深冰心钻探潜在低温钻井液理化特性试验研究.pdf

摘要 摘要 南极区域的冰层蕴含着地球古气候、古环境的完整信息，人们可以通过几百 万甚至几千万年前的气候环境变化规律，来推测未来气候的变化趋势，积极应对 现在面临的环境问题。穿过厚厚的冰层，研究与冰下基岩相接触的冰层的性质。 更深远的，研究冰下矿藏的情况和岩石、地层的结构特征。钻探是获取冰层及基 岩信息的唯一途径。早在 1840 年，就有人开始对冰层进行探索，冰川理论的创 始人Agassiz 在阿尔卑斯山上开始他的第一次钻探尝试。随后各国也纷纷派考察 团前往极地区域，从最初的手动钻具钻进冰层浅表层，到现在的铠装电缆式电动 机械钻具，成功钻至深冰层，取得几百米的冰心样品。 极地钻进过程中，钻井液是必不可少的。与陆地地质岩心钻探一样，钻井液 对于维护孔壁稳定，冷却钻头，清洁孔底有重要作用。由于冰层具有可融化及强 烈的蠕变性，对钻井液的类型及性能提出了一些新的要求。极地钻井液在低温下， 不仅要具合适的密度和粘度，还要具备：①低导电性，不损害浸泡其中的电子元 件；②高导热性，快速的带走钻头产生的热量，防止冰屑融化；③不具腐蚀性， 对钻具、密封元件及橡胶制品没有不良影响。为防止冰层及冰心融化，在极地钻 探中使用的钻井液多为疏水性的介质，已经应用过的钻井液类型有煤油基钻井液、 乙醇和乙二醇的水溶液、乙酸丁酯等，但是煤油基钻井液对环境污染严重，乙醇 和乙二醇的水溶液对孔壁、冰心有溶蚀性，乙酸丁酯对现场的橡胶制品有溶蚀作 用，所以它们并不是极地钻探最理想的钻井液。经过先期的理论分析与研究，有 6 种液体介质具有极地钻井液的潜质，它们分别为：①二甲基硅油类，国产硅油 和KF96 硅油；②脂肪酸酯类，丁酸乙酯、丁酸丁酯、丁酸戊酯和丙酸丙酯。 6 种介质密度和粘度的研究与测试工作已经完成，其性能满足极地冰层取心 钻进对钻井液的要求。但对其导电性、导热性和对密封元件的溶胀作用还没有进 行过相应的研究，需要进行完整的试验测试及研究工作。 （1）采用DDSJ-308F 电导率测试仪分别对纯液体介质和混有冰屑的液体进 行测试。经试验测试，在室温 （20 ℃）下，纯净的国产硅油、KF96 硅油、丁酸 丁酯和丁酸戊酯的电导率为0.000μS/cm，属于不导电液体。丁酸乙酯和丙酸丙酯 的电导率分别为 0.003μS/cm、 0.002μS/cm，具有极弱的导电性。当混入 5%和 I 摘要 15%的冰屑时，冰屑的含量对溶液电导率的影响不大，温度在-60～-5℃，6 种溶 液的电导率都不超过 0.02μS/cm，且南极环境温度在-60～-50℃，此时介质的电 导率为0μS/cm，不会影响钻具的正常工作。温度在0℃时，由于处于冰的相变温 度，有部分冰屑表面融化，导致电导率急剧增大。相同温度下，脂肪酸酯类的电 导率普遍小于硅油类，丁酸丁酯和丁酸戊酯的电导率最小，而且脂肪酸酯类能防 止冰屑粘附在电导电极上，推测其在钻进过程中，可以在钻头表面形成一层防护 膜，防止冰屑粘住钻头，这对于暖冰层钻进是十分有利的。 （2 ）采用DRE-Ⅲ瞬态平面热源法导热仪测定介质的导热系数。经试验，测 得6 种液体的导热性随温度的降低而逐渐减小。相同温度下，脂肪酸酯类的导热 系数远远大于硅油类的导热系数，丙酸丙酯的导热性最好，丁酸乙酯次之。在-50℃ 时，6 种液体的导热系数在0.015～0.065 W/ （m·K ）。依据实际钻进参数，经过 计算，若不使用钻井液，切削具升温 3.5℃，而使用钻井液可以使切削具明显降 温。南极环境温度在-60～-50℃，孔底实际产生95KJ 热量，6 种介质都能及时带 走，满足极地钻探的要求。 （3 ）由于极地环境特殊，对钻具密封元件的耐寒性、耐化学性、抗变形性 和机械性有较高要求，极地常用的密封件材料有硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯和聚四 氟乙烯四种。经试验发现，随着浸泡时间的增加，溶胀变形量也逐渐增大，当达 到某一值时不再变化，且温度越低，变形总量越小。 硅油类液体对硅橡胶有很强的溶胀作用，这可能是由于硅油分子与硅橡胶分 子结构中均含有硅氧原子且在结构上有某种相似性，相似相溶。在-25～25 ℃之 间，国产硅油对硅