PVA1788 無固相沖洗液體系的研究與應(yīng)用

蘇力才，謝健全，李永衛(wèi)，蘇福長

（廣西第一地質(zhì)工程公司，廣西 南寧 530031）

繩索取心液動錘鉆進(jìn)技術(shù)具有提高鉆進(jìn)效率、提高破碎地層回次進(jìn)尺的優(yōu)點(diǎn)，在硬-堅(jiān)硬“打滑”地層及硬脆碎地層中鉆進(jìn)，優(yōu)越性更顯著。在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)，要求沖洗液防塌性能高，采用傳統(tǒng)的固相泥漿粘度高，固相含量高，液動錘零配件工作壽命低，故障率高，制約了液動錘在復(fù)雜地層中的應(yīng)用效果［1-3］。廣譜護(hù)壁劑GSP 具有抑制、防塌、降失水、潤滑等一劑多能的特點(diǎn)，PHP+GSP 無固相沖洗液體系較好地解決了鉆桿內(nèi)壁結(jié)垢的問題，具有鉆屑在地表沉降快、鉆具磨損降低、提高鉆進(jìn)效率等優(yōu)點(diǎn)［4-6］。

我單位進(jìn)行PHP+GSP 無固相沖洗液體系室內(nèi) 試 驗(yàn)，PHP 加量800～1000 mg/L、GSP 加量0.5%～1.5% 時(shí)，實(shí)際失水量（FL）［7］在25～42 mL之間。現(xiàn)場應(yīng)用表明，GSP 加入到PHP 無固相沖洗液體系后，有效地拆散PHP 漿液的網(wǎng)狀粘連結(jié)構(gòu)，漏斗粘度在18～22 s 之間，漏斗粘度降低明顯，沉淀除砂效果好；具有一定的抑制作用，在破碎、較復(fù)雜地層中獲得了較好的防塌效果。

在中深孔、深孔復(fù)雜地層中鉆進(jìn)，為了降低PHP+GSP 無固相沖洗液體系的濾失量，進(jìn)一步提高沖洗液的抑制、潤滑性能，需要添加降失水、抑制、潤滑作用的沖洗液處理劑。聚乙烯醇PVA1788 具有降失水、抑制、潤滑作用，一劑多效，是我們應(yīng)用研究課題設(shè)計(jì)的首要選項(xiàng)。

1 PVA1788 的機(jī)理及特性［8-15］

工業(yè)上，聚乙烯醇PVA 一般由聚醋酸乙烯干態(tài)低堿法醇解生成，有3 種類型：一是完全堿化型，常溫下在水中只吸收膨潤而不溶解，在80 ℃以上高溫中迅速溶解。低溫條件下，溶液濃度高時(shí)，其粘度較不穩(wěn)定。二是部份堿化型，在常溫下可緩慢溶解，水溶液的粘度安定性良好。醇解度為87%～89%的PVA，在冷水或熱水中都能溶解。三是超低部份堿化型，溶于冷水中，加溫反而不利于溶解。醇解度為75%～80%的PVA，只溶于冷水，不溶于熱水。醇解度小于66%的PVA，由于醋酸基疏水基含量增大，水溶性下降。直到醇解度50%以下，PVA 不再溶于水。不同醇解度的PVA，一旦制成水溶液，就不會在冷卻時(shí)再析出來。

PVA 的表面活性和表面膠體效應(yīng)都隨醇解度的下降而提高。保護(hù)膠體能力隨分子量增大而提高，但表面活性則隨分子量的減小而提高。PVA的-OH 吸附基，類似多元醇的化學(xué)性質(zhì)。

聚乙烯醇PVA1788 為部分醇解型，醇解度通常為87%～89%，1788 表示聚合度為1700，醇解度為88%。部分醇解型PVA1788 保留了部份醋酸基的疏水基，其水溶液攪拌時(shí)起泡，是表面活性劑、具有潤滑作用；Ca2+、Mg2+等高價(jià)金屬離子對PVA1788的影響較弱，乳化、潤滑穩(wěn)定性高。

