低溫條件下粘度低，流動(dòng)性好，但由于其分子間的作用力比較大，因此其密度比較大，在5℃時(shí)為1300 kg/m3。當(dāng)溫度達(dá)到－30℃時(shí)，其密度更大，達(dá)到了2800 kg/m3。當(dāng)鉆井液的密度過大時(shí)，將直接導(dǎo)致鉆進(jìn)時(shí)的鉆壓下降，影響鉆進(jìn)效率，降低鉆具的下放速度，增加鉆進(jìn)的輔助時(shí)間。更為重要的是，對(duì)于極地這種紫外線強(qiáng)度比較大的環(huán)境來說，氟代烴的分解將會(huì)嚴(yán)重破壞空氣的臭氧層。

4．2 脂肪酸酯類鉆井液

脂肪酸酯也是一種疏水的介質(zhì)，也可以用作冰層取心鉆進(jìn)用鉆井液。脂肪酸酯類鉆井液有兩類，一類是二元脂肪酸二醇酯。另外一類就是低分子量飽和脂肪酸單酯。

4．2．1 二元脂肪酸二醇酯類鉆井液

此類型中具有代表性的是ESTISOL－COASOL混合物鉆井液，它最早曾在格陵蘭NEEM項(xiàng)目中使用。通過對(duì)單組分的試驗(yàn)測試，得出了粘度與密度隨溫度的變化關(guān)系，見圖2、圖3。

圖2 二元脂肪酸二醇酯的運(yùn)動(dòng)粘度隨溫度變化曲線

圖3 二元脂肪酸二醇酯的密度隨溫度變化曲線

由圖2和圖3可以看出，由于其分子量比較大，分子間的作用力強(qiáng)，因此表現(xiàn)出在低溫條件下迅速稠化的現(xiàn)象，以其中粘度最小的ESTISOL 140為例，在－60℃時(shí)，其運(yùn)動(dòng)粘度就達(dá)到了將近60 mm2/s，所有的單質(zhì)的密度都比較大，這將導(dǎo)致鉆進(jìn)速度的下降，排屑困難，同時(shí)也將增加升降鉆具的時(shí)間。另外，ESTISOL系列物質(zhì)為椰子油提取物，多屬于營養(yǎng)物質(zhì)，應(yīng)用于極地鉆探可能會(huì)導(dǎo)致微生物的環(huán)境破壞。COASOL也為丁二酸、戊二酸與己二酸二醇酯，與ESTISOL系列物的結(jié)構(gòu)相近，也可能會(huì)造成同樣的環(huán)境破壞。

4．2．2 低分子量飽和脂肪酸單酯類鉆井液

低分子量飽和脂肪酸單酯類型很多，根據(jù)極地冰層取心鉆進(jìn)對(duì)于鉆井液的技術(shù)要求，選取了4種常用于食品添加劑的香料作為鉆井液的基礎(chǔ)材料，并測試了在不同溫度條件下的材料的粘度與密度的變化情況，如圖4、圖5所示。

圖4 低分子量飽和脂肪酸單酯的動(dòng)力粘度隨溫度變化曲線

圖5 低分子量飽和脂肪酸單酯的密度隨溫度變化曲線

由圖4、圖5可以看出，在－60℃時(shí)，丁酸乙酯粘度最低，僅為3.7 mPa·s，丁酸戊酯的粘度最高，15.2 mPa·s。在此溫度下，丁酸戊酯的密度最低，為937 kg/m3。丙酸丙酯的密度最高，為964 kg/m3。低分子量飽和脂肪酸單酯具有低的粘度與合適的密度，可以滿足極地冰層取心鉆進(jìn)對(duì)鉆井液的性能要求。在4種單酯中，丁酸丁酯的粘度為8.7 mPa·s，密度為942.5 kg/m3，是最為理想的鉆井液材料。

4．3 甲基硅油類鉆井液

甲基硅油是一種無味、無色、無毒的透明液體，具有粘溫系數(shù)小、耐高低溫、閃點(diǎn)高、抗氧化、絕緣性好、表面張力小、揮發(fā)性小、比較高的表面活性、對(duì)金屬及塑料橡膠等無腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好、蒸汽壓力低、潤滑性能好等特點(diǎn)，此外，甲基硅油還具有生理惰性。甲基硅油的粘度與密度受其聚合度的影響比較大，其中具有代表性的是日本生產(chǎn)的KF－96－2．0，常溫下其運(yùn)動(dòng)粘度為2.0 mm2/s。我國生產(chǎn)的硅油的聚合度相對(duì)較大，最低的運(yùn)動(dòng)粘度為5.0 mm2/s。近年來也能夠生產(chǎn)出運(yùn)動(dòng)粘度為2.0 mm2/s的產(chǎn)品，且價(jià)格也明顯比進(jìn)口的產(chǎn)品低廉，可用作極地冰層取心鉆進(jìn)鉆井液使用。在室內(nèi)對(duì)2種產(chǎn)品進(jìn)行了試驗(yàn)測試，其測試結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 國內(nèi)外2種甲基硅油的動(dòng)力粘度隨溫度變化曲線

