盧林祝，黃 鑫

（長江大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院石油與化工學(xué)院，湖北省荊州市 434020）

井壁失穩(wěn)是鉆井工程中的核心問題，一旦出現(xiàn)就會給鉆井工程建設(shè)帶來巨大損失［1］。利用化工熱力學(xué)的藕合性質(zhì)和樹脂材料研究井壁失穩(wěn)機理，在20世紀(jì)70年代初期已經(jīng)開始，但有關(guān)專家并沒有將二者充分結(jié)合［2］。直到21世紀(jì)初期，才利用不可逆的流-固-化-熱藕合作用以及聚氯乙烯（PVC）建立了井壁穩(wěn)定力學(xué)模型，由此開啟了化工材料應(yīng)用的新篇章［3-4］。由于PVC的熱穩(wěn)定性及加工性能較差，無法單獨使用，因此，必須配合各種助劑才能具有實用價值。一般來說，根據(jù)所用增塑劑用量，PVC表現(xiàn)出硬質(zhì)或軟質(zhì)特征。在實際應(yīng)用中，PVC借助乳化劑能夠形成活性劑形式，有效控制PVC的揮發(fā)，形成一種低黏度糊樹脂。從微觀角度來說，PVC是由首-尾鍵接而成的線型高聚物，存在少量支鏈及自由基活性移位（其原因主要在于PVC反應(yīng)活性大，自由基形成容易），是一種具有高度活性的化工材料，分析其應(yīng)用規(guī)律具有重要的現(xiàn)實意義。在此背景下，本文針對流-固-化-熱耦合PVC進(jìn)行化學(xué)分析，并綜述了其應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 流-固-化-熱耦合的PVC應(yīng)用原理

導(dǎo)致井壁出現(xiàn)失穩(wěn)的原因有很多，而將流-固-化-熱耦合的PVC應(yīng)用到其中，不僅能夠保證井壁周圍的應(yīng)力集中，還能保護(hù)井眼不被破壞［5］。PVC是由氯乙烯單體聚合而成的高分子化合物，平均密度為1.40 g/cm3，具有多種型號，按照PVC的含氯量可分為工業(yè)級、食品級和衛(wèi)生級。PVC的韌性較好，能夠應(yīng)用于三維表面膜材料中，形成高密度的保護(hù)膜［6］。

PVC的極限氧指數(shù)為40%，耐濃鹽酸、硫酸和硝酸，機械強度高。在PVC中添加適量增塑劑攪拌后，將溫度升高到130 ℃出現(xiàn)分解變色，之后軟化溫度保持在80 ℃左右。PVC呈白色微細(xì)粉末狀就能夠直接用于軟質(zhì)制品，如聚乙二醇硬脂酸脂的制造，就是由環(huán)氧乙烷和硬脂酸在氫氧化鈉的催化作用下合成的；而在樹脂中添加適量增塑劑后，在物理狀態(tài)下能夠用于硬質(zhì)制品，如半透明PVC塑膠盒。在現(xiàn)代化工領(lǐng)域，一般將PVC分為兩種，分別是軟質(zhì)PVC和硬質(zhì)PVC。軟質(zhì)PVC主要應(yīng)用于井壁中的黏土礦物泥頁巖。受鉆井液壓力影響，在井壁原始構(gòu)建過程中，打破了地層原有的平衡力，使井壁不再受到泥餅保護(hù)，而將軟質(zhì)PVC應(yīng)用到該部分后，即使泥頁巖地層與鉆井內(nèi)部受到高溫和高壓影響而出現(xiàn)輕微變形，也不會破壞原有的巖層結(jié)構(gòu)［7］。該情況下產(chǎn)生的相互作用為：1）流-固-化-熱耦合之間的交互作用；2）鉆井液壓力差所產(chǎn)生的滲透作用；3）鉆井液受到流-固-化-熱耦合的PVC影響，避免了出現(xiàn)泥頁巖縫隙侵入問題；4）井壁巖層受到外界影響而產(chǎn)生的滲析作用。由于PVC中含有能吸附于纖維表面并使纖維表面平滑、改善手感或觸感物質(zhì)的柔軟劑，采用軟質(zhì)PVC可使井壁的泥頁巖更易成型，不易脆，維持時間較長，不會受到水化應(yīng)力影響，能夠保證周圍巖層應(yīng)力的均勻分布［8］。硬質(zhì)PVC中不含柔軟劑，主要應(yīng)用于井眼周圍的建設(shè)。以往受到鉆井液失水速度快、密度小的影響，導(dǎo)致井眼裸露時間過長，鉆井液對于井壁沖刷時間也相對較長，井眼無法承受波動壓力，使鉆井下方的抽吸壓力變大，井眼無法按照原始軌跡繼續(xù)構(gòu)造，此時井壁受到的摩擦力也極大增加［9］。出現(xiàn)井壁失穩(wěn)的現(xiàn)象，實質(zhì)上是井壁周圍的泥巖層所能承受的壓力遠(yuǎn)超其本應(yīng)承受的強度而誘發(fā)失穩(wěn)，導(dǎo)致井壁被破壞［10-12］。硬質(zhì)PVC的本質(zhì)是一種真空吸塑膜，能夠用于井眼表層包裝，使井壁周圍的泥巖層能夠承受較大壓力，保護(hù)井壁不被破壞［13-14］。

