熱熔法井壁加固技術(shù)研究

盧春華，吳翔，王強

(中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

熱熔法井壁加固技術(shù)研究

盧春華，吳翔，王強

(中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢430074)

井壁失穩(wěn)是鉆井過程中普通存在、并一直困擾鉆井界的一個技術(shù)難題。采用傳統(tǒng)井口下入套管法能夠可靠隔離失穩(wěn)坍塌孔壁，但同時也存在眾多不足:如井徑縮小、費時費力、增加成本和工期，并可能導(dǎo)致孔內(nèi)事故。為了尋求一種簡單可靠、快速有效支護坍塌井段，同時又不縮小井眼口徑的方法，項目組致力于研究一種新型熱熔法井壁加固技術(shù)，該方法通過發(fā)熱體把顆粒狀熱熔材料加熱熔化后擠入井壁裂隙中，將破碎巖塊粘結(jié)起來達到加固井壁的目的。論文詳細闡述了發(fā)熱體的設(shè)計、熱熔材料的選型以及室內(nèi)對設(shè)計的人工模擬井壁的加固試驗。研究表明:該法切實可行，井壁加固效果明顯。

熱熔法井壁加固熱熔材料

Lu Chun－h(huán)ua，Wu Xiang，Wang Qiang．Study on hot－melt sidewall strengthening technology［J］．Geology and Exploration，2012，48(5):1034－1038．

0 引言

井壁坍塌將直接導(dǎo)致卡、埋鉆事故，使鉆進過程無法繼續(xù)，因此，維護井壁的穩(wěn)定性是確保正常鉆進的基本條件之一。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年由于井壁坍塌產(chǎn)生的井內(nèi)事故導(dǎo)致的經(jīng)濟損失達4～5億美元(陳志超，1981;楊振杰等，2008)。

對于輕微坍塌的地層，國內(nèi)外多采用的優(yōu)質(zhì)鉆井液的方法來處理，優(yōu)質(zhì)鉆井液一般都添加了多種化學(xué)處理劑，成本較高(楊進，2006;張成德，2010;孫平賀等，2010)，當?shù)貙犹鷩乐貢r，一般采用套管隔離，該法的技術(shù)優(yōu)勢是能穩(wěn)定可靠隔離坍塌孔壁，但同時存在眾多不足:使井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、增加施工成本，套管起拔過程容易出事故等;近年來，國內(nèi)外石油行業(yè)在膨脹套管支護技術(shù)上取得了一些進展，但該技術(shù)對設(shè)備要求高、工藝復(fù)雜，由于設(shè)備能力、鉆孔口徑及經(jīng)濟等方面的因素，膨脹套管支護技術(shù)在地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)及其它領(lǐng)域仍處于起步階段(唐明等，2009;彭在美等，2010)。

隨著中國資源勘探大規(guī)模轉(zhuǎn)向深部，鉆遇地層愈加復(fù)雜，鉆進過程中井壁坍塌矛盾日益突出，研究一種經(jīng)濟、快速、可靠的井壁加固技術(shù)十分必要。

1 熱熔法加固井壁的基本原理

熱熔法加固井壁的基本原理如圖1所示，圖中1為待加固井壁，2為熱熔顆粒材料，3為發(fā)熱體，4為已加固井壁。發(fā)熱體3產(chǎn)生大量熱量，并沿圖中箭頭方面緩慢上提，熱熔顆粒材料2(或熱熔管材)遇到發(fā)熱體后迅速熔化或軟化，一部分材料被發(fā)熱體擠入井壁的裂隙中將破碎的巖塊粘結(jié)起來，形成整體，另一部分材料在井壁形成套管支護井壁，從而達到加固井壁的目的。

熱熔法加固井壁可分為三個過程:熔化或軟化階段、擠壓成型階段、冷卻固化階段。

(1)熔化或軟化階段通過發(fā)熱體產(chǎn)生一定的熱量，達到材料的熔化點或軟化點，使材料處于流動或半流動狀態(tài)。對于熱熔管材，使其達到軟化狀態(tài)。而對于熱熔顆粒材料，使其熔化，達到流動或半流動狀態(tài)。

(2)擠壓成型階段材料熔化或軟化后，在發(fā)熱體的擠壓下，一部分流體材料被擠入巖石裂隙中將破碎巖石粘結(jié)在一起，另一部分材料則連續(xù)地粘附在孔壁形成套管以達到支護孔壁的作用。

圖1 熱熔法井壁加固原理示意圖Fig．1 Sketch showing principle of the hot－melt sidewall strengthening technology

