南极地区低温钻井液研究进展与发展方向

孙金声; 王宗轮; 刘敬平; 吕开河; 黄贤斌; 张宪法; 邵子桦; 黄宁

doi:10.11698/PED.20220253

石油勘探与开发 >

2022 , Vol. 49 >Issue 5: 1005 - 1011

DOI: https://doi.org/10.11698/PED.20220253

石油工程

南极地区低温钻井液研究进展与发展方向

孙金声 ^,¹^,² ,
王宗轮 ¹ ,
刘敬平 ^,¹ ,
吕开河 ¹ ,
黄贤斌 ¹ ,
张宪法 ¹ ,
邵子桦 ¹ ,
黄宁 ¹

展开

¹ 中国石油大学（华东）石油工程学院,山东青岛 266580
² 中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京 102206

刘敬平（1985-）,男,四川宜宾人,博士,中国石油大学（华东）副教授,主要从事复杂地层钻井液理论与技术等方面的研究工作。地址：山东省青岛市黄岛区长江西路66号,中国石油大学（华东）石油工程学院,邮政编码：266580。E-mail: 20160038@upc.edu.cn

孙金声（1965-）,男,江西于都人,博士,中国工程院院士,主要从事钻井液、储集层保护、天然气水合物钻采理论与技术等方面的研究工作。地址：北京市昌平区黄河街5号院1号楼,邮政编码：102206。E-mail: sunjsdri@cnpc.com.cn

Copy editor: 唐俊伟

收稿日期: 2022-04-06

修回日期: 2022-08-06

网络出版日期: 2022-06-09

基金资助

国家重点研发计划（变革性项目）课题“深冰层及冰岩夹层低温钻井液钻进机理与方法”(2021YFA0719102)

收起

Research progress and development direction of low-temperature drilling fluid for Antarctic region

SUN Jinsheng ^,¹^,² ,
WANG Zonglun ¹ ,
LIU Jingping ^,¹ ,
LYU Kaihe ¹ ,
HUANG Xianbin ¹ ,
ZHANG Xianfa ¹ ,
SHAO Zihua ¹ ,
HUANG Ning ¹

Expand

¹ School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China
² CNPC Engineering Technology R&D Company Limited, Beijing 102206, China

Received date: 2022-04-06

Revised date: 2022-08-06

Online published: 2022-06-09

Fold

摘要

通过系统梳理南极地区钻井的特点、南极低温条件对钻井液的性能要求、低温钻井液的研究进展,找出了目前存在的问题,指出了南极低温钻井液的发展方向。南极地区钻井主要包括雪层、冰层和冰下岩层钻井,南极低温条件下钻井面临4个方面的问题：①钻井区低温、温度变化跨度大;②雪层易井漏卡钻、冰层易蠕变、暖冰层易冰屑聚集卡钻、冰下岩层易井壁坍塌;③基础设施缺乏,后勤保障难度大;④环境脆弱,承载能力低。南极低温钻井液经过多年发展取得了一定的进展,研发了低温石油基钻井液、醇类钻井液、酯类钻井液和硅油类钻井液,但普遍存在耐低温不足、环保性能低以及井壁稳定性差等问题。为满足南极低温条件下钻井液的性能要求,未来必须深入研究低温钻井液作用机理,研发环境友好型低温钻井液基液及相关添加剂,构建环境友好型低温钻井液体系,建立可保持井壁稳定、提高钻遇冰层和冰岩夹层时的携屑能力的多功能一体化调控方法,进而形成现场配套施工规范,为南极钻井提供技术支撑。

关键词： 南极地区; 冰雪层; 冰下岩层; 低温钻井液; 钻井液体系; 作用机理; 调控方法; 施工规范

本文引用格式

孙金声 , 王宗轮 , 刘敬平 , 吕开河 , 黄贤斌 , 张宪法 , 邵子桦 , 黄宁 . 南极地区低温钻井液研究进展与发展方向[J]. 石油勘探与开发, 2022 , 49(5) : 1005 -1011 . DOI: 10.11698/PED.20220253

