低溫鉆井液研究和應(yīng)用進(jìn)展

陳鴕，張楠，楊雙春，蔡家鐵，李敏，Nakekes Pokawin

(1.遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.中國(guó)石油大學(xué) 化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院， 北京 102249；3.遼寧石油化工大學(xué) 國(guó)際教育學(xué)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(jìn)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(qiáng)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(guān)于LTDF的資料較少，這大概是由于國(guó)內(nèi)外當(dāng)前在極地、永凍層以及冰層等特殊環(huán)境的鉆進(jìn)研究和工程實(shí)踐數(shù)量少，專(zhuān)家學(xué)者們也就開(kāi)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(wú)機(jī)處理劑、高分子增效劑等配制了一種低溫綠色納米材料復(fù)合的植物膠鉆井液，并用該鉆井液體系在阿爾卑斯生態(tài)脆弱地區(qū)進(jìn)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(huán)保要求；國(guó)內(nèi)學(xué)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(wú)機(jī)鹽類(lèi)(磷P、鉀K、硫S)防凍劑，發(fā)現(xiàn)此類(lèi)鉆井液中乙二醇或者其衍生物起抗低溫作用，無(wú)機(jī)鹽類(lèi)起防凍作用，在凍土層中二者協(xié)同。

本文通過(guò)大量的文獻(xiàn)調(diào)研，綜述了低溫地層、海洋深水相關(guān)低溫鉆井液的研究現(xiàn)狀，分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)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(jìn)使用的低溫鉆井液

冰層是非線(xiàn)性流變介質(zhì)，可以與地層壓力達(dá)到平衡狀態(tài)，使孔壁達(dá)到穩(wěn)定。因?yàn)槠涞V產(chǎn)與油氣資源的非常規(guī)勘探開(kāi)采，低溫地層的科學(xué)鉆進(jìn)顯得十分關(guān)鍵，低溫地層鉆進(jìn)與常規(guī)鉆進(jìn)一樣需要合適的鉆井液，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)平衡地層壓力、保持孔壁穩(wěn)定、冷卻和潤(rùn)滑鉆頭和鉆具、攜帶和懸浮鉆屑的目標(biāo)。

外國(guó)學(xué)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(jī)燃料)外，還有氟代烴類(lèi)、有機(jī)硅類(lèi)和脂肪酸酯類(lèi)[3]。如今國(guó)內(nèi)對(duì)低溫鉆進(jìn)的研究也涌現(xiàn)了一些研究成果，比如王莉莉等[4]對(duì)不同混合酯的耐低溫性能進(jìn)行分析，討論了脂肪酸酯類(lèi)(一元、二元脂肪酸酯)分子特點(diǎn)，得到低分子飽和脂肪酸單酯具有較強(qiáng)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(dá)到鉆探南極冰層取心的條件，且具有良好的低溫流動(dòng)性；但作者還發(fā)現(xiàn)混合酯的分子內(nèi)酯基較多，分子鏈長(zhǎng)度大，不能達(dá)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(yàn)對(duì)象，研究了鉆井液粘度與密度對(duì)鉆進(jìn)效率與孔壁穩(wěn)定的影響。發(fā)現(xiàn)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(shí)其中丁酸丁酯最佳；甲基硅油因具有粘溫系數(shù)小、無(wú)毒、揮發(fā)性小，可用作極地冰鉆鉆井液材料。

中國(guó)石油大學(xué)(華東)學(xué)者[6]研制了一種水基無(wú)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(wú)機(jī)鹽和醇組成了超低溫基液，凝固點(diǎn)≤-28 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)<0.5 W/(m·K)。作者提出該水基無(wú)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(dǎo)熱特性、井壁穩(wěn)定性及環(huán)保性，能夠應(yīng)用于極地凍土地層鉆探中。

總的來(lái)說(shuō)，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。國(guó)內(nèi)外有研究表明在南極與格陵蘭等地區(qū)的極地冰層鉆探實(shí)踐中，使用的低溫鉆井液取得了成功，文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)適合于冰層鉆探用的鉆井液類(lèi)型比較多，各自都存在一些缺點(diǎn)，難以完全滿(mǎn)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(guò)大、低溫條件下的性能變化有差異、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題?？梢?jiàn)，在冰層和極地鉆進(jìn)使用的鉆井液方面，要做的研究還有很多，建議通過(guò)對(duì)已有鉆井液體系的性能和機(jī)理分析，先進(jìn)行大規(guī)模的處理劑篩選進(jìn)行體系研發(fā)，然后進(jìn)行關(guān)鍵處理劑開(kāi)發(fā)，研究關(guān)注不要都集中在單一的抗凍劑上。

