复杂山区水平绳索取心定向钻进聚合醇绿色防塌冲洗液研究

2023-12-02李冰乐袁长金吴丽钰宋礼勇徐正宣陈明浩解程超

钻探工程 2023年6期

李冰乐，王胜*，袁长金，张洁，吴丽钰，宋礼勇，徐正宣，陈明浩，解程超

（1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都 610059；2.四川蜀都地质工程勘察有限公司，四川成都 610100；3.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）

0 引言

随着西部大开发等一系列国家发展战略的不断深入，西部艰险山区相关隧道及地下工程进入高速发展期［1］。该区域地质条件复杂、生态环境脆弱，在勘察过程中，水平定向绳索取心钻进技术相对传统垂直孔更具优势［2-4］。同时，还需要特别注意在勘察过程中出现的塌孔、漏失等问题而导致的严重污染［5］。

与常规垂直孔不同，水平孔中钻具与下孔壁接触面积较大，摩阻和扭矩增大，孔内岩屑清洁度较低，大量岩屑对钻进效率的负面影响、地层污染能力等因素都严重影响绳索取心定向钻进效率［5-6］。因此，水平定向钻进冲洗液在性能、用途及组成上与常规冲洗液有所区别，应更强调携带岩屑能力及对孔壁的抑制能力等。

20 世纪80 年代末以来，多元醇体系以其突出的抑制性能逐渐出现在人们的视野，国内外学者对其聚合物在钻孔冲洗液方面的运用展开了大量的试验。研究发现聚合醇冲洗液抑制性能好、毒性低、生物降解性优良，且加量少成本低，可大范围应用推广，是环保型水基冲洗液研究领域的重要方向［7-9］。此外，聚合醇因强极性基团的存在，应用于冲洗液可直接提高体系的润滑性能［10］。但其流变性差、抑制性能与油基冲洗液仍有一定差距，其综合性能问题还有待进一步发展研究。

本文从环保型原材料入手，选择无毒、强抑制、使用方便的聚合多元醇，对其流变性能进行优化，并通过聚合物、纳米材料及环保处理剂的协同作用，开展适用于水平绳索取心定向钻进的聚合醇环保型防塌冲洗液体系研究，为构建安全、绿色、高效的绳索取心定向钻进技术提供新的解决方案。

1 聚合醇环保型防塌冲洗液研制

1.1 聚合醇优选

聚合醇包括聚乙二醇、聚乙烯醇等多种形式的多元醇。聚合醇由于其自身差异，在不同溶解环境条件下，溶解性受一定影响的同时，性能也将随之改变。溶解性差的聚合醇因为其不能在粘土表面吸附，而失去其抑制水化膨胀的作用［11］。为选出性能优异、经济适用的聚合醇类别，综合选用均可于常温冷溶的不同聚合醇：聚乙二醇（PEG、PEO）、聚乙烯醇（PVA1788、PVA1799）［12-13］。为保证最终结果可靠，采用苏氏漏斗粘度计测定的漏斗粘度为第一评价指标，控制其数值结果于18～20 s 间确定聚合醇加量并进行溶液制备，室温静置2 h 后对其流变参数进行测试，具体试验数据见表1。

表1 不同种类聚合醇流变性能表Table1 Rheological properties of different polyols

分析表1 中数据可知，不同类型聚合醇流变性能差异明显，在一定浓度内均为近牛顿的假塑性流体。PEG 流变性能受分子量影响显著，其中，PEG-2k 动塑比较高，剪切稀释性较好，但相较于其他类型聚合醇其加量过大，不利于成本控制。PEO 性能优异，但由于分子量过大性能极不稳定，试验过程爬杆现象显著，材料配制及试验较为困难。PVA 在相同聚合度下性能差异较小，PVA-1799 虽动切力表现更优，但其醇解度大，致使水溶性很差，试验耗时较长。因此，选取加量为2%的PVA-1788 作为基浆进行研究（后续文中如无特殊说明，PVA 均指PVA-1788）。

