堵漏材料研究的進(jìn)展

賈麗莉,田陸飛,劉 振,石運(yùn)中,田 磊

(濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250022)

堵漏材料研究的進(jìn)展

賈麗莉,田陸飛,劉 振,石運(yùn)中,田 磊

(濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250022)

介紹了各種堵漏材料的堵漏機(jī)理,并對(duì)國(guó)內(nèi)外堵漏材料研究的進(jìn)展進(jìn)行了綜合評(píng)述,同時(shí)結(jié)合當(dāng)前堵漏材料的優(yōu)缺點(diǎn),提出了新型智能堵漏材料的模型.

堵漏材料;井漏;堵漏機(jī)理;智能堵漏材料

井漏是鉆井、固井、測(cè)井、修井過(guò)程中存在的復(fù)雜問題,它能使鉆井液從井眼漏入漏失通道,這樣不僅耗費(fèi)大量的泥漿和堵漏材料,而且可能造成井塌、卡鉆、井噴,甚至導(dǎo)致井眼報(bào)廢等重大事故,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1].由于井漏發(fā)生率較高,據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界井漏發(fā)生率占鉆井總數(shù)的20%～25%,而井漏的處理是石油鉆井中的難點(diǎn),惡性井漏損失占井漏總損失的50%以上[2].井漏處理不當(dāng),會(huì)引起惡性井下事故,且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染.在鉆井防漏過(guò)程中鉆井用的堵漏材料是必不可少的一種材料,鉆井防漏堵漏的成功率直接取決于堵漏材料性能的優(yōu)劣.所以,研究堵漏材料有非常重要的意義.

1 堵漏機(jī)理

目前,常用的堵漏材料有橋接堵漏材料、高失水堵漏材料、暫堵材料、化學(xué)堵漏材料、無(wú)機(jī)膠凝堵漏材料及軟硬塞堵漏材料等.由于各種堵漏材料的性能有差異,這就使各種堵漏材料的堵漏機(jī)理也有所區(qū)別.堵漏材料進(jìn)入到漏失通道以后,在油井內(nèi)部壓力、溫度或化學(xué)反應(yīng)作用下,以機(jī)械堆積或化學(xué)生成物堆積的方法,形成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的封堵層,從而起到一定的堵塞作用.當(dāng)橋接堵漏材料、暫堵材料、化學(xué)堵漏材料進(jìn)入到漏失通道后,其中的纖維等材料起到“架橋”、“拉筋”作用,而其它的材料則填充到所形成的孔隙中,將大孔洞變成小孔洞,從而提高堵漏能力;高失水堵漏材料進(jìn)入到漏失通道后,在鉆井液壓力和地層壓力差的作用下,迅速失水形成濾餅,所形成的濾餅?zāi)軌蛲笟馔杆?但是鉆井液不能通過(guò),從而起到壓實(shí)密封漏失通道的作用.

2 研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著對(duì)不同井漏原因進(jìn)一步地認(rèn)識(shí),堵漏材料的研究也發(fā)生了很大的改變.我國(guó)從60年代開始用堵漏材料對(duì)井漏進(jìn)行處理,并對(duì)堵漏材料進(jìn)行了一些基礎(chǔ)性的研究,這一階段是見漏就堵時(shí)期.由于這一時(shí)期對(duì)淺部地層漏失、產(chǎn)層漏失、天然漏縫等漏失層性質(zhì)認(rèn)識(shí)不足,以及堵漏材料的局限性,因此堵漏材料主要采用橋接堵漏材料及軟硬塞堵漏材料.

該時(shí)期發(fā)生井漏時(shí),一般根據(jù)漏失層孔徑及位置的不同,調(diào)節(jié)顆粒狀、鱗片狀及纖維狀堵漏材料的復(fù)配比,并添加適當(dāng)?shù)亩栊圆牧吓c之相補(bǔ),以增強(qiáng)堵漏效果.常用的顆粒狀堵漏材料包括有核桃殼、橡膠粒、硅藻土、瀝青等[3-5];纖維狀材料包括有鋸末、棉纖維、亞麻纖維等[6-10];片狀材料包括有云母片、谷殼等[11].在鉆井過(guò)程中由鉆井速度快或下鉆快等原因引起的人為裂縫,可以利用軟硬塞堵漏材料不固化的特性,而形成不流動(dòng)粘稠物質(zhì)進(jìn)行封堵,這類材料主要有柴油膨潤(rùn)土漿、剪切稠化液[12]、重晶石塞及石灰乳等.以上幾類堵漏材料可以解決由孔隙和裂縫造成的部分漏失和失返漏失,但是一些復(fù)雜的漏失不能很好地解決.因此,各種化學(xué)堵劑、高失水堵劑、混合堵漏稠漿等新型堵劑應(yīng)運(yùn)而生,為對(duì)付各種類型的井漏,提高處理井漏的成功率提供了有效手段.

