低温钻井液研究和应用进展

陈鸵，张楠，杨双春，蔡家铁，李敏，Nakekes Pokawin

(1.辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.中国石油大学 化学工程与环境学院， 北京 102249；3.辽宁石油化工大学 国际教育学院，辽宁 抚顺 113001)

低温钻井液(LTDF)是指在冰层、永冻土层、极地、海洋深水等低温地层钻进所用的特殊钻井液。其要求钻井液在低温条件下有堵漏防塌能力、有良好的流变性和失水特性、密度、粘度、剪切强度，并具有较好的“自控能力”，能控制其本身的流体温度等。目前关于LTDF的资料较少，这大概是由于国内外当前在极地、永冻层以及冰层等特殊环境的钻进研究和工程实践数量少，专家学者们也就开始涉足低温钻井液的研究，如Wang等[1]采用防冻剂甲酸钾、KULI植物胶、纳米SiO2、无机处理剂、高分子增效剂等配制了一种低温绿色纳米材料复合的植物胶钻井液，并用该钻井液体系在阿尔卑斯生态脆弱地区进行勘探钻探，其钻井液低温流变性好、粘弹性和抗塌性能较好，符合环保要求；国内学者张灵霞等[2]研究了在水基钻井液中添加乙二醇[(CH2OH)2]和无机盐类(磷P、钾K、硫S)防冻剂，发现此类钻井液中乙二醇或者其衍生物起抗低温作用，无机盐类起防冻作用，在冻土层中二者协同。

本文通过大量的文献调研，综述了低温地层、海洋深水相关低温钻井液的研究现状，分析了它们的优缺点以及应用情况，提出了低温钻井液LTDF科研方向与建议。

1 冰层和极地钻进使用的低温钻井液

冰层是非线性流变介质，可以与地层压力达到平衡状态，使孔壁达到稳定。因为其矿产与油气资源的非常规勘探开采，低温地层的科学钻进显得十分关键，低温地层钻进与常规钻进一样需要合适的钻井液，以达到实现平衡地层压力、保持孔壁稳定、冷却和润滑钻头和钻具、携带和悬浮钻屑的目标。

外国学者在早期提出除了航空煤油钻井液(TC-1型航空燃料、柴油机燃料)外，还有氟代烃类、有机硅类和脂肪酸酯类[3]。如今国内对低温钻进的研究也涌现了一些研究成果，比如王莉莉等[4]对不同混合酯的耐低温性能进行分析，讨论了脂肪酸酯类(一元、二元脂肪酸酯)分子特点，得到低分子饱和脂肪酸单酯具有较强的耐温能力，在-60 ℃下，单酯的密度为0.934～0.964 g/cm3，黏度为3.72～15.2 mPa·s，较好地符合粘度与密度范围，能达到钻探南极冰层取心的条件，且具有良好的低温流动性；但作者还发现混合酯的分子内酯基较多，分子链长度大，不能达到所需的粘度与密度的条件。

宋佳宇等[5]以二元脂肪酸二醇酯、低分子量饱和脂肪酸酯与甲基硅油为试验对象，研究了钻井液粘度与密度对钻进效率与孔壁稳定的影响。发现了低分子量饱和脂肪酸单酯，在-60 ℃ 条件下，具有较低的粘度与合适的密度，并提出钻探时其中丁酸丁酯最佳；甲基硅油因具有粘温系数小、无毒、挥发性小，可用作极地冰钻钻井液材料。

中国石油大学(华东)学者[6]研制了一种水基无粘土相钻井液，钻井液体系包括超低温基液、封堵剂、增粘剂和水等，其中由无机盐和醇组成了超低温基液，凝固点≤-28 ℃，导热系数<0.5 W/(m·K)。作者提出该水基无粘土相钻井液在-25 ℃的条件下仍具有良好的流变性、滤失性、低导热特性、井壁稳定性及环保性，能够应用于极地冻土地层钻探中。

总的来说，在进行冰层取心钻进时，钻井液的主要作用是维护钻孔的稳定、清洗钻孔的底部与排除冰屑的作用。国内外有研究表明在南极与格陵兰等地区的极地冰层钻探实践中，使用的低温钻井液取得了成功，文献调研发现适合于冰层钻探用的钻井液类型比较多，各自都存在一些缺点，难以完全满足南极极地冰层钻探的具体要求，如某些钻井液还存在着低温粘度过大、低温条件下的性能变化有差异、对环境污染严重等问题。可见，在冰层和极地钻进使用的钻井液方面，要做的研究还有很多，建议通过对已有钻井液体系的性能和机理分析，先进行大规模的处理剂筛选进行体系研发，然后进行关键处理剂开发，研究关注不要都集中在单一的抗冻剂上。