PVA1788 的降失水作用以非離子型-OH 吸附基為主，與陰離子型水化基團(tuán)相比，吸附基團(tuán)對泥漿的提粘作用不明顯。

PVA1788 的-OH 吸附基團(tuán)與孔壁上的泥巖、粘土等強(qiáng)吸附，增強(qiáng)了成膜的理想性，分子鏈上的醋酸基疏水基團(tuán)進(jìn)一步增強(qiáng)成膜的理想性，這種表面活性劑膜形成了一道防止水和溶質(zhì)擴(kuò)散的屏障；長分子鏈上含有大量的-OH 側(cè)基吸附基團(tuán)，可以增大整個(gè)分子空間位阻，使分子主鏈剛性增強(qiáng)。因此，PVA1788 具有包裹吸附作用和成膜抑制性，吸附成膜速度快，膜的致密性好。聚乙烯醇的非離子型-OH 極性基團(tuán)與水在粘土表面發(fā)生競爭吸附，優(yōu)先在粘土表面取代部分水分子，形成一個(gè)疏水的膜，破壞和阻止了粘土表面導(dǎo)致泥頁巖膨脹分散的結(jié)構(gòu)水層的形成，從而起到抑制作用。

室內(nèi)試驗(yàn)加量0.5%時(shí)，PVA1788（120 目）在高速攪拌下可攪拌溶解；加量2% 或4% 時(shí)，容易結(jié)團(tuán)，需在60～80 ℃的水中攪拌溶解。野外應(yīng)用時(shí)，PVA1788 與廣譜護(hù)壁劑GSP 按比例混合均勻后，不存在結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，攪拌溶解十分方便。

2 PVA1788 無固相沖洗液體系試驗(yàn)

2.1 PVA 無固相沖洗液體系室內(nèi)試驗(yàn)

2.1.1 PVA1788 無固相沖洗液體系室內(nèi)試驗(yàn)

采用川維120 目聚乙烯醇PVA1788、廣譜護(hù)壁劑GSP 及分子量1000 萬～1200 萬、水解度30%～35% 的水解聚丙烯酰胺PHP，不同配比的PVA1788 無固相沖洗液體系室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 PVA1788 體系無固相沖洗液室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Laboratory test results of PVA1788 system solid-free flushing fluids

配比序號1 需要加熱、攪拌溶解。序號2～4，PVA1788 無固相沖洗液體系室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，因漿桶裝漿過多，未能高速攪拌充分溶解。充分陳化后，實(shí)際失水量（FL）12～12.5 mL（采用一張API 濾紙），塑性粘度3.0～3.5 mPa·s，動切力0.5～0.75 Pa。具有超低固相、低失水、低粘、低切力性能，特別適用于繩索取心液動錘鉆進(jìn)工藝。PHP、PVA1788 加量相同，GSP 加量0.5%～1.5%時(shí)，沖洗液的視粘度、塑性粘度變化不明顯。

2.1.2 PVA1788 體系與PVA2488 體系對比試驗(yàn)

首先，采用川維120 目聚乙烯醇PVA1788，按PHP∶GSP∶PVA1788＝1∶5∶5 的 混 合 比 例，配 制PVA1788 三合一混合粉；采用皖維100 目聚乙烯醇PVA2488，按PHP∶GSP∶PVA2488＝1∶5∶5 的混合比例，配制PVA2488 三合一混合粉。然后，加入不同比例的混合粉進(jìn)行配漿，對比試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同型號及加量的PVA 配制的無固相沖洗液對比試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Comparative test results of solid-free drilling fluids prepared with different types and dosages of PVA

