耐低溫鉆井液在川藏鐵路冬季鉆探中的應(yīng)用研究

張鵬飛

（陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西西安710000）

川藏鐵路拉薩至林芝段位于青藏高原東南部，設(shè)計(jì)鉆孔位于海拔3800～5100m，根據(jù)2018年冬季初測(cè)時(shí)的氣溫統(tǒng)計(jì)情況，該段山區(qū)最低氣溫為-28℃～-20℃。復(fù)雜的生態(tài)環(huán)境、多變的地質(zhì)條件以及寒冷的氣候給鉆探工作帶來(lái)重大的挑戰(zhàn)。多年凍土區(qū)的開(kāi)發(fā)使得此世紀(jì)工程變得更具有挑戰(zhàn)性，凍土分布復(fù)雜、不均勻，硬巖、軟巖、松散、不規(guī)則巖以及大量敏感植被，尤其是陡坡砂巖中發(fā)育裂隙形成了惡性滲漏。因?yàn)檫@些復(fù)雜的條件，使得鉆進(jìn)過(guò)程中縮徑、鉆井液損失經(jīng)常發(fā)生，甚至引發(fā)卡鉆、埋鉆等井內(nèi)事故。

為解決川藏鐵路冬季鉆探施工問(wèn)題，研制出適用于低溫條件下的鉆井液體系，確保在低溫條件下的鉆井液具有良好的流變性能與抑制能力，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。擬采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試性能及機(jī)理分析的綜合研究相結(jié)合的辦法，對(duì)適用于川藏鐵路鉆探施工的耐低溫鉆井液進(jìn)行可行性研究。

1 耐低溫鉆井液的選擇

1.1 高原地層對(duì)鉆井液的要求

為保證高原鉆進(jìn)的正常進(jìn)行，在制定鉆井方案時(shí)，溫度調(diào)節(jié)非常重要。在高原高寒條件下，隨著溫度的降低，鉆井液的基本力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，并且有冷凝的趨勢(shì)。粘度是鉆井液在鉆進(jìn)高原地層的重要參數(shù)，低溫條件下，鉆井液的粘度會(huì)降低，進(jìn)而影響鉆井液的流變特性，從而影響鉆井能否順利進(jìn)行。除此之外，鉆頭與地層摩擦產(chǎn)生的熱量由鉆井液傳導(dǎo)到孔壁，如果鉆井液溫度過(guò)高，會(huì)使得孔壁巖層冷熱溫差過(guò)大從而發(fā)生崩解，導(dǎo)致鉆孔坍塌等孔內(nèi)事故。因此，為了使高原地層的正常鉆進(jìn)，既要鉆井液有一定的耐低溫特性，又需要鉆井液擁有一定的比熱容來(lái)確?？變?nèi)溫度變化得到有效控制，從而保證鉆探的安全進(jìn)行。

1.2 耐低溫介質(zhì)選擇

目前應(yīng)用于不同鉆井液中的耐低溫介質(zhì)不同，乙醇、甲醇、乙二醇等常常用于親水鉆井液中，而乙酸丁醋、煤油、DFA等常常用于憎水鉆井液中?；诂F(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)工作的需求，為了保護(hù)高原生態(tài)環(huán)境，耐低溫介質(zhì)需要有安全無(wú)污染的特性，煤油的高滲透性使得鉆井液經(jīng)常發(fā)生滲透泄露，對(duì)高原生態(tài)環(huán)境造成極大的污染。從鉆進(jìn)角度看，固相含量對(duì)流體的塑性粘度與很大影響。因此，鹽水系統(tǒng)的塑性粘度比傳統(tǒng)的流體系統(tǒng)要低，這會(huì)降低井下的壓力損失，有助于提高鉆井效率。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)機(jī)電解質(zhì)與有機(jī)醇冰點(diǎn)均較低，具有良好的低溫適應(yīng)性，但由于川藏線(xiàn)鉆探工作量較大，從經(jīng)濟(jì)適應(yīng)性考慮，我們選擇了使用鹵化物鹽與甲酸鹽來(lái)作為防凍劑。

2 耐低溫鉆井液的研究

2.1 甲酸鹽特性的研究

甲酸鹽易溶于水，且甲酸根無(wú)毒無(wú)害，不與Ca2+、Mg2+、Na+等各種陽(yáng)離子產(chǎn)生不溶性鹽。甲酸鹽腐蝕性小，甲酸根的pH 值容易調(diào)節(jié)，對(duì)鉆具腐蝕與地層腐蝕程度降到最低。甲酸鹽電荷中和的特點(diǎn)可以使得甲酸鹽鉆井液離子濃度高，壓縮粘土膠體顆粒雙電層能力強(qiáng)，粘土負(fù)電性減弱，水化膨脹能力降低，并且濾液粘度較高，使得水不易進(jìn)入地層。以甲酸鹽為基礎(chǔ)的水基鉆井液具有較高的熱導(dǎo)率和比熱容，因此在保持較低的井底循環(huán)溫度方面，優(yōu)于有機(jī)醇鉆井液。

