低溫鉆井液體系研究現(xiàn)狀

張雨晨，郝樹(shù)青,2，杜欣齊，呂銳杰，劉學(xué)暢

1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院（江蘇 徐州 221116）

2.煤層氣資源與成藏過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（江蘇 徐州 221116）

3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)孫越崎學(xué)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(chǔ)存著大量的礦產(chǎn)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(qū)域鉆井時(shí)，由于特殊的地理環(huán)境使得勘探過(guò)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(rùn)滑性能，并對(duì)地層有良好的封堵性能，還要求具有及時(shí)冷卻鉆具以及清潔井底的能力等。一般使用無(wú)機(jī)鹽或醇類作為抗凍劑，結(jié)合降濾失劑、增黏劑等試劑配置出適合某地區(qū)的低溫水基鉆井液[1-3]。在極地等極端氣溫環(huán)境鉆井時(shí)對(duì)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(hù)壁性能之外，還要對(duì)環(huán)境友好及不會(huì)對(duì)人體健康造成影響。多通過(guò)在航空燃油、柴油基或酯基[4-5]等溶劑中加入加重劑來(lái)平衡密度以滿足極地開(kāi)采需求。本文通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了低溫水基鉆井液、油基鉆井液及酯基鉆井液的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，分析其優(yōu)缺點(diǎn)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(jiǎn)單、添加劑選擇多樣且來(lái)源廣泛、性能容易控制等優(yōu)點(diǎn)，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(wú)機(jī)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(dāng)乙二醇的含量達(dá)到35%時(shí)可以抗-20 ℃的低溫，但是含量再升高則會(huì)與其他的添加劑表現(xiàn)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(huì)隨之升高[6]。所以在對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行鉆井勘探時(shí)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(diǎn)來(lái)看，其耐溫介質(zhì)須是價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛、無(wú)毒無(wú)污染、可溶于水的，醇類由于其具有較低的凍點(diǎn)而被廣泛關(guān)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(diǎn)低等缺點(diǎn)[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(jiàn)的醇類抗凍劑，表1為乙二醇與丙二醇在不同體積分?jǐn)?shù)下的凝固點(diǎn)。

表1 乙二醇與丙二醇在不同體積分?jǐn)?shù)下的凝固點(diǎn)

楊軍虎、Nikolaev等[8-9]面對(duì)天然氣水合物（NGH）開(kāi)采時(shí)易分解造成井壁水化坍塌等安全事故，采用復(fù)合醇（丙二醇和聚乙二醇）作為防凍劑結(jié)合水合物抑制劑配置成鉆井液。發(fā)現(xiàn)復(fù)合醇鉆井液密度合理、潤(rùn)滑性及流變性能優(yōu)異、能夠有效地抑制泥頁(yè)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(dòng)切力（YP）為10.5 Pa，濾失量?jī)H為5.8 mL，16 h 內(nèi)泥頁(yè)巖的線性膨脹量?jī)H為清水中的1/3，并且在12 h后幾乎不再發(fā)生膨脹。

馮哲等[10]以乙二醇為主抗凍劑結(jié)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(fù)合聚合物類鉆井液，在-15 ℃低溫條件下具有優(yōu)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?zhǔn)椒肿咏Y(jié)構(gòu)與抑制劑聚乙烯醇分子結(jié)構(gòu)相似，并且乙二醇水溶液呈現(xiàn)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(yán)重影響鉆井液的流變性能，故需要進(jìn)一步對(duì)鉆井液進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 聚合醇類鉆井液

聚合醇類鉆井液是在20 世紀(jì)70 年代發(fā)展起來(lái)的一種新型鉆井液體系，相較于傳統(tǒng)的醇類鉆井液體系具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(lián)易發(fā)生破裂，使其具有良好的流變性能及較高的動(dòng)切力；③能抑制孔壁的水敏地層發(fā)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(diǎn)使其能夠有效地保護(hù)油氣藏，降低對(duì)油氣藏的傷害；⑤在鉆進(jìn)過(guò)程中易維護(hù)、易降解且價(jià)格低廉[11]。

在對(duì)凍土區(qū)天然氣水合物鉆探時(shí)，由于長(zhǎng)年處于低溫高壓下，巖石會(huì)更加的致密，鉆探速度會(huì)降低。為提高凍土區(qū)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(wú)機(jī)鹽及表面活性劑對(duì)巖石的軟化效果。發(fā)現(xiàn)表面活性劑對(duì)砂巖的軟化效果大于無(wú)機(jī)鹽類，并且十二烷基硫酸鈉對(duì)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(tài)抗壓強(qiáng)度、18.8%的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和38.5%的最大變形量，效果遠(yuǎn)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(jié)合NaCl 配置適合高原凍土區(qū)天然氣水合物開(kāi)采的鉆井液，在-8 ℃下表觀黏度（AV）為42 mPa·s，動(dòng)切力（YP）為13 Pa，濾失量為8.6 mL，對(duì)泥頁(yè)巖的水化有良好抑制作用，并通過(guò)COMSOL 軟件探究鉆井液對(duì)地層溫壓影響范圍進(jìn)行模擬。發(fā)現(xiàn)鉆井液對(duì)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(hù)地層減少鉆井液對(duì)地層的侵害。

