耐低温钻井液在川藏铁路冬季钻探中的应用研究

张鹏飞

（陕西铁道工程勘察有限公司，陕西西安710000）

川藏铁路拉萨至林芝段位于青藏高原东南部，设计钻孔位于海拔3800～5100m，根据2018年冬季初测时的气温统计情况，该段山区最低气温为-28℃～-20℃。复杂的生态环境、多变的地质条件以及寒冷的气候给钻探工作带来重大的挑战。多年冻土区的开发使得此世纪工程变得更具有挑战性，冻土分布复杂、不均匀，硬岩、软岩、松散、不规则岩以及大量敏感植被，尤其是陡坡砂岩中发育裂隙形成了恶性渗漏。因为这些复杂的条件，使得钻进过程中缩径、钻井液损失经常发生，甚至引发卡钻、埋钻等井内事故。

为解决川藏铁路冬季钻探施工问题，研制出适用于低温条件下的钻井液体系，确保在低温条件下的钻井液具有良好的流变性能与抑制能力，具有十分重要的现实意义。拟采用实验室测试性能及机理分析的综合研究相结合的办法，对适用于川藏铁路钻探施工的耐低温钻井液进行可行性研究。

1 耐低温钻井液的选择

1.1 高原地层对钻井液的要求

为保证高原钻进的正常进行，在制定钻井方案时，温度调节非常重要。在高原高寒条件下，随着温度的降低，钻井液的基本力学性质发生变化，并且有冷凝的趋势。粘度是钻井液在钻进高原地层的重要参数，低温条件下，钻井液的粘度会降低，进而影响钻井液的流变特性，从而影响钻井能否顺利进行。除此之外，钻头与地层摩擦产生的热量由钻井液传导到孔壁，如果钻井液温度过高，会使得孔壁岩层冷热温差过大从而发生崩解，导致钻孔坍塌等孔内事故。因此，为了使高原地层的正常钻进，既要钻井液有一定的耐低温特性，又需要钻井液拥有一定的比热容来确保孔内温度变化得到有效控制，从而保证钻探的安全进行。

1.2 耐低温介质选择

目前应用于不同钻井液中的耐低温介质不同，乙醇、甲醇、乙二醇等常常用于亲水钻井液中，而乙酸丁醋、煤油、DFA等常常用于憎水钻井液中。基于现场钻进工作的需求，为了保护高原生态环境，耐低温介质需要有安全无污染的特性，煤油的高渗透性使得钻井液经常发生渗透泄露，对高原生态环境造成极大的污染。从钻进角度看，固相含量对流体的塑性粘度与很大影响。因此，盐水系统的塑性粘度比传统的流体系统要低，这会降低井下的压力损失，有助于提高钻井效率。一般来说，无机电解质与有机醇冰点均较低，具有良好的低温适应性，但由于川藏线钻探工作量较大，从经济适应性考虑，我们选择了使用卤化物盐与甲酸盐来作为防冻剂。

2 耐低温钻井液的研究

2.1 甲酸盐特性的研究

甲酸盐易溶于水，且甲酸根无毒无害，不与Ca2+、Mg2+、Na+等各种阳离子产生不溶性盐。甲酸盐腐蚀性小，甲酸根的pH 值容易调节，对钻具腐蚀与地层腐蚀程度降到最低。甲酸盐电荷中和的特点可以使得甲酸盐钻井液离子浓度高，压缩粘土胶体颗粒双电层能力强，粘土负电性减弱，水化膨胀能力降低，并且滤液粘度较高，使得水不易进入地层。以甲酸盐为基础的水基钻井液具有较高的热导率和比热容，因此在保持较低的井底循环温度方面，优于有机醇钻井液。

