高原鐵路凍土區(qū)低溫環(huán)保鉆井液體系設計與循環(huán)過程溫度場分析

王 凱，鄭明明*，周珂銳，韋 猛，張廣澤，侯 錦，張雨露，王 棟，張歆瑞

（1.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都 610059；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

0 引言

在“一帶一路”建設、西部大開發(fā)等重大戰(zhàn)略的深入實施中，川藏鐵路建設不僅能完善西部交通路網，還可促進區(qū)域經濟發(fā)展，更利于維護民族團結、邊境地區(qū)穩(wěn)定、增強國防能力，具有極其重要的意義。川藏鐵路全長1629 km，位于高原高寒高山峽谷地帶，沿線地質環(huán)境復雜，不良地質條件極為發(fā)育，具有“五高”、“兩活躍”的特點，即高海拔、高地震烈度、高地應力、高水壓、高地溫，斷裂帶活躍、凍土邊坡和隧道洞口段凍害破壞活躍［1］；川藏地區(qū)還有廣袤的凍土區(qū)域，川藏鐵路沿線凍土覆蓋率高達80%，那曲地區(qū)北部凍土深度可達793 cm［2］。此外，川藏鐵路沿線風景秀麗，雪山、草原、湖泊、山脈、險灘、森林交織在一起，是十足的“景觀大道”［3］，王思源等［4］曾對昌都境內川藏鐵路設計的生態(tài)保護區(qū)做過評價，其中重要區(qū)及以上占比94.88%。川藏鐵路沿線環(huán)境生態(tài)脆弱，因此，在川藏鐵路凍土層地區(qū)進行地質勘察鉆探施工中，除了要控制鉆井液在低溫工況下的相關性能，還需要盡量采取有效措施降低對環(huán)境的傷害，保護珍稀動植物、水資源等。

科考人員在南極東方站鉆進時，曾使用TC-1型航空燃料低溫鉆井液［5］，20世紀90年代，列寧格勒礦學院北極研究團隊曾使用60%的“北極”型柴油和40%的礦泉水配制了一款新型油基鉆井液［6］，學者以卵磷脂試劑為基礎，添加PVP溶液和多聚物制成低溫鉆井液［7］；還有學者在乙醇水溶液中加入柴油和三氯代乙烯作為極地鉆進的低溫鉆井液體系［8］。除乙醇之外，聚乙二醇-丙二醇復合醇鉆井液［9］、合成ESTISOLTM酯型低溫鉆井液［10］、低溫聚合醇鉆井液體系［11］等也有研究。隨著對低溫鉆井液研究的加深，張靈霞等［12］發(fā)現無機鹽和醇類來提高鉆井液的耐低溫能力同時，兩者還能夠對凍土層起到一定的抑制作用；Hao等［13］發(fā)現氯化鈉和甲醇就可以對凍土層起到有效的抑制，而且還不會影響鉆井液的流變性能和濾失性能；李旭方［14］將10%KCl與5%NaCl配合使用，也可有效提高硅酸鹽鉆井的抗低溫能力。

為實現低溫鉆井液滿足凍土層鉆進的需求，馮哲［15］通過正交試驗研究乙二醇、PVA并配合高聚物處理劑，優(yōu)化了抗低溫鉆井液的組分及加量，確定了可在-20℃時使用的4種鉆井液配方，為高原凍土和天然氣水合物的勘探開發(fā)工作提供了可借鑒的低溫鉆井液體系；展嘉佳［16］結合高原凍土天然氣水合物勘探特點，研制了11種滿足在-5～-20℃低溫條件使用的乙二醇基聚合物和NaCl基聚合物耐低溫鉆井液體系；丁付利［17］根據永凍層鉆進特點并結合俄羅斯凍結巖層鉆探經驗，以NaCl為防凍劑，得到了可在-10℃和-15℃使用的六組低溫鉆井液配方。此外還有一些學者展開對低溫鉆井液性能的研究，都取得了較好的效果［18-22］。本文擬用鈉膨潤土為低溫鉆井液基漿主材料，通過試驗在常用的綠色材料中選擇性能和價格更好的防凍劑、降濾失劑、增粘劑，設計出一種綠色低溫鉆井液配方；然后根據正交試驗分別優(yōu)選出適合于0、-5和-10℃地層溫度條件下的配方；再利用ANSYS數值模擬軟件，對其在鉆進循環(huán)過程中的溫度場分布進行數值模擬和分析，掌握孔內溫度場變化規(guī)律；還結合施工現場特點，設計并制作出材料環(huán)保、無需回收的鉆井液物料包。

