本发明涉及石油钻井工程、地质勘察工程及岩土工程技术领域，具体涉及一种阳离子聚合物类无固相冲洗液及其制备方法。
背景技术：
近些年来，钻探工程在社会发展中发挥着越来越大的作用，已广泛应用于矿产资源勘探和石油开采、水文地质勘探、工程地质和环境地质勘察、地质灾害的防治与环境治理、工民建和道路桥梁的基础工程、垃圾填埋场防渗墙等工程技术领域。
在钻探工程施工中，经常会遇到第四纪杂填土、砂砾石层、泥页岩层及各类风化破碎岩层等复杂地层，该类岩土层孔壁极不稳定，容易发生坍塌、缩径、漏失、掉块等施工事故。如何确保复杂地层孔壁的稳定性是钻探工程施工需要解决的主要技术难题之一。实践证明，选用护壁性能好的冲洗液(亦称为泥浆、石油钻井液、钻井液、完井液)是确保复杂地层孔壁稳定性、提高各类钻孔工程施工质量、降低钻探工程生产成本的最有效途径之一。目前，现有钻探工程所用的泥浆主要是细分散泥浆、钙处理粗分散泥浆、不分散低固相泥浆、聚合物型无固相冲洗液等。其中，聚合物型无固相冲洗液的护壁性能较好，但其应用成本较高，应用受到一定限制。
因此，急需开发一种从根本上解决第四纪杂填土、砂砾石层、泥页岩层及各类风化破碎岩层等复杂地层钻探工程泥浆护壁效果差及成本高这一技术难题的冲洗液。
本发明是基于国家自然科学基金项目(项目编号：51678083)资助的研究成果。
技术实现要素：
为了解决复杂地层钻探工程泥浆护壁效果差及成本高的技术问题，而提供一种阳离子聚合物类无固相冲洗液及其制备方法。本发明方法能从根本上解决第四纪杂填土、砂砾石层、泥页岩层及各类风化破碎岩层等复杂地层钻探工程泥浆护壁效果差及成本高的技术难题。本发明的冲洗液对复杂地层的孔壁岩土具有较好的胶结保护作用及较强的护孔固壁能力，且成本低。
为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种阳离子聚合物类无固相冲洗液，包括如下重量份组分：聚胺甲基丙烯酰胺1.5～2.5份、植物胶4～15份、助聚剂1.0～1.6份、水980.9～993.5份。
进一步地，所述聚胺甲基丙烯酰胺的分子量80万～150万。聚胺甲基丙烯酰胺，简写cpam，为一种阳离子处理剂，对抑制泥页岩膨胀作用较好。
进一步地，所述植物胶为田菁胶、魔芋胶、蒟蒻胶、瓜尔胶中的一种或两种。以上四种为天然植物胶，与cpam阳离子处理剂的相容性好，可减少cpam高聚物的用量，以降低成本。
进一步地，所述助聚剂由硫酸铝钾与硼砂组成，所述硫酸铝钾加入的重量份为0.2～0.4份，所述硼砂加入的重量份为0.8～1.2份。硫酸铝钾主要与cpam结合，形成网状结构，增加护孔固壁能力；硼砂主要与植物胶结合，增加对孔壁岩石的胶结能力。这是因为硫酸铝钾的al3 、硼砂的b与聚胺甲基丙烯酰胺及植物胶两者中的羟基、酰胺基、醚基等官能团中的氧有吸附作用，类似于氢键作用；硫酸铝钾的k 能潜入到泥页岩及黏土层硅氧四面体的晶格中，抑制土的进一步分散，增加护壁能力。
本发明另一方面提供一种阳离子聚合物类无固相冲洗液的制备方法，包括如下步骤：
(1)按上述配比，分别将聚胺甲基丙烯酰胺、植物胶、助聚剂在常温下均匀溶解于适量水中，分别形成聚胺甲基丙烯酰胺溶液、植物胶溶液、助聚剂溶液，待用
(2)将所述聚胺甲基丙烯酰胺溶液倒入剩余的水中，搅拌均匀后，加入所述植物胶溶液，继续搅拌均匀后，加入所述助聚剂溶液，再继续搅拌均匀，即得到所述阳离子聚合物类无固相冲洗液。
进一步地，步骤(1)中所述聚胺甲基丙烯酰胺溶液的浓度小于等于5wt％。聚胺甲基丙烯酰胺溶液的浓度大于5wt％后，溶液较稠，会增加搅拌难度。
进一步地，所述聚胺甲基丙烯酰胺溶液需静置6h以上再使用。为了让聚胺甲基丙烯酰胺在水中溶解的更加充分。
进一步地，步骤(1)中所述植物胶溶液中植物胶与水的质量比为(4～15):(20～50)。
