南極地區(qū)低溫鉆井液研究進(jìn)展與發(fā)展方向

孫金聲，王宗輪，劉敬平，呂開河，黃賢斌，張憲法，邵子樺，黃寧

（1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島 266580；2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206）

0 引言

南極大陸面積占地球總面積的十分之一，但其99.68%的面積被冰覆蓋，冰蓋平均厚度為1 829 m[1]。作為地球上最后的未被開發(fā)大陸，南極蘊(yùn)藏著無數(shù)的科學(xué)之謎和豐富的資源[2]。在南極已發(fā)現(xiàn)的礦物資源超過 220種，主要包含石油、天然氣、鐵、煤、銅、金剛石、釷、钚和鈾等[3-5]。據(jù)估計，目前南極地區(qū)石油儲量約為（7.95～15.90）×109m3，天然氣儲量約為（3～5）×1012m3[6-7]，陸緣水合物潛在資源量約為（4.7～7.8）×1013m3[8]?？焖巽@穿南極冰蓋，直接獲取冰下基巖樣品，確定巖石暴露年齡及結(jié)構(gòu)組分，對研究南極地質(zhì)構(gòu)造、探測南極礦產(chǎn)資源、揭示冰蓋演化歷史、評估未來氣候變化等具有重要意義。

鉆井過程中，必須通過具有一定密度的鉆井液來維持井壁穩(wěn)定。鉆井液的質(zhì)量是鉆井工程鉆速快慢、取心質(zhì)量好壞、鉆井是否成功的關(guān)鍵。南極地區(qū)地表平均氣溫低（-60～-50 ℃）[9-10]，地層復(fù)雜（從上而下分為雪層、冰層和巖層），地層溫度變化大（-55～-2 ℃），這對鉆井液的性能提出了巨大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有鉆井液耐低溫與穩(wěn)定井壁性能不足、鉆井過程中冰屑聚集嚴(yán)重，井壁坍塌、卡鉆等事故極為常見。同時鉆井液腐蝕性強(qiáng)，對電機(jī)和控制系統(tǒng)損壞嚴(yán)重，對工作人員的健康影響嚴(yán)重[11]。

受現(xiàn)有鉆井液性能的限制，迄今為止，僅有俄、美、中三國在南極海岸帶周邊實(shí)施了5個較淺的冰下基巖鉆井（最深僅為681 m），獲取了少量冰下巖心樣品（最長僅為8 m），遠(yuǎn)無法支撐南極科學(xué)研究需求。因此，本文通過系統(tǒng)梳理南極地區(qū)鉆井的特點(diǎn)、南極低溫條件對鉆井液的性能要求、低溫鉆井液的研究進(jìn)展，找出了目前存在的問題，指出了南極低溫鉆井液的發(fā)展方向。

1 南極地區(qū)鉆井特點(diǎn)與難點(diǎn)

1.1 南極地區(qū)鉆井特點(diǎn)

南極冰蓋自上而下，主要由雪層、多氣泡冰層、脆冰層、普通冰川冰層、暖冰層、冰巖夾層、冰下基巖組成。冰巖夾層和冰下基巖可能存在融水和未凍結(jié)冰磧物，部分地區(qū)有冰下湖等構(gòu)造。故南極鉆井主要包括雪層鉆井、冰層鉆井和冰下巖層鉆井[12]。

①雪層鉆井：南極雪層厚度約為 100 m，南極點(diǎn)（South Pole）、東方站（Vostok）、冰穹 C（Dome C）、伯德站（Byrd）雪層厚度分別為115，95，100，64 m。覆雪層由于存在時間比較短，孔隙度大，具有高滲透性，其厚度與濕度、冰蓋積累速度有關(guān)[13]。由于雪層的滲透性非常高，雪層鉆井流體在井內(nèi)很難形成封閉循環(huán)，壓縮空氣或低溫鉆井液會通過井壁和井底的空隙流失，并使雪粒聚集在井底而被壓實(shí)成冰渣，最終包裹鉆頭，造成卡鉆事故。所以，雪層鉆井時一般用套管進(jìn)行隔離，并使用套管鞋防止鉆井液泄漏。此外，如果雪層較薄，可以采用空氣鉆井。

②冰層鉆井：冰是一種非線性的流變介質(zhì)，很小的應(yīng)力就可能使其產(chǎn)生屈服，造成自身蠕變，進(jìn)而導(dǎo)致縮徑，甚至井壁垮塌或卡鉆。所以冰層鉆井需要用特定密度的低溫鉆井液來平衡冰層壓力，維持井壁穩(wěn)定[14]。隨著冰層深度的增加，冰層內(nèi)溫度升高，最終出現(xiàn)暖冰層。暖冰層鉆井時，冰屑易發(fā)生聚集，造成卡鉆、井眼閉合等問題。