Abstract

By combing the characteristics of drilling in Antarctic region, performance requirements on drilling fluid for Antarctic low temperature conditions, and research progress of low temperature drilling fluid, current problems of the drilling fluid have been sorted out, and the development direction of the drilling fluid has been pointed out. Drilling in the Antarctic region mainly includes drilling in snow, ice and subglacial rock formations, and drilling in Antarctic low temperature conditions will face problems in four aspects: (1) low temperature and large temperature changes in the drilling area; (2) likely well leakage and drillstring-sticking in the snow layer, creep in the ice layer, ice chip gathering jamming in the warm ice layer, well wall collapse in the subglacial rock formations; (3) lack of infrastructure and difficulty in logistical support; (4) fragile environment and low carrying capacity. After years of development, progresses have been made on low-temperature drilling fluids for the Antarctic region. Low-temperature petroleum-based drilling fluid, ethanol/ethylene glycol-based drilling fluid, ester-based drilling fluid and silicone oil-based drilling fluid have been developed. However, these drilling fluids have problems such as insufficient low-temperature tolerance, low environmental performance and weak wellbore stability, etc. In order to meet the performance requirements of drilling fluid under low-temperature conditions in Antarctic region, the working mechanisms of low-temperature drilling fluid must be examined in depth; environment-friendly low-temperature base fluid of drilling fluid and related additives must be developed to prepare environmentally friendly low temperature drilling fluid systems; multi-functional integrated adjustment method for drilling fluid must be worked out to ensure well wall stability and improve cutting-carry capacity when drilling ice formations and ice-rock interlayers; and on-site support operation codes must be established to provide technical support for Antarctic drilling.

Key words： Antarctic region; snow and ice formation; subglacial rock formation; low-temperature drilling fluid; drilling fluid system; working mechanism; regulation method; construction specification

0 引言

南极大陆面积占地球总面积的十分之一,但其99.68%的面积被冰覆盖,冰盖平均厚度为1 829 m^[1]。作为地球上最后的未被开发大陆,南极蕴藏着无数的科学之谜和丰富的资源^[2]。在南极已发现的矿物资源超过220种,主要包含石油、天然气、铁、煤、铜、金刚石、钍、钚和铀等^[3⇓-5]。据估计,目前南极地区石油储量约为（7.95~15.90）×10⁹ m³,天然气储量约为（3~5）×10¹² m³^[6-7],陆缘水合物潜在资源量约为（4.7~7.8）×10¹³ m³^[8]。快速钻穿南极冰盖,直接获取冰下基岩样品,确定岩石暴露年龄及结构组分,对研究南极地质构造、探测南极矿产资源、揭示冰盖演化历史、评估未来气候变化等具有重要意义。

钻井过程中,必须通过具有一定密度的钻井液来维持井壁稳定。钻井液的质量是钻井工程钻速快慢、取心质量好坏、钻井是否成功的关键。南极地区地表平均气温低（-60~-50 ℃）^[9-10],地层复杂（从上而下分为雪层、冰层和岩层）,地层温度变化大（-55~-2 ℃）,这对钻井液的性能提出了巨大的挑战。现有钻井液耐低温与稳定井壁性能不足、钻井过程中冰屑聚集严重,井壁坍塌、卡钻等事故极为常见。同时钻井液腐蚀性强,对电机和控制系统损坏严重,对工作人员的健康影响严重^[11]。

受现有钻井液性能的限制,迄今为止,仅有俄、美、中三国在南极海岸带周边实施了5个较浅的冰下基岩钻井（最深仅为681 m）,获取了少量冰下岩心样品（最长仅为8 m）,远无法支撑南极科学研究需求。因此,本文通过系统梳理南极地区钻井的特点、南极低温条件对钻井液的性能要求、低温钻井液的研究进展,找出了目前存在的问题,指出了南极低温钻井液的发展方向。

1 南极地区钻井特点与难点

1.1 南极地区钻井特点

南极冰盖自上而下,主要由雪层、多气泡冰层、脆冰层、普通冰川冰层、暖冰层、冰岩夹层、冰下基岩组成。冰岩夹层和冰下基岩可能存在融水和未冻结冰碛物,部分地区有冰下湖等构造。故南极钻井主要包括雪层钻井、冰层钻井和冰下岩层钻井^[12]。