圖7 國內(nèi)外2種甲基硅油的密度隨溫度變化曲線

由圖6、圖7可以看出，在－60℃時(shí)，KF－96－2．0 的動(dòng)力粘度為 11.7 mPa·s，密度為 952 kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度為12.29 mm2/s。國產(chǎn)硅油5.0 mm2/s的粘度與密度要大得多，分別達(dá)到了42.8 mPa·s和993.9 kg/m3，運(yùn)動(dòng)粘度為43.06 mm2/s。因此如果選擇硅油作為極地冰鉆鉆井液，必須要使用低聚合度的硅油，常溫下的粘度應(yīng)控制在1.5～2.0 mm2/s，才能滿足冰層取心鉆進(jìn)對(duì)鉆井液的性能要求。

5 結(jié)論

(1)低分子量飽和脂肪酸單酯，在－60℃條件下，具有低的粘度與合適的密度，可以用作南極冰層取心鉆進(jìn)用鉆井液材料，其中又以丁酸丁酯最為合適。

(2)甲基硅油因具有粘溫系數(shù)小，無味，無毒，絕緣性好及揮發(fā)性小等特點(diǎn)，可以用作極地冰鉆鉆井液材料，常溫條件下的粘度應(yīng)控制在1.5～2.0 mm2/s范圍之內(nèi)。

(3)鉆井液的粘度與密度對(duì)于鉆進(jìn)效率與孔壁穩(wěn)定具有重要的影響，在保證低溫低粘(粘度＜12 mPa·s)，合適的密度(920～950 kg/m3)鉆井液的同時(shí)，應(yīng)特別注意提升鉆具的速度，提升的速度不應(yīng)超過鉆具下放速度的1.25倍，以保證孔壁的穩(wěn)定性。

［1］ P．G．Talalay，N．S．Gundestrup．Hole fluids for deep ice core drilling［J］．National Institute of Polar Research，2002，56:148 －170．

［2］ 宋佳宇，徐會(huì)文，韓麗麗，等．南極冰層鉆進(jìn)鎧裝鉆具升降運(yùn)動(dòng)特性分析與試驗(yàn)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(7):5－12．

［3］ 王莉莉，徐會(huì)文，趙大軍，等．南極冰層取心鉆探鉆井液對(duì)雪層影響的模擬研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(12):1－4．

［4］ 韓俊杰，韓麗麗，徐會(huì)文，等．極地冰層取心鉆進(jìn)超低溫鉆井液理論與試驗(yàn)研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(6):23－26．

［5］ 王莉莉，趙大軍，徐會(huì)文，等．南極冰層取心鉆探酯基鉆井液抗低溫性能試驗(yàn)［J］．世界地質(zhì)，2013，32(4):862 －866．

［6］ Huiwen XU，Lili HAN，Pinlu CAO．Low-molecular-weight，fattyacid esters as potential low-temperature drilling fluids for ice coring［J］．Annals of Glaciology，2014，55(68):39 －43．

［7］ 張杰，鄢泰寧．小井眼鉆具升降產(chǎn)生的孔內(nèi)波動(dòng)壓力［J］．煤田地質(zhì)與勘探，2009，37(4)．

［8］ 韓俊杰．極地冰鉆升降鉆具時(shí)孔內(nèi)水力學(xué)特征試驗(yàn)研究［D］．吉林長春:吉林大學(xué)，2014．

［9］ 韓麗麗．南極冰鉆超低溫鉆井液技術(shù)研究［D］．吉林長春:吉林大學(xué)，2013．

［10］ 徐會(huì)文，韓麗麗，韓俊杰，等．南極冰層取心鉆探酯基鉆井液的理論與試驗(yàn)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(S1):279－282．

［11］ HAN Lili，XU Huiwen，CAO Pinlu，et al．Viscosity testing method of ultra-low temperature drilling fluids for polar glacier drilling［J］．Global Geology，2012，(4):276－280．