进一步地，步骤(1)中所述助聚剂溶液中助聚剂与水的质量比为(1.0～1.6):(10～20)。
进一步地，步骤(1)中所述助聚剂由硫酸铝钾与硼砂组成，所述助聚剂溶液是将所述硫酸铝钾与所述硼砂分别均匀溶解于适量水中以形成硫酸铝钾溶液和硼砂溶液；所述助聚剂溶液的加入顺序是先加所述硫酸铝钾溶液，再加所述硼砂溶液。硫酸铝钾与硼砂不能同时溶解于水中形成混合的助聚剂溶液，因为同时加入硫酸铝钾与硼砂会降低最后制得的冲洗液的护壁性能；先加入硫酸铝钾溶液，使硫酸铝钾先与聚胺甲基丙烯酰胺结合，形成网状结构，结合后浆液粘稠度降低，以利于后面硼砂与天然植物胶的结合，使最后制得的阳离子聚合物类无固相冲洗液具有较好的胶结保护作用及较强的护孔固壁能力，且成本低。
有益技术效果：
(1)本发明的一种阳离子聚合物类无固相冲洗液由聚胺甲基丙烯酰胺和植物胶组合作为无固相冲洗液的主剂，并选择硫酸铝钾与硼砂的混合物作为无固相冲洗液的助聚剂，助聚剂可将聚胺甲基丙烯酰胺和植物胶的羟基、酰胺基、醚基等官能基团适度聚接起来，形成致密的网状结构，吸附于孔壁岩土表面，提高了对孔壁岩土的胶结保护作用，增强了冲洗液的护孔固壁能力，提高了钻孔工程施工质量与施工效率。
(2)本发明的阳离子聚合物类无固相冲洗液的粘度、api失水量、动切力、流变性、吸附胶结性等性能指标优良：密度为1.0g/cm3；漏斗粘度19～32s；api失水量(0.7mpa压差)6～15ml/30min；塑性粘度3.8～6.7mpa·s；表观粘度5.6～9.8mpa·s；动切力1.1～4.8pa；属于假塑性幂律流体，流性指数0.46～0.84，稠度系数0.04～0.79；动塑比0.34～0.86，具有良好剪切稀释性；对第四纪杂填土、砂砾石层、泥页岩层及各类风化破碎岩层等复杂地层具有极强的胶结护壁作用，可有效防止泥质岩土层孔壁缩径塌孔，防止松散破碎地层孔壁坍塌掉块，有助于提高此类复杂地层孔壁的稳定性；冲洗液的抗高温稳定性好，能承受较高的井内液柱压力，适合于5000m左右的深孔钻进要求。
(3)本发明的阳离子聚合物类无固相冲洗液不使用膨润土，因使用高聚物其携带孔内的钻屑能力较强，冲洗液携带出来的钻屑在地面静止时其聚沉钻屑能力也非常强，保证向孔内二次输送的冲洗液循环体系维持在无固相状态，减少了钻头重复碎岩的几率，从而延长了钻头的使用寿命。
(4)本发明的阳离子聚合物类无固相冲洗液可广泛用于石油钻井工程、地质勘探工程、大口径桩基工程、地下连续墙工程、水文水井工程、垃圾填埋场防渗工程等钻孔(或钻挖槽)施工领域。因该无固相冲洗液原材料使用量均较少，成本低，按目前泥浆处理剂市场价格计算，配置本发明1m3阳离子聚合物类无固相冲洗液的成本为21-46元，较其他各类聚合物型无固相泥浆及低固相泥浆可降低35％左右；且无毒环保，便于施工现场配制和使用，可回收重复使用。
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步描述本发明，但不限制本发明范围。
实施例1
一种阳离子聚合物类无固相冲洗液，包括如下重量的组分(按配制1m3计算)：聚胺甲基丙烯酰胺2.0kg、植物胶10kg(其中，田菁胶5kg，魔芋胶5kg)、硫酸铝钾0.3kg、硼砂1.0kg、水986.7kg。
上述阳离子聚合物类无固相冲洗液的制备方法包括如下步骤：
(1)取聚胺甲基丙烯酰胺粉剂2.0kg，放入40kg水中常温下进行溶解，搅拌10min至均匀后，得到聚胺甲基丙烯酰胺溶液，静置6h以上，待用；
取田菁胶5kg、魔芋胶5kg，一起放入30kg水中常温下进行溶解，搅拌10min至均匀后，得到植物胶溶液，待用；
取硫酸铝钾0.3kg溶于5kg常温水中，搅拌3min至均匀后得到硫酸铝钾溶液，待用；取硼砂1.0kg溶于10kg常温水中，搅拌5min至均匀后得到硼砂溶液，待用；