①雪层钻井：南极雪层厚度约为100 m,南极点（South Pole）、东方站（Vostok）、冰穹C（Dome C）、伯德站（Byrd）雪层厚度分别为115,95,100,64 m。覆雪层由于存在时间比较短,孔隙度大,具有高渗透性,其厚度与湿度、冰盖积累速度有关^[13]。由于雪层的渗透性非常高,雪层钻井流体在井内很难形成封闭循环,压缩空气或低温钻井液会通过井壁和井底的空隙流失,并使雪粒聚集在井底而被压实成冰渣,最终包裹钻头,造成卡钻事故。所以,雪层钻井时一般用套管进行隔离,并使用套管鞋防止钻井液泄漏。此外,如果雪层较薄,可以采用空气钻井。

②冰层钻井：冰是一种非线性的流变介质,很小的应力就可能使其产生屈服,造成自身蠕变,进而导致缩径,甚至井壁垮塌或卡钻。所以冰层钻井需要用特定密度的低温钻井液来平衡冰层压力,维持井壁稳定^[14]。随着冰层深度的增加,冰层内温度升高,最终出现暖冰层。暖冰层钻井时,冰屑易发生聚集,造成卡钻、井眼闭合等问题。

③冰下岩层钻井：冰下岩层是由多种矿物颗粒、冰块、未冻结的水以及充满水蒸气的空气等组成的复合多孔介质,这种组构特点使冰下岩层对温度非常敏感。当钻井液与冰下岩层接触时,井筒周围一定范围内的冻结岩层会与其发生热交换,使孔隙中的冰发生融解,而且随着钻井时间的累积,融解的范围会越来越大,导致岩层力学性质变差（见表1）,变形性增强,进而引发井壁失稳等问题^[15-16]。因此在冰下岩层中快速安全钻井的关键是尽量保持井壁岩层的原赋存状态。

表1 岩石冻结与消融状态的力学参数^[16]

岩性	冻结状态的力学参数			消融状态的力学参数
岩性	内摩擦系数	黏聚力/MPa	弹性模量/MPa	内摩擦系数	黏聚力/MPa	弹性模量/MPa
花岗岩、闪长岩、安山岩	0.78	0.60	200	0.75	0.30	110
花岗岩^、闪长岩^、安山岩^*	0.73	0.35	140	0.70	0.15	90
片麻岩	0.84	0.65	330	0.80	0.35	180
石灰岩	0.67	0.30	120	0.65	0.20	80
砂岩	0.23	0.40	160	0.70	0.25	100
砂岩^*	0.68	0.24	120	0.65	0.15	75
黏土、页岩	0.62	0.20	100	0.60	0.10	50
黏土^、页岩^	0.57	0.15	40	0.55	0.07	20

注：*制样的时候增加了岩样的含水量然后进行冻结从而增加了岩样中的冰含量

1.2 南极地区钻井难点

通过对南极地区低温条件下钻井特点的总结,认为南极地区钻井存在4个方面的难点：①南极地区气候条件恶劣,年平均气温低于-55 ℃,冰层内温度变化大（-55~-2 ℃）,对钻井液的耐低温能力、大跨度温区适应能力提出了严峻的考验。南极地区冬长夏短,存在着极夜,工期只有约40 d,具有高性能的钻井液才能更好地适应环境。②南极地区地质条件复杂,钻遇层位包括雪层、冰层和冰下岩层等,雪层渗透性大,极易造成井漏卡钻等问题;冰层易发生蠕变,安全密度窗口窄,暖冰层易出现冰屑聚集卡钻;冰下岩层钻井过程中易出现冻土融化,造成井壁坍塌。③南极地区地处地球的一极,人迹罕至,基础设施缺乏,后勤保障难度大,因此对钻井液的使用量和重复使用性能提出了更高的要求。④保护南极地区的生态环境安全是全人类共同的责任,而南极地区环境脆弱,承载能力低,生态系统敏感,因此对钻井液的环保性能提出了更严苛的要求^[17⇓-19]。