2.2 耐低溫鉆井液組成成分研究

為改善川藏線(xiàn)鉆探鉆井液的低溫穩(wěn)定性，針對(duì)鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)的地層特點(diǎn)，造漿材料選用鈉土，防凍劑選用甲酸鈉（HCOONa），無(wú)機(jī)改性處理劑選用硅酸鈉（Na2SiO3），降濾失劑選用羧甲基淀粉（CMS）。甲酸鹽對(duì)降低冰點(diǎn)有很好的效果，甲酸鈉配制的鉆井液體系具有半透性，可實(shí)現(xiàn)高密度、低粘度、提高鉆井速度、抑制性強(qiáng)、良好的失水性。硅酸鈉溶液具有較好的粘度和粘性，有利于改善流變性以及鉆井液的承載能力，并且能有效抑制水化膨脹和抗崩塌。此外，硅酸鈉對(duì)比純堿與苛性鈉，它是粉末狀，腐蝕性小，便于運(yùn)輸。根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，確定了硅酸鈉（Na2SiO3）為無(wú)機(jī)處理劑，同事考慮到環(huán)境保護(hù)的要求，優(yōu)選模數(shù)為3.2 的Na2SiO3，并且建議添加量為1‰～3‰?；谶M(jìn)一步的初步試驗(yàn)結(jié)果表明，Na2SiO3的含量確定為1.5‰。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究幾種協(xié)同處理劑來(lái)優(yōu)化鉆井液的流變性，采用友好型聚合物處理劑（GA）用來(lái)調(diào)節(jié)鉆井液的粘度與流變性能，推薦用量2‰～10‰。在鉆井液中，HCOONa和Na2SiO3如下：

可以看出，HCOONa 除了降低復(fù)合體系的冰點(diǎn)外，還與Na2SiO3水溶液產(chǎn)生OH-，使鉆井液體系維持在弱堿性環(huán)境中。鉆井液pH 值是決定鉆井液穩(wěn)定性的重要因素，直接影響鉆孔質(zhì)量。弱堿性環(huán)境能夠保證鉆井液性能得到充分的發(fā)揮，保障處理劑的防塌、抑制功能。

3 抗低溫鉆井液試驗(yàn)研究

3.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室研究以甲酸鈉為抗凍劑的鉆井液體系，采用數(shù)控低溫儲(chǔ)存箱調(diào)節(jié)鉆井液溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值，達(dá)到設(shè)計(jì)溫度的鉆井液被取出迅速倒入容器中，使鉆井液體積剛好達(dá)到所需刻度線(xiàn)，然后用六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)量流變學(xué)參數(shù)，測(cè)試主要流變參數(shù)包括漏斗粘度（FV）、標(biāo)貫粘度（AV）、塑性粘度（PV）、屈服點(diǎn)（YP）、動(dòng)態(tài)塑性比（YP/PV）、通過(guò)結(jié)合高原鉆井液的低溫性能要求，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。不同濃度甲酸鈉（HCOONa）鉆井液流變參數(shù)研究如表1所示。

表1 不同濃度甲酸鈉（HCOONa）流變參數(shù)研究

從不同濃度的甲酸鈉配方中挑選出表現(xiàn)較好的16%濃度的甲酸鈉，在不同溫度下，該鉆井液流變參數(shù)如表2所示。鉆井液隨著溫度的降低，漏斗粘度等各項(xiàng)性能參數(shù)較為穩(wěn)定，有良好的低溫適應(yīng)性。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

鉆孔位于川藏線(xiàn)昌都到林芝段，海拔4000～5000m，鉆探時(shí)段的氣溫在-5℃～-15℃。鉆孔地層以質(zhì)地堅(jiān)硬、易破碎的硅質(zhì)巖為主，現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)非常困難，鉆孔坍塌與鉆井液泄露嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)作業(yè)的進(jìn)度。使用本文研究的耐低溫鉆井液作為現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)用鉆井液，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為5d，平均鉆進(jìn)速度由15m/d提升至25m/d，有效增加了高原高寒地區(qū)的鉆進(jìn)速度。巖芯采取率高可達(dá)90%以上，通過(guò)檢測(cè)泥皮的厚度與潤(rùn)滑摩阻系數(shù)發(fā)現(xiàn)，使用耐低溫鉆井液形成的泥皮較為薄韌、致密，較好的泥皮的質(zhì)量反映了耐低溫鉆井液在低溫條件下的性能優(yōu)良。采取的巖芯如圖1所示，泥皮如圖2所示。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）使用HCOONa 作為耐低溫鉆井液的防凍劑，鉆井液具有良好的低溫適應(yīng)性，隨著防凍劑濃度的增加，低溫適應(yīng)性逐步增強(qiáng)。HCOONa濃度達(dá)16%時(shí)，耐低溫鉆井液具有較理想的流變參數(shù)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)巖芯的采取

（2）采用友好型聚合物處理劑（GA）用來(lái)調(diào)節(jié)鉆井液的粘度與流變性，影響了的鉆井液的剪切稀釋特性，應(yīng)加強(qiáng)進(jìn)一步的試驗(yàn)研究工作。

圖2 使用耐低溫鉆井液形成的泥皮

表2 不同溫度的鉆井液流變參數(shù)

（3）隨著溫度的降低，鉆井液的動(dòng)塑比會(huì)隨之增大，當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)，動(dòng)塑比變化不再明顯。