张卫国　刘学军

摘 要：研究低温条件对钻井液流变性的影响，对保证在冻土地区天然气水合物钻探安全顺利的开展有着重要的意义。通过对实验室研制出的无固相聚合物钻井液与低固相聚合物钻井液流变性进行对比研究，分析两种不同类型的钻井液低温流 变性的变化规律。采用赫-巴模式中的参数对无固相与低固相聚合物钻井液的流变性能进行分析比较。对无固相聚合物钻井液与低固相聚合物钻井液建立了预测黏度与温度关系的数学模型。实测数据验证表明，数学模型拟合度高，可在现场根据不同类型的钻井液采用不同的模型进行分析研究。

关键词：冻土天然气水合物钻探;无固相/低固相聚合物钻井液;低温流变性能;数学模型

1、引言

冻土是天然气水合物主要赋存地带之一。勘探 表明，我国的青藏高原也分布有大量的天然气水合 物。在冻土钻探过程中首先要避免和减少冻土的融 化，这是确保冻土钻探质量的技术关键。冻土 钻井内的温度是选择钻井液品种、性能和数量的重 要依据，也是确定合理的钻进规程、保证正常钻进、避免事故的一个重要因素，而钻井液是保证井内的 温度规程正常的关键。黏度是天然气水合物地层钻井时钻井液的重要参数，低温条件下黏度的升高导致钻井液流变性变差的问题是冻土天然气水合物地层钻井钻井液的关键技术问题，而对适于冻土天然气水合物地层钻进的无固相和低固相聚合物钻井液的低温黏度之间关系的研究很少。通过对比两个无固相与低固相聚合物钻井液配方，探索低温条件下无固相与低固相钻井液相互之间的联系与区别，在不同的地层条件下，选择合适类型的钻井液，为冻土天然气水合物地层钻井安全、快速、顺利进行提供参考和科学依据。

2、材料与方法

JB50—D 增力电动搅拌机;ZNN—D6 型六速旋转黏度计;MLN-1A 型漏斗黏度计;FYL-YS-128L 低温数控保存箱，精度可达 ± 1 ℃ 温度稳定性较好，控温范围为 15 ～ 30 ℃，Inspect F50 扫描电子显微镜，仪器分辨率为 1.0 nm 在 30 kV，3.0 nm 在 1 kV。低温聚合物钻井液体系包括无固相与低固相聚 合物钻井液。低固相聚合物钻井液配方为：5% 钠基 膨润土 + 20% NaCl + 0.1% NaOH + 3% 降滤失剂 + 4% 增黏剂 + 0.3% 流型改进剂;无固相钻井液配方为：水 + 15% NaCl + 0.5% NaOH + 0.8% 流型改进剂+ 0.6% 两性离子聚合物抗盐处理剂。

2.2试验方法

（1）流变参数测定方法

使用低温数控保存箱，对钻井液进行低温冷冻 处理，使钻井液达到试验所需温度。从室温到 - 15 ℃，每降低 3 ℃确定一个温度值。根据各个转速时 黏度计的读数，绘制无固相与低固相聚合物钻井液 的流变曲线。根據 600 r/min 和 300 r/min 时的读数，计算两种钻井液相应的表观黏度、动切力等试验参数。

（2）流变模型评价方法

不同的流变模式所表征的流变性能也不尽相同，所采用的流变参数也不一样。采用线性回归的数学方法，分别对无固相与低固相聚合物钻井 液在不同温度下的流变曲线进行回归拟合，通过比较拟合度确定两个钻井液合适的流变模型。

3、理论研究

3.1 流变性能比较

在常温下，无固相聚合物钻井液表观黏度要比低固相钻井液高，但随着温度的降低，无固相与低固相钻井液的表观黏度都非常接近。这说明在低温条件下，不管是无固相还是低固相聚合物钻井液，其流动性都比较接近。

从整体上来说，无固相钻井液动切力明显高于低固相钻井液。考虑试验误差，随着温度的降低，不管是无固相还是低固相钻井液，动切力的变化都不大。这说明黏土颗粒与高分子或是高分子与高分子化合物之间的相互作用力随着温度降低变化很小。

钻井液的稠度系数表示液体的可泵性和直观流动性，即反映钻井液的稀稠程度。K 值越大，钻井液越稠，开泵时泵压越大;K 值越小，钻井液越稀，对携带岩屑不利，有利于提高钻速。低固相钻井液总体上随着温度降低变化不大，而无固相钻井液则随着温度降低而降低，并且 K值也明显大于低固相钻井液。

3.2 流变模型比较

无固相聚合物钻井液对于温度的敏感程度相比于低固相聚合物钻井液要小;但低固相聚合物钻井液在低剪切速率下使钻井液流动的静切力要比无固相钻井液小得多。由于无固相聚合物钻井液由高分子聚合物组成，因此钻井液内部凝胶强度大，需要破坏絮凝形成的网架结构的力也更大，从而使得在低剪切速率下需要比低固相钻井液更大的剪切应力才能使无固相聚合物钻井液流动。

不管是加入了黏土颗粒的低固相聚合物钻井液还是无固相聚合物钻井液，都可以用赫-巴模式进 行 表 征，其线性相关系数 R2 均大于 0.999。因为在钻井液中加入了高分子聚合物，所以使钻井液具有一定的假塑性，钻井液中的低固相黏土颗粒对流体的流变模式影响很小。

3.3 低温流变性响应机理

通过把两个配方的典型泥皮放在扫描电镜下进行观察，对两个配方微观下的形态进行对比分析。无固相聚合物钻井液微观形态表现为簇状，粒度分布较均匀，微粒互相缠绕卷曲。由于无固相聚合物钻井液中没有黏土颗粒，都是由高分子聚合物组成，因此无固相钻井液内通过高分子之间互相吸附、缠绕联结而使钻井液黏度发生变化。加入两性离子抗盐处理剂之后，与流型改进剂相互吸附桥架，协同作用改变钻井液流变性能。低固相聚合物钻井液泥皮表现的较为致密，不存在裂隙。由于低固相中加入了流型改进剂，对钻井液体系中的降滤失剂与黏土颗粒的聚集体进行适当缠绕，适当的增加钻井液黏度和切力，从而降低了钻井液的滤失量。

4、结论

通过对固相钻井液与低固相钻井液从不同角度进行分析，可以发现两者变化趋势相似，但无固相比低固相钻井液大;低固相钻井液的流性指数比无固相钻井液大。说明无固相比低固相钻井液剪切稀释性好，携带岩屑有利，但低温流变性较差，可能造成开泵困难。

参考文献

[1]张凌，蒋国盛，蔡记华，等.低温地层钻进特点及其钻井液技术现状综述 .钻井液与完井液，2006;23（4）：69—72

[2]汤凤林，张生德，蒋国盛，等.天然气水合物地层钻井时井内温度特征的分析研究 .煤田地质与勘探，2003;31（2）：58—60.