聚合醇類鉆井液是近年來(lái)研制比較成功的鉆井液，但當(dāng)遇到水化能力強(qiáng)的Li+時(shí)其抑制性就會(huì)消失，故在使用此類鉆井液時(shí)，應(yīng)該探明鉆探位置地化特征，減少由于井壁發(fā)生水化而坍塌的安全事故。

1.3 無(wú)機(jī)鹽類鉆井液

無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)鹽包括NaCl、KCl 等。NaCl 價(jià)格低廉、分布及來(lái)源廣泛，常用在高原凍土區(qū)及海洋水合物勘探中充當(dāng)耐低溫介質(zhì)，具有降低溶液凝固點(diǎn)（表2）[14]及一定的防塌性能等特點(diǎn)。KCl 亦可充當(dāng)鉆井液抗凍劑，但在相同含量下其凝固點(diǎn)高于NaCl，但抑制性強(qiáng)于NaCl，故其主要被當(dāng)作抑制劑使用[15-16]。

表2 NaCl含量與凝固點(diǎn)關(guān)系

楊陽(yáng)等[17]根據(jù)不同的聚合物對(duì)鉆井液流變性能、濾失量及對(duì)巖石試塊的抑制能力大小，配置出乙二醇（15%～20%）+NaCl（7.5%）+膨潤(rùn)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(yīng)用于漠河盆地對(duì)天然氣水合物的勘探中，發(fā)現(xiàn)其流動(dòng)性隨溫度的降低變差，但降低幅度不大可以滿足在該地區(qū)使用，并對(duì)井壁起著良好的防塌效果。

張川等[2]根據(jù)高原凍土區(qū)天然氣水合物的儲(chǔ)層條件，以NaCl 為抗凍劑結(jié)合成都理工大學(xué)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?jī)H為4.6 mL，在對(duì)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)其在低溫條件下趨勢(shì)十分符合赫-巴模式擬合度，可以達(dá)到0.997，并建立低溫條件下AV響應(yīng)數(shù)學(xué)模型，精度在98.5%以上。

王勝等[18]研制以15%NaCl為基礎(chǔ)液的無(wú)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(shù)問(wèn)題，具有創(chuàng)新性。此方案簡(jiǎn)單，可改變處理劑的類型及含量，適用于不同的地質(zhì)條件但其實(shí)用性還需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(dòng)切力分別為34、35 Pa，濾失量分別為6.8、7.6 mL。PHP 與KHM 進(jìn)行配置能夠有效地增強(qiáng)鉆井液的抑制能力，滿足高原凍土層的使用條件并且價(jià)格低廉具有一定的實(shí)用價(jià)值。但還需進(jìn)一步在實(shí)地進(jìn)行鉆探試驗(yàn)，以此對(duì)鉆井液的實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化PHP 與KHM 的配比提高鉆井液防塌性能。

無(wú)機(jī)鹽類鉆井液中材料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，在相同的含量下其凝固點(diǎn)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(duì)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(guò)高則會(huì)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(yīng)該著重關(guān)注鉆井液中抗鹽添加劑的開(kāi)發(fā)，有效解決“鹽侵”問(wèn)題。

1.4 甲酸鹽類鉆井液

甲酸鹽類鉆井液具有對(duì)地層破壞性小、固相含量低、清潔能力強(qiáng)、污染小、對(duì)水敏地層抑制性強(qiáng)、與聚合醇類相復(fù)配時(shí)具有良好的防塌性能和潤(rùn)滑性等優(yōu)點(diǎn)而引起廣泛關(guān)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(diǎn)要遠(yuǎn)低于甲酸鉀[21]。

WANG[22]以甲酸鉀為耐溫介質(zhì)結(jié)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(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)在-10 ℃下具有良好的流變性及黏彈性，在進(jìn)行膨脹量測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)在清水中浸泡的試塊在48 h時(shí)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(fù)雜地質(zhì)條件下進(jìn)行實(shí)地應(yīng)用，表現(xiàn)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(jié)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(jìn)行實(shí)地鉆探，使用此鉆井液平均鉆進(jìn)速度提升66.7%，巖心采取率高達(dá)90%，并且形成了更加優(yōu)異的泥皮保護(hù)膜。