1.2 纤维素处理剂优选

考虑与PVA 的适用性以及材料性能需求，选用无毒、易溶，且稳定性强的聚合物［14］：改性甲基纤维素（MC-9）、改性乙基纤维素（OC-7）、纤维素羟烷基醚（LE-5）进行流变性及抑制性能试验研究。其性能变化趋势见图1。

图1 纤维素聚合物对PVA 溶液性能影响Fig.1 Effect of cellulose polymer on properties of PVA solution

通过上述试验与分析，常用的纤维素聚合物材料均能有效改善原基础溶液流变性能，但也可能给复合溶液的抑制性能带来一定的负面影响：

（1）溶液体系粘度均随加量增大而持续增大，其中LE-5 粘度值与变化幅度最为显著。

（2）MC-9 与LE-5 加入后体系动塑比总体呈增长趋势，抑制性能提升。为便于井筒内部压力控制且不影响冲洗液循环，动塑比应控制在0.4 以下，因此，MC-9 适宜加量范围不宜超过1.5‰，而LE-5 适宜加量范围为1‰～1.5‰。

（3）OC-7 线性膨胀率随加量增大其抑制性能显著降低，予以排除。

1.3 纤维素处理剂复配试验研究

为便于冲洗液性能的后续调控，结合上文试验确定LE-5 加量0.5‰、1‰ 较佳。以0.2‰ 梯度将MC-9 由0.3‰增至0.9‰，通过对比试验确定两者最佳配比。性能变化趋势见图2。

图2 纤维素聚合物复配性能参数变化趋势Fig.2 Change trend of composite performance parameters of cellulose polymer

通过对比LE-5 两种不同加量下，PVA 复合溶液随MC-9 加量变化的性能差异可发现，在LE-5 加量为1‰、MC-9 加量在0.7‰时动切力达峰值，抑制性能也有很大程度降低，线性膨胀率为13.64%，优于另一浓度LE-5 下任意梯度抑制性能，但其粘度过高，高剪切速率下体系粘滞性强，阻力大；低剪切速率下不利于悬浮并携带岩屑。故综合考虑，MC-9 与LE-5 加量均为0.5‰时对PVA 溶液体系性能改善最佳。

1.4 纳米材料优选及加量优化

纳米材料粒径小、活性高，可有效提升冲洗液流变、滤失、封堵及稳定性能。同时，由于纳米材料大多具有无毒的特性，适用于环保型冲洗液研制［15-16］。

结合使用便捷程度、成本高低以及在冲洗液中应用可行性3 方面，选用纳米二氧化硅（SiO2）、纳米三氧化二铝（Al2O3）及纳米二氧化钛（TiO2）来改善冲洗液的各项性能。

3 种纳米材料加量范围均为0.05%～0.5%，加量梯度为0.1%，结果见图3。

分析图3 可知，3 种纳米材料均能一定程度上降低体系线性膨胀率，可有效提升抑制性能，但同时还存在以下问题：

（1）随纳米SiO2加量增大，体系粘度总体持续增长，体系动塑比为先增后减。

（2）纳米Al2O3加入原体系溶液后粘度、动切力均有所降低。

（3）纳米TiO2线性膨胀率数值持续减小，性能优异，可有效抑制页岩水化。

综合实验结果分析，纳米SiO2最优加量为0.1%，纳米TiO2最优加量为0.4%，最优加量下二者性能差异不大，故此选择加量更少的纳米SiO2作为防塌冲洗液体系的组成部分，可形成性能较优异的PVA/缔合纳米共聚复合材料。

1.5 环保型防塌冲洗液优化配方

聚合醇及纳米共聚复合材料的流变及抑制性能已达到预期改善效果，但仍存在以下问题：搅拌时易出现大量气泡、粘度较高以及滤失量略大。针对以上问题，同时考虑到环保需要，选用绿色、无毒的处理剂对相应性能进行调整。以改性淀粉DD-1 作为降滤失剂，有机硅DS-957 作为消泡剂，氯化钾KCl作为防塌抑制剂设计三因素三水平正交试验［17-19］，正交试验因素水平设计及试验结果见表2、表3。