2 永凍土層地層鉆進(jìn)使用的鉆井液

凍土地層的鉆進(jìn)主要是在凍結(jié)巖層進(jìn)行，凍結(jié)巖層在長(zhǎng)期的低溫和壓力條件下，由未凍結(jié)的水、冰塊以及充滿(mǎn)水蒸氣的空氣、不同種類(lèi)的礦物顆粒等形成的多成分巖系。在鉆進(jìn)時(shí)，導(dǎo)致永凍層自身物理性質(zhì)發(fā)生本質(zhì)變化，是隨外部溫度和壓力條件發(fā)生的變化，對(duì)原有平衡造成破壞。凍土地層鉆進(jìn)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(wěn)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(shí)有優(yōu)良的流變性來(lái)滿(mǎn)足高壓、低溫的條件。

馮哲等[7]在無(wú)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(shí)驗(yàn)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(xué)展嘉佳[8]依據(jù)高原凍土地層使用鉆井液原則，在無(wú)固相高聚物抗低溫鉆井液研究的基礎(chǔ)上，對(duì)不分散低固相高聚物體系的抗低溫鉆井液進(jìn)行了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)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(yīng)用，保持優(yōu)良使用性能，且鉆井液體系配比的經(jīng)濟(jì)性較好，成本較低。

綜上所述，大多數(shù)學(xué)者以NaCl 作為鉆井液的抗凍劑，并發(fā)現(xiàn)其隨著濃度的增高，抗低溫效果逐步增強(qiáng)。如丁付利[9]通過(guò)幾組配方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出NaCl 濃度為 20%時(shí)，可以達(dá)到抗低溫-18 ℃的效果；在此基礎(chǔ)上并研發(fā)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(wèn)題，使配方的整體效果能夠發(fā)揮。但由于時(shí)間原因，所得到的最佳鉆井液配方比例沒(méi)有在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用，因此建議需要進(jìn)一步驗(yàn)證在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)能否達(dá)到效果。此外，除了NaCl、氯鹽類(lèi)等無(wú)機(jī)鹽鉆井液體系，應(yīng)加強(qiáng)研發(fā)其他體系。

3 天然氣水合物鉆進(jìn)使用的鉆井液

由充分的天然氣和水分以及沒(méi)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(gòu)成的結(jié)晶籠型化合物稱(chēng)為天然氣水合物。大多積聚于永凍土層區(qū)和海水底部。據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)外已探采的資源儲(chǔ)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(rèn)為是未來(lái)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(jìn)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(qū)域，為確保成功鉆探，其不僅在低溫環(huán)境下有優(yōu)良的流變性能，還要能夠抑制水合物分解、用來(lái)維護(hù)相對(duì)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(qū)進(jìn)行鉆進(jìn)，其機(jī)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(kuò)散，使凍土層可分解出的自由水和氣體結(jié)合，降低分解速度。

Nikolaev等[12]根據(jù)我國(guó)西部含天然氣水合物多年凍土的特點(diǎn)，以及醇鉆井液的應(yīng)用，研究了聚乙二醇-丙二醇復(fù)合醇鉆井液。發(fā)現(xiàn)其密度合理，能有效控制頁(yè)巖膨脹，還有著較好的低溫流變性、抑制能力和潤(rùn)滑性等，防止少量天然氣水合物釋放的游離物在井筒周?chē)h(huán)產(chǎn)生影響。

王勝等[13]研制了用溶液(15%氯化鈉)作為基礎(chǔ)液來(lái)滿(mǎn)足鉆探要求的無(wú)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(shù)問(wèn)題，具有創(chuàng)新性。

劉華南[14]通過(guò)數(shù)值模擬建立了一個(gè)室內(nèi)凍土溫度場(chǎng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用發(fā)泡劑，研制出一種機(jī)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(dòng)的情況，分析了凍土地區(qū)施工常遇的各類(lèi)問(wèn)題，并應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，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(hù)壁堵漏的納米復(fù)合水泥漿液，發(fā)現(xiàn)該納米復(fù)合水泥漿液在不同低溫環(huán)境下性能良好且較穩(wěn)定，加大結(jié)石體的抗壓能力，還能在時(shí)間上減短凝結(jié)；能夠促進(jìn)水泥漿液水化，填充漿液結(jié)石體內(nèi)部孔隙[16]，改善其流變性能，使得復(fù)合水泥漿在低溫環(huán)境下性能更優(yōu)，且不同低溫環(huán)境下性能更為穩(wěn)定。

