鉆井液防漏堵漏材料研究進(jìn)展

趙福豪，黃維安

（中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島266580）

井漏是鉆井工程中最常見的技術(shù)難題之一［1］，目前在深層超深層、深水、非常規(guī)油氣勘探中仍存在嚴(yán)重的漏失問題［2］。井漏嚴(yán)重制約了鉆井速度，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至對儲(chǔ)層產(chǎn)生不可估量的損害。 目前，傳統(tǒng)堵漏材料種類日益豐富，各種工農(nóng)業(yè)廢棄物被加工成經(jīng)濟(jì)環(huán)保的堵漏材料，化學(xué)類堵漏材料種類繁多、應(yīng)用廣泛，根據(jù)各自性能特點(diǎn)可對不同漏層有效封堵。 國內(nèi)外也研制和開發(fā)了很多新型的鉆井液防漏堵漏材料，如具有形狀記憶特性的智能型堵漏材料，針對納微米孔隙漏失地層的納微米堵劑等。 本文介紹了橋接、高失水、聚合物凝膠、膨脹型、無機(jī)凝膠以及隨鉆堵漏材料的特點(diǎn)、作用機(jī)理，對目前堵漏材料研究中存在的問題進(jìn)行了探討，對未來發(fā)展趨勢提出了建議。

1 國內(nèi)外防漏堵漏材料研究現(xiàn)狀

1.1 橋接堵漏材料

橋接堵漏材料如果殼、纖維、云母片等，其作用機(jī)理有掛阻“架橋”、“拉筋”、堵塞與嵌入、滲濾、膨脹、“卡喉”等。 具有價(jià)格便宜、施工工藝簡單且來源廣的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用。 通過將廢舊輪胎橡膠、榴蓮皮、果樹纖維、農(nóng)業(yè)廢棄物、牡蠣殼等廢舊材料加工［3-4］，可制成環(huán)保型堵漏材料。 近年來學(xué)者們也研制了適用于不同漏失情況的新型橋接堵漏材料，如深水鉆井可降解纖維［5］，高酸溶纖維堵漏劑SDSF［6］，新型抗高溫堵漏材料SDHTP-1和SDHTF-1［7］，利用溫敏形狀記憶材料研制出的智能堵漏劑［8-9］等。

1.2 新型橋接堵漏材料

1.2.1 熱致形狀記憶智能型堵漏劑SD-SLCM［9］

將酸酐類高溫交聯(lián)劑與環(huán)氧聚合物單體在胺類催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，合成具有形狀記憶特性的聚合物。 這種聚合物制成的堵漏顆?？梢罁?jù)漏層溫度調(diào)控其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，具有高溫高壓下膨脹率高（D90粒度增長率40%）、破碎率?。?0%）等特性，可適用于3～5 mm不同縫寬的裂縫，承壓大于11 MPa，實(shí)現(xiàn)智能封堵。

1.2.2 高酸溶堵漏材料

Savari等人針對大裂縫地層研究出酸溶性堵漏顆粒［10］，可封堵5 mm寬裂縫，配合其他材料可對7 mm裂縫進(jìn)行有效封堵， 堵漏劑中的酸溶性成分可在10%HCl或10%甲酸中完全溶解。陳家旭等人為解決常用纖維堵漏材料酸溶性較差的問題，研制了高酸溶纖維堵漏劑SDSF［6］，酸溶率可達(dá)95%，抗溫能力達(dá)150℃，在水基鉆井液中分散性良好，耐堿性能優(yōu)良。

1.3 復(fù)合堵漏材料

1.3.1 新型抗高溫堵漏材料SDHTP-1和SDHTF-1［7］

高溫地層長時(shí)間堵漏作業(yè)中，新型抗高溫高強(qiáng)度剛性架橋顆粒（SDHTP-1）穩(wěn)定性好，不易沉降，不易破碎；新型抗高溫高強(qiáng)度堵漏纖維（SDHTF-1）不易降解，分散性好，斷裂強(qiáng)度高。 通過不同類型堵漏材料的級配和濃度控制，得到高溫下（220℃）封堵承壓能力大于10 MPa，各種性能良好的封堵工作液配方。