盡管甲酸鹽類鉆井液在低溫條件下?lián)碛辛己玫牧髯冃阅堋⒎浪阅?、?rùn)滑性、易維護(hù)及能夠有效地保護(hù)儲(chǔ)層等優(yōu)點(diǎn)，但是其價(jià)格要高于一般的無(wú)機(jī)鹽（NaCl）和泥頁(yè)巖抑制劑（KCl）故在實(shí)地應(yīng)用方面并未進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用，需要進(jìn)行優(yōu)化減少損耗量和提高回收率。

1.5 醇/無(wú)機(jī)鹽類低溫鉆井液

鉆井液中試劑的抗鹽性能決定著無(wú)機(jī)鹽的含量不能過(guò)高進(jìn)而導(dǎo)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(wú)機(jī)鹽類鉆井液，并且不與鉆井液中添加劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故將兩者相結(jié)合可以在一定程度上緩解無(wú)機(jī)鹽對(duì)試劑的“鹽侵”傷害，擴(kuò)大使用范圍。

NaCl 和乙二醇復(fù)配得到的鉆井液能在低溫條件下體現(xiàn)出優(yōu)異性能。10%NaCl+5% 乙二醇在-10 ℃條件下流動(dòng)性良好未絮凝，并在-9.1 ℃下形成薄而密的濾餅，濾失量?jī)H為8.2 mL，并且隨溫度的降低鉆井液的非牛頓性隨之增強(qiáng)[24]。邱正松等[25]在極地凍土鉆探條件下，使用乙二醇與NaCl復(fù)配添加黃原膠(XG)、羥乙基纖維素和改性淀粉等配置成無(wú)固相鉆井液，凝固點(diǎn)均小于-28 ℃、導(dǎo)熱系數(shù)＜0.5 W/（m·K）。在-25 ℃時(shí)泥頁(yè)巖膨脹率僅為0.4%～0.5%，遠(yuǎn)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(jié)合抑制劑KCl及防塌劑羥乙基纖維素（HEC）利用正交實(shí)驗(yàn)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(guò)浸泡實(shí)驗(yàn)表明該配方能將NGH樣品帶到地面。

劉天樂(lè)[27]對(duì)適用于海底天然氣水合物鉆探的鉆井液進(jìn)行探究，配制出人造海水+10%聚乙二醇+3%膨潤(rùn)土+0.3%Na2CO3+20%NaCl+4%磺甲基酚醛樹(shù)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(shí)驗(yàn)后其線性膨脹量?jī)H為13.8%，相較于清水減少了65.93%，能夠抑制頁(yè)巖膨脹，且在18 MPa 下，能夠20 h 內(nèi)抑制水合物生成，保證鉆探的安全進(jìn)行。

相較于單純的無(wú)機(jī)鹽基鉆井液和醇基鉆井液，對(duì)兩者進(jìn)行復(fù)配能夠表現(xiàn)出更加優(yōu)良的流變性能和對(duì)泥頁(yè)巖的抑制性能，對(duì)不同類型抗凍劑進(jìn)行復(fù)配以減緩或消除單個(gè)抗凍劑具有的缺陷是未來(lái)發(fā)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(rùn)滑性能好和優(yōu)秀的抑制穩(wěn)定性成為非常規(guī)油氣藏地層鉆探開(kāi)發(fā)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(jī)鉆井液

煤油和柴油都是輕質(zhì)石油，柴油運(yùn)動(dòng)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(jī)溶劑。兩者凝固點(diǎn)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(qū)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(fā)育的地層當(dāng)中，造成地層膨脹坍塌并且對(duì)地層環(huán)境造成嚴(yán)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(gòu)烷烴類（IsoparTMK）的出現(xiàn)，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(diǎn)低更清潔等優(yōu)點(diǎn)，但有一定的揮發(fā)性和毒性。1980 年于格陵dye3 被首次使用，之后中國(guó)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(jī)溶液進(jìn)行改進(jìn)。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(lái)調(diào)節(jié)其密度。美國(guó)首先在南極地區(qū)使用C2HCl3作為加重劑，又在20世紀(jì)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(kāi)發(fā)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(jià)格昂貴、均具有毒性、對(duì)該地區(qū)的環(huán)境造成污染甚至破壞臭氧層而被舍棄，嚴(yán)重限制了其在極地地區(qū)的應(yīng)用，在未來(lái)的研究應(yīng)著重于無(wú)毒、無(wú)污染且價(jià)格適中的新型加重劑的開(kāi)發(fā)。

以上石油基鉆井液一般運(yùn)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(qū)或者深海地區(qū)進(jìn)行勘探由于石油基鉆井液的污染性及價(jià)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(zhì)土等的污染。

