摘要：在即將實施的青藏高原永久凍土層天然氣水合物的鉆探中，鉆井液體系的研制起著舉足輕重的作用。通過對高原凍土天然氣水合物的賦存環(huán)境特性和鉆井取心工藝技術(shù)特點的分析研究，以流體低溫特性理論為指導(dǎo)，同時借鑒國外的先進經(jīng)驗，提出了以分解抑制法為基礎(chǔ)進行低溫鉆井液體系設(shè)計的技術(shù)方案。在低溫鉆井液基礎(chǔ)液研究的基礎(chǔ)上，以15%NaCl溶液作為基礎(chǔ)液研制出了滿足高原凍土天然氣水合物鉆探要求的無固相低溫鉆井液體系，彌補了國內(nèi)在這方面研究的不足，為實施高原凍土天然氣水合物鉆探做好了鉆井液方面的技術(shù)準備工作。

關(guān)鍵詞：青藏高原；凍土；天然氣水合物；鉆探；無固相低溫鉆井液；研制

    天然氣水合物鉆探不同于一般的油氣鉆探，其中最大的難點在于鉆井過程中產(chǎn)層溫度壓力的改變使天然氣水合物處于不穩(wěn)定狀態(tài)而導(dǎo)致天然氣水合物發(fā)生分解^[1]。凍土是天然氣水合物主要賦存地帶之一，凍土鉆井內(nèi)的溫度是選擇鉆井液品種、性能和數(shù)量的重要依據(jù)，也是確定合理的鉆井規(guī)程、保證正常鉆井、避免事故的一個重要因素，而鉆井液是保證井內(nèi)溫度正常的關(guān)鍵^[2]。在高原凍土天然氣水合物的鉆探中，鉆井液必須能有效抑制水合物的分解，維持其相態(tài)平衡，同時在低溫條件下必須具有良好的流變特性以有效懸浮巖屑和維持井壁穩(wěn)定。目前對天然氣水合物層的勘探，在鉆井液技術(shù)方面的主要研究成果有兩項，即分解抑制法和分解容許法。分解抑制法主要是通過鉆井液的冷卻，防止天然氣水合物層溫度上升，將相平衡狀態(tài)維持在水合物的分解抑制狀態(tài)。在鉆進永凍土層時，基本上都采用這種方法^[3]。此次試驗研究工作也主要立足于分解抑制法對無固相低溫鉆井液體系進行研究。

    無固相鉆井液是在低固相鉆井液基礎(chǔ)上發(fā)展起來的不用黏土僅加入化學(xué)處理劑、人工配制的能適應(yīng)鉆井要求的鉆井液。其種類較多，筆者主要對常用的植物膠類、生物聚合物類等無固相鉆井液進行低溫試驗研究。主要研究了NaCl對其性能的影響，如何通過添加處理劑對其性能進行改善以及處理后的鉆井液在低溫條件下的性能等。通過大量試驗，得到了初步滿足高原凍土天然氣水合物鉆探的無固相低溫鉆井液體系^[4～5]。筆者是以15%NaCl溶液為基礎(chǔ)液進行無固相低溫鉆井液體系研究的。

    植物膠是一種天然植物高分子聚合物，有很好的親水性和可溶性，其膠液經(jīng)過適當?shù)母男蕴幚砗缶哂辛己玫恼辰Y(jié)性、黏滯性、降失水性、流變性、潤滑性、防塌、攜帶巖屑和減震的性能，對巖心可起到很好的保護作用，此類鉆井液已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜破碎地層的勘探取心中，是一種應(yīng)用前景廣泛的環(huán)保型鉆井液。在高原凍土天然氣水合物鉆探中對鉆井液的要求主要是鉆井液在低溫條件下能保持相應(yīng)的流變性等性能，并能抑制水合物的分解。筆者主要針對當前應(yīng)用較廣泛的SW植物膠進行了研究，主要研究NaCl對植物膠液性能的影響、植物膠液的流變特性隨溫度變化的規(guī)律，以及如何通過添加處理劑使植物膠類鉆井液在低溫下滿足高原凍土天然氣水合物鉆探的要求。

1.1.1 NaCl對植物膠液性能的影響

向植物膠鉆井液中加入NaCl后，其凝固點下降的同時鉆井液性能也發(fā)生了明顯的變化(見表1)。從表1可以看出：植物膠液的漏斗黏度、表觀黏度和塑性黏度等在加入NaCl后下降比較明顯，尤其是漏斗黏度，當加入15%NaCl后漏斗黏度從90s下降到了55s。也就是說NaCl對植物膠液的性能產(chǎn)生了較大的影響，因此需要加入處理劑對其進行處理。