(2)将步骤(1)中的聚胺甲基丙烯酰胺溶液倒入装有901.7kg水的容器中，搅拌10min至均匀状态；再向容器中加入植物胶溶液，搅拌10min至均匀状态；再向容器中加入硫酸铝钾溶液，搅拌5min至均匀状态；再向容器中加入硼砂溶液，搅拌10min至均匀状态，最后得到本发明的一种阳离子聚合物类无固相冲洗液。
本实施例的冲洗液属于幂律流体，具体性能参数见表1。
实施例2
一种阳离子聚合物类无固相冲洗液，包括如下重量的组分(按配制1m3计算)：聚胺甲基丙烯酰胺1.5kg、田菁胶4kg、硫酸铝钾0.2kg、硼砂0.8kg、水993.5kg。
上述阳离子聚合物类无固相冲洗液的制备方法包括如下步骤：
(1)取聚胺甲基丙烯酰胺粉剂1.5kg，放入30kg水中常温下进行溶解，搅拌10min至均匀后，得到聚胺甲基丙烯酰胺溶液，静置6h以上，待用；
取田菁胶4kg放入20kg水中常温下进行溶解，搅拌10min至均匀后，得到植物胶溶液，待用；
取硫酸铝钾0.2kg溶于2kg常温水中，搅拌3min至均匀后得到硫酸铝钾溶液，待用；取硼砂0.8kg溶于8kg常温水中，搅拌5min至均匀后得到硼砂溶液，待用；
(2)将步骤(1)中的聚胺甲基丙烯酰胺溶液倒入装有933.5kg水的容器中，搅拌10min至均匀状态；再向容器中加入植物胶溶液，搅拌10min至均匀状态；再向容器中加入硫酸铝钾溶液，搅拌5min至均匀状态；再向容器中加入硼砂溶液，搅拌10min至均匀状态，最后得到本发明的一种阳离子聚合物类无固相冲洗液。
本实施例的冲洗液属于幂律流体，具体性能参数见表1。
实施例3
一种阳离子聚合物类无固相冲洗液，包括如下重量的组分(按配制1m3计算)：聚胺甲基丙烯酰胺2.5kg、植物胶15kg(其中蒟蒻胶7kg，瓜尔胶8kg)、硫酸铝钾0.4kg、硼砂1.2kg、水980.9kg。
上述阳离子聚合物类无固相冲洗液的制备方法包括如下步骤：
(1)取聚胺甲基丙烯酰胺粉剂2.5kg，放入50kg水中常温下进行溶解，搅拌10min至均匀后，得到聚胺甲基丙烯酰胺溶液，静置6h以上，待用；
取蒟蒻胶7kg，瓜尔胶8kg，一起放入50kg水中常温下进行溶解，搅拌10min至均匀后，得到植物胶溶液，待用；
取硫酸铝钾0.4kg溶于5kg常温水中，搅拌3min至均匀后得到硫酸铝钾溶液，待用；取硼砂1.2kg溶于15kg常温水中，搅拌5min至均匀后得到硼砂溶液，待用；
(2)将步骤(1)中的聚胺甲基丙烯酰胺溶液倒入装有860.9kg水的容器中，搅拌10min至均匀状态；再向容器中加入植物胶溶液，搅拌10min至均匀状态；再向容器中加入硫酸铝钾溶液，搅拌5min至均匀状态；再向容器中加入硼砂溶液，搅拌10min至均匀状态，最后得到本发明的一种阳离子聚合物类无固相冲洗液。
本实施例的冲洗液属于幂律流体，具体性能参数见表1。
表1实施例1～3的阳离子聚合物类无固相冲洗液配方及性能参数
注：砂样浸泡实验是指：①将干砂团放入阳离子聚合物类无固相冲洗液中浸泡48h以上；②将干砂团放入阳离子聚合物类无固相冲洗液中浸泡10s后取出来再放入水中浸泡20d以上。这两种浸泡方式同时进行，砂样皆保持固结状态而不散为合格。
由表1可知，本发明的阳离子聚合物类无固相冲洗液的粘度、api失水量、动切力、流变性、吸附胶结性等性能指标优良：密度为1.0g/cm3；漏斗粘度19～32s；api失水量(0.7mpa压差)6～15ml/30min；塑性粘度3.8～6.7mpa·s；表观粘度5.6～9.8mpa·s；动切力1.1～4.8pa；属于假塑性幂律流体，流性指数0.46～0.84，稠度系数0.04～0.79；动塑比0.34～0.86，具有良好剪切稀释性。本发明的无固相冲洗液对第四纪杂填土、砂砾石层、泥页岩层及各类风化破碎岩层等复杂地层具有极强的胶结护壁作用，可有效防止泥质岩土层孔壁缩径塌孔，防止松散破碎地层孔壁坍塌掉块，有助于提高此类复杂地层孔壁的稳定性；冲洗液的抗高温稳定性好，能承受较高的井内液柱压力，适合于5000m左右的深孔钻进要求。