③冰下巖層鉆井：冰下巖層是由多種礦物顆粒、冰塊、未凍結(jié)的水以及充滿水蒸氣的空氣等組成的復(fù)合多孔介質(zhì)，這種組構(gòu)特點(diǎn)使冰下巖層對溫度非常敏感。當(dāng)鉆井液與冰下巖層接觸時，井筒周圍一定范圍內(nèi)的凍結(jié)巖層會與其發(fā)生熱交換，使孔隙中的冰發(fā)生融解，而且隨著鉆井時間的累積，融解的范圍會越來越大，導(dǎo)致巖層力學(xué)性質(zhì)變差（見表1），變形性增強(qiáng)，進(jìn)而引發(fā)井壁失穩(wěn)等問題[15-16]。因此在冰下巖層中快速安全鉆井的關(guān)鍵是盡量保持井壁巖層的原賦存狀態(tài)。

表1 巖石凍結(jié)與消融狀態(tài)的力學(xué)參數(shù)[16]

1.2 南極地區(qū)鉆井難點(diǎn)

通過對南極地區(qū)低溫條件下鉆井特點(diǎn)的總結(jié)，認(rèn)為南極地區(qū)鉆井存在 4個方面的難點(diǎn)：①南極地區(qū)氣候條件惡劣，年平均氣溫低于-55 ℃，冰層內(nèi)溫度變化大（-55～-2 ℃），對鉆井液的耐低溫能力、大跨度溫區(qū)適應(yīng)能力提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。南極地區(qū)冬長夏短，存在著極夜，工期只有約40 d，具有高性能的鉆井液才能更好地適應(yīng)環(huán)境。②南極地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆遇層位包括雪層、冰層和冰下巖層等，雪層滲透性大，極易造成井漏卡鉆等問題；冰層易發(fā)生蠕變，安全密度窗口窄，暖冰層易出現(xiàn)冰屑聚集卡鉆；冰下巖層鉆井過程中易出現(xiàn)凍土融化，造成井壁坍塌。③南極地區(qū)地處地球的一極，人跡罕至，基礎(chǔ)設(shè)施缺乏，后勤保障難度大，因此對鉆井液的使用量和重復(fù)使用性能提出了更高的要求。④保護(hù)南極地區(qū)的生態(tài)環(huán)境安全是全人類共同的責(zé)任，而南極地區(qū)環(huán)境脆弱，承載能力低，生態(tài)系統(tǒng)敏感，因此對鉆井液的環(huán)保性能提出了更嚴(yán)苛的要求[17-19]。

2 南極低溫鉆井液的性能要求

從哥本哈根大學(xué)的報告[20]中收集了用于極地鉆探的鉆井液的基本性能參數(shù)（見表 2）。南極地區(qū)冰層密度為 910～925 kg/m3，故南極低溫鉆井液的密度應(yīng)為920～950 kg/m3，并且最好具有能夠進(jìn)行±25 kg/m3微調(diào)的能力[21]。低溫鉆井液要求黏度越小越好，由于南極地區(qū)鉆井時間成本高昂，黏度高會降低井筒中的起下鉆操作速度，為了減少起下鉆時間，必須擴(kuò)大鉆具與井壁之間的間隙來降低黏滯阻力。但是大直徑的井眼會面臨鉆速減慢、鉆屑增加和能耗提高等問題，而且由于冰的密度小于鉆井液的密度，鉆井過程中不需要考慮鉆井液的流變性對攜冰屑能力的影響，因此一般理想的標(biāo)準(zhǔn)是低溫鉆井液的黏度低于23.75 mPa·s[21]。南極低溫鉆井液的冰點(diǎn)不僅應(yīng)低于井眼中的最低溫度，而且應(yīng)低于鉆井棚（通常為儲存鉆井液的地方）外的空氣溫度，因此鉆井液的凝固點(diǎn)至少應(yīng)低于-55 ℃。此外還要求低溫鉆井液具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)保特性。在這種低溫的條件下，無法應(yīng)用水基鉆井液，因此南極低溫鉆井液一般為油基或合成基鉆井液[22]。

表2 南極低溫鉆井液主要性能[20]