2.2 耐低温钻井液组成成分研究

为改善川藏线钻探钻井液的低温稳定性，针对钻进现场的地层特点，造浆材料选用钠土，防冻剂选用甲酸钠（HCOONa），无机改性处理剂选用硅酸钠（Na2SiO3），降滤失剂选用羧甲基淀粉（CMS）。甲酸盐对降低冰点有很好的效果，甲酸钠配制的钻井液体系具有半透性，可实现高密度、低粘度、提高钻井速度、抑制性强、良好的失水性。硅酸钠溶液具有较好的粘度和粘性，有利于改善流变性以及钻井液的承载能力，并且能有效抑制水化膨胀和抗崩塌。此外，硅酸钠对比纯碱与苛性钠，它是粉末状，腐蚀性小，便于运输。根据对比试验结果，确定了硅酸钠（Na2SiO3）为无机处理剂，同事考虑到环境保护的要求，优选模数为3.2 的Na2SiO3，并且建议添加量为1‰～3‰。基于进一步的初步试验结果表明，Na2SiO3的含量确定为1.5‰。通过对比试验研究几种协同处理剂来优化钻井液的流变性，采用友好型聚合物处理剂（GA）用来调节钻井液的粘度与流变性能，推荐用量2‰～10‰。在钻井液中，HCOONa和Na2SiO3如下：

可以看出，HCOONa 除了降低复合体系的冰点外，还与Na2SiO3水溶液产生OH-，使钻井液体系维持在弱碱性环境中。钻井液pH 值是决定钻井液稳定性的重要因素，直接影响钻孔质量。弱碱性环境能够保证钻井液性能得到充分的发挥，保障处理剂的防塌、抑制功能。

3 抗低温钻井液试验研究

3.1 室内实验

实验室研究以甲酸钠为抗冻剂的钻井液体系，采用数控低温储存箱调节钻井液温度达到设计值，达到设计温度的钻井液被取出迅速倒入容器中，使钻井液体积刚好达到所需刻度线，然后用六速旋转粘度计测量流变学参数，测试主要流变参数包括漏斗粘度（FV）、标贯粘度（AV）、塑性粘度（PV）、屈服点（YP）、动态塑性比（YP/PV）、通过结合高原钻井液的低温性能要求，对试验结果进行分析。不同浓度甲酸钠（HCOONa）钻井液流变参数研究如表1所示。

表1 不同浓度甲酸钠（HCOONa）流变参数研究

从不同浓度的甲酸钠配方中挑选出表现较好的16%浓度的甲酸钠，在不同温度下，该钻井液流变参数如表2所示。钻井液随着温度的降低，漏斗粘度等各项性能参数较为稳定，有良好的低温适应性。

3.2 现场试验

钻孔位于川藏线昌都到林芝段，海拔4000～5000m，钻探时段的气温在-5℃～-15℃。钻孔地层以质地坚硬、易破碎的硅质岩为主，现场钻进非常困难，钻孔坍塌与钻井液泄露严重，严重影响了钻进作业的进度。使用本文研究的耐低温钻井液作为现场钻进用钻井液，试验时长为5d，平均钻进速度由15m/d提升至25m/d，有效增加了高原高寒地区的钻进速度。岩芯采取率高可达90%以上，通过检测泥皮的厚度与润滑摩阻系数发现，使用耐低温钻井液形成的泥皮较为薄韧、致密，较好的泥皮的质量反映了耐低温钻井液在低温条件下的性能优良。采取的岩芯如图1所示，泥皮如图2所示。

4 结论与认识

（1）使用HCOONa 作为耐低温钻井液的防冻剂，钻井液具有良好的低温适应性，随着防冻剂浓度的增加，低温适应性逐步增强。HCOONa浓度达16%时，耐低温钻井液具有较理想的流变参数。

图1 现场岩芯的采取

（2）采用友好型聚合物处理剂（GA）用来调节钻井液的粘度与流变性，影响了的钻井液的剪切稀释特性，应加强进一步的试验研究工作。

图2 使用耐低温钻井液形成的泥皮

表2 不同温度的钻井液流变参数

（3）随着温度的降低，钻井液的动塑比会随之增大，当温度降低到一定程度时，动塑比变化不再明显。