李冰樂，王 勝*，袁長金，張 潔，吳麗鈺，宋禮勇，徐正宣，陳明浩，解程超

（1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，四川 成都 610059；2.四川蜀都地質(zhì)工程勘察有限公司，四川 成都 610100；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

0 引言

隨著西部大開發(fā)等一系列國家發(fā)展戰(zhàn)略的不斷深入，西部艱險山區(qū)相關(guān)隧道及地下工程進(jìn)入高速發(fā)展期［1］。該區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境脆弱，在勘察過程中，水平定向繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)相對傳統(tǒng)垂直孔更具優(yōu)勢［2-4］。同時，還需要特別注意在勘察過程中出現(xiàn)的塌孔、漏失等問題而導(dǎo)致的嚴(yán)重污染［5］。

與常規(guī)垂直孔不同，水平孔中鉆具與下孔壁接觸面積較大，摩阻和扭矩增大，孔內(nèi)巖屑清潔度較低，大量巖屑對鉆進(jìn)效率的負(fù)面影響、地層污染能力等因素都嚴(yán)重影響繩索取心定向鉆進(jìn)效率［5-6］。因此，水平定向鉆進(jìn)沖洗液在性能、用途及組成上與常規(guī)沖洗液有所區(qū)別，應(yīng)更強(qiáng)調(diào)攜帶巖屑能力及對孔壁的抑制能力等。

20 世紀(jì)80 年代末以來，多元醇體系以其突出的抑制性能逐漸出現(xiàn)在人們的視野，國內(nèi)外學(xué)者對其聚合物在鉆孔沖洗液方面的運(yùn)用展開了大量的試驗。研究發(fā)現(xiàn)聚合醇沖洗液抑制性能好、毒性低、生物降解性優(yōu)良，且加量少成本低，可大范圍應(yīng)用推廣，是環(huán)保型水基沖洗液研究領(lǐng)域的重要方向［7-9］。此外，聚合醇因強(qiáng)極性基團(tuán)的存在，應(yīng)用于沖洗液可直接提高體系的潤滑性能［10］。但其流變性差、抑制性能與油基沖洗液仍有一定差距，其綜合性能問題還有待進(jìn)一步發(fā)展研究。

本文從環(huán)保型原材料入手，選擇無毒、強(qiáng)抑制、使用方便的聚合多元醇，對其流變性能進(jìn)行優(yōu)化，并通過聚合物、納米材料及環(huán)保處理劑的協(xié)同作用，開展適用于水平繩索取心定向鉆進(jìn)的聚合醇環(huán)保型防塌沖洗液體系研究，為構(gòu)建安全、綠色、高效的繩索取心定向鉆進(jìn)技術(shù)提供新的解決方案。

1 聚合醇環(huán)保型防塌沖洗液研制

1.1 聚合醇優(yōu)選

聚合醇包括聚乙二醇、聚乙烯醇等多種形式的多元醇。聚合醇由于其自身差異，在不同溶解環(huán)境條件下，溶解性受一定影響的同時，性能也將隨之改變。溶解性差的聚合醇因為其不能在粘土表面吸附，而失去其抑制水化膨脹的作用［11］。為選出性能優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)適用的聚合醇類別，綜合選用均可于常溫冷溶的不同聚合醇：聚乙二醇（PEG、PEO）、聚乙烯醇（PVA1788、PVA1799）［12-13］。為保證最終結(jié)果可靠，采用蘇氏漏斗粘度計測定的漏斗粘度為第一評價指標(biāo)，控制其數(shù)值結(jié)果于18～20 s 間確定聚合醇加量并進(jìn)行溶液制備，室溫靜置2 h 后對其流變參數(shù)進(jìn)行測試，具體試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同種類聚合醇流變性能表Table1 Rheological properties of different polyols

