泡沫植物胶特性及其护壁防漏机理
王建军1, 2，彭振斌1，刘睦峰2，李奋强2
(1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；
2. 湖南省煤田地质局，湖南 长沙，410014)
摘要：结合某矿区的复杂地质特征，选用4种植物胶进行室内试验遴选，辅以十二烷基苯磺酸钠(ABS)、聚丙烯酰胺(HPAM)、腐殖酸钾为外加剂进行泡沫植物胶基浆配制，探讨植物胶对基浆中膨润土含量、泡沫稳定性能及其流变特性影响的变化规律。研究结果表明：植物胶对膨润土泥浆的流变特性具有明显的改善作用，其防塌护壁作用主要表现为低失水特性、疏水性泡沫吸附孔壁、黏弹性泥饼结构、低流速塞流状态等特性;防漏堵漏作用主要表现为泡沫群体结构屏蔽防漏、泡沫与岩屑聚结充填堵漏、高结构黏度塞流阻流防漏、低密度低压力流体防漏堵漏等特性。
关键词：泡沫植物胶；护壁防漏；特性；机理
中图分类号：TU458.3 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)04-1419-05
Formed vegetable gum characteristics and its mechanism of wall protecting and leak plugging
WANG Jian-jun1, 2, PENG Zhen-bin1, LIU Mu-feng2, LI Fen-qiang2
(1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;
2. Coal Geology Bureau of Hunan Province, Changsha 410014, China)
Abstract: Considering the complex geological features in a certain mining area, experimental selection was done for four plants glue, i.e.,dodecyl benzene sulfonic acid sodium (ABS), polyacrylamide (HPAM) and humic acid potassium. The effects on bentonite content, foam stability properties and the rheological property were discussed in the slurry of plant glue. The results show that the plant glue can obviously improve rheological properties of bentonite mud glue. Its anti-collapse protection effect is mainly manifested as slurry-supported role of low water loss characteristics, hydrophobic foam absorption pore wall, viscoelastic mud cake structure and low flow plug flow state features, and plugging function is mainly manifested as bubble group structure of shielding leakproof, foam and debris coalescence filling plugging, the high structure viscosity plug flow resistance flow prevent leakage and low density low pressure fluid plugging characteristics.
Key words: formed vegetable gum; wall protecting and leak plugging; characteristics; mechanism
随着我国经济建设的高速发展，对矿产资源需求的越来越大，加之中东部一大批老矿山在已有勘查范围内资源的枯竭，未来地质找矿和钻探施工无疑将需要向更深、更复杂地层及其外围区域拓展，以延长矿山开采年限，满足国家对资源的需要。工程实践结果表明：复杂条件下钻探施工主要存在钻进难、护壁难、取芯难三大技术难题。徐同台等[1-6]探讨了超厚角砾石层、砾石层以及小裂隙构造或破碎地层中的泡沫泥浆泥浆护壁堵漏的钻探工艺方法；Earnshaw等[7-10]阐述了冲洗液的几种常见流变模式，对其流变机理进行了分析研究；王胜等[11]研究了KL植物胶加量、植物胶钻井液的改性等，并确定了KL 植物胶钻井液的优化方案；占祥烈等[12-16]主要探讨了S系列植物胶钻井液结合SDB(及SD)系列金刚石钻具在破碎复杂地层钻进中取得的工程应用效果。某矿区地质条件极为复杂，主要为泥岩、泥质灰岩、长兴硅质岩、大冶灰岩，溶洞、裂隙特别发育，在钻进过程中，主要表现为：(1) 泥岩、泥质灰岩地层岩质较软，遇水膨胀，易出现“大肚子”和“缩径”等现象；(2) 长兴硅质灰岩破碎，裂隙发育，掉块特别严重，易造成卡钻现象；(3) 灰岩溶洞裂隙发育，泥浆漏失严重，易导致卡钻、埋钻。在此，本文作者在综合前人研究成果的基础上，利用充气泡沫原理和植物胶固有的特性，通过试验探讨一种能适合这一复杂地层的钻进作业的泡沫植物胶冲洗液，并对其护壁机理进行分析探讨。