(3)冷卻固化階段成型后，材料的物理力學(xué)性能在一定的溫度范圍內(nèi)才能表現(xiàn)出來。擠壓成型階段后，材料經(jīng)短暫時間固化后達到一定強度才具備支護和加固井壁的作用。

由熱熔法加固井壁的原理可知，熱熔材料和發(fā)熱體是該技術(shù)成敗的關(guān)鍵，下面對熱熔材料和發(fā)熱體的研究情況進行介紹。

2 熱熔材料的性能及選擇

通過分析上述熱熔法井壁加固原理可知，理想的熱熔材料應(yīng)具備如下性能:(1)熔點較低，遇到發(fā)熱體后能夠迅速熔化或軟化;(2)密度大于鉆井液，在鉆井液中能夠下沉至需加固的井段;(3)冷卻成型速度快;(4)與孔壁膠結(jié)性好、成型后有一定的韌性和強度;(5)冷卻固化后體積不發(fā)生收縮。

經(jīng)過大量調(diào)研及對材料性能的測試，項目組確定了兩種性能較適合熱熔法井壁加固的顆粒材料，TPU熱熔膠和EVA熱熔膠，下面對這兩種材料的性能進行介紹。

TPU熱熔膠:TPU為熱塑型聚氨酯熱熔膠，具備優(yōu)異的橡膠特性，能適應(yīng)不同熱膨脹系數(shù)基材的粘合，它在基材之間形成具有軟－硬過渡層，不僅粘接力強，同時還具有優(yōu)異的緩沖、減震功能，具備優(yōu)異的柔韌特性、抗剪切強度和抗沖擊特性，適用于各種結(jié)構(gòu)性粘合領(lǐng)域(劉春林，2008;劉超等，2010)。其形狀為顆粒狀，粒徑Ф 2～3mm，如圖2所示，該材料的基本性能參數(shù)見表1。

表1 TPU熱熔膠基本性能參數(shù)Table1 Basic performance parameters of the TPU hot－melt glue

圖2 TPU熱熔膠Fig．2 TPU hot－melt glue

EVA熱熔膠:俗稱橡皮膠，它是由乙烯(E)及乙烯基醋酸鹽(VA)共聚所形成。EVA是一種半透明到不透明白色臘狀材料，柔軟而且有橡膠彈性，能伸長，無毒，無味。EVA凝聚力大，熔融時表面張力小，對幾乎所有材料都有熱粘接性，粘接強度高，固化速度快，固化體具有較高的強度和韌性(朱萬章，1999)。EVA的基本性能參數(shù)見表2。

表2 EVA熱熔膠基本性能參數(shù)Table2 Basic performance parameters of the EVA hot－melt glue

3 發(fā)熱體的設(shè)計選擇

熱熔材料遇到發(fā)熱體后要能夠迅速熔化或軟化，因此，發(fā)熱體要具有較高的功率且功率可調(diào)，此外，發(fā)熱體的設(shè)計還包括合理的結(jié)構(gòu)形式和發(fā)熱方式等，在有鉆井液的情況下，發(fā)熱體的設(shè)計關(guān)鍵是解決高溫密封和絕緣問題(孫瑞民等，2005;馬安君，2006)。

目前初步實驗使用的是石墨發(fā)熱體。石墨發(fā)熱體的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，主要包括接線柱、絕緣壓蓋、芯桿、石墨電極、石墨元件、外殼和保護套等。輸入的交流電通過晶閘管整流電源后，變?yōu)橹绷麟?，為石墨發(fā)熱元件供電，整流電源的輸出電壓電流可調(diào)，從而可以調(diào)節(jié)石墨發(fā)熱體的功率。發(fā)熱體的主要技術(shù)參數(shù)如下:發(fā)熱段長度為20cm，最大發(fā)熱功率5．2kW，外殼的最高溫度為1300℃，保護套的最高溫度為800℃，該發(fā)熱體工作性能穩(wěn)定可靠。

圖3 石墨發(fā)熱體結(jié)構(gòu)原理示意圖Fig．3 Sketch showing structure and principle of the graphite heater

此外，項目組正在設(shè)計其它一些形式的發(fā)熱體，例如硅碳棒、感應(yīng)加熱、微波加熱等發(fā)熱體形式。

4 初步室內(nèi)實驗

(1)實驗裝置

為了模擬井壁，設(shè)計了如圖4所示井壁模擬裝置，該裝置主體由一個圓筒對稱剖開，外圍設(shè)有卡箍和支腿，底部設(shè)有端蓋(模擬井內(nèi)有鉆井液的情況使用)，支腿通過鉚釘與地面固定，圓筒垂直地面。制作人工井壁的方法是:在圓筒內(nèi)部放入另一個圓筒模具(其尺寸根據(jù)需要確定但外徑必須小于剖開圓筒的內(nèi)徑)，在內(nèi)外圓筒的間隙填入一些石子或其它材料模擬不同裂隙的井壁。實驗結(jié)束時可打開半剖管檢驗井壁加固效果。