3 南極低溫鉆井液研究進(jìn)展

3.1 石油基鉆井液

低溫石油基鉆井液主要以石油類產(chǎn)品為基礎(chǔ)，如柴油、煤油或脫芳烴類溶劑油、異構(gòu)烷烴溶劑等，再輔以加重劑組成。

柴油、煤油是最早開始使用的石油基鉆井液基液。1967—1968年美國在南極伯德站首次用柴油進(jìn)行了鉆井，鉆井深度2 164 m（僅冰層鉆井）。后來又陸續(xù)使用了不同型號的煤油輔以各種加重劑在南極實(shí)施了鉆井[23-26]。這些鉆井液基液的使用溫度僅為-13～-7 ℃，且具有較大的刺激性、毒性和腐蝕性，目前在南極鉆井過程中已很少使用。

隨后，毒性較小、易生物降解和耐低溫能力較強(qiáng)的脫芳烴類溶劑油（ExxsolTMD30、ExxsolTMD40和ExxsolTMD60）和異構(gòu)烷烴類溶劑（IsoparTMK）逐漸替代了傳統(tǒng)的煤油類鉆井液，其主要性能參數(shù)見表3。自1996年以來，這兩類鉆井液分別在南極冰穹C、伯克納島、毛德皇后地和南極西部冰蓋等區(qū)域進(jìn)行了應(yīng)用[23,27-30]，最深鉆至3 405 m（僅冰層鉆井），雖然鉆井液性能有了大幅度提升，但鉆井過程中仍出現(xiàn)了冰屑聚集堵塞井筒的問題。

表3 溶劑ExxsolTM D系列和IsoparTM K的主要性能參數(shù)[31]

溫度低于-30 ℃時石油基鉆井液的密度約為800～850 kg/m3，而冰的密度為910～925 kg/m3，因此石油基鉆井液需要通過與密度顯著超過冰密度的碳氟化合物或其他化合物混合，達(dá)到低溫鉆井液所需的密度[32]。

1967—1968年，美國在南極伯德站首次采用三氯乙烯（C2HCl3）作為加重劑，隨后于1987—1993年在南極洲洛多姆圓頂采用全氯乙烯（C2Cl4）作為加重劑[25-26]，但因其毒性高，被氯氟烴（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）對臭氧層破壞小，溫度低于-30 ℃時密度為1 332.5 kg/m3，能夠與石油產(chǎn)品以任意比混溶，被廣泛應(yīng)用并取代了氯氟烴CFC-11和CFC-113[34-36]，南極鉆探中曾使用的鹵代烴加重劑的物理化學(xué)性質(zhì)如表4所示。

表4 南極鉆探中使用的鹵代烴加重劑的物理化學(xué)性質(zhì)[20,31]

1987年聯(lián)合國組織簽訂的蒙特利爾破壞臭氧層物質(zhì)管制議定書全面淘汰了氯氟烴。后續(xù)研究人員又開發(fā)了幾種環(huán)境友好型加重劑，如氫氟醚 HFE-7100[18]（密度1 530.5 kg/m3）作為一種加重劑具有低毒、低黏度和無閃點(diǎn)的特性，但實(shí)驗(yàn)測試表明IsoparTMK與HFE-7100的混合物在溫度低于-45 ℃時會分離成兩相，這限制了其在低溫冰層的應(yīng)用[31]。琥珀酸、戊二酸和己二酸二異丁基酯的混合物（混合比例為2∶4∶3）密度為960 kg/m3[28]，是一種無色無味、低毒性、可生物降解的加重劑，研究發(fā)現(xiàn)其很容易與ExxsolTMD40溶劑混溶，但由于低溫下黏度高（-30 ℃下黏度達(dá)到18 mPa·s），不宜作為南極深冰層鉆井液的組分[31,37]。

總的來說，現(xiàn)有低溫石油基鉆井液加重劑還存在低溫下黏度高、毒性大、對環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，合適的石油基鉆井液加重劑仍在探索中，這從一定程度上限制了低溫石油基鉆井液的應(yīng)用。