表2 中，除序號2 配比因測試前預(yù)攪拌不夠充分，視粘度、塑性粘度及動切力離散較大外，在相同的加量情況下，PVA2488 無固相沖洗液體系的視粘度、塑性粘度比PVA1788 體系高；PVA2488 混合粉加量為1.5% 時(shí)，API 濾失量為6 mL，明顯優(yōu)于PVA1788 體系無固相沖洗液。因此，PVA2488 無固相沖洗液體系懸浮、攜帶巖粉的能力更強(qiáng)，更適用于復(fù)雜、孔壁超徑嚴(yán)重的地層鉆進(jìn)。推廣應(yīng)用PVA1788 無固相沖洗液體系后，采購PVA2488 三合一混合粉，供機(jī)臺針對地層情況選擇使用。

2.2 PVA1788 無固相沖洗液體系委托試驗(yàn)

為了評價(jià)、驗(yàn)證PVA1788 無固相沖洗液體系的潤滑、抑制等性能指標(biāo)，委托北京探礦工程研究所對PVA1788 無固相沖洗液體系進(jìn)行評價(jià)試驗(yàn)，評價(jià)結(jié)果見表3。

從表3 與表1 對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，在PHP、PVA1788 和GSP 加量相同的情況下，粘度、動切力及失水量存在不同。主要原因我們自己進(jìn)行的試驗(yàn)，是依據(jù)《地質(zhì)巖心鉆探規(guī)程》（DZ/T 0227-2010），采用一張API 濾紙測定；而委托北京探礦工程研究所進(jìn)行的試驗(yàn)，均采用兩張API 濾紙測定。

從表3 可以看出，PVA1788 無固相沖洗液體系較PHP+GSP 體系的抑制性能及潤滑性能得到加強(qiáng)，相對膨脹降低率為65.59%～74.14%，摩阻系數(shù)在0.16～0.18 之間。

表3 PVA1788 無固相沖洗液休系委托試驗(yàn)結(jié)果Table3 Test results of PVA1788 system solid-free flushing fluids by the third party

3 PVA1788 無固相沖洗液體系現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 地層簡述

扶綏縣羅維銀鉛鋅多金屬礦區(qū)地層為寒武系小內(nèi)沖組（∈x），細(xì)分為3 個(gè)巖性段，各段均為整合接觸。

第一段（∈x1）：巖性為泥巖夾細(xì)粒長石石英砂巖、含泥粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部夾含炭泥巖。厚度＞470 m。

第二段（∈x2）：下部為長石石英雜砂巖、長石石英砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖。中上部為砂巖與泥巖互層。風(fēng)化后呈灰黃色、褐黃色及紫紅色。厚448～466 m。

第三段（∈x3）：下部為石英雜砂巖、長石石英砂巖、泥質(zhì)砂巖夾少量泥巖。上部為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾長石石英砂巖、石英雜砂巖、含泥礫砂巖。厚224～447 m。

本礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺極發(fā)育，受變質(zhì)作用的影響，多數(shù)巖石已經(jīng)不同程度的變質(zhì)，主要有硅化、角巖化、矽卡巖化、簾石化、黃鐵礦化、綠泥石化等蝕變。巖石可鉆性7～8 級，部分9 級。區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，受深大露頭斷裂及深大隱伏斷裂的的影響，部分鉆孔地層較復(fù)雜至復(fù)雜，沖洗液全泵量漏失或部分漏失。

3.2 沖洗液配制及性能要求

3.2.1 現(xiàn)場PVA1788 三合一混合粉配比

PVA1788 混合粉配比為：PHP∶PVA1788∶GSP =4 kg∶20 kg（1 包）∶25 kg（1 包）＝1∶5∶6.25。

3.2.2 混合粉加量及沖洗液性能要求

在較完整至破碎、較復(fù)雜地層中，PVA1788 三合一混合粉加量為0.7%～1.0%，沖洗液API 濾失量控制在20 mL 以內(nèi)。在較復(fù)雜至復(fù)雜地層中，PVA1788 三合一混合粉加量1.2%～1.5%，沖洗液API 濾失量控制在15 mL 以內(nèi)。