配方	密度(g/cm3)	漏斗黏度(s)	表觀粘度(mPa·s)	塑性黏度(mPa·s)	pH值
1000mLH2O+8‰SW+1‰PAM+0.5‰NaOH	1.02	90	48	34	10
1000mLH2O+8‰SW+1‰PAM+0.5‰NaOH+15%NaCl	1.14	55	44	30	10

1.1.2 處理劑的選擇

向其中加入處理劑HT和FA等對其進行處理，HT和FA為抗鹽處理劑，起到稀釋、降濾失作用。其中HT為非增黏型，F(xiàn)A為增黏型，是為了解決高原凍土天然氣水合物鉆探低溫鉆井液問題，與科研合作單位共同開發(fā)的特種高聚物處理劑。植物膠液經(jīng)處理后的性能如表2所示。

    從表2可以看出：酸堿性對植物膠液的性能影響較大，pH值應(yīng)控制在10左右，此時NaOH加量為0.5‰；處理劑與NaCl的添加順序?qū)χ参锬z液性能影響不明顯，先加入NaCl后加入處理劑操作更簡便，且NaCl更易溶解；由于PAM的絮凝作用對鉆井液的性能會產(chǎn)生一定的影響，通過加入增黏型處理劑FA而去掉PAM，達到了較好的效果；在提高鉆井液黏度方面，增黏型FA比非增黏型HT效果更好些。

1.1.3 低溫性能

    比較而言，在去掉PAM后以FA作為處理劑時植物膠液性能較好。于是，對其單獨試驗，測試其漏斗黏度、表觀黏度、塑性黏度等，并將其放入低溫環(huán)境，測試低溫下的流變性情況。經(jīng)FA處理后的SW植物膠液低溫性能見表3。

    由表3可以看出：經(jīng)FA處理后的SW植物膠液其凝固點為-12℃；其黏度隨溫度降低有一定程度的增大，溫度從25℃下降到-10℃時，其漏斗黏度從62s增加到132s，表觀黏度從47mPa·s增加到65mPa·s，塑性黏度從30mPa·s增加到55mPa·s。從表3數(shù)據(jù)可以看出，盡管隨溫度降低其黏度有所增加，但增加幅度有限，控制在了較為合理的范圍內(nèi)，能較好地滿足高原凍土鉆探鉆井液方面的技術(shù)要求。

    這里的生物聚合物指黃原膠，是野油菜黃單胞桿菌以碳水化合物(如玉米淀粉等)為主要原料，經(jīng)發(fā)酵過程生產(chǎn)的一種用途廣泛的微生物胞外多糖，簡稱XC。黃原膠是一種白色或淺黃色的粉末，可溶于熱水或冷水，它是目前國際上性能較為優(yōu)越的生物膠，具有增稠、懸浮以及乳化穩(wěn)定等理化性質(zhì)。通過加入NaCl降低溶液凝固點，并經(jīng)處理劑對其性能進行調(diào)整后可以作為一種高原凍土天然氣水合物鉆探無固相低溫鉆井液。試驗表明：濃度對XC溶液黏度有較大的影響。濃度從5‰增加到10‰，其漏斗黏度從28s增加到194s。結(jié)合高原凍土天然氣水合物鉆探對無固相低溫鉆井液黏度的要求，選定8‰XC溶液作為試驗研究對象，此時漏斗黏度值為56s。

1.2.1 NaCl對XC鉆井液性能的影響

加入15%NaCl對XC溶液性能影響情況如表4所示。

    由表4可以看出，XC鉆井液的黏度在加入15%NaCl后發(fā)生了明顯變化，表觀黏度和塑性黏度降低幅度較小，漏斗黏度下降明顯，從84s降低至56s。需要加入處理劑對其性能進行調(diào)整。

1.2.2 處理劑的選擇

在處理劑選擇方面，主要就抗鹽處理劑HT和FA進行了試驗，加入處理劑HT和FA后XC鉆井液的性能如表5所示。

    由表5可以看出，加入5‰FA或5‰HT處理劑后XC鉆井液性能得到了一定程度的改善，相對而言，經(jīng)增黏型抗鹽處理劑FA處理后的XC鉆井液性能較好，加入5‰FA后其漏斗黏度為104s，處于比較合適的范圍。于是對該方案在低溫下的性能進行試驗。

1.2.3 低溫性能

將經(jīng)FA處理后的XC鉆井液置入低溫環(huán)境，測試其在不同溫度下的黏度，該方案XC鉆井液在低溫下的性能如表6所示。

配方	密度(g/cm3)	凝固點(℃)	溫度(℃)	漏斗黏度(s)	表觀粘度(mPa·s)	塑性黏度(mPa·s)	pH值
1000mLH2O+8‰XC+0.5‰NaOH+15%NaCl+5‰FA	1.14	-12	25	104	42	21	9
			0	180	48	27
			-5	185	50	28
			-10	200	52	29

