盧林祝，黃 鑫

（長(zhǎng)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(wèn)題，一旦出現(xiàn)就會(huì)給鉆井工程建設(shè)帶來(lái)巨大損失［1］。利用化工熱力學(xué)的藕合性質(zhì)和樹(shù)脂材料研究井壁失穩(wěn)機(jī)理，在20世紀(jì)70年代初期已經(jīng)開(kāi)始，但有關(guān)專家并沒(méi)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(kāi)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(wú)法單獨(dú)使用，因此，必須配合各種助劑才能具有實(shí)用價(jià)值。一般來(lái)說(shuō)，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(shí)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(shù)脂。從微觀角度來(lái)說(shuō)，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(shí)意義。在此背景下，本文針對(duì)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(hào)，按照PVC的含氯量可分為工業(yè)級(jí)、食品級(jí)和衛(wèi)生級(jí)。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(jī)械強(qiáng)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(shù)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(yè)巖。受鉆井液壓力影響，在井壁原始構(gòu)建過(guò)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(yè)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(huì)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(yè)巖縫隙侵入問(wèn)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(yè)巖更易成型，不易脆，維持時(shí)間較長(zhǎng)，不會(huì)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)，鉆井液對(duì)于井壁沖刷時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，井眼無(wú)法承受波動(dòng)壓力，使鉆井下方的抽吸壓力變大，井眼無(wú)法按照原始軌跡繼續(xù)構(gòu)造，此時(shí)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)。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(huì)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(wèn)題，將流-固-化-熱耦合PVC的井壁穩(wěn)定力學(xué)模型分為2個(gè)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(duì)壓縮剪切破壞問(wèn)題，鉆井液的密度如果過(guò)低，將無(wú)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(shí)際情況，對(duì)井徑進(jìn)行擴(kuò)大或壓縮。PVC在固化過(guò)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(huì)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(wú)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(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)現(xiàn)象，需采用傅里葉傳導(dǎo)定律計(jì)算PVC內(nèi)部結(jié)構(gòu)所能承受的最高溫度，以真實(shí)反映PVC的實(shí)際化-熱耦合過(guò)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(huì)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(guò)程，在PVC分子鏈中存在少量支鏈，通常1 000個(gè)碳原子數(shù)的PVC中存在15～16個(gè)支鏈，這些支鏈通常由短支鏈和長(zhǎng)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(gè)整體，在高溫條件下與固化劑發(fā)生反應(yīng)形成涂膜的過(guò)程是一個(gè)受熱激活的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，該過(guò)程對(duì)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(shí)際化-熱耦合過(guò)程相結(jié)合，在不同體系流-固耦合模型下，考慮研究過(guò)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(guò)程。該過(guò)程需將長(zhǎng)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(shí)在PVC大分子中形成不穩(wěn)定的氯原子。充分考慮泥頁(yè)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(rùn)滑劑，經(jīng)過(guò)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(shí)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(huì)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(guò)測(cè)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(guò)基礎(chǔ)元素，對(duì)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(shí)，井壁穩(wěn)定性較高，反之，穩(wěn)定性越小。因此，利用擠出機(jī)將軟質(zhì)PVC擠成軟管，能夠制成黏土礦物泥頁(yè)巖中需要的模具。

3.2 PVC薄膜

PVC與添加劑混合后，能夠通過(guò)壓延機(jī)制成透明薄膜，超高相對(duì)分子質(zhì)量PVC具有優(yōu)異的物理性能，通過(guò)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(shù)脂吸收增塑劑為基礎(chǔ)的，在相同硬度下，超高相對(duì)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(yè)巖強(qiáng)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(qiáng)度與耐磨損強(qiáng)度之間的關(guān)系?？障秹毫ψ兇螅箯垙?qiáng)度增加，制備的產(chǎn)品厚度變薄，超高相對(duì)分子質(zhì)量PVC的抗張強(qiáng)度達(dá)到112 MPa，同時(shí)耐磨損強(qiáng)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(cè)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(duì)分子質(zhì)量PVC能夠使加工流動(dòng)性得到改善，由此提升PVC的抗沖擊性能。5）使用壽命延長(zhǎng)。PVC經(jīng)過(guò)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(duì)分子質(zhì)量PVC在光作用下的增長(zhǎng)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(guò)程中如果出現(xiàn)井壁周圍逐漸變干的現(xiàn)象，那么說(shuō)明該薄膜質(zhì)量得以提高，無(wú)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(diǎn)，可從以下方面進(jìn)行開(kāi)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(yǔ)

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(qiáng)了模型研究的實(shí)用性。介紹了PVC制品特點(diǎn)，使研究結(jié)果與實(shí)際情況相吻合。充分研究了井壁泥頁(yè)巖強(qiáng)度隨著鉆井液柱的變化規(guī)律，分析空隙壓力和抗張強(qiáng)度與耐磨損之間的關(guān)系，得到空隙壓力變大，抗張強(qiáng)度也隨之增加，耐磨損強(qiáng)度也極大加強(qiáng)的結(jié)論。經(jīng)過(guò)實(shí)例應(yīng)用研究，分析了井壁塑造的實(shí)用性，說(shuō)明模型研究有利于井壁保持良好穩(wěn)定性。雖然針對(duì)井壁穩(wěn)定性的研究進(jìn)行了深入分析，但受到實(shí)際環(huán)境限制，研究的內(nèi)容理論性較強(qiáng)，對(duì)于耦合模型計(jì)算方法還需在一定程度上進(jìn)行改進(jìn)。融合實(shí)際環(huán)境因素，應(yīng)進(jìn)一步摸索研究。