本发明的无固相冲洗液原材料使用量均较少，成本低，按目前泥浆处理剂市场价格计算，配置本发明1m3的无固相冲洗液其成本为21-46元，较其他各类聚合物型无固相泥浆及低固相泥浆可降低35％左右；且无毒环保，便于施工现场配制和使用，可回收重复使用。由于不使用膨润土，因使用高聚物其携带孔内的钻屑能力较强，冲洗液携带出来的钻屑在地面静止时其聚沉钻屑能力也非常强，保证向孔内二次输送的冲洗液循环体系维持在无固相状态，减少了钻头重复碎岩的几率，从而延长了钻头的使用寿命。
本发明的无固相冲洗液可广泛用于石油钻井工程、地质勘探工程、大口径桩基工程、地下连续墙工程、水文水井工程、垃圾填埋场防渗工程等钻孔(或钻挖槽)施工领域。
1.一种阳离子聚合物类无固相冲洗液，其特征在于，包括如下重量份组分：聚胺甲基丙烯酰胺1.5～2.5份、植物胶4～15份、助聚剂1.0～1.6份、水980.9～993.5份。
2.根据权利要求1所述的一种阳离子聚合物类无固相冲洗液，其特征在于，所述聚胺甲基丙烯酰胺的分子量80万～150万。
3.根据权利要求1所述的一种阳离子聚合物类无固相冲洗液，其特征在于，所述植物胶为田菁胶、魔芋胶、蒟蒻胶、瓜尔胶中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的一种阳离子聚合物类无固相冲洗液，其特征在于，所述助聚剂由硫酸铝钾与硼砂组成，所述硫酸铝钾加入的重量份为0.2～0.4份，所述硼砂加入的重量份为0.8～1.2份。
5.一种根据权利要求1～4中任一项所述阳离子聚合物类无固相冲洗液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按上述配比，分别将聚胺甲基丙烯酰胺、植物胶、助聚剂在常温下均匀溶解于适量水中，分别形成聚胺甲基丙烯酰胺溶液、植物胶溶液、助聚剂溶液，待用；
(2)将所述聚胺甲基丙烯酰胺溶液倒入剩余的水中，搅拌均匀后，加入所述植物胶溶液，继续搅拌均匀后，加入所述助聚剂溶液，再继续搅拌均匀，即得到所述阳离子聚合物类无固相冲洗液。
6.根据权利要求5所述的一种阳离子聚合物类无固相冲洗液的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述聚胺甲基丙烯酰胺溶液的浓度小于等于5wt％。
7.根据权利要求5所述的一种阳离子聚合物类无固相冲洗液的制备方法，其特征在于，所述聚胺甲基丙烯酰胺溶液需静置6h以上再使用。
8.根据权利要求5所述的一种阳离子聚合物类无固相冲洗液的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述植物胶溶液中植物胶与水的质量比为(4～15):(20～50)。
9.根据权利要求5所述的一种阳离子聚合物类无固相冲洗液的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述助聚剂溶液中助聚剂与水的质量比为(1.0～1.6):(10～20)。
10.根据权利要求5～9中任一项所述的一种阳离子聚合物类无固相冲洗液的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述助聚剂由硫酸铝钾与硼砂组成，所述助聚剂溶液是将所述硫酸铝钾与所述硼砂分别均匀溶解于适量水中以形成硫酸铝钾溶液和硼砂溶液；所述助聚剂溶液的加入顺序是先加所述硫酸铝钾溶液，再加所述硼砂溶液。
技术总结