1 试验方案与试验结果分析
1.1 试验方案
结合某矿区的地质特征，采用萍乡中南化工厂生产的4组植物胶(编号分别为1~4号)、十二烷基苯磺酸钠(ABS)，聚丙烯酰胺(HPAM)、硼砂、腐殖酸钾等进行实验。室内试验装置布置如图1所示。
1.2 试验结果分析
1.2.1 植物胶的选取
根据萍乡中南化工厂生产的４种植物胶，测试其基本性能，选出最优质的植物胶。通过配制含1%(质量分数)植物胶的溶液，分别测定4种植物胶的基本性能，试验结果见表1。从表１可以看出：1号植物胶，作为泡沫冲洗液基浆具有明显的优势，因此，选用 1号植物胶来配置泡沫植物胶冲洗液基浆。
1.2.2 植物胶对泥浆改善作用分析
试验选用配置膨润土含量(质量分数)为2%，3%，4%和6%的基浆，分别测得不同质量分数植物胶对其性能影响，结果见图2。从图2可以看出：随着植物胶含量(质量分数，下同)的增加，在膨润土含量(质量分数，下同)为2%，3%和4%时，泥浆性能变化趋势相同：动切力均逐渐增加，携带岩粉等性能均具显提高；当膨润土含量为6%时，泥浆动切力不再随植物胶含量的增加而持续提高，中间有下降趋势，但总体趋势还是一致。可见：植物胶对膨润土泥浆的流变特性有明显的改善作用。
表1 浓度为1%的各种植物胶基本性能
Table 1 Basic performance of all kinds of vegetable gums with concentration of 1%
图1 室内试验装置示意图
Fig.1 Schematic map of indoor test device
图2 植物胶对膨润土泥浆的动切力影响
Fig.2 Influence of vegetable gum on dynamic force of bentonite glue
1.2.3 植物胶含量对泡沫稳定性能的影响分析
对植物胶质量分数为0，1%，2%，3%和4%时再加入0.05%，0.10%，0.15%和0.20% ABS得到的泡沫进行半衰期测定，其结果见图3。从图3可知：随着植物胶的加入，生成的泡沫半衰期明显增大；随着植物胶含量的增加，其半衰期逐渐增大；当植物胶含量进一步增大时，其半衰期不再增加反而略有下降趋势。植物胶的最优含量为2%~3%，结合野外施工条件，取ABS的最优含量为0.15%~0.20%。
图3 植物胶含量对泡沫半衰期的影响
Fig.3 Influence of vegetable gum on half-life of foam
1.2.4 植物胶含量对泡沫冲洗液流变特性的影响分析
试验对ABS含量分别为0.05%，0.10%，0.15%和0.20%的样品中加入不同浓度植物胶生成的泡沫冲洗液的表观黏度和动切力进行测试，结果见图4和图5。
从图4可知：随着植物胶含量的增加，泡沫冲洗液的表观黏度明显增大，说明植物胶对泡沫冲洗液的表观黏度具有重要的影响。
从图5可知：随着植物胶含量的增加，泡沫冲洗液的动切力逐渐增加；但当植物胶含量超过一定的值时，泡沫冲洗液的动切力有降低的趋势；当植物胶含量为30%时，泡沫冲洗液的动切力最大。因此，植物胶含量取30%左右。这说明加入植物胶后，泡沫冲洗液携带岩粉的能力明显增强。
图4 植物胶含量对泡沫冲洗液表观黏度的影响
Fig.4 Influence of vegetable gum on apparent viscosity of foam fluid
图5 植物胶含量对泡沫冲洗液动切力的影响
Fig.5 Influence of vegetable gum on dynamic force of foam fluid
2 泡沫植物胶钻进液的护壁机理与工程效果分析
2.1 泡沫植物胶冲洗液的防塌护壁机理
2.1.1 沫植物胶的泥皮特性
泡沫冲洗液是在优质的低固相泥浆中加入发泡剂后充气而成，形成的泥皮有韧性，薄而致密，透水性较低，具有较强的阻止自由水浸入的能力，同时，泡沫本身具有疏水的性质。孔内的部分泡沫吸附在孔壁上，形成了疏水泡沫壁。泡沫泥浆的结构黏度较高，有机聚合物的长链架桥结构和泡沫致密的群体结构在很大程度上限制了自由水的流动以及泥皮的渗透作用，对孔壁具有较强的保护作用。
2.1.2 泡沫植物胶的低失水特性
