摘要
在西部艰险山区相关隧道及地下工程的勘察施工中，与传统垂直孔相比，水平定向绳索取心钻进勘察效率更高。在地质条件复杂、生态环境脆弱区，钻进过程中易出现塌孔、漏失等问题，要求所用冲洗液在保证流变性能的同时需具备抑制性强、无毒无害、绿色环保等特点。针对绳索取心水平定向钻进冲洗液性能问题，选择环保易降解、抑制性强的聚合物多元醇为主要研究对象，选择环保纤维素及纳米SiO2，以提升其自身流变性能。所研制的聚合醇防塌冲洗液体系：2% PVA+0.5‰甲基纤维素MC-9+0.5‰纤维素羟烷基醚LE-5+0.1% SiO2+0.3‰淀粉类降滤失剂DD-1+0.2%有机硅消泡剂DS-957+0.8% KCl，由环保型材料构成，流变性能良好，防塌抑制能力也可达到定向取心钻进工程要求，为解决水平绳索取心定向钻进中的冲洗液工艺技术难题提供了新思路，对类似工程具有借鉴意义与参考价值。
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
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
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
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。
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
| 材料 | 加量/% | 漏斗粘度FV/ s | 表观粘度AV/(mPa·s) | 塑性粘度PV/(mPa·s) | 动切力YP/Pa | 动塑比τ0/μp | 流形指数n |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| PEG-2k | 5 | 16.0 | 1.3 | 0.7 | 0.56 | 0.80 | 0.48 |
| PEG-1w | 5 | 18.0 | 2.5 | 2.0 | 0.51 | 0.26 | 0.74 |
| PEO-1 | 0.05 | 18.0 | 2 | 1.2 | 0.82 | 0.68 | 0.51 |
| PVA-1799 | 2 | 16.5 | 2.5 | 1.5 | 1.02 | 0.68 | 0.52 |
| PVA-1788 | 2 | 19.0 | 4.0 | 3.0 | 1.02 | 0.34 | 0.68 |
分析
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
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。
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 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。
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
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 纳米材料复配后性能参数变化趋势
Fig.3 Change trend of performance parameters
of nano materials after compounding
分析
（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。
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
| 水平 | 因素 | ||
|---|---|---|---|
| DD-1（A） | DS-957（B） | KCl（C） | |
| 1 | 0.1‰ | 0.15% | 0.8% |
| 2 | 0.2‰ | 0.20% | 1.0% |
| 3 | 0.3‰ | 0.25% | 1.2% |
| 序号 | 性能指标 | |||
|---|---|---|---|---|
| 塑性粘度PV/(mPa·s) | 动切力YP/Pa | 滤失量FL/mL | 线性膨胀率/% | |
| 1 | 17.2 | 3.47 | 24 | 6.46 |
| 2 | 14.9 | 4.27 | 27 | 6.23 |
| 3 | 15.5 | 3.73 | 22 | 6.15 |
| 4 | 16.4 | 3.96 | 22 | 5.24 |
| 5 | 16.9 | 3.07 | 19 | 5.64 |
| 6 | 13.3 | 4.10 | 29 | 6.17 |
| 7 | 15.2 | 2.43 | 22 | 6.04 |
| 8 | 14.5 | 4.89 | 16 | 4.68 |
| 9 | 15.1 | 2.76 | 32 | 6.39 |
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LY-W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。
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
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
| LY-W | 密度ρ/(g·c | 漏斗粘度FV/s | 表观粘度AV/(mPa·s) | 塑性粘度PV/(mPa·s) | 动切力YP/Pa | 动塑比τ0/μp |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 老化前 | 1.10 | 41.2 | 20.6 | 14.3 | 5.02 | 0.35 |
| 老化后 | 1.10 | 39.6 | 18.2 | 13.5 | 4.61 | 0.34 |
分析
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
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
| LY-W | 滤失量FLAPI/mL | 滤饼质量/g |
|---|---|---|
| 老化前 | 24 | 1.856 |
| 老化后 | 21 | 1.403 |
由
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