堵漏材料發(fā)展的第二階段,即開發(fā)研究堵漏材料階段.高失水堵漏材料漿液進(jìn)入漏失層后,在鉆井液柱壓力及底層壓力所產(chǎn)生的壓差作用下,迅速失水形成濾餅,堵塞漏失通道,這類材料主要包括滲濾性材料、纖維狀材料、硅藻土及多孔惰性材料等[13];化學(xué)堵漏材料是利用高聚物在界面上的靜力、分子間的作用力、化學(xué)鍵力,使化合物在界面處形成粘結(jié)而起到堵漏作用,這類材料包括凝膠堵漏劑、樹脂堵漏劑、膨脹性堵漏劑[14-20];混合堵漏稠漿主要是以特種水泥、混合水泥稠漿為主,添加不同的外加劑,提高水泥石的早期強(qiáng)度和穩(wěn)定性,使之產(chǎn)生較高的承壓能力.這幾類堵漏材料對(duì)滲透性漏失和裂縫性漏失能起到很好的堵漏作用[21-30].但是,隨著對(duì)鉆井技術(shù)要求的提高,經(jīng)常出現(xiàn)溶洞性等惡性漏失,而這些常規(guī)的堵漏材料不能有效地起到堵漏作用.

90年代后,人們更加注重的是堵漏材料產(chǎn)品的系列化、規(guī)格化,為了提高堵漏的效率,開始由單一的堵漏材料向復(fù)合型堵漏材料轉(zhuǎn)變.這一階段研制的復(fù)合型堵漏材料,主要有酸溶性高失水暫堵劑、單向壓力封閉劑、酸溶性固化材料等.復(fù)合堵漏材料主要用于處理復(fù)雜的漏失,如水層漏失、氣層漏失、長(zhǎng)段裸眼井漏失及大裂縫、大溶洞漏失等.對(duì)嚴(yán)重井漏,采用復(fù)合堵漏材料能大大地提高堵漏成功率[31].孫玉學(xué)等人[32]通過(guò)室內(nèi)模擬地層裂縫對(duì)六種堵漏材料的封堵效果進(jìn)行了分析,研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于較大裂縫,用復(fù)合型堵漏材料配制的堵漏漿的堵漏效果最好.西南石油大學(xué)的孫劍等人[33]以石英砂和瀝青作為原材料,通過(guò)特殊的制備工藝,研制了一種新型的復(fù)合橋接堵漏材料XFD-1,該材料兼具剛性材料與可變形材料的特點(diǎn),化學(xué)性能穩(wěn)定,抗溫抗壓能力較好,可大大節(jié)省橋接堵漏材料的用量.此外,汪建軍等人[34]針對(duì)大裂縫、大孔隙型、含大量地層水等漏失,研制出新型多功能復(fù)合凝膠堵漏材料,通過(guò)無(wú)機(jī)材料在凝膠網(wǎng)絡(luò)體系中形成支撐骨架結(jié)構(gòu),并與聚合物鏈段相互作用、相互包容,使這種凝膠體系具有更高的強(qiáng)度,能有效地對(duì)付大漏、失返、返出量太小的裂縫性、溶洞性及破碎性地層漏失.

本課題組結(jié)合當(dāng)前堵漏材料的優(yōu)缺點(diǎn),以及在大量閱讀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,提出了智能型復(fù)合堵漏材料.該堵漏材料的模型是以形狀記憶合金感知漏失處溫度的變化,以合金的記憶效應(yīng)和超彈性為基礎(chǔ),利用合金絲間的搭接、纏繞,發(fā)揮出該堵漏材料的優(yōu)勢(shì).該模型中的感知、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行元件為形狀記憶合金,使其與普通的水泥基堵漏材料復(fù)合制備而成智能型堵漏材料,該模型的提出為研發(fā)新型的堵漏材料提供了理論基礎(chǔ).