1.3.2 新型油基橋架堵漏劑DualGUARD［11］

針對涪陵頁巖氣油基鉆井液， 以親油類材料、高強(qiáng)度顆粒和片狀材料為主，引入纖維類材料及酸溶性礦物質(zhì)剛性材料及超細(xì)活性物質(zhì)（分別起拉筋作用、滲率作用），配制成堵漏劑DualGUARD。 可用于封堵1～2 mm，2～4 mm，4～8 mm 砂床及1 mm，2 mm，3 mm裂縫， 抗溫70～150℃， 封堵承壓7.0～10.0 MPa，堵漏成功率70%。

1.4 高失水堵漏材料

高失水堵漏漿液進(jìn)入漏失層后，通過液柱壓力和地層壓力的壓差作用迅速失水，堵漏漿中的固相成分不斷聚集、變稠，并形成濾餅，進(jìn)一步壓實(shí)、填塞漏失通道，達(dá)到堵漏效果。 形成的堵塞具有高滲透性的微孔結(jié)構(gòu)及整體充填特性，可透氣、水，而鉆井液會(huì)迅速失水，形成光滑平整的濾餅，進(jìn)而加強(qiáng)漏失通道的封堵。 在堵劑中混入一定量的顆粒狀惰性材料可起到橋接作用，封堵大漏失通道，Savari等人提出添加網(wǎng)狀泡沫材料可提高該類材料對大尺寸裂縫的封堵效果［12］。 盧小川等人針對斷層破碎帶井漏的特點(diǎn)，結(jié)合海上工程實(shí)際，研制出了一種堵塞形成快、濾餅強(qiáng)度高的酸溶性高失水固化堵漏劑STP（承壓能力7 MPa，酸溶率高于80%）［13］。 田軍等人將微米級顆粒、聚合物纖維、凝膠復(fù)配成一種快速濾失固結(jié)堵漏材料ZYSD［14］，具有濾失快（10～15 s）、封堵承壓強(qiáng)（18.5 MPa）等特點(diǎn)，已在32井次應(yīng)用，一次堵漏成功率達(dá)87.5%。

1.5 凝膠堵漏材料

聚合物凝膠和無機(jī)凝膠都是鉆井工程中常用的堵漏材料。 其中聚合物凝膠對漏失通道適應(yīng)性好、固相含量低、抗稀釋、流動(dòng)增堵能力強(qiáng)、有潤滑性，有利于減少卡鉆［15］、再堵性良好。 可分為預(yù)交聯(lián)聚合物和有特殊結(jié)構(gòu)的不交聯(lián)聚合物兩種，可配合其他堵漏材料使用。

1.5.1 預(yù)交聯(lián)聚合物凝膠

預(yù)交聯(lián)聚合物凝膠是把單體和交聯(lián)劑在地面混合后泵入漏失層，在地溫條件下的一定時(shí)間里產(chǎn)生有一定強(qiáng)度的凝膠，起到封堵作用。 Jiang等人研制的聚丙烯酰胺凝膠HTCMG可在80～150℃范圍內(nèi)形成凝膠，且可調(diào)節(jié)膠凝時(shí)間，在150℃可有效堵塞3 mm裂縫，封堵承壓9.8 MPa［16］。 彭振斌等人將3%聚乙烯醇+0.8%硼砂+0.3%二丁酯+0.3%羧甲基纖維素鈉在35℃、pH=10時(shí)產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)，制成成膠時(shí)間18 min、最大承壓達(dá)6.0 MPa的聚乙烯醇凝膠堵漏劑［17］，成交時(shí)間可在0.1～10 h內(nèi)調(diào)控。 抗高溫可降解凝膠堵劑P（AM-DGCL）［18］可解決普通凝膠在高溫下成膠時(shí)間短、 強(qiáng)度低且難破膠的問題，150℃下成膠時(shí)間2～13 h，拉伸強(qiáng)度0.042 5 MPa，16 h破膠率95%。

