低温聚合物钻井液粘度/温度响应与调控

This project intends to study drilling fluid viscosity and temperature response and control of low-temperature polymer through theory and experiments. First of all, The polymer drilling fluid formulations of permafrost gas hydrate stratigraphic drilling low-temperature solid phase and low solid phase will be developed based on drilling fluid theory, the theory of the cryogenic fluid and organic polymer chemistry. Second, low-temperature polymer drilling fluid viscosity and temperature response law will be explored through the establishment of equation of state about viscosity and temperature response and the research on the response curve of low-temperature polymer drilling fluid viscosity and temperature. Then, the main factors and the response mechanism of polymer drilling fluid viscosity which changes with temperature in low temperature will be analyzed. Finally, the regulation and control of viscosity of the polymer drilling fluid in low-temperature will be made on the basis of action principle of additive for drilling fluid. The study can not only promote the further integration of the cryogenic fluid theory and the development of the organic polymer chemistry and disciplines but also give us a comprehensive understanding of the low-temperature polymer drilling fluid viscosity and temperature response law and mechanism so as to regulate its viscosity in a targeted manner. Therefore, the rheological properties of the low-temperature polymer drilling fluid can be met according to the actual requirements of the permafrost gas hydrate stratigraphic drilling. As a result, a solid foundation of permafrost gas hydrate exploitation can be laid from the aspect of drilling fluid.

本项目拟采用理论研究和实验相结合的方法对低温聚合物钻井液粘度/温度响应与调控进行研究。首先，基于钻井液理论、低温流体及高分子化学相关理论研制适于冻土天然气水合物地层钻井的低温无固相/低固相聚合物钻井液基本配方；然后，通过研究绘制低温聚合物钻井液粘度/温度响应曲线，建立其粘度/温度状态方程，探索低温聚合物钻井液粘度/温度响应规律，分析低温条件下聚合物钻井液粘度随温度变化的主要影响因素及响应机理；最后，基于钻井液处理剂作用机理分析，对低温聚合物钻井液的粘度进行针对性调控。通过该研究不仅可以推动低温钻井液与高分子化学理论的发展和学科的进一步融合，而且可以全面了解低温聚合物钻井液粘度/温度响应规律及机理，有针对性地对其粘度进行调控。从而使低温聚合物钻井液的流变特性满足冻土天然气水合物地层钻井的实际要求，为冻土天然气水合物的勘探开采从钻井液方面打下坚实的基础。

针对冻土天然气水合物勘探过程中低温对浆液流变性能的影响问题，采用理论研究和实验相结合的方法对低温聚合物钻井液粘度/温度响应与调控进行研究。首先，研制了适于冻土天然气水合物地层钻井的低温无固相/低固相聚合物钻井液基本配方；然后，通过研究绘制了低温聚合物钻井液粘度/温度响应曲线，建立其粘度/温度状态方程，探索低温聚合物钻井液粘度/温度响应规律，分析低温条件下聚合物钻井液粘度随温度变化的主要影响因素及响应机理；最后，基于钻井液处理剂作用机理分析，对低温聚合物钻井液的粘度进行了针对性调控。主要成果体现在如下几方面：.（1）分别对以高分子类、两性离子类、磺化类、生物聚合物类为处理剂的低固相钻井液体系进行低温流变试验，拟合了相应的流变性/温度响应曲线，分析了钻井液流变性随温度的变化特征与规律，提出了以SMC、SMP为主要处理剂、XC为流型调节剂的钻井液体系研究思路，为进行低固相低温聚合物钻井液研究从处理剂方面打下了基础；.（2）研制了一种以SMC、SMP和XC为主要处理剂的低温聚磺低固相钻井液体系，获得了该钻井液体系的优化配方：基础液+3%SMP+4%SMC+0.3%XC。该钻井液配方在低温条件下分解抑制性强、流变性能好、失水量低，满足冻土天然气水合物钻探对钻井液的性能要求；.（3）对SMC、SMP和XC三种主要处理剂进行了红外光谱分析，对基浆、磺化钻井液体系、优化配方分别进行了扫描电镜分析。根据微观分析结果，对所研究的低固相钻井液的流变性/温度响应机理进行了探讨；.（4）通过对KL植物胶、聚丙烯酰胺（PAM）、生物聚合物（XC)三类聚合物溶液以及钻井液体系进行流变模式回归分析，发现其流变模型更接近赫巴模式。采用赫巴模式中的流变参数对不同温度下的无固相聚合物钻井液流变性能进行表征；.（5）系统分析了KL、PAM和XC三类无固相聚合物钻井液以及添加处理剂GC的无固相聚合物钻井液体系的流变特性/温度响应特征，建立了对应的状态方程。采用SEM和红外光谱分析对其流变特性/温度响应机理进行了探讨；.（6） 建立了钻井液表观粘度低温响应数学模型：AV=18.75exp(-0.0205T+0.2365)，该模型具有较高的计算精度，能够较为精确反映钻井液的流变性能随着温度的变化情况。. 研究成果为冻土天然气水合物的勘探开采从钻井液方面打下了基础。