2 南极低温钻井液的性能要求

从哥本哈根大学的报告^[20]中收集了用于极地钻探的钻井液的基本性能参数（见表2）。南极地区冰层密度为910~925 kg/m³,故南极低温钻井液的密度应为920~950 kg/m³,并且最好具有能够进行±25 kg/m³微调的能力^[21]。低温钻井液要求黏度越小越好,由于南极地区钻井时间成本高昂,黏度高会降低井筒中的起下钻操作速度,为了减少起下钻时间,必须扩大钻具与井壁之间的间隙来降低黏滞阻力。但是大直径的井眼会面临钻速减慢、钻屑增加和能耗提高等问题,而且由于冰的密度小于钻井液的密度,钻井过程中不需要考虑钻井液的流变性对携冰屑能力的影响,因此一般理想的标准是低温钻井液的黏度低于23.75 mPa·s^[21]。南极低温钻井液的冰点不仅应低于井眼中的最低温度,而且应低于钻井棚（通常为储存钻井液的地方）外的空气温度,因此钻井液的凝固点至少应低于-55 ℃。此外还要求低温钻井液具有较好的化学稳定性和环保特性。在这种低温的条件下,无法应用水基钻井液,因此南极低温钻井液一般为油基或合成基钻井液^[22]。

表2 南极低温钻井液主要性能^[20]

性能	对钻井工作影响	钻井液要求
密度	密度不合适会导致井壁失稳乃至卡钻	在-55 ℃下密度等于或稍大于冰层密度
黏度	黏度高会导致钻具升降速度减小,钻井总时间增加,钻井成本增加	在-55 ℃下黏度低于23.75 mPa•s
抗冻性	凝固点高于-55 ℃时钻井液在储存或在井内循环过程中结冰	凝固点小于-55 ℃
稳定性	化学性质不稳定会导致钻井液在储存、运输、使用过程中性能改变	化学性质稳定
与聚合物和金属的相容性	腐蚀会导致钻杆、电缆或其他钻具部件损坏	无腐蚀性
挥发性和可燃性	挥发性大会污染工作环境、衣物、冰心,低燃点带来消防安全问题	挥发性小,燃点高
溶水（冰）性	溶水性会导致井壁溶解,进而形成冰泥乃至卡钻等	不溶水
毒性	毒性大会对相关工程人员身体健康造成威胁	无毒或低毒性
环保性	环保性差导致污染环境	不污染环境
经济性	价格高导致钻井工程成本增加	价格低廉,市场易购买

3 南极低温钻井液研究进展

3.1 石油基钻井液

低温石油基钻井液主要以石油类产品为基础,如柴油、煤油或脱芳烃类溶剂油、异构烷烃溶剂等,再辅以加重剂组成。

柴油、煤油是最早开始使用的石油基钻井液基液。1967—1968年美国在南极伯德站首次用柴油进行了钻井,钻井深度2 164 m（仅冰层钻井）。后来又陆续使用了不同型号的煤油辅以各种加重剂在南极实施了钻井^{[23⇓⇓-26]}。这些钻井液基液的使用温度仅为-13~-7 ℃,且具有较大的刺激性、毒性和腐蚀性,目前在南极钻井过程中已很少使用。

随后,毒性较小、易生物降解和耐低温能力较强的脱芳烃类溶剂油（Exxsol^TM D30、Exxsol^TM D40和Exxsol^TM D60）和异构烷烃类溶剂（Isopar^TM K）逐渐替代了传统的煤油类钻井液,其主要性能参数见表3。自1996年以来,这两类钻井液分别在南极冰穹C、伯克纳岛、毛德皇后地和南极西部冰盖等区域进行了应用^{[23,27⇓⇓ -30]},最深钻至3 405 m（仅冰层钻井）,虽然钻井液性能有了大幅度提升,但钻井过程中仍出现了冰屑聚集堵塞井筒的问题。

表3 溶剂Exxsol^TM D系列和Isopar^TM K的主要性能参数^[31]

溶剂类型	15 ℃时密度/（kg•m^-3）	20 ℃时黏度/（mPa•s）	倾点/℃	闪点/℃	芳香烃质量分数/%	苯胺点/℃	蒸发率/%
Exxol^TM D30	762	0.572	<-55	29	0.001	64	44.0
Exxol^TMD40	775	0.744	<-55	42	0.003	67	14.0
Exxol^TM D60	792	1.022	<-55	63	0.060	70	3.4
Isopar^TM K	763	1.404	<-18	54	0.003	83	6.0