2.2 國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外對(duì)鉆井過(guò)程中遇到的漏失和堵漏機(jī)理研究的比較早,如今已經(jīng)開發(fā)出了各種常規(guī)的及新型的堵漏材料,如天然植物堵漏劑、天然礦物堵漏劑、工業(yè)廢料堵漏劑及化學(xué)堵漏劑.美國(guó)、前蘇聯(lián)及西歐等國(guó)家,不僅對(duì)大量常規(guī)堵漏劑各自的封堵性能及它們的混合作用做了大量的分析研究,而且還研究出了大量新型堵漏劑.尤其是前蘇聯(lián)開發(fā)出了脲醛樹脂、酚醛樹脂等為基的堵漏劑系列,丙烯類聚合物堵漏劑系列,以膠乳為基礎(chǔ)的堵漏劑漿液及聚氧乙烯水溶液、聚乙烯醇水溶液、低聚有機(jī)硅氧烷等與纖維填料組成的各具特殊性能的堵漏劑[35].國(guó)外的Poly Block為膨脹性堵漏材料,其為特定的顆粒狀材料與不同尺寸的結(jié)晶狀聚合物的混合體,水化后會(huì)大幅膨脹,幾小時(shí)內(nèi)就能封堵非常嚴(yán)重的大漏失,很好地解決了埃及尼羅河三角洲地區(qū)的井漏問題[36].近幾年來(lái),國(guó)外又開發(fā)了各具特色的熱溶橡膠堵漏劑、膨脹團(tuán)粒堵漏劑、剪切稠化液堵漏劑、封包石灰堵漏劑、吸油固體材料堵漏劑、封包烯烴堵漏劑及吸水聚合物堵漏劑等堵漏材料[37].這些堵漏材料的應(yīng)用,有效地解決了滲透性及微裂縫地層的漏失問題,但不能較好地解決天然裂縫、孔洞或洞穴地層的嚴(yán)重漏失問題.用于處理嚴(yán)重漏失的堵漏材料不多,常用的主要有液體硅酸鈉、珍珠巖水泥、柴油膨潤(rùn)土水泥及快凝水泥等.

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)于新型的鉆井堵漏材料提出了越來(lái)越高的要求,如能提高地層承壓能力的漏堵材料以及能適應(yīng)高溫高壓等復(fù)雜情況和能夠用于處理惡性漏失的漏堵材料.本課題研究的智能堵漏材料因其能感知溫度的變化,可用于不同溫度的漏失層.同時(shí)又可通過(guò)調(diào)整粒徑分布,適用于不同尺寸裂縫、孔隙的漏失,并且堵漏強(qiáng)度高,施工簡(jiǎn)便,具有較高的研究與應(yīng)用價(jià)值.

[1]鄂捷年.鉆井液工藝學(xué)[M].東營(yíng):石油大學(xué)出版社,2001.

[2]FIDAN E,BABADAGL IT,KURU E.Useof cementas lost circulation material-field case studies[R].Malaysia:IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference and Exhibition,2004.

[3]修留永,賈平軍,高學(xué)生,等.LXC-005井膠質(zhì)復(fù)合堵漏材料水泥漿堵漏技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2004,26(5):32-34.

[4]劉洪濤,劉恩隆,呂立新,等.巴什二井鉆井液堵漏技術(shù)[J].鉆井液與完井液,2001,18(6):11-13.

[5]薛玉志,劉振東,唐代緒,等.裂縫性地層堵漏配方及規(guī)律性研究[J].鉆井液與完井液,2009,26(6):28-30.

[6]劉毅.ND5-12井裂縫性漏失堵漏技術(shù)[J].探礦工程,2008(6):41-42.

[7]李良川,王在明,孫俊.復(fù)合堵漏技術(shù)在南堡油田NP1-P4C1井的應(yīng)用[J].石油鉆采工藝,2009,31(2):51-54.

[8]邱正松,王在明,徐加放,等.復(fù)合堵漏材料優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究及配方評(píng)價(jià)新方法[J].天然氣工業(yè),2006,26(11):96-98.

[9]周喜德.大流量高流速溶洞堵漏技術(shù)的研究[J].地球與環(huán)境,2005,33(5):54-62.

[10]鄭亞平,成紅軍.大滲量高流速滲漏的灌漿堵漏技術(shù)[J].中國(guó)建筑防水,2004(6):36-38.

[11]何竹梅,宋碧濤,吳富生,等.SN油田隨鉆堵漏鉆井液技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].油田化學(xué),2008,25(3):199-203.

[12]吳修賓,馬文英,王福印.復(fù)合型高強(qiáng)度堵漏技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].鉆井液與完井液,2002,19(6):101-103.

[13]蘇堅(jiān),申威.高濾失堵劑的堵漏工藝[J].石油鉆采工藝,1994,16(3):17-20.

[14]羅興樹,蒲曉林,黃巖,等.堵漏型聚合物凝膠材料研究與評(píng)價(jià)[J].鉆井液與完井液,2006,23(2):28-32.

[15]高明書.聚丙烯酰胺-巖粉、鋸末交聯(lián)堵漏[J].西部探礦工程,2009(2):48-49.