1 實驗及數值模擬

1.1 材料與儀器

在本低溫鉆井液體系設計中，以鈉膨潤土作為造漿材料。相同質量分數的前提下，NaCl降低凝固點的能力強于KCl的降低能力［19］，且工業(yè)NaCl的價格低廉，故選擇NaCl為防凍劑。其他鉆井液外加劑都為環(huán)保材料，詳見表1。試驗所使用的儀器見表2。

表1 試驗材料Table 1 Test materials

表2 試驗儀器Table 2 Test instruments

1.2 實驗方法

通過試驗發(fā)現質量分數為20%的食鹽溶液的凝固點為-17℃左右，本文以1000 mL水+3%鈉膨潤土作為鉆井液的基漿，再向其加入防凍劑、降濾失劑、增粘劑來研究其在0、-5、-10℃下的性能變化。其中以鉆井液的流變性、濾失性、經濟性為主要的技術指標，其中主要以鉆井液的表觀粘度（AV）、塑性粘度（PV）、動切力（YP）、動塑比（YP/PV）來表示其流變性；以濾失量（FL）來表示鉆井液濾失性能的優(yōu)劣；以每噸水所含的鉆井液材料的價格表示其經濟性高低。結合實驗結果求出不同溫度下的鉆井液優(yōu)選配方，并根據優(yōu)選配方在ANSYS軟件中進行數值模擬，探究其在鉆孔內正循環(huán)的作用下溫度場變化，驗證其的防凍效果和安全性能。

1.3 鉆井液的制備和性能測試

以1000 mL水+3%鈉膨潤土作為鉆井液的基漿，向其中加入10%的NaCl作為防凍劑，其性能見表3。向基漿中分別添加不同濃度的CMC和黃原膠，測試其在0、-5、-10℃下對基漿性能的影響。

表3 基漿在0、-5、-10℃下的各項性能Table 3 Properties of base mud at 0°C,-5°C,-10°C

圖1為摻入CMC后的漿液性能參數，可以發(fā)現隨著溫度降低，鉆井液的表觀粘度和濾失量不斷增加，當溫度從0℃變化到-5℃時，其濾失量變化幅度要小于溫度從-5℃變化到-10℃的增幅。這說明CMC的添加鉆井液的各項性能都有較高的提升，但其在0℃到-5℃時的效果更好。相比鉆井液基漿，僅摻加0.2%的CMC就能使鉆井液濾失量降低95%以上，粘度性能方面相比基漿提高4倍以上。

圖1 不同CMC加量的漿液性能隨溫度變化關系Fig.1 Drilling mud properties vs temperature at different CMC concentrations

圖2為摻加黃原膠的漿液性能參數，可以發(fā)現黃原膠也有著良好的降濾失作用。隨溫度降低，摻有黃原膠的基漿表觀粘度和動切力呈增加狀態(tài)，濾失量則是隨溫度下降表現出先增大后減少的狀態(tài)，最后-10℃的濾失量要小于0℃時的濾失量。綜合考慮在0、-5℃時采用CMC為降濾失劑，-10℃時采用黃原膠為降濾失劑。

圖2 不同黃原膠加量的漿液性能隨溫度變化關系Fig.2 Drilling mud properties vs temperature at different xanthan concentrations

