宋佳宇，徐會文，韓麗麗，劉 寧，張 楠，Pavel Talalay

(1．吉林大學建設工程學院，吉林 長春130026;2．中國地質科學院勘探技術研究所，河北廊坊065000)

鉆井液技術是南極科學鉆探的重要技術之一。它是實現(xiàn)高效鉆進、獲得高質量冰心樣品的重要保證。鑒于南極特殊的地理環(huán)境與溫度條件，在要求鉆井液具有耐低溫性強、流動性好的同時，還應保證不污染環(huán)境。在南極內陸所進行的科學鉆探中，絕大多數(shù)都是在冰層中完成的，為防止鉆進過程中對孔壁與冰心樣品的溶解，多以疏水介質作為鉆井液的主要類型，如煤油、硅油以及脂肪酸酯等類物質。為避免冰層因蠕變所造成的鉆孔縮徑，還要求鉆井液具有與冰層相適應的密度。國內外在南極與格陵蘭等地區(qū)的冰層鉆探實踐中，已經(jīng)成功應用了航空煤油、硅油、飽和的或不飽和的脂肪酸酯類作為鉆井液，并取得了一定的技術效果。但某些鉆井液還存在著低溫粘度過大、對環(huán)境污染嚴重及影響工作人員健康等問題。鉆井液類型不同，其結構與組成也不同，性能差別很大，特別是在低溫條件下的性能變化也存在著巨大的差異。為進一步提高極地科學鉆探的生產(chǎn)效率，提升鉆井液的應用水平，有必要對鉆井液的類型與性能進行深入的分析，為尋找更適合極地冰層取心鉆探用鉆井液奠定理論基礎。

1 極地冰鉆鉆具與工作原理簡介

在極地進行冰層取心鉆進多采用回轉鉆進的方法。鎧裝電動機械鉆具是一種重要的鉆具類型，許多國家都采用了此種類型的鉆具。這種鉆具主要由提升的鎧裝電纜、反扭裝置、電動機械回轉機構、鉆具運動控制單元、鉆井液循環(huán)泵、取心管及鉆頭等組成。我國正在南極昆侖站所實施的南極冰層取心鉆進也采用了此類型的鉆具，但缺少鉆井液循環(huán)泵，采用螺旋鉆的排屑形式排除冰屑。在鉆進深度比較大的冰孔時，可能會遇到排屑不暢的問題，此時就應采用鉆井液循環(huán)泵來排除冰屑。采用設置有鉆井液循環(huán)泵的鉆具，在正常鉆進時，鉆具在反扭裝置的配合下，由電動機驅動鉆具回轉以切削碎冰，在冰心進入到取心管的同時，破碎下來的冰屑則由鉆井液循環(huán)泵的抽吸作用下進入取心管的內環(huán)空，再經(jīng)過冰屑室過濾后返回到鉆孔的外環(huán)空。鉆井液的循環(huán)過程如圖1所示。

圖1 鉆進時孔底反循環(huán)示意圖

2 鉆井液在極地冰鉆中的主要作用及對其性能的要求

在進行冰層取心鉆進時，鉆井液的主要作用是維護鉆孔的穩(wěn)定、清洗鉆孔的底部與排除冰屑的作用。

因此冰層鉆進對鉆井液的性能要求如下。

(1)要有低的冰點，防止鉆井液對冰層與冰心的溶解，多使用疏水型鉆井液作為沖洗介質。

(2)由于鉆井液在整個鉆孔中是不循環(huán)的，只在鉆具的下部進行局部的反循環(huán)，要保證鉆孔的穩(wěn)定，只能依靠鉆井液的密度。因此要求鉆井液要具有與冰相當或稍大于冰的密度(920～950 kg/m3)。鉆井液在保證平衡冰層壓力的條件下，其密度也不應過大，否則將因鉆井液的浮力過大，導致鉆壓下降，降低鉆進效率。同時，也將會引起鉆具下放速度的降低，增加鉆進輔助時間。

(3)由于采用鉆孔底部的局部反循環(huán)方式，還要求鉆井液具有低溫條件下的低粘度，以保持良好的流動性，保證對鉆孔的底部的清洗效果，避免冰屑的重復破碎，提高鉆進效率。鉆井液的低粘度，也可減小鉆井液循環(huán)時的阻力，保證鉆井液的順利循環(huán)，提高鉆井液的流動速度，將冰屑順利地攜帶至冰屑室。另外，低的粘度還有利于冰屑的沉積與分離，保證鉆井液的清潔性。