    由表6可以看出：隨著溫度降低，XC鉆井液的黏度增加比較快，溫度從25℃下降到～10℃后，其漏斗黏度從104s增加到200s，表觀黏度從42mPa·s增加到52mPa·s，塑性黏度從21mPa·s增加到28mPa·s，增幅都比較大，尤其體現(xiàn)在漏斗黏度方面。從流體低溫理論可以知道，隨著溫度的降低，其黏度會有不同程度的增大。不同溶液的黏度隨溫度降低而增大情況會有所不同。從表6可以看出，溫度的降低對XC鉆井液黏度變化影響比較明顯。要使表中所列方案的性能滿足高原凍土天然氣水合物鉆探的要求，還需要進一步通過添加處理劑限制黏度的增加幅度，使其黏度控制在合適的范圍之內(nèi)。

    通過對上述兩類無固相低溫鉆井液的試驗研究，比較其性能，相對而言，植物膠類鉆井液性能更好，尤其是在低溫條件下其漏斗黏度、表觀黏度及塑性黏度等更能滿足高原凍土鉆探對鉆井液方面的技術(shù)要求，于是選定了SW植物膠液作為高原凍土天然氣水合物鉆探無固相低溫鉆井液的優(yōu)化方案。其優(yōu)化方案及其性能如表7所示。

配方	密度(g/cm3)	凝固點(℃)	溫度(℃)	漏斗黏度(s)	表觀粘度(mPa·s)	塑性黏度(mPa·s)
1000mLH2O+8‰SW+0.5‰NaOH+15%NaCl+5‰FA	1.14	-12	25	62	47	30
			-10	132	65	55

從表7可以看出：SW植物膠類鉆井液經(jīng)抗鹽處理劑FA處理后其性能較為理想，漏斗黏度、表觀黏度及塑性黏度都控制在較為合適的范圍內(nèi)。FA處理劑為特種高聚物，是與科研合作單位為了解決高原凍土天然氣水合物鉆探無固相低溫鉆井液而一起研發(fā)的新型處理劑，為本次試驗研究的突破點。

    1) 通過大量試驗，以15%NaCl溶液作為基礎(chǔ)液研制出了滿足高原凍土天然氣水合物鉆探要求的無固相低溫鉆井液體系，彌補了國內(nèi)在這方面研究的不足，為實施高原凍土天然氣水合物鉆探做好了鉆井液方面的技術(shù)準備工作。

    2) 研制了適用于高原凍土天然氣水合物鉆探無固相低溫鉆井液體系的新型處理劑FA，解決了無固相鉆井液體系的低溫技術(shù)問題。

    3) 提出了高原凍土天然氣水合物鉆探無固相低溫鉆井液體系的優(yōu)化方案，根據(jù)鉆探施工對低溫鉆井液性能的不同要求，通過改變處理劑的使用，可達到不同的效果，且方案簡單，使用方便。

    4) 建議進一步對生物聚合物類鉆井液進行試驗研究，尋找合適的處理劑控制其黏度隨溫度降低而增大的程度，使其滿足高原凍土天然氣水合物鉆探對鉆井液方面的技術(shù)要求。

    5) 所研制的低溫鉆井液體系是在實驗室研究取得的，需要現(xiàn)場檢驗后才能確定其實用性，建議盡快在高原凍土地區(qū)進行現(xiàn)場試驗，從而對方案進行改進和完善。

[1] 蔣國盛，王達，湯鳳林，等.天然氣水合物的勘探與開發(fā)[M].武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2002.

[2] 湯風(fēng)林，張生德，蔣國盛，等.在天然氣水合物地層鉆進時井內(nèi)溫度規(guī)程與鉆井液的關(guān)系[J].地質(zhì)科技情報，2002，21(4)：96-99.

[3] 李常茂，耿瑞倫.關(guān)于天然氣水合物鉆探的思考[J].巖土鉆掘工程，2000，29(3)：5-8.

[4] 陳禮儀，王勝，張永勤.高原凍土天然氣水合物鉆探低溫泥漿基礎(chǔ)液研究[J].地球科學(xué)進展，2008，23(5).

[5] 周懷陽.天然氣水合物[M].北京：海洋出版社，2000.

 

(本文作者：王勝¹ 陳禮儀¹ 張永勤² 1.“地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護”國家重點實驗室 成都理工大學(xué)；2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所)