2 永冻土层地层钻进使用的钻井液

冻土地层的钻进主要是在冻结岩层进行，冻结岩层在长期的低温和压力条件下，由未冻结的水、冰块以及充满水蒸气的空气、不同种类的矿物颗粒等形成的多成分岩系。在钻进时，导致永冻层自身物理性质发生本质变化，是随外部温度和压力条件发生的变化，对原有平衡造成破坏。冻土地层钻进中使用的钻井液体系与常用钻井液不相同，除具有良好的稳定孔壁的能力、净化孔底、悬浮排出岩屑与冷却钻头作用外，还要求其在冻土层钻孔时有优良的流变性来满足高压、低温的条件。

冯哲等[7]在无固相聚合物低温钻井液中加入乙二醇、其他高聚物等处理剂利用正交实验法分析了钻井液的耐低温特性，得到配方体系使用的主剂为乙二醇与 PVA，其钻井液-20 ℃条件下有着较好的流变性能。

吉林大学展嘉佳[8]依据高原冻土地层使用钻井液原则，在无固相高聚物抗低温钻井液研究的基础上，对不分散低固相高聚物体系的抗低温钻井液进行了进一步实验研究。得出以(CH2OH)2和 NaCl 为主要防冻剂的耐低温钻井液，钻井液配方符合在-20～-5 ℃低温条件下的应用，保持优良使用性能，且钻井液体系配比的经济性较好，成本较低。

综上所述，大多数学者以NaCl 作为钻井液的抗冻剂，并发现其随着浓度的增高，抗低温效果逐步增强。如丁付利[9]通过几组配方进行实验，得出NaCl 浓度为 20%时，可以达到抗低温-18 ℃的效果；在此基础上并研发了新型抗盐处理剂 GTQ，以 GTQ 作为增粘剂的钻井液，具有很好的抗盐效果，有效解决了“盐侵”的问题，使配方的整体效果能够发挥。但由于时间原因，所得到的最佳钻井液配方比例没有在现场进行应用，因此建议需要进一步验证在现场使用时能否达到效果。此外，除了NaCl、氯盐类等无机盐钻井液体系，应加强研发其他体系。

3 天然气水合物钻进使用的钻井液

由充分的天然气和水分以及没有影响的形成空间在高压(主要取决于上覆地层厚度)、低温(主要影响是平均地表温度、地温梯度)的前提下构成的结晶笼型化合物称为天然气水合物。大多积聚于永冻土层区和海水底部。据调查，国内外已探采的资源储量[10]大概为2.1×1016m3，其含碳量为天然气、煤和石油的2倍左右，被认为是未来替代石油和煤等的新型清洁能源。

3.1 赋存天然气水合物永冻层钻进使用的钻井液

钻井液是冻层钻井流程中极其重要的部分，高原冻土是天然气水合物永冻层主要赋存的区域，为确保成功钻探，其不仅在低温环境下有优良的流变性能，还要能够抑制水合物分解、用来维护相对平衡。

Freij-Ayoub等[11]采用卵磷脂试剂并添加PVP溶液和多聚物等，在阿拉斯加北极地区进行钻进，其机理是卵磷脂试剂能够在天然气水合物外表上吸附，形成新冻土层，有效抑制气体扩散，使冻土层可分解出的自由水和气体结合，降低分解速度。

Nikolaev等[12]根据我国西部含天然气水合物多年冻土的特点，以及醇钻井液的应用，研究了聚乙二醇-丙二醇复合醇钻井液。发现其密度合理，能有效控制页岩膨胀，还有着较好的低温流变性、抑制能力和润滑性等，防止少量天然气水合物释放的游离物在井筒周围循环产生影响。

王胜等[13]研制了用溶液(15%氯化钠)作为基础液来满足钻探要求的无固相低温钻井液体系，配料比：1 000 mL水+8%SW+0.5%NaOH+15% NaCl+5% FA(FA为特种高聚物，是一种新型增粘剂)，解决了低温技术问题，具有创新性。

刘华南[14]通过数值模拟建立了一个室内冻土温度场检测实验平台，采用发泡剂，研制出一种机能较好的低温泡沫钻井液，探索了钻井液不同因素影响冻土层扰动的情况，分析了冻土地区施工常遇的各类问题，并应用于现场，效果良好。