3 鉆井液對孔內液動壓力的影響

在極地冰層取心時，由于采用無鉆桿鉆具，避免了鉆具回轉對孔壁的破壞作用。同時因鉆井液僅在鉆孔的底部進行局部的反循環(huán)，在鉆具的上部鉆井液是不流動的，也避免了鉆井液對孔壁的沖刷作用，兩者都有利于孔壁的穩(wěn)定。對孔壁造成破壞作用的是升降鉆具所引起的孔內的壓力波動問題。

3．1 下降鉆具所產(chǎn)生的壓力“激動”

在鉆具下降時，如果忽略鎧裝電纜的質量，可以認為整個鉆具的質量是恒定的。并且由于鉆具的上部是封閉的，可以認為鉆具是一個閉口管，下落所引起的鉆井液均在鉆具與孔壁的環(huán)空中流動。因鉆具的下降所引起的孔內鉆井液的擾動僅限于鉆具的長度范圍之內，環(huán)空中的鉆井液的流量等于鉆具的橫截面積與鉆具的下落速度之積。鉆具的下降過程分為兩個階段，在經(jīng)過一個變加速的運動過程后，當鉆具的質量與其下降速度所產(chǎn)生的阻力平衡時，即進入勻速下降階段。變加速的運動時間與勻速度下降的速度取絕于鉆具的質量、長度和鉆具的直徑。同時，在孔內溫度一定時，也取決于鉆井液的密度與粘度。在鉆具的參數(shù)一定時，鉆井液的密度與粘度越大，變減速運動的時間也越短，勻速下降的速度也越小?？梢灶A見的是，因鉆具的下降所引起的孔內的壓力“激動”是比較小的，不會造成孔壁的破壞，這已經(jīng)在吉林大學極地研究中心的試驗中得到了初步的驗證。

3．2 提升鉆具所產(chǎn)生的抽吸壓力

提升鉆具是在絞車回轉的作用下，通過纏繞鎧式電纜來實現(xiàn)的。鉆具的運動特性與下降時基本上是一致的，不同的只是運動方向相反。與下降鉆具不同的是，由于巖心管內已經(jīng)充滿了巖心，加上所鉆下來的冰屑在內及其內部所含有的鉆井液，此時鉆具的實際質量要比下降時大得多。以現(xiàn)在南極冰鉆所使用的鉆具為例，鉆具的外徑為132 mm，巖心管的內徑為101.6 mm，有效長度為3900 mm，冰的密度為915 kg/m3，鉆井液的密度為920 kg/m3，冰屑的孔隙率為20%計算，每回次進尺達到理論長度80% ～100%，則鉆具的質量增加42.27～52.84 kg。如果下降時的鉆具質量為200 kg，提升時整體質量將增加約為21.14%～26.42%。在鉆具的勻速運動時，運動速度與鉆具的質量成線性關系，所以在提升鉆具時，提升的最大速度應控制在鉆具下降速度的1.25倍。如果提升鉆具的速度大于此值，則孔內鉆井液來不及補充，將會對孔壁產(chǎn)生較大的抽吸壓力，這對于具有強蠕變性的冰層的穩(wěn)定來說是非常有害的。

4 鉆井液的類型與特點分析

適合于冰層取心鉆探用的鉆井液類型比較多，性能差異也比較大，但各自都存在一些缺點，難以完全滿足南極冰層鉆探的具體要求。在現(xiàn)有資料的基礎上，對目前已經(jīng)應用于冰層鉆進鉆井液類型進行分析，為今后更好地選擇鉆井液提供一定的理論基礎。

4．1 烴類鉆井液

烴類鉆井液是最早使用的鉆井液類型之一。目前可作為冰層取心鉆進用烴類鉆井液主要有兩類，一類是碳氫類的航空煤油;另一類為氟代烴類。

(1)航空煤油是最早使用的一種冰層鉆進鉆井液。以3號航空煤油為例，其主要成份是C8～C18的飽和烴類，是為高空航行發(fā)動機專門研制的燃料，其冰點為－55～－60℃，具有低溫粘度低，流動性好的特點。但這種物質的閃點比較低，約為38℃。當空氣中的濃度達到0.6% ～3.7%時，可能會發(fā)生爆炸。同時使用航空煤油可能會對極地的環(huán)境造成比較嚴重的污染和破壞。