配制及調(diào)節(jié)沖洗液性能，均采用PVA1788 三合一混合粉。隨著孔深的增加及鉆屑在地表沉降，沖洗液處理劑有消耗，每班需要酌情添加維持沖洗液性能。

3.3 現(xiàn)場沖洗液性能測試結(jié)果

羅維礦區(qū)ZK41603孔，鉆遇地層破碎、較復(fù)雜（見圖1）。該孔采用PVA1788 無固相沖洗液體系、SYZX-77 型繩索取心液動錘鉆進(jìn)，終孔孔深522.20 m。在此鉆孔配合中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所進(jìn)行液動錘易損件磨損情況測試。為了取得PVA1788無固相沖洗液體系應(yīng)用數(shù)據(jù)，在現(xiàn)場對沖洗液的API濾失量、視粘度、塑性粘度等性能進(jìn)行了測試。

圖1 較復(fù)雜地層巖心Fig.1 Core from the relatively complex formation

在破碎、較復(fù)雜的地層中，PVA1788 無固相沖洗液體系的密度基本控制在1.02 g/cm3以內(nèi)，原漿密度約1.01 g/cm3，折算沖洗液固相含量＜1.7%；漏斗粘度為18～22 s，視粘度為1.25～2.4 mPa·s，塑性粘度為1.0～2.0 mPa·s，動切力為0～0.6 Pa，API 濾失量≤20 mL，滿足了維持孔壁穩(wěn)定、安全鉆進(jìn)的需要?，F(xiàn)場測試結(jié)果見表4。

表4 沖洗液現(xiàn)場測試結(jié)果Table 4 Field test results of drilling fluids

鉆進(jìn)至孔深309 m 時(shí)，在泥漿池中將沖洗液充分?jǐn)嚢韬笤偃?，郵寄到北京探礦工程研究所進(jìn)行性能測試，沖洗液摩阻系數(shù)為0.25，相對膨脹降低率為50.60%。委托測試結(jié)果見表5。

表5 現(xiàn)場沖洗液委托測試結(jié)果Table 5 Test results of the on-site drilling fluid by the third party

3.4 PVA1788 無固相沖洗液體系應(yīng)用效果

（1）PVA1788 無固相沖洗液體系低粘、低固相，滿足繩索取心液動錘鉆進(jìn)要求，液動錘故障率明顯降低，易損件使用壽命顯著提高。

PVA1788 無固相沖洗液體系粘度低，鉆進(jìn)過程中不需要特殊的固控設(shè)備控制固相含量，沖洗液通過循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)，實(shí)現(xiàn)沉降分離鉆屑，固相含量維持在較低的水平。 采用XY-4 型鉆機(jī)，應(yīng)用PVA1788 無固相沖洗液體系、ZN-77S 型繩索取心液動錘鉆具鉆進(jìn)，與采用水解聚丙烯酰胺PHP 為主的無固相沖洗液相比，液動錘工作純鉆時(shí)間自74.73 h 提高到219.52 h，提高了2.94 倍；零配件使用壽命自293.00 m 提高到813.25 m，提高了2.78 倍。

（2）PVA1788 無固相沖洗液體系抑制性能較強(qiáng)，滿足了在金屬礦產(chǎn)地質(zhì)勘查破碎等復(fù)雜地層中維持孔壁穩(wěn)定、安全鉆進(jìn)的需要。

羅維礦區(qū)ZK30003 孔地層復(fù)雜，較破碎至極破碎地層占N 口徑鉆探工作量的73.50%以上，部分構(gòu)造角礫巖結(jié)構(gòu)松軟，用手捏巖心有凹痕，以泥質(zhì)砂質(zhì)混礫為主（見圖2）。

