深冰心钻探潜在低温钻井液理化特性试验研究

发布时间：2019-01-10 11:58

【摘要】：南极区域的冰层蕴含着地球古气候、古环境的完整信息,人们可以通过几百万甚至几千万年前的气候环境变化规律,来推测未来气候的变化趋势,积极应对现在面临的环境问题。穿过厚厚的冰层,研究与冰下基岩相接触的冰层的性质。更深远的,研究冰下矿藏的情况和岩石、地层的结构特征。钻探是获取冰层及基岩信息的唯一途径。早在1840年,就有人开始对冰层进行探索,冰川理论的创始人Agassiz在阿尔卑斯山上开始他的第一次钻探尝试。随后各国也纷纷派考察团前往极地区域,从最初的手动钻具钻进冰层浅表层,到现在的铠装电缆式电动机械钻具,成功钻至深冰层,取得几百米的冰心样品。极地钻进过程中,钻井液是必不可少的。与陆地地质岩心钻探一样,钻井液对于维护孔壁稳定,冷却钻头,清洁孔底有重要作用。由于冰层具有可融化及强烈的蠕变性,对钻井液的类型及性能提出了一些新的要求。极地钻井液在低温下,不仅要具合适的密度和粘度,还要具备:(1)低导电性,不损害浸泡其中的电子元件;(2)高导热性,快速的带走钻头产生的热量,防止冰屑融化;(3)不具腐蚀性,对钻具、密封元件及橡胶制品没有不良影响。为防止冰层及冰心融化,在极地钻探中使用的钻井液多为疏水性的介质,已经应用过的钻井液类型有煤油基钻井液、乙醇和乙二醇的水溶液、乙酸丁酯等,但是煤油基钻井液对环境污染严重,乙醇和乙二醇的水溶液对孔壁、冰心有溶蚀性,乙酸丁酯对现场的橡胶制品有溶蚀作用,所以它们并不是极地钻探最理想的钻井液。经过先期的理论分析与研究,有6种液体介质具有极地钻井液的潜质,它们分别为:(1)二甲基硅油类,国产硅油和KF96硅油;(2)脂肪酸酯类,丁酸乙酯、丁酸丁酯、丁酸戊酯和丙酸丙酯。6种介质密度和粘度的研究与测试工作已经完成,其性能满足极地冰层取心钻进对钻井液的要求。但对其导电性、导热性和对密封元件的溶胀作用还没有进行过相应的研究,需要进行完整的试验测试及研究工作。(1)采用DDSJ-308F电导率测试仪分别对纯液体介质和混有冰屑的液体进行测试。经试验测试,在室温(20℃)下,纯净的国产硅油、KF96硅油、丁酸丁酯和丁酸戊酯的电导率为0.000μS/cm,属于不导电液体。丁酸乙酯和丙酸丙酯的电导率分别为0.003μS/cm、0.002μS/cm,具有极弱的导电性。当混入5%和15%的冰屑时,冰屑的含量对溶液电导率的影响不大,温度在-60~-5℃,6种溶液的电导率都不超过0.02μS/cm,且南极环境温度在-60~-50℃,此时介质的电导率为0μS/cm,不会影响钻具的正常工作。温度在0℃时,由于处于冰的相变温度,有部分冰屑表面融化,导致电导率急剧增大。相同温度下,脂肪酸酯类的电导率普遍小于硅油类,丁酸丁酯和丁酸戊酯的电导率最小,而且脂肪酸酯类能防止冰屑粘附在电导电极上,推测其在钻进过程中,可以在钻头表面形成一层防护膜,防止冰屑粘住钻头,这对于暖冰层钻进是十分有利的。(2)采用DRE-Ⅲ瞬态平面热源法导热仪测定介质的导热系数。经试验,测得6种液体的导热性随温度的降低而逐渐减小。相同温度下,脂肪酸酯类的导热系数远远大于硅油类的导热系数,丙酸丙酯的导热性最好,丁酸乙酯次之。在-50℃时,6种液体的导热系数在0.015~0.065 W/(m·K)。依据实际钻进参数,经过计算,若不使用钻井液,切削具升温3.5℃,而使用钻井液可以使切削具明显降温。南极环境温度在-60~-50℃,孔底实际产生95KJ热量,6种介质都能及时带走,满足极地钻探的要求。(3)由于极地环境特殊,对钻具密封元件的耐寒性、耐化学性、抗变形性和机械性有较高要求,极地常用的密封件材料有硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯和聚四氟乙烯四种。经试验发现,随着浸泡时间的增加,溶胀变形量也逐渐增大,当达到某一值时不再变化,且温度越低,变形总量越小。硅油类液体对硅橡胶有很强的溶胀作用,这可能是由于硅油分子与硅橡胶分子结构中均含有硅氧原子且在结构上有某种相似性,相似相溶。在-25~25℃之间,国产硅油对硅橡胶的溶胀量为21~33%;KF96硅油对硅橡胶的溶胀量为25~38%,KF96硅油的溶胀能力稍强一些。硅油类对氟橡胶、聚氨酯和聚四氟乙烯则没有溶胀作用。因为氟橡胶支链上连有氟原子,外层受到氟原子的保护;而聚氨酯与硅油的分子差异性较大,且分子中没有不饱和键;聚四氟乙烯C-F键的键能大,化学性质稳定且具有惰性,所以耐硅油类的溶胀作用。脂肪酸酯类液体只对聚四氟乙烯没有溶胀作用,对硅橡胶、氟橡胶和聚氨酯都有不同程度的溶胀作用。(1)4种脂肪酸酯类液体对硅橡胶的溶胀作用相差不大,在-25~25℃之间,硅橡胶变形量在28~38%。(2)对氟橡胶的溶胀性,丙酸丙酯最强,其次是丁酸乙酯、丁酸丁酯,丁酸戊酯的溶胀性远小于其它3种。在-25~25℃之间,变形量依次为58~68%、54~64%、51~56%和21~54%。丙酸丙酯与丁酸乙酯的分子量相同,但丙酸丙酯的分子链短,所以渗透速率快,进入的数量也多,就分子量和分子链长度而言,丁酸戊酯丁酸丁酯丁酸乙酯,所以氟橡胶在其中的变形量则反之。(3)脂肪酸酯类液体对聚氨酯有轻微溶胀作用,其中丙酸丙酯最强,其次是丁酸乙酯,丁酸丁酯、丁酸戊酯较弱,在0~25℃之间,变形量依次为6~15%、2~10%、1.5~3%和0~2%。当温度低于0℃时,丁酸戊酯对聚氨酯没有溶胀作用,当温度低于-25℃时,丁酸乙酯、丁酸丁酯和丁酸戊酯对聚氨酯都没有溶胀作用。硅油和低分子量饱和脂肪酸酯都是性能优良的潜在钻井液介质。对6种介质的导电性、导热性及对密封元件的溶胀作用进行试验测试,获得了比较好的定量指标,对于实际工作具有指导意义。从测试结果来看,6种介质都能很好的满足南极冰层取心钻进对钻井液的性能要求,可以用于实际生产。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P634.6

【相似文献】