(2)氟代烴也曾在冰層取心鉆進中進行了應用。氟代烴有多種類型，主要有HFC、CFC、HCFC F141b等產(chǎn)品。以HFC為例，為無色透明液體，有多種同分異構體?；瘜W性質穩(wěn)定，低毒，無閃火點，不易燃，沸點高等特點。其分子量比較小，低溫條件下粘度低，流動性好，但由于其分子間的作用力比較大，因此其密度比較大，在5℃時為1300 kg/m3。當溫度達到－30℃時，其密度更大，達到了2800 kg/m3。當鉆井液的密度過大時，將直接導致鉆進時的鉆壓下降，影響鉆進效率，降低鉆具的下放速度，增加鉆進的輔助時間。更為重要的是，對于極地這種紫外線強度比較大的環(huán)境來說，氟代烴的分解將會嚴重破壞空氣的臭氧層。

4．2 脂肪酸酯類鉆井液

脂肪酸酯也是一種疏水的介質，也可以用作冰層取心鉆進用鉆井液。脂肪酸酯類鉆井液有兩類，一類是二元脂肪酸二醇酯。另外一類就是低分子量飽和脂肪酸單酯。

4．2．1 二元脂肪酸二醇酯類鉆井液

此類型中具有代表性的是ESTISOL－COASOL混合物鉆井液，它最早曾在格陵蘭NEEM項目中使用。通過對單組分的試驗測試，得出了粘度與密度隨溫度的變化關系，見圖2、圖3。

圖2 二元脂肪酸二醇酯的運動粘度隨溫度變化曲線

圖3 二元脂肪酸二醇酯的密度隨溫度變化曲線

由圖2和圖3可以看出，由于其分子量比較大，分子間的作用力強，因此表現(xiàn)出在低溫條件下迅速稠化的現(xiàn)象，以其中粘度最小的ESTISOL 140為例，在－60℃時，其運動粘度就達到了將近60 mm2/s，所有的單質的密度都比較大，這將導致鉆進速度的下降，排屑困難，同時也將增加升降鉆具的時間。另外，ESTISOL系列物質為椰子油提取物，多屬于營養(yǎng)物質，應用于極地鉆探可能會導致微生物的環(huán)境破壞。COASOL也為丁二酸、戊二酸與己二酸二醇酯，與ESTISOL系列物的結構相近，也可能會造成同樣的環(huán)境破壞。

4．2．2 低分子量飽和脂肪酸單酯類鉆井液

低分子量飽和脂肪酸單酯類型很多，根據(jù)極地冰層取心鉆進對于鉆井液的技術要求，選取了4種常用于食品添加劑的香料作為鉆井液的基礎材料，并測試了在不同溫度條件下的材料的粘度與密度的變化情況，如圖4、圖5所示。

圖4 低分子量飽和脂肪酸單酯的動力粘度隨溫度變化曲線

圖5 低分子量飽和脂肪酸單酯的密度隨溫度變化曲線

由圖4、圖5可以看出，在－60℃時，丁酸乙酯粘度最低，僅為3.7 mPa·s，丁酸戊酯的粘度最高，15.2 mPa·s。在此溫度下，丁酸戊酯的密度最低，為937 kg/m3。丙酸丙酯的密度最高，為964 kg/m3。低分子量飽和脂肪酸單酯具有低的粘度與合適的密度，可以滿足極地冰層取心鉆進對鉆井液的性能要求。在4種單酯中，丁酸丁酯的粘度為8.7 mPa·s，密度為942.5 kg/m3，是最為理想的鉆井液材料。