圖4 井壁模擬裝置Fig．4 Analog devices of sidewall

加熱裝置如圖5所示，動力頭鉆機可通過鉆桿帶動發(fā)熱體上下移動。

圖5 加熱裝置Fig．5 Heating desice

(2)實驗方法

先做好模擬井壁，再將發(fā)熱裝置安裝連接好，操作動力頭鉆機使發(fā)熱體處于人工井壁的下部，接通加熱裝置電源，調(diào)至適當功率并不斷監(jiān)測發(fā)熱體表面溫度，達到適當溫度后從人工井口投入熱熔顆粒材料，操作鉆機使發(fā)熱體勻速緩慢上提，短暫時間冷卻固化后打開模擬井壁觀察和檢測井壁加固效果。

(3)實驗效果

項目組對大量材料進行了實驗，其中EVA和TPU顆粒熱熔材料的加固效果較好，尤其是二者的混合物實驗效果最好。

EVA熱熔膠加固井壁的效果如圖6所示。其特點是:熔點低、固化速度快、與孔壁的粘結(jié)非常牢固，熔化之后能被擠壓到孔壁的裂隙中去，且形成的管道形狀較為規(guī)則，其不足點是冷卻成型后具有一定脆性。TPU熱熔膠加固井壁的特點是:形成的護壁套管比較完整，顆料熔化比較完全，部分熔化的熱熔膠可以被很好的擠入孔壁裂隙間，與孔壁及裂隙能很好膠結(jié)，冷卻成型后，韌性很好，但硬度不如EVA熱熔膠。

圖6 EVA熱熔膠加固井壁效果Fig．6 Sidewall reinforce effects of the EVA hot－melt glue

綜合考慮EVA和TPU熱熔膠的優(yōu)缺點，將EVA和TPU兩種顆粒材料混合后進行實驗取得較理想的加固效果:固化物的韌性和強度均較高，部分熱熔膠擠入孔壁裂隙中，與裂隙牢固結(jié)合，形成的套管比較完整。

5 結(jié)論

(1)熱熔法是一種通過發(fā)熱體把顆粒狀熱熔材料加熱熔化后擠入井壁裂隙中，將破碎巖塊粘結(jié)起來加固井壁的新技術(shù)，其工藝原理與傳統(tǒng)井壁加固技術(shù)完全不同，關(guān)鍵技術(shù)是熱熔材料的性能及大功率發(fā)熱體的設(shè)計。

(2)室內(nèi)人工模擬井壁加固實驗表明:熱熔法是一種切實可行、經(jīng)濟快速的井壁加固技術(shù)，其加固效果顯著。

(3)隨著礦產(chǎn)勘探大規(guī)模轉(zhuǎn)向深部，鉆遇復(fù)雜地層井壁失穩(wěn)問題將越來越多，熱熔法為井壁加固技術(shù)提供了一種新選擇，該技術(shù)具有一定應(yīng)用前景。

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Study on Hot－Melt Sidewall Strengthening Technology

LU Chun－h(huán)ua，WU Xiang，WANG Qiang

(Engineering faculty，China University of Geosciences，Wuhan，Hubei430074)

Instability of sidewall is a common problem existing in the drilling process which puzzled the drilling industry． The traditional way of casing can isolate instability sidewall reliably．However，it has some drawbacks such as reduction of hole－diameter，time and power consumption，increase of cost and work duration，and even drilling accidents．The project team devoted to research a kind of simple，reliable，fast and effective way for supporting hole well，which will do not reduce hole－diameter at the same time．This new method melts the granular hot melting material，and squeezes it into the sidewall cracks to attain the purpose of reinforcing sidewall．This paper elaborates the design of the heating element，hot melt materials selection and indoor artificial simulation of sidewall reinforcement test．The result indicates that this new method is feasible and able to attain obvious strengthening sidewall effects．

hot－melt method，sidewall strengthening，hot－melt material

book=9,ebook=592

P642

A

0495－5331(2012)05－1034－5

2011－01－18;

2012－02－06;［責任編輯］郝情情。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(編號CUGL100216);巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心開放研究基金(編號201103)。

盧春華(1976年－)，男，2007年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，獲博士學(xué)位，副教授，長期從事鉆探工藝與機具的教學(xué)研究工作。E－mail:cuglch@yahoo．cn。