耐低溫鉆井液在川藏鐵路冬季鉆探中的應用研究

張鵬飛

（陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西西安710000）

川藏鐵路拉薩至林芝段位于青藏高原東南部，設計鉆孔位于海拔3800～5100m，根據2018年冬季初測時的氣溫統計情況，該段山區最低氣溫為-28℃～-20℃。復雜的生態環境、多變的地質條件以及寒冷的氣候給鉆探工作帶來重大的挑戰。多年凍土區的開發使得此世紀工程變得更具有挑戰性，凍土分布復雜、不均勻，硬巖、軟巖、松散、不規則巖以及大量敏感植被，尤其是陡坡砂巖中發育裂隙形成了惡性滲漏。因為這些復雜的條件，使得鉆進過程中縮徑、鉆井液損失經常發生，甚至引發卡鉆、埋鉆等井內事故。

為解決川藏鐵路冬季鉆探施工問題，研制出適用于低溫條件下的鉆井液體系，確保在低溫條件下的鉆井液具有良好的流變性能與抑制能力，具有十分重要的現實意義。擬采用實驗室測試性能及機理分析的綜合研究相結合的辦法，對適用于川藏鐵路鉆探施工的耐低溫鉆井液進行可行性研究。

1 耐低溫鉆井液的選擇

1.1 高原地層對鉆井液的要求

為保證高原鉆進的正常進行，在制定鉆井方案時，溫度調節非常重要。在高原高寒條件下，隨著溫度的降低，鉆井液的基本力學性質發生變化，并且有冷凝的趨勢。粘度是鉆井液在鉆進高原地層的重要參數，低溫條件下，鉆井液的粘度會降低，進而影響鉆井液的流變特性，從而影響鉆井能否順利進行。除此之外，鉆頭與地層摩擦產生的熱量由鉆井液傳導到孔壁，如果鉆井液溫度過高，會使得孔壁巖層冷熱溫差過大從而發生崩解，導致鉆孔坍塌等孔內事故。因此，為了使高原地層的正常鉆進，既要鉆井液有一定的耐低溫特性，又需要鉆井液擁有一定的比熱容來確保孔內溫度變化得到有效控制，從而保證鉆探的安全進行。

1.2 耐低溫介質選擇

目前應用于不同鉆井液中的耐低溫介質不同，乙醇、甲醇、乙二醇等常常用于親水鉆井液中，而乙酸丁醋、煤油、DFA等常常用于憎水鉆井液中。基于現場鉆進工作的需求，為了保護高原生態環境，耐低溫介質需要有安全無污染的特性，煤油的高滲透性使得鉆井液經常發生滲透泄露，對高原生態環境造成極大的污染。從鉆進角度看，固相含量對流體的塑性粘度與很大影響。因此，鹽水系統的塑性粘度比傳統的流體系統要低，這會降低井下的壓力損失，有助于提高鉆井效率。一般來說，無機電解質與有機醇冰點均較低，具有良好的低溫適應性，但由于川藏線鉆探工作量較大，從經濟適應性考慮，我們選擇了使用鹵化物鹽與甲酸鹽來作為防凍劑。

2 耐低溫鉆井液的研究

2.1 甲酸鹽特性的研究

甲酸鹽易溶于水，且甲酸根無毒無害，不與Ca2+、Mg2+、Na+等各種陽離子產生不溶性鹽。甲酸鹽腐蝕性小，甲酸根的pH 值容易調節，對鉆具腐蝕與地層腐蝕程度降到最低。甲酸鹽電荷中和的特點可以使得甲酸鹽鉆井液離子濃度高，壓縮粘土膠體顆粒雙電層能力強，粘土負電性減弱，水化膨脹能力降低，并且濾液粘度較高，使得水不易進入地層。以甲酸鹽為基礎的水基鉆井液具有較高的熱導率和比熱容，因此在保持較低的井底循環溫度方面，優于有機醇鉆井液。