3.2 醇類鉆井液

乙二醇水溶液和乙醇水溶液是目前南極冰層鉆井中已經(jīng)使用過的兩種醇類鉆井液[38-39]，其親水溶冰特性在解決冰屑卡鉆事故中具有一定效果[40-41]。如在南極Dome C地區(qū)，由于鉆遇暖冰層（冰層溫度-10 ℃），鉆井過程中產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致少量冰融化，然后在鉆頭和鉆具上重新凍結(jié)，從而造成卡鉆。最終，通過使用乙二醇水溶液成功阻止了融水在鉆頭上的凍結(jié)，暖冰層鉆井工作得以順利進(jìn)行。然而，該類鉆井液在冰層作業(yè)中并不能解決所有的卡鉆問題，且鉆井深度有限，最深僅為412 m（1972年，蘇聯(lián)），所取冰心的質(zhì)量也不太理想。這主要是由于：①在低溫下，乙二醇和乙醇水溶液的黏度非常大，對鉆井具有嚴(yán)重的阻礙作用。②乙二醇和乙醇水溶液對冰有一定的溶解作用，會溶蝕井壁。③若井筒內(nèi)的溫度發(fā)生變化（如由于井中發(fā)生對流而引起溫度變化），含水的溶液會結(jié)冰進(jìn)而在井中形成軟泥狀的冰屑，嚴(yán)重影響鉆井效率，并且在鉆井終止后冰屑會很快堵塞井筒。④乙二醇和乙醇水溶液的親水性會腐蝕冰心，影響冰心的質(zhì)量[27,42-43]。

3.3 酯類鉆井液

乙酸正丁酯耐低溫特性良好，且低溫下具有適宜的密度和黏度，-50 ℃下密度接近970 kg/m3，用于冰層鉆進(jìn)時可以不用再加加重劑，-50 ℃下黏度仍能保持低于3 mPa·s，曾作為鉆井液應(yīng)用于南極鉆井（美國、日本、中國等）[11,44-47]，但其存在 2個主要的缺點(diǎn)：一是對人的健康有很大危害，二是具有強(qiáng)腐蝕性[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溫特性，低溫下的密度和黏度（-55 ℃下密度為932.5～959.0 kg/m3，黏度為3.0～11.7 mPa·s）可滿足南極地區(qū)鉆井要求，同時對環(huán)境友好，低溫下可以互溶，實(shí)際應(yīng)用時可根據(jù)地層需要進(jìn)行配制[49-52]，這些小分子酯的主要物性參數(shù)如表 5所示。但小分子酯存在著易燃易爆，刺激眼睛和皮膚的問題，目前尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，并未進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)的驗(yàn)證。

表5 小分子酯的主要物性參數(shù)[49]

以環(huán)保耐低溫的椰子油庚基酯衍生物（ESTISOLTM）為原料配制的鉆井液在 2006—2016年間進(jìn)行了數(shù)次鉆井，鉆取冰心質(zhì)量良好，且鉆井期間沒有出現(xiàn)冰屑聚集卡鉆[42,53]，同時椰子油庚基酯還有作為低溫鉆井液加重劑的潛力，如椰子油庚基酯 165和椰子油庚基酯 F2887[31,37]，ESTISOLTM酯類的主要物性參數(shù)如表 6所示。ESTISOLTM酯類鉆井液存在低溫下黏度高、腐蝕性強(qiáng)、刺激性大等缺點(diǎn)，如椰子油庚基酯 240在低溫下黏度很高，-35 ℃時黏度達(dá)到30.0 mPa·s[54]。

表6 ESTISOLTM酯類的主要物性參數(shù)[31]

3.4 硅油類鉆井液

甲基硅油是一種無色、無味、無毒、不溶于水、不易揮發(fā)的惰性溶劑，具有黏溫系數(shù)小、耐低溫等優(yōu)點(diǎn)。低溫下低相對分子質(zhì)量甲基硅油密度與冰的密度相當(dāng)，在-50 ℃時甲基硅油黏度約為 8.8 mPa·s，符合南極地區(qū)冰層鉆井的要求[55]。但其價格較一般的低溫鉆井液高出 5～10倍，嚴(yán)重制約了其在南極地區(qū)的應(yīng)用，目前為止，甲基硅油還未被實(shí)際應(yīng)用到南極鉆井項(xiàng)目中。

4 南極低溫鉆井液技術(shù)發(fā)展方向

現(xiàn)有南極低溫鉆井液普遍存在耐低溫能力不足、環(huán)保性低、防塌性能與防冰屑聚集性能差等問題，無法完全適應(yīng)南極冰下復(fù)雜環(huán)境鉆井。因此亟需開展南極低溫鉆井液作用機(jī)理研究，研發(fā)低溫鉆井液新材料，構(gòu)建環(huán)境友好型低溫鉆井液體系，為搶占南極大陸科學(xué)研究和資源勘探開發(fā)先機(jī)提供理論和技術(shù)支撐。未來南極低溫鉆井液的研究將重點(diǎn)從以下5個方面展開。