华绪[15]研制出一种适于冻土天然气水合物钻探护壁堵漏的纳米复合水泥浆液，发现该纳米复合水泥浆液在不同低温环境下性能良好且较稳定，加大结石体的抗压能力，还能在时间上减短凝结；能够促进水泥浆液水化，填充浆液结石体内部孔隙[16]，改善其流变性能，使得复合水泥浆在低温环境下性能更优，且不同低温环境下性能更为稳定。

3.2 赋存天然气水合物海水钻进相关的钻井液

海洋天然气水合物地层钻进过程中，随着钻井液的侵入有可能会出现水合物分解，继而引发井壁失稳等问题。

蒋国盛等[17]研究了以海水、NaCOOH、SK-2、改性淀粉、KPAM、LV-PAC、PVPK-90配制的甲酸盐无粘土钻井液，得出动力学抑制剂PVPK-90的水合物生成抑制性添加量为 1%较好，能有效保证在水合物地层的钻井安全。

王震等[18]研制了一种纳米SiO2钻井液，配方：海水纳米 SiO2+膨润土+Na-CMC(羧甲基纤维素钠)+SMP-2(磺甲基酚醛树脂)+PVP(K90) (聚乙烯吡咯烷酮)+KCl(氯化钾)，对其低温性能和水合物生成抑制能力展开了讨论。发现该钻井液低温流变性、泥页岩水化抑制能力和密度较好等，适合海洋钻进施工使用。建议日后的研发中，加强利用纳米材料的化学活性、晶核等特性，注重研究其在低温钻井液 LTDF 中的应用原理，以便设计更合理的纳米钻井液。

刘天乐等[19]研究了动力学抑制剂的聚合醇钻井液，配方：人造海水+3% 膨润土+1% LV-PAC +4% SMP-2+10% 聚乙二醇+0.5% NaOH+20% NaCl+1% PVP (K90)，低温聚合醇钻井液体系改良之后拥有最佳的流变性和页岩抑制性等。但此实验只在室内实验室下进行分析，希望在以后的调研中能结合钻井技术需要，进一步研究现场钻井液的应用情况。

邱正松等[20]以十二烷基硫酸钠(SDS)、聚乙烯基吡咯烷酮DY-1和改性卵磷脂、去离子水、纯度 ≥99.9% 甲烷气体等配制，研制了一套水合物地层钻探的低温水基钻井液，其低温流变性、页岩抑制性、润滑性和抑制钻井液中水合物生成与分解性能都较好。

综合上述文献，根据天然气水合物冻土层、海洋天然气水合物的钻进特点，建议今后加强多种钻井液体系适用性的研发，如耐低温泡沫钻井液、耐低温复合醇体系等；同时发现我国在设计抑制剂结构分析方面缺少创新，如采用聚合物分子结构设计低温钻井液可提高钻井液抗冻性；在研发新型添加剂时，大多只关注抑制性能，针对钻井液的其他内容如悬浮性、润滑性的研究都很少，限制了天然气水合物钻井液的发展；在日后研究过程中，可在纳米技术等方面多关注，并加强多学科交叉配合。

4 低温钻井液的现状总结

目前国内外在低温条件和低温地层钻进中勘探开发积聚的经验不多，文献也较少，但是近年来由于低温地层资源已成为石油开发重点，因此在对低温钻井液LTDF体系的逐渐增加研究中，也收获了一些成绩。将相关的低温地层钻井液研究和应用现状进行比较列表(表1)，总的来说，纵观国内外对低温钻井液的研究(采用水基钻井液对解决抑制天然气水合物分解问题)，已取得了较好的效果。因此，要落实低温物层的安全钻井，重点技术在于钻井液。

表1 钻进使用的低温钻井液情况Table 1 Low temperature drilling fluid used in drilling

5 结束语

随着石油工业的发展，低温地层资源已成为石油开发重点领域，本文对低温钻井液进行了综述，得出了以下几点建议：

(1)针对当前在极地冰层钻进中已使用过的钻井液低温粘度大、低温条件下的性能不稳定、环境污染严重的问题，建议研发安全、环保的新型耐低温钻井液。

(2)冻土层的低温钻井液配方的低温流变稳定性较好，低温下不易“稠化”，但不足的是其动切力稍偏低，建议主要关注钻井液体系动切力性能的优化。

(3)天然气水合物的低温钻井液研发方面，可加强研究其他耐低温钻井液LTDF体系如泡沫体系；加强研究悬浮性能、润滑性能。

(4)探索研发添加更先进、更智能、低温适用温度范围更广的材料，如加入纳米复合材料、耐低温无机盐、智能材料，使其能够满足不同地层的钻进要求。