2 流-固-化-熱耦合PVC的井壁穩(wěn)定力學(xué)模型應(yīng)用研究

PVC是一種高分子化合物，呈白色或淺黃色，并以粉末狀存在，氯體積分?jǐn)?shù)為56%～58%，易溶于酮類溶劑，耐化學(xué)藥品腐蝕性極強。但PVC的熱穩(wěn)定性和耐光性極差，在高溫條件下容易分解出氯化氫，電絕緣性良好，不會出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。井壁失穩(wěn)有兩種形式，一種是壓縮剪切破壞，另一種是拉伸破壞，基于上述問題，將流-固-化-熱耦合PVC的井壁穩(wěn)定力學(xué)模型分為2個部分，分別是化-熱耦合、流-固耦合的PVC穩(wěn)定力學(xué)模型［15］。

2.1 化-熱耦合PVC的穩(wěn)定力學(xué)模型應(yīng)用研究

針對壓縮剪切破壞問題，鉆井液的密度如果過低，將無法滿足巖層的應(yīng)力集中需求，應(yīng)根據(jù)井壁失穩(wěn)后井眼實際情況，對井徑進(jìn)行擴(kuò)大或壓縮。PVC在固化過程中，由于材料熱傳導(dǎo)效果較差，導(dǎo)致傳輸?shù)臒崃恐饾u向外部擴(kuò)散，材料內(nèi)部難免會出現(xiàn)溫度遲滯現(xiàn)象。PVC的結(jié)構(gòu)容易受到溫度和壓力影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)突變而無法應(yīng)用在井壁上，嚴(yán)重影響了井壁穩(wěn)定性。目前，大多數(shù)PVC在化-熱耦合過程中不會出現(xiàn)流動現(xiàn)象，需采用傅里葉傳導(dǎo)定律計算PVC內(nèi)部結(jié)構(gòu)所能承受的最高溫度，以真實反映PVC的實際化-熱耦合過程，進(jìn)而提高井壁穩(wěn)定性。

2.2 流-固耦合PVC的穩(wěn)定力學(xué)模型應(yīng)用研究

由于井壁受到水壓力影響，造成鉆井液遺漏，嚴(yán)重的井漏會使鉆井液壓力變小，使井壁受到拉伸破壞影響，導(dǎo)致井噴發(fā)生概率增加。受到不同巖層和鉆井程度影響，井壁穩(wěn)定力學(xué)分析僅適用于鉆井分析過程，在PVC分子鏈中存在少量支鏈，通常1 000個碳原子數(shù)的PVC中存在15～16個支鏈，這些支鏈通常由短支鏈和長支鏈組成。將PVC應(yīng)用在井壁上，使顏填料等均勻分散于其中并黏結(jié)成一個整體，在高溫條件下與固化劑發(fā)生反應(yīng)形成涂膜的過程是一個受熱激活的化學(xué)反應(yīng)過程，該過程對于溫度敏感性較大，因此，需將PVC中的短支鏈自由基活性進(jìn)行移位，使傳熱模型與實際化-熱耦合過程相結(jié)合，在不同體系流-固耦合模型下，考慮研究過程的靈便性，應(yīng)用碳纖維環(huán)氧層合板作為材料研究流-固耦合過程。該過程需將長支鏈中的大分子游離基與分子中碳原子上的氫原子鏈轉(zhuǎn)移而成，同時在PVC大分子中形成不穩(wěn)定的氯原子。充分考慮泥頁巖與溫度的關(guān)系，確定鉆井液與巖層空隙中水離子濃度，推導(dǎo)流-固耦合PVC的穩(wěn)定力學(xué)模型。

PVC中加入穩(wěn)定劑和潤滑劑，經(jīng)過混煉后，能夠擠出不同口徑的管制品，將壓延好的薄片重疊加熱，能夠制成各種厚度的硬質(zhì)板材，滿足井壁穩(wěn)定力學(xué)模型研究需求。

3 應(yīng)用實例

為了提高井壁塑造的安全性，研究流-固-化-熱耦合的PVC井壁穩(wěn)定力學(xué)模型，有效降低了PVC中氯乙烯單體的殘留量，使加工后的井壁制品中，氯乙烯單體殘留量能夠控制在6～10 mg/kg。隨著工程建設(shè)技術(shù)的提高，PVC中的氯乙烯單體殘留量會更低，因此，使用耦合后的PVC可為井壁穩(wěn)定性塑造奠定基礎(chǔ)。

