极地钻探钻井液及其对环境影响的研究

Making field coring during the polar exploration is one of the most important activities in polar expedition. During the exploration the polar environmental protection plays a great role. Based on the analyses of the available drilling fluid, which makes pollution to the polar environment, the effect mechanism on polar environment of the various components of the low temperature drilling fluid is studied. In this way the parameters of the drilling fluid influencing the environmental pollution in Polar Regions are obtained. Taking such parameters as the criteria, new environmental friendly low temperature drilling fluid will be formulated through the selection of environmental safety agents. Computational simulation on the influence of the drilling fluid on the polar air, firn, ice and sub-glacial water and rocks will be conducted, and as a result, a corresponding mathematical model will be built up. The mathematical model will be revised on the basis of the results which we get from the field tests imitating the polar surroundings. In this way, the evaluation methodology of the drilling fluid's effect on the polar environment is established. This project has important theoretical significance and high application value.

极地勘探取心是极地科学考察的重要组成部分，在极地勘探取心过程中做好对极地的环境保护是十分必要的。在分析现有钻井液体系污染极地环境原因的基础上，对低温钻井液各组成材料对极地环境影响机理的进行试验研究，获得与极地环境污染相关的钻井液性能参数，并以此为评价标准，通过数值模拟，研究钻井液对极地空气、积雪、冰、冰下水资源和冰下岩石等的影响规律，建立相应的数学模型，并根据近似极地条件的野外实验结果对数学模型进行修正，形成钻井液对极地环境影响的评价体系。本项目研究成果对于进行环保型的极地勘探，具有重要的理论意义和实际应用价值。

本项目主要基于极地钻探时环境保护的需要，开展新型环保低温钻井液及其对极地环境影响机理方面的研究。在综合分析国内外冰层钻进钻井液应用经验的基础上，分析了影响钻井液密度、粘度等性能的主要因素，据此选择了9种性能安全、环保或毒性较低的非水溶性单质材料，测试了各自在不同温度条件下的粘度和密度的变化规律，优选出低分子量硅氧烷、低分子量的一元脂肪酸酯和低分子量的二元脂肪酸酯等化学单剂，通过复配实验和性能测试，最终确定了饱和低分子量脂肪酸单酯类酯基钻井液体系，其低温下的密度、粘度等性能符合极地冰层钻进要求。对该类钻井液的导电性、导热系数、对橡胶密封的腐蚀性能以及铠装电缆式电动机械钻具在钻井液中的升降特性等与极地钻探安全密切相关的性能进行了实验测试。结果表明，优选的钻井液体系导电性弱、导热系数高，可用于极地钻探，鉴于其对橡胶密封的腐蚀性，提出了耐腐蚀性能高的密封材料，为极地钻探安全提供了保障。以建立钻探场区地下水系统数学模型为基础，通过对钻探场区自然地理、水文地质条件的分析，将雪层、基岩层作为数值模拟的对象，采用软件Visual Modflow建立了钻探场区钻井液运移扩散模型，对钻探场区雪层、基岩层污染物的运移和扩散进行了数值模拟，预测了在未来2年、5年、8年和10年内污染物在雪层、基岩层内的浓度和污染羽范围。同时利用EIA Pro A软件对钻井液的挥发对极地气候的影响进行了数值模拟，建立了相应的数学模型，为南极冰层钻探钻井液对地层的渗漏和大气污染提供了可靠的评估手段。理论分析和数值模拟结果表明，研发的低温环保钻井液体系为油基介质，其扩散的距离和污染的程度很低，在极地钻探中使用对环境污染极小，是一种能耐-60℃的低温环保型钻井液。