随着国民经济的快速发展和经济全球化速度的加快，对资源的需求量日益增大，同时也带来了资源的紧张、环境污染和气候变化等诸多问题。为了研究和解决人类所面临的可持续发展问题，世界上许多的国家越来越重视对极地的科学研究。南北极冰层不仅是地球上最大的淡水储存地，而且冰层下赋存着丰富的矿产资源。南极洲蕴藏的煤、石油、铁等矿物资源种类就有200多种，且储量都相当可观，仅南极西部石油储量约为目前世界石油年产量的2～3倍。另外，研究极地冰川对全球气候环境变化和其它科学研究也有重要意义。不管是对极地资源、能源的勘探与开发还是对全球气候变化规律的研究，都离不开冰层取心钻探。“十二五”期间，我国计划在南极冰盖最高点Dome A进行3000m以上的深部冰层取心钻进，以获得超过百万年的最古老的南极冰心。此外，还将钻穿南极冰盖，获取甘布尓采夫冰下山脉基岩样品。钻井液的选择是顺利进行极地科学钻探工程的关键技术之一。相对于常规钻井而言，极地深部冰层取心钻进对钻井液的要求更高。南极Dome A区的地表年平均气温-58.7℃，最低曾达到-82.3℃。在这种超低温条件下，不仅要求钻井液具有良好的流变特性，起到常规钻井液冲洗钻孔和保护孔壁的作用、保证获取高质量的冰层冰心，而且对钻井液在安全、环保型和生物环境无危害等方面提出了更高的要求。根据南极冰层钻进的特点与对钻井液的特殊要求，对国外已经使用过的双组份钻井液、亲水性钻井液—乙醇（或乙二醇溶液）及n-乙酸正丁酯三大类钻井液进行了研究分析，发现它们由于安全、环保或其它技术问题，还不能完全满足南极科学钻探的要求。在综合分析国内外冰层钻进钻井液应用经验的基础上，对硅氧烷、氟代烃、脱芳烃溶剂油及低分子量脂肪酸酯等进行了理论上的分析研究，确定了影响钻井液粘度与密度的因素，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，并测试了各自在不同温度条件下的粘度和密度的变化规律。对超低温条件下测试液体粘度的方法做了详细的分析，研制了可用于测试超低温条件下液体粘度的分液漏斗式毛细管式粘度计。经过实际测试证明，分液漏斗式毛细管式粘度计具有比较高的精度。但此种粘度计由于本身结构的局限性，在测试过程中必须要在敞开的条件下才能完成，这就不可避免地会与环境存在着热交换，特别是在超低温的条件下，测试误差会更大。有鉴于此，对低温和超低温条件下钻井液的粘度测试方法问题进行了研究，确定了以低温工作槽对钻井液进行制冷，使用旋转法测试钻井液粘度的方法，不但提高了测试的准确性与精密度，也大大提高了样品的测试速度，为低温钻井液的深入研究奠定了重要的基础。通过深入的理论分析和大量的试验研究，优选出了3种密度和粘度性能基本符合南极冰层取心钻进用钻井液的单质和配方。⑴低分子量硅氧烷，具有粘温系数小、耐低温能力强及无环境污染等特点。此种材料在-30℃时，其运动粘度为5.41mm~2/s，密度为0.9240g/cm~3；在-60℃时，运动粘度为12.29mm~2/s，密度为0.9520g/cm~3。⑵低分子量的一元脂肪酸酯MFAE，具有低温流变特性良好及低毒等特性。此种材料在-30℃时，其运动粘度为4.03mm~2/s，密度为0.9189g/cm~3；在-60℃时，运动粘度为15.34mm~2/s，密度为0.9450g/cm~3。⑶低分子量的二元脂肪酸酯STE-A，具有高闪点、低粘度及无刺激性等特点。此种材料在-30℃时，其运动粘度为7.65mm~2/s，密度为0.9145g/cm~3；在-60℃时，运动粘度为58.5mm~2/s，密度为0.9385g/cm~3。试验研究发现，所有材料的密度随着温度的降低呈线性增大，这种变化主要是由于温度的降低所造成的体积收缩，与材料的分子结构形态无关，密度的大小与密度增加的速度受材料的组成、分子结构及分子间作用力大小影响比较大。所选材料的粘度随温度的降低而增大，且都存在一个稠化温度范围，当温度低于稠化温度后，材料的粘度迅速增大。材料的这种粘温变化与材料的分子结构、分子量的大小以及分子间有无氢键形成有密切的关系。仅存在分子间作用力，无分子间氢键形成材料的粘温系数小，粘度的增加主要是由于温度下降所引起的分子间距离的减少和分子的柔顺性下降所致。对于脂肪酸酯类，粘度的变化受分子量与分子间氢键影响，而且分子间氢键的影响要大于分子量。因此低分子量直链的单脂肪酸酯的稠化温度范围要大于高分子量的二元脂肪酸酯，且稠化的速度也明显下降。极地科学钻探属于复杂地层钻井工程，对超低温钻井液的技术要求严格，钻井液的性能涉及到密度、低温流变特性、安全环保及经济性等问题，需要研究的问题也比较复杂，研究的空间很大。本文研究所取得的理论和试验成果，为以后冰层钻井液深入研究奠定了重要的理论基础，对于极地冰层取心钻进钻井液的选择与优化具有重要的实际意义。