| 试样 | 线性膨胀率/% | 岩心回收率R/% | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2 h | 16 h | R1 | R2 | R3 | ||
| 清水 | 14.69 | 47.92 | 37.70 | 37.22 | 36.94 | |
| LY-W | 1.07 | 7.03 | 85.21 | 85.54 | 84.60 | |
分析
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
应用现场为四川西部某县城的一个水平孔，地层岩性为碳质泥岩，水敏性较强。开始采用普通水基冲洗液，受岩性影响在钻进至75 m时钻孔缩径及钻头泥包，严重影响钻进效率。后更换为LY-W冲洗液，提高了冲洗液的抑制性能。现场应用情况见
图4 LY-W冲洗液现场应用
Fig.4 Field application of LY-W flushing fluid
经现场应用，该冲洗液配方能够满足西部山区水平绳索取心钻进要求，在实际运用中具有良好的增粘提切效果，保证及时排除岩屑，并且其抑制性强，能够保证孔壁稳定，大幅提高了生产效率。
结合国内外在环保防塌冲洗液体系、高分子聚合醇等领域的相关研究，从原材料即环保的思路出发，采用理论分析、试验研究相结合的方法，对聚合醇环保型防塌冲洗液体系进行了系统研究，并得出以下3方面结论：
（1）试验研究发现不同类型聚合醇中聚乙烯醇具有良好的增粘提切效果，流变性能良好，环保无毒。
（2）以聚合醇产物为研究主体，试验优选缔合纤维素聚合物与产物协同作用；与此同时，0.1%纳米二氧化硅的加入能够有效提升防塌抑制性能。
（3）优选出环保性较好，并起到有效性能调控作用的处理剂，确定绳索取心聚合醇环保型防塌冲洗液体系LY-W优化配方：PVA+0.5‰MC-9+0.5‰LE-5+0.1%SiO2+0.3‰DD-1+0.2‰DS-957+0.8%KCl。
参考文献（References）
周福军，杜世回，孟祥连，等.高原山区铁路勘察多角度钻探和测试技术研究［J］.铁道工程学报，2021，38（12）：1-6. [百度学术]
ZHOU Fujun， DU Shihui， MENG Xianglian， et al. Research on multi‑angle drilling and testing technology of railway survey in plateau mountain area［J］. Journal of Railway Engineering， 2021，38（12）：1-6. [百度学术]
吴纪修，尹浩，张恒春，等.水平定向勘察技术在长大隧道勘察中的应用现状与展望［J］.钻探工程，2021，48（5）：1-8. [百度学术]
WU Jixiu， YIN Hao， ZHANG Hengchun， et al. Application status and R & D trend of horizontal directional investigation technology for long tunnel investigation［J］. Drilling Engineering， 2021，48（5）：1-8. [百度学术]
周梦迪，刘欢，韩丽丽，等.用于工程勘察的水平定向钻探技术探讨［J］.钻探工程，2023，50（2）：136-143. [百度学术]
ZHOU Mengdi， LIU Huan，HAN Lili， et al. Discussion on the horizontal directional drilling technology for engineering investigation［J］. Drilling Engineering， 2023，50（2）：136-143. [百度学术]
肖华，刘建国，徐正宣，等.川藏铁路勘察超长水平孔绳索取心钻探技术［J］.钻探工程，2021，48（5）：18-26. [百度学术]
XIAO Hua， LIU Jianguo， XU Zhengxuan， et al. Wire-line core drilling technology of ultra‑long horizontal investigation boreholes for the Sichuan-Tibet Railway［J］. Drilling Engineering， 2021，48（5）：18-26. [百度学术]
邹玉亮.软弱土层穿越的稳壁防偏钻井液技术研究［D］.武汉：中国地质大学，2021. [百度学术]
ZOU Yuliang. Research on wall‑stabilizing anti‑deflection drilling fluid technology for soft soil crossing［D］. Wuhan： China University of Geosciences， 2021. [百度学术]
赵大军，吴金发.隧道工程勘察水平孔钻进钻具的运动与受力分析［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2020，47（11）：12-18，24. [百度学术]
ZHAO Dajun， WU Jinfa. Analysis of movement and force of horizontal drilling toolsfor tunnel engineering investigation［J］. Exploration Engineering （Rock & Soil Drilling and Tunneling）， 2020，47（11）：12-18，24. [百度学术]
Bland R G， Waughman R R， Tomkins P G， et al. Water‑based alternatives to oil‑based muds： do they actually exist？［C］//Society of Petroleum Engineers， 2002. [百度学术]
Bland R Q. Quality criteria in selecting glycols as alternatives to oil‑based drilling fluid systems［C］//Society of Petroleum Engineers， 1994. [百度学术]
Reid P I， Elliott G P， Minton R C， et al. Reduced environmental impact and improved drilling performance with water‑based muds containing glycols［C］//Society of Petroleum Engineers， 1993. [百度学术]