此外，設計了0、-5、-10℃下生化黃腐酸鉀、玉米改性淀粉以及可再分散性乳膠粉對基漿性能影響的試驗，表4為-5℃下的試驗結果。試驗發(fā)現生化黃腐酸鉀對提升基漿性能方面較優(yōu)，而且具有較好的經濟性，故選擇其為輔助降濾失劑。

表4 -5℃下降濾失劑對基漿性能影響Table 4 Effect of the filtrate reducer on base mud performance at-5°C

故本文的鉆井液將以鈉膨潤土、NaCl、CMC、生化黃腐酸鉀為正交試驗因素，來進行試驗。并以該配方為基礎，設計了低溫鉆井液在0、-5℃下性能測試的正交實驗，以期獲得不同溫度下的低溫鉆井液優(yōu)選配方，正交表見表5。

表5 0、-5℃低溫鉆井液正交試驗Table 5 Orthogonal test of low temperature drilling fluid at 0℃and-5℃

在-10℃時，黃原膠在降低濾失量、提高動切力方面表現較好，故以黃原膠、膨潤土、NaCl以及生化黃腐酸鉀作為正交試驗的因素，來設計正交試驗，正交表見表6。

表6 -10℃低溫鉆井液正交試驗Table 6 Orthogonal test of low temperature drilling fluid at-10℃

鉆進現場配制鉆井液時，持續(xù)時間長，過程繁瑣，還耗費人力?？紤]到該情況，本文提出了一種PVA環(huán)保材質水溶袋，用其實現低溫鉆井液材料包的制作，不僅可以簡化加料過程，還可以節(jié)省鉆井液配制時間。實驗室研究發(fā)現，該材料包遇水10 s可以溶解，并且直接配制鉆井液與使用鉆井液材料包所配制的鉆井液性能上沒有差異，后者能夠節(jié)省加料時間。研究發(fā)現用IPPC烙印機，在150℃和170℃時可以在水溶袋上燙印出所需LOGO，還不損害其強度。綜上所述，鉆井液材料包能夠在不影響鉆井液性能的情況下，提高效率，并且材料包材質不會對環(huán)境造成影響，還可以實現商業(yè)化用途。

1.4 數值方法及模型建立

1.4.1 數值方法

ANSYS是一種有限元分析（FEA）軟件［23］，可以對力、流體、聲、溫度、電、磁等進行分析，在各個領域的應用普遍，不僅功能強大，而且操作方便。在凍土地層的鉆進過程中，鉆井液的溫度變化極有可能會對地層的穩(wěn)定性造成不可逆的影響，所以十分有必要了解鉆進過程中鉆井液循環(huán)時其自身的溫度場的變化特點。本文將使用ANSYS軟件中的FLUENT模塊，通過建立鉆孔的二維模型，對低溫鉆井液在凍土地層鉆進過程中自身溫度場的變化進行數值模擬。

1.4.2 數值模型

為簡化模擬過程，在ANSYS軟件中建立鉆進過程二維模型，模擬剖面溫度變化，其中井眼半徑78 mm，井深100 m，模擬模型示意圖見圖3～5。模擬鉆進過程時，鉆井液以正循環(huán)方式流動。

圖3 模型模擬示意Fig.3 Schematic diagram of model simulation

圖4 二維模型上端示意Fig.4 Schematic diagram of the upper end of the 2D model

圖5 二維模型底端示意Fig.5 Schematic diagram of the bottom of the 2D model

川藏鐵路沿線分布有大面積的季節(jié)性凍土，本文以新都橋地區(qū)為例，該地區(qū)大部分為角礫土，部分地區(qū)為圓礫土［24］，數值模型中的地質參數與鉆桿參數參照現場鉆井參數，鉆桿尺寸規(guī)格為4，鋼材等級為E級［25］，其他參數取值如表7所示［26］。

