流-固-化-热耦合的PVC井壁稳定力学模型及应用研究进展

卢林祝，黄 鑫

（长江大学 工程技术学院石油与化工学院，湖北省荆州市 434020）

井壁失稳是钻井工程中的核心问题，一旦出现就会给钻井工程建设带来巨大损失［1］。利用化工热力学的藕合性质和树脂材料研究井壁失稳机理，在20世纪70年代初期已经开始，但有关专家并没有将二者充分结合［2］。直到21世纪初期，才利用不可逆的流-固-化-热藕合作用以及聚氯乙烯（PVC）建立了井壁稳定力学模型，由此开启了化工材料应用的新篇章［3-4］。由于PVC的热稳定性及加工性能较差，无法单独使用，因此，必须配合各种助剂才能具有实用价值。一般来说，根据所用增塑剂用量，PVC表现出硬质或软质特征。在实际应用中，PVC借助乳化剂能够形成活性剂形式，有效控制PVC的挥发，形成一种低黏度糊树脂。从微观角度来说，PVC是由首-尾键接而成的线型高聚物，存在少量支链及自由基活性移位（其原因主要在于PVC反应活性大，自由基形成容易），是一种具有高度活性的化工材料，分析其应用规律具有重要的现实意义。在此背景下，本文针对流-固-化-热耦合PVC进行化学分析，并综述了其应用研究进展。

1 流-固-化-热耦合的PVC应用原理

导致井壁出现失稳的原因有很多，而将流-固-化-热耦合的PVC应用到其中，不仅能够保证井壁周围的应力集中，还能保护井眼不被破坏［5］。PVC是由氯乙烯单体聚合而成的高分子化合物，平均密度为1.40 g/cm3，具有多种型号，按照PVC的含氯量可分为工业级、食品级和卫生级。PVC的韧性较好，能够应用于三维表面膜材料中，形成高密度的保护膜［6］。

PVC的极限氧指数为40%，耐浓盐酸、硫酸和硝酸，机械强度高。在PVC中添加适量增塑剂搅拌后，将温度升高到130 ℃出现分解变色，之后软化温度保持在80 ℃左右。PVC呈白色微细粉末状就能够直接用于软质制品，如聚乙二醇硬脂酸脂的制造，就是由环氧乙烷和硬脂酸在氢氧化钠的催化作用下合成的；而在树脂中添加适量增塑剂后，在物理状态下能够用于硬质制品，如半透明PVC塑胶盒。在现代化工领域，一般将PVC分为两种，分别是软质PVC和硬质PVC。软质PVC主要应用于井壁中的黏土矿物泥页岩。受钻井液压力影响，在井壁原始构建过程中，打破了地层原有的平衡力，使井壁不再受到泥饼保护，而将软质PVC应用到该部分后，即使泥页岩地层与钻井内部受到高温和高压影响而出现轻微变形，也不会破坏原有的岩层结构［7］。该情况下产生的相互作用为：1）流-固-化-热耦合之间的交互作用；2）钻井液压力差所产生的渗透作用；3）钻井液受到流-固-化-热耦合的PVC影响，避免了出现泥页岩缝隙侵入问题；4）井壁岩层受到外界影响而产生的渗析作用。由于PVC中含有能吸附于纤维表面并使纤维表面平滑、改善手感或触感物质的柔软剂，采用软质PVC可使井壁的泥页岩更易成型，不易脆，维持时间较长，不会受到水化应力影响，能够保证周围岩层应力的均匀分布［8］。硬质PVC中不含柔软剂，主要应用于井眼周围的建设。以往受到钻井液失水速度快、密度小的影响，导致井眼裸露时间过长，钻井液对于井壁冲刷时间也相对较长，井眼无法承受波动压力，使钻井下方的抽吸压力变大，井眼无法按照原始轨迹继续构造，此时井壁受到的摩擦力也极大增加［9］。出现井壁失稳的现象，实质上是井壁周围的泥岩层所能承受的压力远超其本应承受的强度而诱发失稳，导致井壁被破坏［10-12］。硬质PVC的本质是一种真空吸塑膜，能够用于井眼表层包装，使井壁周围的泥岩层能够承受较大压力，保护井壁不被破坏［13-14］。

2 流-固-化-热耦合PVC的井壁稳定力学模型应用研究

PVC是一种高分子化合物，呈白色或浅黄色，并以粉末状存在，氯体积分数为56%～58%，易溶于酮类溶剂，耐化学药品腐蚀性极强。但PVC的热稳定性和耐光性极差，在高温条件下容易分解出氯化氢，电绝缘性良好，不会出现自燃现象。井壁失稳有两种形式，一种是压缩剪切破坏，另一种是拉伸破坏，基于上述问题，将流-固-化-热耦合PVC的井壁稳定力学模型分为2个部分，分别是化-热耦合、流-固耦合的PVC稳定力学模型［15］。

2.1 化-热耦合PVC的稳定力学模型应用研究

针对压缩剪切破坏问题，钻井液的密度如果过低，将无法满足岩层的应力集中需求，应根据井壁失稳后井眼实际情况，对井径进行扩大或压缩。PVC在固化过程中，由于材料热传导效果较差，导致传输的热量逐渐向外部扩散，材料内部难免会出现温度迟滞现象。PVC的结构容易受到温度和压力影响，导致结构突变而无法应用在井壁上，严重影响了井壁稳定性。目前，大多数PVC在化-热耦合过程中不会出现流动现象，需采用傅里叶传导定律计算PVC内部结构所能承受的最高温度，以真实反映PVC的实际化-热耦合过程，进而提高井壁稳定性。