①低溫鉆井液實(shí)驗(yàn)方法研究。由于南極地區(qū)鉆井的特殊性，常規(guī)鉆井液的評價方法和儀器不再適用。實(shí)驗(yàn)方法研究和儀器研發(fā)的重點(diǎn)包括：研發(fā)低溫下的鉆井液性能測試儀器，如鉆井液的流變、濾失、封堵等性能的測試儀器，并建立低溫下的鉆井液性能測試方法；研發(fā)檢測低溫鉆井液與冰層、巖層間傳質(zhì)傳熱等物理化學(xué)作用的儀器，建立評價低溫鉆井液與冰層、巖層之間穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)方法；研發(fā)低溫鉆井液冰屑聚集堵塞可視化模擬裝置，建立低溫鉆井液中冰屑聚集堵塞的評價方法；建立低溫鉆井液處理劑微觀作用機(jī)理的分析方法等。

②低溫鉆井液作用機(jī)理研究。南極地表環(huán)境惡劣、冰下地質(zhì)條件復(fù)雜，鉆井過程中會出現(xiàn)諸多問題，如冰層流動導(dǎo)致井眼快速閉合、井筒中冰屑聚集容易堵塞井眼、冰巖界面易發(fā)生鉆井液漏失、鉆井液與巖層的相互作用誘發(fā)井壁失穩(wěn)等，嚴(yán)重威脅鉆井安全。因此亟待開展低溫鉆井液與冰層/巖層間的相互作用機(jī)制、冰層井壁液壓致裂機(jī)理、冰屑聚集堵塞機(jī)理、低溫鉆井液漏失與堵漏機(jī)理等方面的研究。

③低溫鉆井液基液的研發(fā)。一種無毒、廉價、環(huán)保的低溫鉆井液基液是南極鉆井液的重要研究目標(biāo)。新型低相對分子質(zhì)量脂肪酸酯類鉆井液在低溫下具有良好的密度、黏度特性，未來可以進(jìn)一步加強(qiáng)其溶冰、揮發(fā)性等性能的研究。低相對分子質(zhì)量硅油優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)使其可能成為一種潛在的南極低溫鉆井液，可以進(jìn)一步探尋降低硅油類鉆井液成本與提高其適應(yīng)性的技術(shù)方法，如優(yōu)化低相對分子質(zhì)量硅油的合成方法，研發(fā)硅油與其他溶劑復(fù)配的配方等。

④低溫鉆井液新材料的研發(fā)。針對鉆井過程中出現(xiàn)的井眼閉合、卡鉆、井漏和井壁失穩(wěn)等問題，研發(fā)相應(yīng)的低溫鉆井液新材料，如低溫鉆井液加重劑、低溫相變材料、耐低溫封堵材料、井壁穩(wěn)定劑、冰屑防聚劑、耐低溫堵漏劑等新材料。

⑤低溫鉆井液體系及施工工藝研究。目前低溫下鉆井液中基液與處理劑之間的配伍性及協(xié)同增效關(guān)系研究尚屬空白，低溫鉆井液體系的構(gòu)建和性能調(diào)控方法尚處于起步階段，南極現(xiàn)場的鉆井液配制與施工工藝等還未形成統(tǒng)一的規(guī)范。因此，亟需對低溫鉆井液體系進(jìn)行深入的研究，構(gòu)建環(huán)境友好型低溫鉆井液體系，同時建立可保持井壁穩(wěn)定、提高鉆遇冰層和冰巖夾層時的攜屑能力的多功能一體化調(diào)控方法，進(jìn)而形成現(xiàn)場配套施工規(guī)范，為南極鉆井提供技術(shù)支撐。

5 結(jié)語

快速鉆穿南極冰蓋，獲取冰下基巖樣品，對研究南極地質(zhì)構(gòu)造和探測南極礦產(chǎn)資源具有重要的意義，良好的低溫鉆井液是快速鉆穿南極冰蓋的關(guān)鍵。南極低溫鉆井液經(jīng)過多年的發(fā)展取得了一定的進(jìn)展，研發(fā)了低溫石油基鉆井液、乙醇和乙二醇類鉆井液、酯類鉆井液和硅油類鉆井液，但普遍存在耐低溫不足、環(huán)保性低以及井壁穩(wěn)定性差等問題，亟需深入研究低溫鉆井液作用機(jī)理，研發(fā)環(huán)境友好型低溫鉆井液基液及相關(guān)添加劑，構(gòu)建環(huán)境友好型低溫鉆井液體系，建立可保持井壁穩(wěn)定、提高鉆遇冰層和冰巖夾層時的攜屑能力的多功能一體化調(diào)控方法，形成現(xiàn)場配套施工規(guī)范，為極地研究提供核心技術(shù)，推進(jìn)極地科技創(chuàng)新、拓展極地戰(zhàn)略空間、提高中國南極治理規(guī)則主導(dǎo)權(quán)。