表2 正交试验因素水平表Table 2 Orthogonal test factor level table

表3 正交试验数据Table 3 Orthogonal test data

通过对试验结果的置信度分析，即可最终得出水平绳索取心聚合醇环保型防塌冲洗液体系LYW 优化配方为：2%PVA+0.5‰MC-9+0.5‰LE-5+0.1%SiO2+0.3‰DD-1+0.2%DS-957+0.8%KCl。

2 环保型防塌冲洗液性能评价

2.1 冲洗液环保性能

为测试LY-W 冲洗液体系优化配方对于环境的危害，参考《水质急性毒性的测定发光细菌法》（GB/T 15441—1995）评估其生物毒性［20］，将配方送检所获测试数据其EC50值>10000 mg/L，无毒。

2.2 冲洗液流变性能

根据对环保冲洗液体系的设计，参考常规测试条件，对LY-W 冲洗液在80 ℃热滚16 h 前、后的粘度等流变性能指标进行试验，进而讨论其流变性，具体试验数据见表4。

表4 LY-W 冲洗液体系流变性能测试数据Table 4 Rheological property test data of LY-W flushing fluid system

分析表4 可知，冲洗液在老化前后表观粘度稍有差异，在18.2～20.6 mPa·s 之间，而塑性粘度满足冲洗液性能要求，动切力在老化后仍维持4.61 Pa，动塑比为0.34，携岩能力较好，冲洗液流变性能并未受到严重影响。综合流变参数数据表明，LY-W 优化配方流变性能优异。

2.3 冲洗液滤失性能

冲洗液防塌性能要求冲洗液具有良好的抑制粘土水化膨胀、封堵水分子向孔壁渗透及平衡孔内地层压力的能力［21］。为改善冲洗液滤失、滤饼质量，使其具备抑制水敏性地层水化膨胀的能力，加强井壁稳定，要求其失水量≤20 mL/30 min（可接受范围≤30 mL/30 min），16 h 线性膨胀率≤8%，岩心回收率≥75%。

采用API 滤失仪对冲洗液体系在80 ℃热滚16 h 老化前、后进行滤失量的测试，测试结果见表5。

表5 LY-W 冲洗液体系滤失性能测试数据Table 5 Filtration performance test data of LY-W flushing fluid system

由表5 可知，LY-W 体系在热滚前滤失量为24 mL，高温16 h 后滤失量降低至21 mL，基本满足水基冲洗液性能要求。这一现象出现的原因是因为老化温度接近于体系中聚合醇浊点，部分聚合醇分子会逐渐析出，在滤失实验过程中能够填充滤纸孔隙，同时聚集形成的塑性膜能在部分区域形成封堵，故表现为滤失量的减少［21］。此外，单位体积内聚合醇塑性膜密度小于水，滤饼质量明显减轻，由1.856 g减小至1.403 g。综合而言，LY-W 冲洗液体系具备优秀的降滤失能力，基本满足取心钻进施工的需要。

2.4 冲洗液防塌性能

为测试冲洗液抑制性能，对岩心试样及页岩岩屑进行适当处理后，进行线性膨胀、岩心回收率试验。试验数据见表6。

表6 LY-W 冲洗液体系抑制性能测试数据Table 6 Suppression performance test data of LY-W flushing fluid system

分析表6 可知，LY-W 冲洗液体系2 h 线性膨胀率为1.07%，16 h 线性膨胀率稳定在7.03% ，远小于清水的膨胀量，说明体系具备较强防塌抑制性能。此外，结合3 次连续岩心滚动回收试验数据分析，该冲洗液体系第一次岩屑回收率可达85.21%，同时可观察到体系在岩屑表面均匀附着包被，回收的岩屑完整；第三次回收率为84.60%，表明冲洗液体系能较好维持井壁稳定，抑制性强，对预防井下复杂事故的发生有一定的积极作用。

LY-W 其性能评价结果表明该体系流变性能良好，动塑比等参数满足要求，防塌抑制能力强，且其抗温性能能够满足高原山区工程建设需要［22］，体系无毒，环保性能优异。