杨小敏，睢文云，郑伟.聚醚醇钻井液在花X39井的应用［J］.新疆石油天然气，2020，16（3）：38-41，3. [百度学术]
YANG Xiaomin， SUI Wenyun， ZHENG Wei. Application of polyether alcohol drilling fluid in Well Hua X39［J］. Xinjiang Oil and Gas， 2020，16（3）：38-41，3. [百度学术]
秦国川，许明标，何淼，等.聚合醇在钻井液中的应用研究进展［J］.高分子通报，2021（5）： 65-73. [百度学术]
QIN Guochuan， XU Mingbiao， HE Miao， et al. Research progress of polyol application in drilling fluid［J］. Polymer Bulletin， 2021（5）：65-73. [百度学术]
苏力才，谢健全，李永卫，等.PVA1788无固相冲洗液体系的研究与应用［J］.钻探工程，2022，49（4）：68-73. [百度学术]
SU Licai， XIE Jianquan， LI Yongwei， et al. Research and application of PVA1788 solid‑free drilling fluid system［J］. Drilling Engineering， 2022，49（4）：68-73. [百度学术]
苏力才，蒙学礼，李永卫，等.PVA1788成膜体系无固相冲洗液在桂柳地1井的应用［J］.钻探工程，2022，49（5）：57-63. [百度学术]
SU Licai， MENG Xueli， LI Yongwei， et al. Application of PVA1788 film‑forming system solid‑free drilling fluid in Well Guiliudi-1［J］. Drilling Engineering， 2022，49（5）：57-63. [百度学术]
万里平，张小龙，张力，等.渤海X油田无土相水基钻井液室内研究［J］.钻井液与完井液，2021，38（5）：605-610. [百度学术]
WAN Liping， ZHANG Xiaolong， ZHANG Li， et al. Laboratory study on clay‑free water‑based drilling fluid in X Oilfield of Bohai Sea［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2021，38（5）：605-610. [百度学术]
张星元.可膨胀复合微球的制备及其在钻井液中的应用［D］.雅安：西南石油大学，2019. [百度学术]
ZHANG Xingyuan. Preparation of expandable composite microspheres and their application in drilling fluid［D］. Ya’an： Southwest Petroleum University， 2019. [百度学术]
Rajat J， Vikas M， Sharma V P. Evaluation of polyacrylamide-grafted-polyethylene glycol/silica nanocomposite as potential additive in water based drilling mud for reactive shale formation ［J］. Journal of Natural Gas Science and Engineering， 2015，26：526-537. [百度学术]
李佳琦，杨海彤，葛兵，等.一种耐高温交联淀粉钻井液降滤失剂的制备与评价［J］.特种油气藏，2022，29（4）：164-168. [百度学术]
LI Jiaqi， YANG Haitong， GE Bing， et al. Preparation and evaluation of a high temperature resistant fluid loss reducer for starch drilling fluid［J］. Special Oil and Gas Reservoirs， 2022，29（4）：164-168. [百度学术]
王雅新，卢景峰，谢富强.钻井液用高效有机硅消泡剂的研制［J］.天津化工，2011，25（4）：37-38. [百度学术]
WANG Yaxin， LU Jingfeng， XIE Fuqiang. Development of efficient silicone defoamer for drilling fluid ［J］. Tianjin Chemical Industry， 2011，25（4）：37-38. [百度学术]
顾雪凡，王棚，高龙，等.我国天然高分子基钻井液体系研究进展［J］.西安石油大学学报（自然科学版），2020，35（5）：83-91. [百度学术]
GU Xuefan， WANG Peng， GAO Long， et al. Research progress of natural polymer based drilling fluid system in China［J］. Journal of Xi’an Shiyou University （Natural Science Edition）， 2020，35（5）：83-91. [百度学术]
GB/T 15441—1994，水质 急性毒性的测定 发光细菌法［S］. [百度学术]
GB/T 15441—1994， Water quality—Determination of the acute toxicity—Luminescent bacteria test［S］. [百度学术]
司西强，王中华，吴柏志.中国页岩油气水平井水基钻井液技术现状及发展趋势［J］.精细石油化工进展，2022，23（1）：42-50. [百度学术]
SI Xiqiang， WANG Zhonghua， WU Baizhi. Current situation and development trend of water‑based drilling fluids technology for shale oil and gas horizontal wells in China［J］. Advances in Fine Petrochemicals， 2022，23（1）：42-50. [百度学术]