2.2 耐低溫鉆井液組成成分研究

為改善川藏線鉆探鉆井液的低溫穩定性，針對鉆進現場的地層特點，造漿材料選用鈉土，防凍劑選用甲酸鈉（HCOONa），無機改性處理劑選用硅酸鈉（Na2SiO3），降濾失劑選用羧甲基淀粉（CMS）。甲酸鹽對降低冰點有很好的效果，甲酸鈉配制的鉆井液體系具有半透性，可實現高密度、低粘度、提高鉆井速度、抑制性強、良好的失水性。硅酸鈉溶液具有較好的粘度和粘性，有利于改善流變性以及鉆井液的承載能力，并且能有效抑制水化膨脹和抗崩塌。此外，硅酸鈉對比純堿與苛性鈉，它是粉末狀，腐蝕性小，便于運輸。根據對比試驗結果，確定了硅酸鈉（Na2SiO3）為無機處理劑，同事考慮到環境保護的要求，優選模數為3.2 的Na2SiO3，并且建議添加量為1‰～3‰。基于進一步的初步試驗結果表明，Na2SiO3的含量確定為1.5‰。通過對比試驗研究幾種協同處理劑來優化鉆井液的流變性，采用友好型聚合物處理劑（GA）用來調節鉆井液的粘度與流變性能，推薦用量2‰～10‰。在鉆井液中，HCOONa和Na2SiO3如下：

可以看出，HCOONa 除了降低復合體系的冰點外，還與Na2SiO3水溶液產生OH-，使鉆井液體系維持在弱堿性環境中。鉆井液pH 值是決定鉆井液穩定性的重要因素，直接影響鉆孔質量。弱堿性環境能夠保證鉆井液性能得到充分的發揮，保障處理劑的防塌、抑制功能。

3 抗低溫鉆井液試驗研究

3.1 室內實驗

實驗室研究以甲酸鈉為抗凍劑的鉆井液體系，采用數控低溫儲存箱調節鉆井液溫度達到設計值，達到設計溫度的鉆井液被取出迅速倒入容器中，使鉆井液體積剛好達到所需刻度線，然后用六速旋轉粘度計測量流變學參數，測試主要流變參數包括漏斗粘度（FV）、標貫粘度（AV）、塑性粘度（PV）、屈服點（YP）、動態塑性比（YP/PV）、通過結合高原鉆井液的低溫性能要求，對試驗結果進行分析。不同濃度甲酸鈉（HCOONa）鉆井液流變參數研究如表1所示。

表1 不同濃度甲酸鈉（HCOONa）流變參數研究

從不同濃度的甲酸鈉配方中挑選出表現較好的16%濃度的甲酸鈉，在不同溫度下，該鉆井液流變參數如表2所示。鉆井液隨著溫度的降低，漏斗粘度等各項性能參數較為穩定，有良好的低溫適應性。

3.2 現場試驗

鉆孔位于川藏線昌都到林芝段，海拔4000～5000m，鉆探時段的氣溫在-5℃～-15℃。鉆孔地層以質地堅硬、易破碎的硅質巖為主，現場鉆進非常困難，鉆孔坍塌與鉆井液泄露嚴重，嚴重影響了鉆進作業的進度。使用本文研究的耐低溫鉆井液作為現場鉆進用鉆井液，試驗時長為5d，平均鉆進速度由15m/d提升至25m/d，有效增加了高原高寒地區的鉆進速度。巖芯采取率高可達90%以上，通過檢測泥皮的厚度與潤滑摩阻系數發現，使用耐低溫鉆井液形成的泥皮較為薄韌、致密，較好的泥皮的質量反映了耐低溫鉆井液在低溫條件下的性能優良。采取的巖芯如圖1所示，泥皮如圖2所示。

4 結論與認識

（1）使用HCOONa 作為耐低溫鉆井液的防凍劑，鉆井液具有良好的低溫適應性，隨著防凍劑濃度的增加，低溫適應性逐步增強。HCOONa濃度達16%時，耐低溫鉆井液具有較理想的流變參數。

圖1 現場巖芯的采取

（2）采用友好型聚合物處理劑（GA）用來調節鉆井液的粘度與流變性，影響了的鉆井液的剪切稀釋特性，應加強進一步的試驗研究工作。

圖2 使用耐低溫鉆井液形成的泥皮

表2 不同溫度的鉆井液流變參數

（3）隨著溫度的降低，鉆井液的動塑比會隨之增大，當溫度降低到一定程度時，動塑比變化不再明顯。