表7 新都橋地層物性參數與鉆桿參數Table 3 Physical property parameters of the formation in Xinduqiao and the drill pipe parameters

為使數值模擬模型更符合實際情況，根據吳青柏等［24］的調查，設置如表8所示的地層溫度。還設置了鉆井液初始泵壓為5.5 MPa［20］，循環(huán)的上返速度在3 m/s左右。而鉆井液粘度、密度、初始溫度等條件還需根據前文所提的正交實驗進行確定，其參數見表9。

表8 模擬地層物性參數Table 8 Physical parameters of simulated formation

表9 低溫鉆井液優(yōu)選配方性能參數Table 9 Performance parameters of the optimal formulations of low temperature drilling fluid

2 結果與分析

2.1 鉆井液配方優(yōu)選

2.1.1 0℃鉆井液配方優(yōu)選

0℃下的正交結果分析見表10，其中用極差值來判斷因素對鉆井液性能的影響程度，極差越大，則表明該因素對鉆井液的性能影響越嚴重。

表10 0℃正交結果分析Table 10 Analysis of the orthogonal results at 0°C

根據低AV、低YP、高YP、低FL和低價格的優(yōu)選原則，并結合圖6綜合分析，CMC對漿液各項性能影響較大，優(yōu)選為A2，其次為鈉膨潤土，優(yōu)選為B2，黃腐酸鉀和NaCl對漿液影響較小，優(yōu)選為C1、D3。綜上在0℃時可選擇的配方為A2B2C1D3，即為：3%鈉膨潤土+0.3%CMC+8%NaCl+0.1%黃原膠+0.2%NaOH（調節(jié)pH值）。

圖6 0℃四種因素影響流變性曲線Fig.5 Effect of the four factors on the rheology at 0℃

2.1.2 -5℃鉆井液配方優(yōu)選

-5℃下的正交結果分析見表11，結合圖7和優(yōu)選原則綜合分析發(fā)現，在-5℃條件下，CMC和鈉膨潤土對漿液性能影響較大，宜優(yōu)先考慮該因素，優(yōu)選為A2、B2，其次對漿液影響較較小的因素為生化黃腐酸鉀和NaCl，優(yōu)選為C2、D3，低溫鉆井液的配方為A2B2C2D3，即3%鈉 膨 潤 土+0.25%CMC+10%NaCl+1.5%生化黃腐酸鉀+0.2%NaOH（用于調節(jié)pH值）。

圖7 -5℃四種因素影響流變性曲線Fig.7 Effect of the four factors on the rheology at-5℃

表11 -5℃正交結果分析Table 11 Analysis of orthogonal results at-5℃

2.1.3 -10℃鉆井液配方優(yōu)選

-10℃下的正交結果分析見表12，結合圖8和優(yōu)選原則綜合分析發(fā)現，在-10℃時，黃原膠對漿液各項性能影響較大，優(yōu)選為A2、A3，其次為鈉膨潤土，優(yōu)選為E1，黃腐酸鉀和NaCl對漿液影響較小，優(yōu)選為C2和D2、D3。故在-10℃時可選擇的鉆井液配方為A3E1C2D3和A2E1C2D2。

表12 -10℃正交結果分析Table 12 Analysis of the orthogonal results at-10℃

圖8 -10℃四種因素影響流變性曲線Fig.8 Effect of the four factors on the rheology at-10℃

但兩種配方中的濾失量仍偏大，通過減少黃原膠的加量，增加生化黃腐酸鉀的加量，添加CMC來降低濾失量，同時對其他性能不產生太大的影響。最終得到可在-10℃時應用的兩種鉆井液配方：①4%膨 潤 土+0.15%黃 原 膠+18%NaCl+1.5%生化黃腐酸鉀+0.2%NaOH（用于調節(jié)pH值）；②3%膨潤土+0.2%黃原膠+18%NaCl+2.0%生化黃腐酸鉀+0.2%NaOH（用于調節(jié)pH值）。