[16]FANG C C,THAEML ITZ C.New ospar-compliant technologies fo r managing drilling-fluid lost-circulation events[R].Texas:SPE/EPA/DOE Exp loration and Production Environmental Conference,2005.

[17]狄麗麗,張智,段明,等.超強(qiáng)吸水樹脂堵漏性能研究[J].石油鉆探技術(shù),2007,35(3):33-36.

[18]李東川.聚氨脂化學(xué)注漿在堵漏中的應(yīng)用[J].四川建筑,2003,23:259-260.

[19]馬洪偉,何煒,高雙福.水溶性聚氨脂在堵漏工程中的應(yīng)用[J].低溫建筑技術(shù),1998(4):33-34.

[20]王俊峰,杜云峰,鄔劍明,等.新型礦用密閉堵漏材料的制備及性能研究[J].煤礦安全,2009(5):30-33.

[21]葉正茂,蘆令超,常鈞,等.硫鋁酸鹽水泥基防滲堵漏材料凝結(jié)時(shí)間調(diào)控機(jī)制的研究[J].硅酸鹽通報(bào),2005(4):58-61.

[22]葉正茂,蘆令超,常鈞,等.水泥基防滲堵漏材料凝結(jié)機(jī)制的研究[J].中國(guó)建筑防水,2005(8):23-25.

[23]陳娟.無(wú)機(jī)防水堵漏材料的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)建筑防水,2006(6):16-17.

[24]蘇冬梅,李丹.速凝型無(wú)機(jī)防水堵漏材料的研究[J].科技資訊,2008,27:13-14.

[25]殷慶立,AMATH IEU L,胡沖,等.鋁酸鹽水泥在堵漏劑中的應(yīng)用[J].新型建筑材料,2009(2):78-80.

[26]王平全,聶勛勇,張新民,等.特種凝膠在處理井漏井噴中的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2008,28(6):81-83.

[27]步云鵬,姚曉,李華,等.特種快凝早強(qiáng)水泥固低溫淺井油層技術(shù)[J].石油鉆采工藝,2005,27(6):37-39.

[28]余婷婷,鄧建民,李建,等.高密度纖維堵漏水泥漿的實(shí)驗(yàn)研究[J].鉆井液與完井液,2008,25(2):40-42.

[29]賈應(yīng)林,楊啟華,鄧建民,等.纖維堵漏低密度水泥漿的室內(nèi)研究[J].鉆采工藝,2008,32(1):87-88.

[30]李愛民,隆威.輕質(zhì)速凝堵漏注漿材料試驗(yàn)研究[J].混凝土,2003(4):33-34.

[31]黃寒靜.國(guó)內(nèi)外鉆井堵漏發(fā)展現(xiàn)狀[J].工程技術(shù)與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì),2009(2):4-5.

[32]孫玉學(xué),彭建偉,楊晶,等.大慶英臺(tái)地區(qū)堵漏技術(shù)研究[J].西部探礦工程,2004(5):59-60.

[33]孫劍,崔茂榮,陳浩,等.新型復(fù)合堵漏材料的研制[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29:133-135.

[34]汪建軍,李艷,劉強(qiáng),等.新型多功能復(fù)合凝膠堵漏性能評(píng)價(jià)[J].天然氣工業(yè),2005,25(9):101-103.

[35]FERNANDEZ L C,ZEGARRA H.Characterization and surfactant-enhanced washing treatability of drilling fluids stored formore than 20 years[J].Journalof Surfactants and Detergents,2008(11):307-314.

[36]EI-SA YED M,EZZ A,AZIZM,et al.Successes in curing massive lost-circulation p roblems w ith a new expansive LCM[R].Cairo:SPE/IADC M iddle East D rilling and Technology Conference,2007.

[37]張希文,李爽,張潔,等.鉆井液堵漏材料及防漏堵漏技術(shù)研究進(jìn)展[J].鉆井液與完井液,2009,26(6):74-76.

Research progress of lost circulation materials

JIA Li-li,TIAN Lu-fei,L IU Zhen,SH I Yun-zhong,TIAN Lei
(School of M aterials Science and Engineering,University of Jinan,Jinan 250022,China)

The paper introduces p lugging mechanism of different sorts of lost circulation materials,and review s the research p rogressof lost circulation materials at home and abroad.Combining w ith the advantages and disadvantagesof current lost circulation materials,a new model of intelligent lost circulation materials is put forward.

lost circulation materials;lost circulation;p lugging mechanism;intelligent lost circulation materials

TD742.2

A

1673-9981(2011)01-0014-03

2010-09-26

賈麗莉(1986—),女,河南省信陽(yáng)市人,碩士研究生.