分析表1 中數(shù)據(jù)可知，不同類型聚合醇流變性能差異明顯，在一定濃度內(nèi)均為近牛頓的假塑性流體。PEG 流變性能受分子量影響顯著，其中，PEG-2k 動塑比較高，剪切稀釋性較好，但相較于其他類型聚合醇其加量過大，不利于成本控制。PEO 性能優(yōu)異，但由于分子量過大性能極不穩(wěn)定，試驗過程爬桿現(xiàn)象顯著，材料配制及試驗較為困難。PVA 在相同聚合度下性能差異較小，PVA-1799 雖動切力表現(xiàn)更優(yōu)，但其醇解度大，致使水溶性很差，試驗耗時較長。因此，選取加量為2%的PVA-1788 作為基漿進(jìn)行研究（后續(xù)文中如無特殊說明，PVA 均指PVA-1788）。

1.2 纖維素處理劑優(yōu)選

考慮與PVA 的適用性以及材料性能需求，選用無毒、易溶，且穩(wěn)定性強(qiáng)的聚合物［14］：改性甲基纖維素（MC-9）、改性乙基纖維素（OC-7）、纖維素羥烷基醚（LE-5）進(jìn)行流變性及抑制性能試驗研究。其性能變化趨勢見圖1。

圖1 纖維素聚合物對PVA 溶液性能影響Fig.1 Effect of cellulose polymer on properties of PVA solution

通過上述試驗與分析，常用的纖維素聚合物材料均能有效改善原基礎(chǔ)溶液流變性能，但也可能給復(fù)合溶液的抑制性能帶來一定的負(fù)面影響：

（1）溶液體系粘度均隨加量增大而持續(xù)增大，其中LE-5 粘度值與變化幅度最為顯著。

（2）MC-9 與LE-5 加入后體系動塑比總體呈增長趨勢，抑制性能提升。為便于井筒內(nèi)部壓力控制且不影響沖洗液循環(huán)，動塑比應(yīng)控制在0.4 以下，因此，MC-9 適宜加量范圍不宜超過1.5‰，而LE-5 適宜加量范圍為1‰～1.5‰。

（3）OC-7 線性膨脹率隨加量增大其抑制性能顯著降低，予以排除。

1.3 纖維素處理劑復(fù)配試驗研究

為便于沖洗液性能的后續(xù)調(diào)控，結(jié)合上文試驗確定LE-5 加量0.5‰、1‰ 較佳。以0.2‰ 梯度將MC-9 由0.3‰增至0.9‰，通過對比試驗確定兩者最佳配比。性能變化趨勢見圖2。

圖2 纖維素聚合物復(fù)配性能參數(shù)變化趨勢Fig.2 Change trend of composite performance parameters of cellulose polymer

通過對比LE-5 兩種不同加量下，PVA 復(fù)合溶液隨MC-9 加量變化的性能差異可發(fā)現(xiàn)，在LE-5 加量為1‰、MC-9 加量在0.7‰時動切力達(dá)峰值，抑制性能也有很大程度降低，線性膨脹率為13.64%，優(yōu)于另一濃度LE-5 下任意梯度抑制性能，但其粘度過高，高剪切速率下體系粘滯性強(qiáng)，阻力大；低剪切速率下不利于懸浮并攜帶巖屑。故綜合考慮，MC-9 與LE-5 加量均為0.5‰時對PVA 溶液體系性能改善最佳。

1.4 納米材料優(yōu)選及加量優(yōu)化

納米材料粒徑小、活性高，可有效提升沖洗液流變、濾失、封堵及穩(wěn)定性能。同時，由于納米材料大多具有無毒的特性，適用于環(huán)保型沖洗液研制［15-16］。

結(jié)合使用便捷程度、成本高低以及在沖洗液中應(yīng)用可行性3 方面，選用納米二氧化硅（SiO2）、納米三氧化二鋁（Al2O3）及納米二氧化鈦（TiO2）來改善沖洗液的各項性能。