1.5.2 井下交聯(lián)聚合物凝膠

應(yīng)用最為廣泛的一種不需要交聯(lián)的聚合物是西南石油大學(xué)研制的特種凝膠ZND［19］，對封堵惡性漏失層有較好效果。 近年，王勇等人依據(jù)超分子化學(xué)理論研發(fā)了一種超分子堵漏凝膠［20］，該凝膠可在不同深度、不同溫度地層中與周圍介質(zhì)結(jié)合成牢固的整體， 形成高粘彈性高強(qiáng)度的凝膠段塞封堵漏層，對0.15～1.5 mm的孔隙，封堵承壓達(dá)7.5 MPa，在克205井等3口井進(jìn)行應(yīng)用，堵漏效果好，降低了鉆井成本。

1.5.3 無機(jī)膠凝

無機(jī)膠凝堵漏材料主要包括水泥、石膏、石灰等混合漿液，以水泥為主。 封堵漏層后有很高的承壓能力，來源廣、價(jià)格便宜、施工工藝簡單。 各種特殊性質(zhì)水泥（觸變性、快干性、膨脹）及各種高效的速凝劑、緩凝劑的研制成功，大大拓寬了該類堵漏材料的使用范圍。Liu等人提出建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用的地聚合物用于鉆井行業(yè)，可與非水基鉆井液（NAFs）混合，實(shí)現(xiàn)快速膠凝［21］。

1.5.4 有機(jī)無機(jī)復(fù)合凝膠

李韶利等人研制了一種可對膠凝時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)的復(fù)合堵漏劑CTJ［22］， 其適應(yīng)溫度范圍廣 （30～80℃），承壓強(qiáng)度大（14 MPa），對滲透性、大孔隙、裂縫性、溶洞性漏失的堵漏效果都很好，現(xiàn)場應(yīng)用45口井，成功率80%。宋元洪等人通過在水泥漿中加入高分子凝膠堵漏劑（CPA）提高了堵漏水泥漿體系的堵漏性能［23］。

1.6 膨脹型堵漏材料

1.6.1 吸水膨脹型堵漏材料

一些聚合物顆?；蚶w維材料能夠吸取溶液中的水，膨脹幾十甚至幾百倍，對嚴(yán)重漏失的地層產(chǎn)生架橋封堵作用，也可通過壓實(shí)充填進(jìn)一步提高堵漏效果。Song等人研制的柔性堵漏顆粒［24］可耐150℃高溫，在鹽水中膨脹7倍。 應(yīng)春業(yè)等人研制的一種新型吸水膨脹堵漏劑［25］具有膨脹量適中、彈性模量高等特點(diǎn)，與國內(nèi)常規(guī)堵漏劑相比，可節(jié)約2 000～4 000元/噸。 Jothibasu Ramasamy等人研究的吸水膨脹型堵劑［26］由兩部分組成，含丙烯酸聚合物等吸水材料的部分與NaOH溶液接觸后吸水膨脹， 在10.4 MPa、121℃條件下可封堵2 mm裂縫。此外，凝膠微球堵漏劑WQ-5［27］、體膨顆粒堵漏劑TP-2［28］等凝膠材料也有優(yōu)良的堵漏性能。

1.6.2 吸油膨脹型堵漏材料

頁巖地層鉆井多采用油基鉆井液，裂縫性漏失經(jīng)常發(fā)生。 可使用含有親油聚合物、樹脂等材料的吸油膨脹型堵劑進(jìn)行有效防漏堵漏。 這些材料有大量的聚合物鏈，鏈上的親油基團(tuán)對油分子有吸收作用，它們互相纏繞形成三維網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，是很好的儲(chǔ)集空間。 劉偉等人研制了吸油膨脹型堵漏劑G337［29］，在90℃時(shí)1 h吸油率120%，堵漏配方用于1～5 mm封板實(shí)驗(yàn)承壓7 MPa，在2.10～2.45 g/cm3密度條件下的井段試驗(yàn)，滲漏量控制在10 m3以內(nèi)。 李紅梅等人研制了一種具有吸油膨脹性的高分子樹脂材料YDLJ-1［30］，室溫下5 h膨脹量達(dá)5倍，可抗150℃高溫，正向封堵突破壓力大于15 MPa，現(xiàn)場試驗(yàn)表明可減少漏失量，縮短堵漏時(shí)間。