2.2 鉆井液孔內循環(huán)溫度場模擬

2.2.1 0℃鉆井液優(yōu)選配方溫度場模擬

為了更直觀地表征出鉆井液循環(huán)時溫度場的變化情況，本文選擇了距離地表1、10、30、50、80和100 m五個位置點，來判斷鉆井液循環(huán)時溫度場的變化。初始溫度為0℃的鉆井液模擬結果如圖9、10所示。

圖9 地層深度1 m溫度場云圖Fig.9 Cloud map of the temperature field at formation depth of 1m

從圖11可以看出，0℃的鉆井液進入鉆桿，受鉆桿溫度的影響，在靠近鉆桿處的鉆井液溫度變化較快。模擬假設鉆井從上到下的溫度按梯度分布［23］，隨著鉆桿長度越長，鉆井液的溫度也逐漸降低，但溫度變化趨勢并不成直線狀態(tài)變化，而是先大幅度降低，后降低幅度稍微平緩。

圖10 鉆孔底部溫度場云圖Fig.10 Cloud map of the temperature field at the hole bottom

圖11 0℃鉆井液在鉆桿內溫度場變化Fig.11 Variation of the drilling fluid temperature field in the drill pipe at 0℃

從圖12和圖13中可以看出，鉆井液循環(huán)上返時，鉆桿與地層間的鉆井液平均溫度在-1℃左右；當在溫度為-10℃的地層附近流動時，距離井壁6 mm處的鉆井液溫度在-2℃左右，距離鉆桿5 mm處溫度穩(wěn)定在-0.7℃左右；在平均溫度約為-3.5℃的地層附近流動時，靠近井壁的鉆井液溫度在-1.5℃左右，靠近鉆桿處的鉆井液溫度在-0.5℃左右。在井底處的最低溫度約為-2℃，鉆井液完成一個循環(huán)溫度降低了1.5℃左右，即鉆井液的排出溫度在-1.5℃左右。整個循環(huán)過程中鉆井液出現最低溫度的位置在靠近-10℃溫度的地層附近，此處鉆井液溫度為-2℃，該鉆井配方系完全能夠承受該溫度的影響，并不會凝固。綜上所述，該鉆井液配方可使用的最低溫度在-1～-3℃。

圖12 0℃鉆井液在鉆桿與地層間溫度場變化Fig.12 Variation of the drilling fluid temperature field between the drill pipe and formation at 0℃

圖13 0℃鉆井液在鉆桿兩側溫度場變化Fig.13 Variation of the drilling fluid temperature field on both sides of the drill pipe at 0℃

2.2.2 -5℃鉆井液優(yōu)選配方溫度場模擬

從圖14可以看出，當進入的鉆井液溫度低于鉆桿的溫度時，鉆井液溫度會隨之升高，在前50 m左右增幅較大，之后鉆井液的溫度雖然也在升高，但增幅不大，且離鉆桿越近，溫度受影響越大，降低速度的也越快。從圖15可以看出，初始溫度為-5℃的鉆井液在上返過程中，距離井壁6 mm處的鉆井液受地層溫度影響不大，無論實在-10℃的地層附近，還是平均溫度為-3℃的地層附近，液體溫度都在-3.5℃左右。反而在靠近鉆桿處的鉆井液，隨上返高度的增加，溫度在逐漸升高，溫差在2℃左右。在井底處鉆井液的最高溫度為-1℃，而井底處地層溫度約為-1.5℃。從圖16可以看出，鉆井液正循環(huán)一周溫度升高了2℃左右，即返出的鉆井液溫度在-3℃左右。在地層最低溫度處，鉆井液的最低溫度為-4℃，故鉆井液并不會凝固。綜上所述，該鉆井液體系可使用的最低溫度在-6～-7℃。

圖14 -5℃鉆井液在鉆桿內溫度場變化Fig.14 Variation of the drilling fluid temperature field in the drill pipe at-5℃