3.2 賦存天然氣水合物海水鉆進(jìn)相關(guān)的鉆井液

海洋天然氣水合物地層鉆進(jìn)過(guò)程中，隨著鉆井液的侵入有可能會(huì)出現(xiàn)水合物分解，繼而引發(fā)井壁失穩(wěn)等問(wèn)題。

蔣國(guó)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(wú)粘土鉆井液，得出動(dòng)力學(xué)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(rùn)土+Na-CMC(羧甲基纖維素鈉)+SMP-2(磺甲基酚醛樹(shù)脂)+PVP(K90) (聚乙烯吡咯烷酮)+KCl(氯化鉀)，對(duì)其低溫性能和水合物生成抑制能力展開(kāi)了討論。發(fā)現(xiàn)該鉆井液低溫流變性、泥頁(yè)巖水化抑制能力和密度較好等，適合海洋鉆進(jìn)施工使用。建議日后的研發(fā)中，加強(qiáng)利用納米材料的化學(xué)活性、晶核等特性，注重研究其在低溫鉆井液 LTDF 中的應(yīng)用原理，以便設(shè)計(jì)更合理的納米鉆井液。

劉天樂(lè)等[19]研究了動(dòng)力學(xué)抑制劑的聚合醇鉆井液，配方：人造海水+3% 膨潤(rùn)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(yè)巖抑制性等。但此實(shí)驗(yàn)只在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室下進(jìn)行分析，希望在以后的調(diào)研中能結(jié)合鉆井技術(shù)需要，進(jìn)一步研究現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的應(yīng)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(yè)巖抑制性、潤(rùn)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(xiàn)，根據(jù)天然氣水合物凍土層、海洋天然氣水合物的鉆進(jìn)特點(diǎn)，建議今后加強(qiáng)多種鉆井液體系適用性的研發(fā)，如耐低溫泡沫鉆井液、耐低溫復(fù)合醇體系等；同時(shí)發(fā)現(xiàn)我國(guó)在設(shè)計(jì)抑制劑結(jié)構(gòu)分析方面缺少創(chuàng)新，如采用聚合物分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)低溫鉆井液可提高鉆井液抗凍性；在研發(fā)新型添加劑時(shí)，大多只關(guān)注抑制性能，針對(duì)鉆井液的其他內(nèi)容如懸浮性、潤(rùn)滑性的研究都很少，限制了天然氣水合物鉆井液的發(fā)展；在日后研究過(guò)程中，可在納米技術(shù)等方面多關(guān)注，并加強(qiáng)多學(xué)科交叉配合。

4 低溫鉆井液的現(xiàn)狀總結(jié)

目前國(guó)內(nèi)外在低溫條件和低溫地層鉆進(jìn)中勘探開(kāi)發(fā)積聚的經(jīng)驗(yàn)不多，文獻(xiàn)也較少，但是近年來(lái)由于低溫地層資源已成為石油開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，因此在對(duì)低溫鉆井液LTDF體系的逐漸增加研究中，也收獲了一些成績(jī)。將相關(guān)的低溫地層鉆井液研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行比較列表(表1)，總的來(lái)說(shuō)，縱觀(guān)國(guó)內(nèi)外對(duì)低溫鉆井液的研究(采用水基鉆井液對(duì)解決抑制天然氣水合物分解問(wèn)題)，已取得了較好的效果。因此，要落實(shí)低溫物層的安全鉆井，重點(diǎn)技術(shù)在于鉆井液。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，低溫地層資源已成為石油開(kāi)發(fā)重點(diǎn)領(lǐng)域，本文對(duì)低溫鉆井液進(jìn)行了綜述，得出了以下幾點(diǎn)建議：

(1)針對(duì)當(dāng)前在極地冰層鉆進(jìn)中已使用過(guò)的鉆井液低溫粘度大、低溫條件下的性能不穩(wěn)定、環(huán)境污染嚴(yán)重的問(wèn)題，建議研發(fā)安全、環(huán)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(wěn)定性較好，低溫下不易“稠化”，但不足的是其動(dòng)切力稍偏低，建議主要關(guān)注鉆井液體系動(dòng)切力性能的優(yōu)化。

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

(4)探索研發(fā)添加更先進(jìn)、更智能、低溫適用溫度范圍更廣的材料，如加入納米復(fù)合材料、耐低溫?zé)o機(jī)鹽、智能材料，使其能夠滿(mǎn)足不同地層的鉆進(jìn)要求。