1.7 隨鉆堵漏材料

隨鉆堵漏材料可加入到鉆井液中實(shí)現(xiàn)邊鉆邊堵，投入少、方法簡單且節(jié)省較多的處理井漏時(shí)間。在孔隙型-裂縫性漏失層， 堵漏材料在壓差作用下進(jìn)入漏層，封堵近井筒的漏失通道，起到防漏堵漏作用。 根據(jù)作用原理，可分為骨架材料和填充變形材料。

1.7.1 骨架材料

該類材料可在裂縫端口處形成填塞層，提高承壓能力。常用的有纖維、剛性顆粒等。蘇曉明等人針對高溫地層研究了抗高溫、高承壓的堵漏劑［31］；艾正清等人研制的多面鋸齒狀鋁合金顆粒GYD［32］可用于超深致密砂巖氣藏油基鉆井液，GYD顆粒能在油相中分散完全， 莫氏硬度接近5～6， 酸溶率可達(dá)90%以上， 實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)中地層縫內(nèi)高流動(dòng)阻力和高承壓的“高剛性架橋+纖維成網(wǎng)+變形填充”封堵功能。對于地層中一些納微米級孔隙和裂縫，常規(guī)封堵材料不能起到很好的效果，因此近年來對納米封堵劑的研究有所增加，如AM/AMPS/NVP三元共聚物納米堵劑［33］、納米二氧化硅凝膠［34］等，納米材料具有顆粒小、團(tuán)聚程度低等優(yōu)勢，能在液體介質(zhì)中均勻且穩(wěn)定地分散。西南石油大學(xué)以SnCl4·5H2O和苯并咪唑?yàn)橹餮兄频腘F-1納米封堵劑［35］， 是一種粒度達(dá)91.4 nm的一維無機(jī)納米材料， 在3%的膨潤土基漿中添加5%的NF-1， 測得30 min濾失量為12.8 mL（105℃、3.5 MPa）， 說明該納米封堵材料性能優(yōu)異，封堵效果好。

1.7.2 填充變形材料

此類材料可變形、膨脹，充填骨架材料間形成的微小孔隙， 起壓實(shí)填充作用。 常用的有凝膠、瀝青、彈性石墨、橡膠、樹脂等。 可變形的凝膠與其他材料復(fù)配使用，可有效提高封堵防塌防漏效果，如針對非均質(zhì)儲(chǔ)層的溫敏變形封堵劑SMSHIELD-2［36］、劉文堂等人研制的油基鉆井液用球狀凝膠復(fù)合封堵劑［37］、馬文英等人研制的凝膠微球BAG-1［38］，中海油服用磺化瀝青與其他材料的復(fù)配物研制成一種抗高溫油基鉆井液封堵劑PF-MOSHIELD［39］。 蔣官澄等人針對常規(guī)堵漏材料難以對非均質(zhì)強(qiáng)的滲透地層實(shí)現(xiàn)隨鉆封堵的難題，合成了疏水締合聚合物JD［40］，聚合物之間形成了尺寸約為0.1～0.2 μm的疏水締合結(jié)構(gòu)， 并與膨潤土間形成動(dòng)態(tài)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，具有良好的封堵性能。

2 結(jié)論

（1）目前堵漏材料種類多樣，能處理大部分常規(guī)漏失問題，但可用于嚴(yán)重漏失地層的堵漏劑品種有限， 常用的水泥堵劑會(huì)被地層中的液相沖蝕、稀釋而失去效果，需開發(fā)抗沖釋、強(qiáng)滯留的固結(jié)類堵漏劑。

（2）化學(xué)類堵漏材料適用性好、種類多，應(yīng)用最為廣泛，但仍存在產(chǎn)品質(zhì)量不易控制、現(xiàn)場配置程序復(fù)雜、高溫耐久性差、承壓能力較低等不足，需開展針對性的改進(jìn)。 其合成單體多為丙烯酰胺、丙烯酸等，比較單一，有待于進(jìn)一步探索更經(jīng)濟(jì)高效的原料及合成方法。

（3）研制耐高溫、高強(qiáng)度的橋接堵漏材料是當(dāng)務(wù)之急。

（4）形狀記憶型智能材料、納微米堵漏劑等新型堵漏材料的研究尚處于初步階段，應(yīng)加強(qiáng)其適應(yīng)性和綜合性能的研究。