3 種納米材料加量范圍均為0.05%～0.5%，加量梯度為0.1%，結(jié)果見圖3。

分析圖3 可知，3 種納米材料均能一定程度上降低體系線性膨脹率，可有效提升抑制性能，但同時還存在以下問題：

（1）隨納米SiO2加量增大，體系粘度總體持續(xù)增長，體系動塑比為先增后減。

（2）納米Al2O3加入原體系溶液后粘度、動切力均有所降低。

（3）納米TiO2線性膨脹率數(shù)值持續(xù)減小，性能優(yōu)異，可有效抑制頁巖水化。

綜合實(shí)驗結(jié)果分析，納米SiO2最優(yōu)加量為0.1%，納米TiO2最優(yōu)加量為0.4%，最優(yōu)加量下二者性能差異不大，故此選擇加量更少的納米SiO2作為防塌沖洗液體系的組成部分，可形成性能較優(yōu)異的PVA/締合納米共聚復(fù)合材料。

1.5 環(huán)保型防塌沖洗液優(yōu)化配方

聚合醇及納米共聚復(fù)合材料的流變及抑制性能已達(dá)到預(yù)期改善效果，但仍存在以下問題：攪拌時易出現(xiàn)大量氣泡、粘度較高以及濾失量略大。針對以上問題，同時考慮到環(huán)保需要，選用綠色、無毒的處理劑對相應(yīng)性能進(jìn)行調(diào)整。以改性淀粉DD-1 作為降濾失劑，有機(jī)硅DS-957 作為消泡劑，氯化鉀KCl作為防塌抑制劑設(shè)計三因素三水平正交試驗［17-19］，正交試驗因素水平設(shè)計及試驗結(jié)果見表2、表3。

表2 正交試驗因素水平表Table 2 Orthogonal test factor level table

表3 正交試驗數(shù)據(jù)Table 3 Orthogonal test data

通過對試驗結(jié)果的置信度分析，即可最終得出水平繩索取心聚合醇環(huán)保型防塌沖洗液體系LYW 優(yōu)化配方為：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 環(huán)保型防塌沖洗液性能評價

2.1 沖洗液環(huán)保性能

為測試LY-W 沖洗液體系優(yōu)化配方對于環(huán)境的危害，參考《水質(zhì)急性毒性的測定發(fā)光細(xì)菌法》（GB/T 15441—1995）評估其生物毒性［20］，將配方送檢所獲測試數(shù)據(jù)其EC50值>10000 mg/L，無毒。

2.2 沖洗液流變性能

根據(jù)對環(huán)保沖洗液體系的設(shè)計，參考常規(guī)測試條件，對LY-W 沖洗液在80 ℃熱滾16 h 前、后的粘度等流變性能指標(biāo)進(jìn)行試驗，進(jìn)而討論其流變性，具體試驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 LY-W 沖洗液體系流變性能測試數(shù)據(jù)Table 4 Rheological property test data of LY-W flushing fluid system

分析表4 可知，沖洗液在老化前后表觀粘度稍有差異，在18.2～20.6 mPa·s 之間，而塑性粘度滿足沖洗液性能要求，動切力在老化后仍維持4.61 Pa，動塑比為0.34，攜巖能力較好，沖洗液流變性能并未受到嚴(yán)重影響。綜合流變參數(shù)數(shù)據(jù)表明，LY-W 優(yōu)化配方流變性能優(yōu)異。

2.3 沖洗液濾失性能

沖洗液防塌性能要求沖洗液具有良好的抑制粘土水化膨脹、封堵水分子向孔壁滲透及平衡孔內(nèi)地層壓力的能力［21］。為改善沖洗液濾失、濾餅質(zhì)量，使其具備抑制水敏性地層水化膨脹的能力，加強(qiáng)井壁穩(wěn)定，要求其失水量≤20 mL/30 min（可接受范圍≤30 mL/30 min），16 h 線性膨脹率≤8%，巖心回收率≥75%。

采用API 濾失儀對沖洗液體系在80 ℃熱滾16 h 老化前、后進(jìn)行濾失量的測試，測試結(jié)果見表5。

表5 LY-W 沖洗液體系濾失性能測試數(shù)據(jù)Table 5 Filtration performance test data of LY-W flushing fluid system