泡沫植物胶具有比一般低固相泥浆还要高的结构黏度，低固相颗粒之间所形成的网状结构、有机聚合物长链的架桥结构和所形成泡沫的这种致密的群体结构大大抑制了自由水的流动，使其流动阻力增大；它所形成的泡沫表面属于混合膜结构，具有高分子的黏弹性性质，与冲洗液中的自由水相比，其黏度大许多，这不仅增加流动阻力，而且形成分子牵引力，抑制自由水的流动。泡沫的吸附能力强，能够吸附惰性岩粉，在孔壁形成一层疏水性的泡沫壁，阻止自由水侵入，保护了孔壁；高分子聚合物的多点吸附能够在井壁形成一层较坚固的防水薄膜层，有效地阻止水与孔壁之间的接触，起到了保护作用，有效地降低了失水量。
2.1.3 泡沫泥浆的黏弹性特性
泡沫冲洗液中的很多小气泡具有一定的膨胀性和可压缩性，对冲洗液具有缓冲作用，因此，能在一定程度上起防塌作用；当下钻和开泵时，冲洗液对孔壁会产生一定压力，由于泡沫的可压缩性，减小了对孔壁的挤压作用，从而起到对孔壁的保护作用；当起钻时，钻具上提，对孔壁能够产生抽吸作用，泡沫植物胶中的泡沫具有膨胀性，能够减小对孔壁的抽吸作用，起到了较好的缓冲效果，对孔壁起到了较好的保护作用；停钻时，充气泡沫泥浆可以靠自己稳定的气泡作用和本身结构来支撑井壁，从而使孔壁不垮塌。
2.1.4 泡沫泥浆的低速塞流特性
泡沫冲洗液是由气—液—固组成的三相体系，其携带岩屑时不需依靠足够的上返速度而是依靠自身的结构来实现，泡沫泥浆中的结构细微并且致密，具有很强的吸附和悬浮作用，因此，钻进作业时，对上返速度要求不高，流态呈塞流，这种轻柔的流动，使得其对孔壁的冲刷和扰动大大减弱，从而保持了孔壁的稳定。
2.2 泡沫植物胶冲洗液的防漏堵漏机理
2.2.1 泡沫群体结构的屏蔽防漏
植物胶泡沫冲洗液中的基浆为高分子聚合物植物胶，它具有较高的表观黏度。当钻进到达漏失地层时，泡沫随着钻井液进入地层中的孔隙后，很容易黏附在孔壁上和裂隙岩石表面上，并能迅速聚集，彼此连接形成群体聚结状态，这种群体结构具有很高的结构黏度和切动力；它又具有很强的疏水性，在吸附过程中聚集在孔隙中的泡沫群体，一方面，利用高结构黏度封堵渗漏通道，另一方面，又对地层中的自由水产生排斥作用，从而形成稳定的疏水屏障，阻碍自由水的流动，对孔隙起封堵的作用，减弱甚至阻碍冲洗液的渗漏。
2.2.2 泡沫与岩屑聚结充填堵漏
泡沫和岩屑的吸附能力极强。通过泡沫的吸附，岩屑聚结于泡沫群体结构中，形成了以泡沫作为骨架的泡沫-岩屑聚集体并充填于漏失通道，使通道断面减小以至于堵塞。
2.2.3 高结构黏度塞流阻流防漏
充气泡沫泥浆在孔内呈高结构黏度塞流状态，这种流态能够大大降低了漏失速度，使得通畅的漏失通道特别容易被缓慢流动的泡沫和岩屑所淤塞。在压差作用下，这些泡沫在细小裂缝内流动时，不与岩石发生润湿和体积变形作用，导致弯曲界面收缩产生附加阻力，泡沫的吸附聚集能力加强，增强了堵漏效果。
2.2.4 低密度低压力流体防漏堵漏
泡沫冲洗液中的气液体积比通常为30%~55%，密度为0.7 kg/m3左右。充气泡沫泥浆在孔内所形成的液柱压力远其他液态冲洗介质的压力低，故在孔内的漏水量大大减少。在钻进过程中能够形成负压钻进，有效地防止脆弱岩石被压裂或者闭合裂隙形成张开通道，从而起到了防漏的作用。
2.3 工程应用效果分析
(1) 由室内试验结果可知：植物胶含量为2%~3%，ABS含量为0.15%~0.2%，现场试验选择了２组配方进行试验。
配方①：基浆为2%植物胶+0.2%十二烷基苯磺酸钠(ABS)；气体流量控制在64.292 m3/h，泡沫液流量为3.731 m3/h。
配方②：基浆为2%植物胶+0.2%十二烷基苯磺酸钠(ABS)+0.05%HPAM；气体流量控制在69.883 m3/h，泡沫液流量为4.117 m3/h。
经过验证分析，在钻进施工作业时。基浆中的植物胶含量控制在2%~3%，十二烷基苯磺酸钠控制在0.2%左右，聚丙烯酰胺控制在0.05%~0.08%，气液体积比控制在20:1。
(2) 经现场钻孔试验，在282.3 m时遇到大裂隙，冲洗液漏失严重，采用泡沫植物胶冲洗液进行现场试验，取得了很较好的应用效果。
3 结论
(1) 泡沫的形成原理主要是利用表面活性剂产生表面张力，使其在泡沫之间建立起多层泡沫壁结构，并且能够产生界面张力，使得泡沫彼此产生一个具有井下桥堵能力的网络结构。
(2) 由于气相的引入，与其他类型泥浆相比，泡沫植物胶防塌护壁作用主要表现为低失水、疏水性泡沫吸附孔壁、黏弹性泥饼结构、低流速塞流状态等 特性。
(3) 低密度、高结构黏度、密集的泡沫群体以及强烈的吸附能力是充气泡沫泥浆防漏堵漏作用的关键原因，防塌护壁具有泡沫群体结构屏蔽防漏、泡沫与岩屑聚结充填堵漏、高结构黏度塞流阻流防漏、低密度低压力流体防漏堵漏等特性。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2011-05-07；修回日期：2011-07-28
基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(10JJ3007)
通信作者：王建军(1970-)，男，湖南双峰人，博士研究生，高级工程师，从事地质工程施工管理、地基与基础处理以及大口径超深孔桩基础施工的应用研究；电话：0731-85648608；E-mail：hnjc_wjj@126.com