2.2 流-固耦合PVC的稳定力学模型应用研究

由于井壁受到水压力影响，造成钻井液遗漏，严重的井漏会使钻井液压力变小，使井壁受到拉伸破坏影响，导致井喷发生概率增加。受到不同岩层和钻井程度影响，井壁稳定力学分析仅适用于钻井分析过程，在PVC分子链中存在少量支链，通常1 000个碳原子数的PVC中存在15～16个支链，这些支链通常由短支链和长支链组成。将PVC应用在井壁上，使颜填料等均匀分散于其中并黏结成一个整体，在高温条件下与固化剂发生反应形成涂膜的过程是一个受热激活的化学反应过程，该过程对于温度敏感性较大，因此，需将PVC中的短支链自由基活性进行移位，使传热模型与实际化-热耦合过程相结合，在不同体系流-固耦合模型下，考虑研究过程的灵便性，应用碳纤维环氧层合板作为材料研究流-固耦合过程。该过程需将长支链中的大分子游离基与分子中碳原子上的氢原子链转移而成，同时在PVC大分子中形成不稳定的氯原子。充分考虑泥页岩与温度的关系，确定钻井液与岩层空隙中水离子浓度，推导流-固耦合PVC的稳定力学模型。

PVC中加入稳定剂和润滑剂，经过混炼后，能够挤出不同口径的管制品，将压延好的薄片重叠加热，能够制成各种厚度的硬质板材，满足井壁稳定力学模型研究需求。

3 应用实例

为了提高井壁塑造的安全性，研究流-固-化-热耦合的PVC井壁稳定力学模型，有效降低了PVC中氯乙烯单体的残留量，使加工后的井壁制品中，氯乙烯单体残留量能够控制在6～10 mg/kg。随着工程建设技术的提高，PVC中的氯乙烯单体残留量会更低，因此，使用耦合后的PVC可为井壁稳定性塑造奠定基础。

3.1 软质PVC增塑模具制备

PVC的化学稳定性高，经过测定波速和地层倾角确定地应力方向，由此获取井壁地应力分布规律。通过基础元素，对井壁岩层以及钻井液物理特性进行分析，当水活度小于地层水活度时，井壁稳定性较高，反之，稳定性越小。因此，利用挤出机将软质PVC挤成软管，能够制成黏土矿物泥页岩中需要的模具。

3.2 PVC薄膜

PVC与添加剂混合后，能够通过压延机制成透明薄膜，超高相对分子质量PVC具有优异的物理性能，通过这种方式加工的薄膜，能够进行剪裁，制成双向拉伸的可收缩包装，可应用于井壁周围的岩层，作为保护地层岩石的弹性载体。

3.3 PVC涂层制品

将PVC涂到纸上，并在100 ℃以上塑化，再挤压成薄膜，可应用于构建井眼周围的保护革，作为铺地材料。

3.4 应用效果

从井壁塑造角度分析，流-固-化-热耦合的PVC井壁稳定力学模型的应用效果为：1）孔隙率高。耦合的PVC能够吸收大量增塑剂，最高可达到100 phr以上，孔隙率是以每100 phr树脂吸收增塑剂为基础的，在相同硬度下，超高相对分子质量PVC需要加入大量增塑剂，使其硬度达到最大。2）物理性能良好。当钻井液受到温度变化和大气压力变化影响后，其体积将发生变化，密度也随之改变，依据该井壁泥页岩强度随着钻井液柱的变化规律，确定钻井液热膨胀系数和弹性压缩系数，以分析空隙压力和抗张强度与耐磨损强度之间的关系。空隙压力变大，抗张强度增加，制备的产品厚度变薄，超高相对分子质量PVC的抗张强度达到112 MPa，同时耐磨损强度也极大增加。3）填充料用量增加。在不影响井壁塑造的前提下，使用PVC加大了填充料用量，以配套检测相关数据。4）与热塑性弹性体共混加工。PVC与热塑性聚氨酯弹性体（TPU）混合后能够得到相容性较好的混合物，以TPU为基础，加入超高相对分子质量PVC能够使加工流动性得到改善，由此提升PVC的抗冲击性能。5）使用寿命延长。PVC经过流-固-化-热耦合作用，使井壁在高温条件下也能继续使用。而在低温环境下，增加超高相对分子质量PVC在光作用下的增长量，也就是增速，使脆化温度极大降低，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，还具有一定弹性，仿真度高，在井壁塑造过程中如果出现井壁周围逐渐变干的现象，那么说明该薄膜质量得以提高，无需橡胶加工，在压缩永久变形性能就可以得到改善。

根据以上特点，可从以下方面进行开发应用：1）制备PVC薄膜、防水材料，不仅手感好，还能有效降低井壁制造成本，延长井壁使用寿命；2）降低制品厚度，不使用改性剂就能达到同等效果，不仅降低成本，还能够有效提高制品质量；3）通过改变井壁压缩永久变形性能，能够保证井壁密封效果更好，通过扩大密封垫圈面积，能够增加井壁构建的规整性。

4 结语

综述了流-固-化-热耦合的PVC井壁稳定力学模型及应用，并分析了稳定力学模型。模型中应用PVC，加强了模型研究的实用性。介绍了PVC制品特点，使研究结果与实际情况相吻合。充分研究了井壁泥页岩强度随着钻井液柱的变化规律，分析空隙压力和抗张强度与耐磨损之间的关系，得到空隙压力变大，抗张强度也随之增加，耐磨损强度也极大加强的结论。经过实例应用研究，分析了井壁塑造的实用性，说明模型研究有利于井壁保持良好稳定性。虽然针对井壁稳定性的研究进行了深入分析，但受到实际环境限制，研究的内容理论性较强，对于耦合模型计算方法还需在一定程度上进行改进。融合实际环境因素，应进一步摸索研究。