4．3 甲基硅油類鉆井液

甲基硅油是一種無味、無色、無毒的透明液體，具有粘溫系數(shù)小、耐高低溫、閃點高、抗氧化、絕緣性好、表面張力小、揮發(fā)性小、比較高的表面活性、對金屬及塑料橡膠等無腐蝕、化學穩(wěn)定性好、蒸汽壓力低、潤滑性能好等特點，此外，甲基硅油還具有生理惰性。甲基硅油的粘度與密度受其聚合度的影響比較大，其中具有代表性的是日本生產(chǎn)的KF－96－2．0，常溫下其運動粘度為2.0 mm2/s。我國生產(chǎn)的硅油的聚合度相對較大，最低的運動粘度為5.0 mm2/s。近年來也能夠生產(chǎn)出運動粘度為2.0 mm2/s的產(chǎn)品，且價格也明顯比進口的產(chǎn)品低廉，可用作極地冰層取心鉆進鉆井液使用。在室內對2種產(chǎn)品進行了試驗測試，其測試結果見圖6、圖7。

圖6 國內外2種甲基硅油的動力粘度隨溫度變化曲線

圖7 國內外2種甲基硅油的密度隨溫度變化曲線

由圖6、圖7可以看出，在－60℃時，KF－96－2．0 的動力粘度為 11.7 mPa·s，密度為 952 kg/m3，運動粘度為12.29 mm2/s。國產(chǎn)硅油5.0 mm2/s的粘度與密度要大得多，分別達到了42.8 mPa·s和993.9 kg/m3，運動粘度為43.06 mm2/s。因此如果選擇硅油作為極地冰鉆鉆井液，必須要使用低聚合度的硅油，常溫下的粘度應控制在1.5～2.0 mm2/s，才能滿足冰層取心鉆進對鉆井液的性能要求。

5 結論

(1)低分子量飽和脂肪酸單酯，在－60℃條件下，具有低的粘度與合適的密度，可以用作南極冰層取心鉆進用鉆井液材料，其中又以丁酸丁酯最為合適。

(2)甲基硅油因具有粘溫系數(shù)小，無味，無毒，絕緣性好及揮發(fā)性小等特點，可以用作極地冰鉆鉆井液材料，常溫條件下的粘度應控制在1.5～2.0 mm2/s范圍之內。

(3)鉆井液的粘度與密度對于鉆進效率與孔壁穩(wěn)定具有重要的影響，在保證低溫低粘(粘度＜12 mPa·s)，合適的密度(920～950 kg/m3)鉆井液的同時，應特別注意提升鉆具的速度，提升的速度不應超過鉆具下放速度的1.25倍，以保證孔壁的穩(wěn)定性。

［1］ P．G．Talalay，N．S．Gundestrup．Hole fluids for deep ice core drilling［J］．National Institute of Polar Research，2002，56:148 －170．

［2］ 宋佳宇，徐會文，韓麗麗，等．南極冰層鉆進鎧裝鉆具升降運動特性分析與試驗［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(7):5－12．

［3］ 王莉莉，徐會文，趙大軍，等．南極冰層取心鉆探鉆井液對雪層影響的模擬研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(12):1－4．

［4］ 韓俊杰，韓麗麗，徐會文，等．極地冰層取心鉆進超低溫鉆井液理論與試驗研究［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(6):23－26．

［5］ 王莉莉，趙大軍，徐會文，等．南極冰層取心鉆探酯基鉆井液抗低溫性能試驗［J］．世界地質，2013，32(4):862 －866．

［6］ Huiwen XU，Lili HAN，Pinlu CAO．Low-molecular-weight，fattyacid esters as potential low-temperature drilling fluids for ice coring［J］．Annals of Glaciology，2014，55(68):39 －43．

［7］ 張杰，鄢泰寧．小井眼鉆具升降產(chǎn)生的孔內波動壓力［J］．煤田地質與勘探，2009，37(4)．

［8］ 韓俊杰．極地冰鉆升降鉆具時孔內水力學特征試驗研究［D］．吉林長春:吉林大學，2014．

［9］ 韓麗麗．南極冰鉆超低溫鉆井液技術研究［D］．吉林長春:吉林大學，2013．

［10］ 徐會文，韓麗麗，韓俊杰，等．南極冰層取心鉆探酯基鉆井液的理論與試驗［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(S1):279－282．

［11］ HAN Lili，XU Huiwen，CAO Pinlu，et al．Viscosity testing method of ultra-low temperature drilling fluids for polar glacier drilling［J］．Global Geology，2012，(4):276－280．