温度低于-30 ℃时石油基钻井液的密度约为800~850 kg/m³,而冰的密度为910~925 kg/m³,因此石油基钻井液需要通过与密度显著超过冰密度的碳氟化合物或其他化合物混合,达到低温钻井液所需的密度^[32]。

1967—1968年,美国在南极伯德站首次采用三氯乙烯（C₂HCl₃）作为加重剂,随后于1987—1993年在南极洲洛多姆圆顶采用全氯乙烯（C₂Cl₄）作为加重剂^[25-26],但因其毒性高,被氯氟烃（三氯氟甲烷CFC-11^[23]和三氯三氟乙烷CFC-113^[33]）取代。二氯氟乙烷（HCFC- 141b）对臭氧层破坏小,温度低于-30 ℃时密度为1332.5 kg/m³,能够与石油产品以任意比混溶,被广泛应用并取代了氯氟烃CFC-11和CFC-113^[34⇓-36],南极钻探中曾使用的卤代烃加重剂的物理化学性质如表4所示。

表4 南极钻探中使用的卤代烃加重剂的物理化学性质^[20,31]

卤代烃加重剂	20 ℃时密度/ (kg•m^-3)	25 ℃时黏度/ (mPa•s)	臭氧消耗系数	温室效应系数
C₂HCl₃	1 464	0.791	1.00	4 850
C₂Cl₄	1 625	1.363	1.00	4 700
CFC-11	1 487	0.625	1.00	4 600
CFC-113	1 575	1.024	0.90	5 000
HCFC-141b	1 240	0.516	0.11	630

1987年联合国组织签订的蒙特利尔破坏臭氧层物质管制议定书全面淘汰了氯氟烃。后续研究人员又开发了几种环境友好型加重剂,如氢氟醚HFE-7100^[18]（密度1530.5 kg/m³）作为一种加重剂具有低毒、低黏度和无闪点的特性,但实验测试表明Isopar^TM K与HFE-7100的混合物在温度低于-45 ℃时会分离成两相,这限制了其在低温冰层的应用^[31]。琥珀酸、戊二酸和己二酸二异丁基酯的混合物（混合比例为2∶4∶3）密度为960 kg/m³^[28],是一种无色无味、低毒性、可生物降解的加重剂,研究发现其很容易与Exxsol^TM D40溶剂混溶,但由于低温下黏度高（-30 ℃下黏度达到18 mPa·s）,不宜作为南极深冰层钻井液的组分^[31,37]。

总的来说,现有低温石油基钻井液加重剂还存在低温下黏度高、毒性大、对环境污染严重等问题,合适的石油基钻井液加重剂仍在探索中,这从一定程度上限制了低温石油基钻井液的应用。

3.2 醇类钻井液

乙二醇水溶液和乙醇水溶液是目前南极冰层钻井中已经使用过的两种醇类钻井液^[38-39],其亲水溶冰特性在解决冰屑卡钻事故中具有一定效果^[40-41]。如在南极Dome C地区,由于钻遇暖冰层（冰层温度-10 ℃）,钻井过程中产生的热量导致少量冰融化,然后在钻头和钻具上重新冻结,从而造成卡钻。最终,通过使用乙二醇水溶液成功阻止了融水在钻头上的冻结,暖冰层钻井工作得以顺利进行。然而,该类钻井液在冰层作业中并不能解决所有的卡钻问题,且钻井深度有限,最深仅为412 m（1972年,苏联）,所取冰心的质量也不太理想。这主要是由于：①在低温下,乙二醇和乙醇水溶液的黏度非常大,对钻井具有严重的阻碍作用。②乙二醇和乙醇水溶液对冰有一定的溶解作用,会溶蚀井壁。③若井筒内的温度发生变化（如由于井中发生对流而引起温度变化）,含水的溶液会结冰进而在井中形成软泥状的冰屑,严重影响钻井效率,并且在钻井终止后冰屑会很快堵塞井筒。④乙二醇和乙醇水溶液的亲水性会腐蚀冰心,影响冰心的质量^{[27,42 -43]}。