由表5 可知，LY-W 體系在熱滾前濾失量為24 mL，高溫16 h 后濾失量降低至21 mL，基本滿足水基沖洗液性能要求。這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是因為老化溫度接近于體系中聚合醇濁點(diǎn)，部分聚合醇分子會逐漸析出，在濾失實(shí)驗過程中能夠填充濾紙孔隙，同時聚集形成的塑性膜能在部分區(qū)域形成封堵，故表現(xiàn)為濾失量的減少［21］。此外，單位體積內(nèi)聚合醇塑性膜密度小于水，濾餅質(zhì)量明顯減輕，由1.856 g減小至1.403 g。綜合而言，LY-W 沖洗液體系具備優(yōu)秀的降濾失能力，基本滿足取心鉆進(jìn)施工的需要。

2.4 沖洗液防塌性能

為測試沖洗液抑制性能，對巖心試樣及頁巖巖屑進(jìn)行適當(dāng)處理后，進(jìn)行線性膨脹、巖心回收率試驗。試驗數(shù)據(jù)見表6。

表6 LY-W 沖洗液體系抑制性能測試數(shù)據(jù)Table 6 Suppression performance test data of LY-W flushing fluid system

分析表6 可知，LY-W 沖洗液體系2 h 線性膨脹率為1.07%，16 h 線性膨脹率穩(wěn)定在7.03% ，遠(yuǎn)小于清水的膨脹量，說明體系具備較強(qiáng)防塌抑制性能。此外，結(jié)合3 次連續(xù)巖心滾動回收試驗數(shù)據(jù)分析，該沖洗液體系第一次巖屑回收率可達(dá)85.21%，同時可觀察到體系在巖屑表面均勻附著包被，回收的巖屑完整；第三次回收率為84.60%，表明沖洗液體系能較好維持井壁穩(wěn)定，抑制性強(qiáng)，對預(yù)防井下復(fù)雜事故的發(fā)生有一定的積極作用。

LY-W 其性能評價結(jié)果表明該體系流變性能良好，動塑比等參數(shù)滿足要求，防塌抑制能力強(qiáng)，且其抗溫性能能夠滿足高原山區(qū)工程建設(shè)需要［22］，體系無毒，環(huán)保性能優(yōu)異。

3 沖洗液現(xiàn)場應(yīng)用

應(yīng)用現(xiàn)場為四川西部某縣城的一個水平孔，地層巖性為碳質(zhì)泥巖，水敏性較強(qiáng)。開始采用普通水基沖洗液，受巖性影響在鉆進(jìn)至75 m 時鉆孔縮徑及鉆頭泥包，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率。后更換為LY-W 沖洗液，提高了沖洗液的抑制性能?，F(xiàn)場應(yīng)用情況見圖4。

圖4 LY-W 沖洗液現(xiàn)場應(yīng)用Fig.4 Field application of LY-W flushing fluid

經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用，該沖洗液配方能夠滿足西部山區(qū)水平繩索取心鉆進(jìn)要求，在實(shí)際運(yùn)用中具有良好的增粘提切效果，保證及時排除巖屑，并且其抑制性強(qiáng)，能夠保證孔壁穩(wěn)定，大幅提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)論

結(jié)合國內(nèi)外在環(huán)保防塌沖洗液體系、高分子聚合醇等領(lǐng)域的相關(guān)研究，從原材料即環(huán)保的思路出發(fā)，采用理論分析、試驗研究相結(jié)合的方法，對聚合醇環(huán)保型防塌沖洗液體系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并得出以下3 方面結(jié)論：

（1）試驗研究發(fā)現(xiàn)不同類型聚合醇中聚乙烯醇具有良好的增粘提切效果，流變性能良好，環(huán)保無毒。

（2）以聚合醇產(chǎn)物為研究主體，試驗優(yōu)選締合纖維素聚合物與產(chǎn)物協(xié)同作用；與此同時，0.1%納米二氧化硅的加入能夠有效提升防塌抑制性能。

（3）優(yōu)選出環(huán)保性較好，并起到有效性能調(diào)控作用的處理劑，確定繩索取心聚合醇環(huán)保型防塌沖洗液體系LY-W 優(yōu)化配方：PVA+0.5‰MC-9+0.5‰LE-5+0.1%SiO2+0.3‰DD-1+0.2‰DS-957+0.8%KCl。