圖15 -5℃鉆井液在鉆桿與地層間溫度場變化Fig.15 Variation of the drilling fluid temperature field between the drill pipe and formation at-5℃

圖16 -5℃鉆井液在鉆桿兩側溫度場變化Fig.16 Variation of the drilling fluid temperature field on both sides of the drill pipe at-5℃

2.2.3 -10℃鉆井液優(yōu)選配方溫度場模擬

從圖17可以看出，隨深度的增加，鉆井液受鉆桿溫度的影響，溫度在不斷上升，距離鉆桿越近，溫度變化越大。但在深度為50 m的位置時，鉆井液①的溫度呈現出明顯下降，而鉆井液②隨著深度增加而一直呈上升趨勢。從圖18和圖19可以看出，鉆井液①和鉆井液②在上返的過程中距井壁6 mm處鉆井液的溫度變化程度要小于靠近鉆桿處的鉆井液溫度變化，鉆井液循環(huán)過程中溫度的變化主要是受鉆桿溫度的影響，在地層溫度最低處的鉆井液最低溫度為-5℃。在井底處的最高溫度為-1℃，井底處地層溫度為-1.5℃，不會對其產生較大影響。初始溫度為-10℃的鉆井液，循環(huán)一周溫度變化了約5℃左右，即鉆井液溫度升高了5℃，故其不會凝固。綜上所述，該鉆井液體系可使用的最低溫度在-13℃左右。

圖17 -10℃鉆井液在鉆桿內溫度場變化Fig.17 Variation of the drilling fluid temperature fields in the drill pipe at-10℃

圖18 -10℃鉆井液在鉆桿與地層間溫度場變化Fig.18 Variation of the drilling fluid temperature fields between the drill pipe and formation at-10℃

圖19 -10℃鉆井液在鉆桿兩側溫度場變化Fig.19 Variation of the drilling fluid temperature fields on both sides of the drill pipe at-10℃

3 結論

本文以常規(guī)低溫鉆井液為基礎，優(yōu)選環(huán)保低溫鉆井液處理劑和低溫鉆井液配方。再以試驗結果為依據，利用ANSYS軟件進行數值模擬，得出如下結論：

（1）通過對凍土鉆進、低溫鉆井液以及“綠色”鉆井液處理劑研究現狀資料的收集、整理、分析，設計了以評價鉆井液處理劑低溫條件下性能為目的的全面試驗，以獲得優(yōu)選低溫鉆井液配方為目的的正交試驗，最終獲得了能夠適應0、-5、-10℃條件下的綠色低溫鉆井液配方。

（2）低溫鉆井液體系的防凍劑材料為NaCl，其具有良好的抗凍效果。低溫鉆井液體系的降濾失劑為CMC和黃原膠，輔助降濾失劑為生化黃腐酸鉀，對鉆井液流動性能作用較好，僅摻加0.2%的CMC就能使鉆井液濾失量降低95%以上，粘度性能方面相比基漿提高4倍以上，且經濟、環(huán)保。制作了鉆井液材料包，不會影響處理劑效果的同時，可以達到提高效率的目的，經過處理還可以用于商業(yè)化生產。

（3）根據試驗優(yōu)選獲得的0、-5、-10℃配方，利用ANSYS軟件進行數值模擬。模擬結果顯示，鉆井液在上返的過程中都伴隨著溫度升高，鉆井液正循環(huán)的過程中，溫度最高處在井底，四種鉆井液在井底的溫度幾乎都在-1℃左右，而此處地層的溫度約為-1.5℃左右，故不會對此處地層產生明顯影響；目標地層與鉆井液溫差越大，鉆井液循環(huán)溫度變化越大，-10℃的兩組鉆井液經過循環(huán)溫度平均升高了5℃左右，足以可見優(yōu)選的鉆井液配方可以勝任不同溫度條件下的鉆進過程。