3.3 酯类钻井液

乙酸正丁酯耐低温特性良好,且低温下具有适宜的密度和黏度,-50 ℃下密度接近970 kg/m³,用于冰层钻进时可以不用再加加重剂,-50 ℃下黏度仍能保持低于3 mPa·s,曾作为钻井液应用于南极钻井（美国、日本、中国等）^{[11,44⇓⇓ -47]},但其存在2个主要的缺点：一是对人的健康有很大危害,二是具有强腐蚀性^[17,48]。丁酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸丁酯、丁酸正戊酯和乙酸正己酯也具有良好的低温特性,低温下的密度和黏度（-55 ℃下密度为932.5~959.0 kg/m³,黏度为3.0~11.7 mPa·s）可满足南极地区钻井要求,同时对环境友好,低温下可以互溶,实际应用时可根据地层需要进行配制^{[49⇓⇓-52]},这些小分子酯的主要物性参数如表5所示。但小分子酯存在着易燃易爆,刺激眼睛和皮肤的问题,目前尚处于实验室研究阶段,并未进行现场试验的验证。

表5 小分子酯的主要物性参数^[49]

性质	CAS号	分子式	相对分子质量	凝固点/ ℃	沸点/ ℃	20 ℃时密度/ (kg•m^-3)	25 ℃时黏度/ (mPa•s)	蒸气压/ kPa	闪点/ ℃	20 ℃时在水中的质量分数/%
乙酸正丁酯	123-86-4	C₆H₁₂O₂	116	-76.8	126.1	882.4	0.73	1.20	22.0	微溶
丁酸乙酯	105-54-4	C₆H₁₂O₂	116	-93.3	121.3	879.0	0.71	1.51	25.0	0.7
丙酸丙酯	106-36-5	C₆H₁₂O₂	116	-76.0	122.4	881.0	0.70	1.43	24.4	0.5
丁酸丁酯	109-21-7	C₈H₁₆O₂	144	-91.5	166.6	869.0	1.01	0.24	53.0	不溶
丁酸正戊酯	540-18-1	C₉H₁₈O₂	158	-73.2	186.4	870.0	1.20	0.08	57.0	易溶
乙酸正己酯	142-92-7	C₈H₁₆O₂	144	-80.9	171.5	871.8	1.10	0.19	43.0	0.4

注：CAS号为美国化学会下设组织化学文摘社（Chemical Abstracts Service,简称CAS）为每种物质分配的唯一数字识别号码

以环保耐低温的椰子油庚基酯衍生物（ESTISOL^TM）为原料配制的钻井液在2006—2016年间进行了数次钻井,钻取冰心质量良好,且钻井期间没有出现冰屑聚集卡钻^[42,53],同时椰子油庚基酯还有作为低温钻井液加重剂的潜力,如椰子油庚基酯165和椰子油庚基酯F2887^[31,37],ESTISOL^TM酯类的主要物性参数如表6所示。ESTISOL^TM酯类钻井液存在低温下黏度高、腐蚀性强、刺激性大等缺点,如椰子油庚基酯240在低温下黏度很高,-35 ℃时黏度达到30.0 mPa·s^[54]。

表6 ESTISOL^TM酯类的主要物性参数^[31]

ESTISOL^TM分类	原料来源	25 ℃时黏度/(mPa•s)	20 ℃时密度/(kg•m^-3)	倾点/℃	闪点/℃	沸点/℃
140	合成	1.3	870	-93	75	199
165	合成	3.0	1 100	<-30	81	180~190
240	蔬菜	4.0	855	<-50	730	250~290
F2887	合成	7.0	1 083	<-10	167	>280

3.4 硅油类钻井液

甲基硅油是一种无色、无味、无毒、不溶于水、不易挥发的惰性溶剂,具有黏温系数小、耐低温等优点。低温下低相对分子质量甲基硅油密度与冰的密度相当,在-50 ℃时甲基硅油黏度约为8.8 mPa·s,符合南极地区冰层钻井的要求^[55]。但其价格较一般的低温钻井液高出5~10倍,严重制约了其在南极地区的应用,目前为止,甲基硅油还未被实际应用到南极钻井项目中。