2.2 甲基硅油類鉆井液

甲基硅油是一種無(wú)色無(wú)味不易揮發(fā)且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的液體，與金屬、塑料橡膠等不發(fā)生反應(yīng)、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(shù)小、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[33]。甲基硅油屬于塑性流體的密度與溫度大致呈線性關(guān)系，隨溫度的降低密度增大，在-60 ℃密度約為0.98 g/cm3，-40 ℃時(shí)其流變性能良好并且流變特性與溫度之間關(guān)系符合二次曲線方程μ= 0.001 9t2-0.123 3t+ 7.031 7（μ為運(yùn)動(dòng)黏度，mm2/s；t為溫度，℃），推斷出在-60 ℃時(shí)其運(yùn)動(dòng)黏度為21 mm2/s。將日本生產(chǎn)的硅油（2.0 mm2/s）與我國(guó)生產(chǎn)的硅油（5.0 mm2/s）進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)日產(chǎn)的硅油在-60 ℃下密度為0.952 g/cm3，運(yùn)動(dòng)黏度為12.29 mm2/s，而國(guó)產(chǎn)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(jià)格是一般鉆井液的5～10 倍嚴(yán)重制約了其在實(shí)地鉆探中的應(yīng)用，到目前還未應(yīng)用在南極實(shí)地勘探當(dāng)中。

3 酯基鉆井液

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

美國(guó)PICO 在對(duì)近25 萬(wàn)種化學(xué)物調(diào)查后總結(jié)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(duì)比其在低溫條件下黏度、密度及污染性等因素，發(fā)現(xiàn)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(diǎn)-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(yīng)用在極地環(huán)境，但對(duì)橡膠具有強(qiáng)腐蝕性并對(duì)人的身心健康有一定影響[34]，故在沒(méi)有辦法消除其乙酸蒸汽時(shí)不建議使用。

吉林大學(xué)韓麗麗[4]依據(jù)在極地極端氣溫條件下所使用的一種無(wú)毒、密度適中、環(huán)保及廉價(jià)的鉆井液，對(duì)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(jìn)行密度及流變性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。發(fā)現(xiàn)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(huán)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(cè)量黏度及密度，發(fā)現(xiàn)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(yōu)（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(shí)發(fā)現(xiàn)混合酯黏度及密度變化與酯的數(shù)量、分子間結(jié)構(gòu)、碳?xì)滏滈L(zhǎng)度有關(guān)，數(shù)量越多、分子間作用力越大及碳?xì)滏溤介L(zhǎng)，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(duì)人體的身心健康造成影響，個(gè)別適合極地鉆探酯類但由于其具有強(qiáng)腐蝕性，腐蝕鉆具及其密封圈使鉆井工作不能長(zhǎng)久。故在后面工作對(duì)現(xiàn)有的酯類進(jìn)行復(fù)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(kāi)發(fā)出更加環(huán)保、無(wú)毒、污染小的新型酯基鉆井液。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(lái)源廣泛、添加劑比油基鉆井液相比價(jià)格更加低廉、環(huán)保，但是其容易受到油氣藏的污染并且鉆井液的水分對(duì)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(yīng)用在極地地區(qū)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(kāi)采時(shí)以油包水乳化鉆井液為主是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，相較于水基鉆井液其自身抗污能力、抗鹽能力強(qiáng)、良好的潤(rùn)滑性對(duì)油氣藏的傷害小且可回收重復(fù)利用，但是會(huì)對(duì)開(kāi)采地區(qū)周圍環(huán)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(huán)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(xué)性質(zhì)及在使用時(shí)用來(lái)調(diào)節(jié)密度的加重劑均對(duì)人體身心及周圍環(huán)境有一定傷害，故在透氣不好的環(huán)境下不建議使用。

目前對(duì)于低溫鉆井液多為室內(nèi)研究，得到的理論值與實(shí)際施工數(shù)據(jù)有所差別，在未來(lái)對(duì)低溫鉆井液研究要與目標(biāo)地區(qū)實(shí)際地層特性、鉆井壓力、鉆井液對(duì)地層封堵機(jī)理、地層溫壓與鉆井液之間傳遞規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)低溫鉆井液配方進(jìn)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(xié)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(dāng)中應(yīng)該研發(fā)抗鹽能力強(qiáng)的封堵劑、降濾失劑等新型試劑，構(gòu)建功能易調(diào)節(jié)、后期易維護(hù)及對(duì)環(huán)境友好的鉆井液體系。在對(duì)極地冰層鉆井時(shí)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(jià)格高昂和對(duì)周圍環(huán)境有一定污染，在未來(lái)低廉、無(wú)毒環(huán)保的鉆井液基液及加重劑是研究工作的重點(diǎn)方向。