3.1 軟質(zhì)PVC增塑模具制備

PVC的化學(xué)穩(wěn)定性高，經(jīng)過測定波速和地層傾角確定地應(yīng)力方向，由此獲取井壁地應(yīng)力分布規(guī)律。通過基礎(chǔ)元素，對井壁巖層以及鉆井液物理特性進(jìn)行分析，當(dāng)水活度小于地層水活度時，井壁穩(wěn)定性較高，反之，穩(wěn)定性越小。因此，利用擠出機將軟質(zhì)PVC擠成軟管，能夠制成黏土礦物泥頁巖中需要的模具。

3.2 PVC薄膜

PVC與添加劑混合后，能夠通過壓延機制成透明薄膜，超高相對分子質(zhì)量PVC具有優(yōu)異的物理性能，通過這種方式加工的薄膜，能夠進(jìn)行剪裁，制成雙向拉伸的可收縮包裝，可應(yīng)用于井壁周圍的巖層，作為保護(hù)地層巖石的彈性載體。

3.3 PVC涂層制品

將PVC涂到紙上，并在100 ℃以上塑化，再擠壓成薄膜，可應(yīng)用于構(gòu)建井眼周圍的保護(hù)革，作為鋪地材料。

3.4 應(yīng)用效果

從井壁塑造角度分析，流-固-化-熱耦合的PVC井壁穩(wěn)定力學(xué)模型的應(yīng)用效果為：1）孔隙率高。耦合的PVC能夠吸收大量增塑劑，最高可達(dá)到100 phr以上，孔隙率是以每100 phr樹脂吸收增塑劑為基礎(chǔ)的，在相同硬度下，超高相對分子質(zhì)量PVC需要加入大量增塑劑，使其硬度達(dá)到最大。2）物理性能良好。當(dāng)鉆井液受到溫度變化和大氣壓力變化影響后，其體積將發(fā)生變化，密度也隨之改變，依據(jù)該井壁泥頁巖強度隨著鉆井液柱的變化規(guī)律，確定鉆井液熱膨脹系數(shù)和彈性壓縮系數(shù)，以分析空隙壓力和抗張強度與耐磨損強度之間的關(guān)系?？障秹毫ψ兇?，抗張強度增加，制備的產(chǎn)品厚度變薄，超高相對分子質(zhì)量PVC的抗張強度達(dá)到112 MPa，同時耐磨損強度也極大增加。3）填充料用量增加。在不影響井壁塑造的前提下，使用PVC加大了填充料用量，以配套檢測相關(guān)數(shù)據(jù)。4）與熱塑性彈性體共混加工。PVC與熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）混合后能夠得到相容性較好的混合物，以TPU為基礎(chǔ)，加入超高相對分子質(zhì)量PVC能夠使加工流動性得到改善，由此提升PVC的抗沖擊性能。5）使用壽命延長。PVC經(jīng)過流-固-化-熱耦合作用，使井壁在高溫條件下也能繼續(xù)使用。而在低溫環(huán)境下，增加超高相對分子質(zhì)量PVC在光作用下的增長量，也就是增速，使脆化溫度極大降低，克服了PVC的缺陷。6）薄膜手感好。由PVC制成的薄膜不但表面光滑，還具有一定彈性，仿真度高，在井壁塑造過程中如果出現(xiàn)井壁周圍逐漸變干的現(xiàn)象，那么說明該薄膜質(zhì)量得以提高，無需橡膠加工，在壓縮永久變形性能就可以得到改善。

根據(jù)以上特點，可從以下方面進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用：1）制備PVC薄膜、防水材料，不僅手感好，還能有效降低井壁制造成本，延長井壁使用壽命；2）降低制品厚度，不使用改性劑就能達(dá)到同等效果，不僅降低成本，還能夠有效提高制品質(zhì)量；3）通過改變井壁壓縮永久變形性能，能夠保證井壁密封效果更好，通過擴(kuò)大密封墊圈面積，能夠增加井壁構(gòu)建的規(guī)整性。

4 結(jié)語

綜述了流-固-化-熱耦合的PVC井壁穩(wěn)定力學(xué)模型及應(yīng)用，并分析了穩(wěn)定力學(xué)模型。模型中應(yīng)用PVC，加強了模型研究的實用性。介紹了PVC制品特點，使研究結(jié)果與實際情況相吻合。充分研究了井壁泥頁巖強度隨著鉆井液柱的變化規(guī)律，分析空隙壓力和抗張強度與耐磨損之間的關(guān)系，得到空隙壓力變大，抗張強度也隨之增加，耐磨損強度也極大加強的結(jié)論。經(jīng)過實例應(yīng)用研究，分析了井壁塑造的實用性，說明模型研究有利于井壁保持良好穩(wěn)定性。雖然針對井壁穩(wěn)定性的研究進(jìn)行了深入分析，但受到實際環(huán)境限制，研究的內(nèi)容理論性較強，對于耦合模型計算方法還需在一定程度上進(jìn)行改進(jìn)。融合實際環(huán)境因素，應(yīng)進(jìn)一步摸索研究。