圖2 復(fù)雜地層巖心Fig.2 Core from the complex formation

ZK30003 孔為物探異常驗(yàn)證孔，鉆孔自設(shè)計(jì)孔深125 m 起，不斷變更、加深，受臺風(fēng)、待令及更換鉆機(jī)等影響，鉆孔施工時(shí)間較長。因地質(zhì)設(shè)計(jì)鉆孔較淺，?89 mm 套管僅下入孔深40.70 m，全孔沒有采用水泥護(hù)壁堵漏，采用PVA1788 無固相沖洗液體系、繩索取心液動錘鉆具鉆進(jìn)至終孔孔深1009.55 m。施工過程中嚴(yán)格控制API 濾失量≤15 mL，除停鉆時(shí)間較長、下鉆發(fā)現(xiàn)孔底有沉渣、需要撈渣外，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的掉塊或鉆孔坍塌現(xiàn)象，該沖洗液體系護(hù)壁、防塌性能較強(qiáng)。圖2 中的破碎不穩(wěn)定巖層（590.10～610.10 m 孔段），自鉆遇至終孔，裸眼孔壁穩(wěn)定、安全鉆進(jìn)大于65 天。

（3）PVA1788 無固相沖洗液體系的潤滑減阻性能卓越，提高了鉆機(jī)的鉆進(jìn)能力。

在岑溪市佛子沖鉛鋅礦ZK1201 號鉆孔，采用PHP+GLUB 無固相沖洗液，XY-4 型鉆機(jī)、ZN-77S型繩索取心鉆具鉆進(jìn)至孔深約810 m 時(shí)，因鉆機(jī)萬向軸螺桿更換高強(qiáng)度螺桿后，仍然頻繁折斷，不得不改用XY-1600 型鉆機(jī)鉆進(jìn)至終孔孔深868.55 m。

羅維礦區(qū)ZK30003 孔采用XY-4 型鉆機(jī)應(yīng)用PVA1788 無固相沖洗液體系、ZN-77S 型繩索取心液動錘鉆具，以4 擋（388 r/min）轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)至孔深914.50 m 后，考慮到終孔孔深未確定及鉆孔地層復(fù)雜，改換XY-1600 型鉆機(jī)鉆進(jìn)至終孔。鉆進(jìn)過程中，擰卸鉆桿時(shí)扭矩沒有明顯增大現(xiàn)象，該沖洗液體系潤滑減阻性能卓越。

4 結(jié)語

（1）PVA1788 具有降失水、抑制、潤滑等一劑多效的優(yōu)點(diǎn)，與GSP 及PHP 共同作用，該P(yáng)VA1788 無固相沖洗液體系具有粘度低、抑制防塌能力強(qiáng)、潤滑性能好等特點(diǎn)，大幅提高了液動錘零配件的工作壽命，提高了維持孔壁穩(wěn)定能力，提高了鉆機(jī)鉆深能力。

（2）按PHP、GSP、PVA1788 比例為1∶5∶5 配制三合一混合粉，配制及調(diào)節(jié)沖洗液性能均采用混合粉，使用維護(hù)十分方便。在金屬礦產(chǎn)地質(zhì)勘查破碎、結(jié)構(gòu)松軟的復(fù)雜地層中，裸眼維持孔壁穩(wěn)定、安全鉆進(jìn)大于65 天，滿足了復(fù)雜地層維護(hù)孔壁穩(wěn)定、安全鉆進(jìn)的需要。

（3）在頁巖氣鉆探中，鉆遇極破碎、強(qiáng)水敏不穩(wěn)定泥巖時(shí)，要求API 濾失量＜10 mL，采用PVA1788三合一混合粉調(diào)節(jié)沖洗液性能，沖洗液粘度增高，密度持續(xù)增高。建議采用PVA1788∶GSP=1∶1 的二合一混合粉配漿，加大PVA1788、GSP 的用量，減小PHP 的用量。需要時(shí)，建議采用聚合度相同、醇解度為66%～80%的PVA。