4 南极低温钻井液技术发展方向

现有南极低温钻井液普遍存在耐低温能力不足、环保性低、防塌性能与防冰屑聚集性能差等问题,无法完全适应南极冰下复杂环境钻井。因此亟需开展南极低温钻井液作用机理研究,研发低温钻井液新材料,构建环境友好型低温钻井液体系,为抢占南极大陆科学研究和资源勘探开发先机提供理论和技术支撑。未来南极低温钻井液的研究将重点从以下5个方面展开。

①低温钻井液实验方法研究。由于南极地区钻井的特殊性,常规钻井液的评价方法和仪器不再适用。实验方法研究和仪器研发的重点包括：研发低温下的钻井液性能测试仪器,如钻井液的流变、滤失、封堵等性能的测试仪器,并建立低温下的钻井液性能测试方法;研发检测低温钻井液与冰层、岩层间传质传热等物理化学作用的仪器,建立评价低温钻井液与冰层、岩层之间稳定性的实验方法;研发低温钻井液冰屑聚集堵塞可视化模拟装置,建立低温钻井液中冰屑聚集堵塞的评价方法;建立低温钻井液处理剂微观作用机理的分析方法等。

②低温钻井液作用机理研究。南极地表环境恶劣、冰下地质条件复杂,钻井过程中会出现诸多问题,如冰层流动导致井眼快速闭合、井筒中冰屑聚集容易堵塞井眼、冰岩界面易发生钻井液漏失、钻井液与岩层的相互作用诱发井壁失稳等,严重威胁钻井安全。因此亟待开展低温钻井液与冰层/岩层间的相互作用机制、冰层井壁液压致裂机理、冰屑聚集堵塞机理、低温钻井液漏失与堵漏机理等方面的研究。

③低温钻井液基液的研发。一种无毒、廉价、环保的低温钻井液基液是南极钻井液的重要研究目标。新型低相对分子质量脂肪酸酯类钻井液在低温下具有良好的密度、黏度特性,未来可以进一步加强其溶冰、挥发性等性能的研究。低相对分子质量硅油优异的物理化学性质使其可能成为一种潜在的南极低温钻井液,可以进一步探寻降低硅油类钻井液成本与提高其适应性的技术方法,如优化低相对分子质量硅油的合成方法,研发硅油与其他溶剂复配的配方等。

④低温钻井液新材料的研发。针对钻井过程中出现的井眼闭合、卡钻、井漏和井壁失稳等问题,研发相应的低温钻井液新材料,如低温钻井液加重剂、低温相变材料、耐低温封堵材料、井壁稳定剂、冰屑防聚剂、耐低温堵漏剂等新材料。

⑤低温钻井液体系及施工工艺研究。目前低温下钻井液中基液与处理剂之间的配伍性及协同增效关系研究尚属空白,低温钻井液体系的构建和性能调控方法尚处于起步阶段,南极现场的钻井液配制与施工工艺等还未形成统一的规范。因此,亟需对低温钻井液体系进行深入的研究,构建环境友好型低温钻井液体系,同时建立可保持井壁稳定、提高钻遇冰层和冰岩夹层时的携屑能力的多功能一体化调控方法,进而形成现场配套施工规范,为南极钻井提供技术支撑。

5 结语

快速钻穿南极冰盖,获取冰下基岩样品,对研究南极地质构造和探测南极矿产资源具有重要的意义,良好的低温钻井液是快速钻穿南极冰盖的关键。南极低温钻井液经过多年的发展取得了一定的进展,研发了低温石油基钻井液、乙醇和乙二醇类钻井液、酯类钻井液和硅油类钻井液,但普遍存在耐低温不足、环保性低以及井壁稳定性差等问题,亟需深入研究低温钻井液作用机理,研发环境友好型低温钻井液基液及相关添加剂,构建环境友好型低温钻井液体系,建立可保持井壁稳定、提高钻遇冰层和冰岩夹层时的携屑能力的多功能一体化调控方法,形成现场配套施工规范,为极地研究提供核心技术,推进极地科技创新、拓展极地战略空间、提高中国南极治理规则主导权。

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