溫敏形狀記憶堵漏材料實(shí)驗(yàn)研究

馮杰，臧曉宇，邱正松，暴丹，鄭力會(huì)

（1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院,北京 102249；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司,北京 102206；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580）

在鉆井作業(yè)過(guò)程中，裂縫性地層漏失通道大、漏失速度快，堵漏材料難以在裂縫內(nèi)形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的致密承壓封堵層，導(dǎo)致鉆井液堵漏作業(yè)難度大[1–2]。橋接堵漏法是目前處理裂縫性漏失最常用的方法，但其依賴于對(duì)漏失通道尺寸的掌握以及對(duì)橋接堵漏材料的合理匹配，地層裂縫特征參數(shù)（開(kāi)度、深度等）具有可變、不確定和多尺度特性，堵漏材料粒徑級(jí)配不合理時(shí)，容易產(chǎn)生封門(mén)或隨堵漏漿流向地層深處，導(dǎo)致堵漏作業(yè)失敗[3–4]。形狀記憶材料具有通過(guò)外部因素（熱、光、磁、電、化學(xué)等）觸發(fā)的響應(yīng)機(jī)制，釋放內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力釋放及形狀變化[5–6]。形狀記憶聚合物具有形變量大、加工性能好、相對(duì)密度小、耐腐蝕、激活溫度可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜裂縫性地層防漏堵漏領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[7–10]?；谛螤钣洃浘酆衔锏男螤钣洃?、回復(fù)機(jī)理，制備了具有熱激活特性的形狀記憶堵漏材料，其具有較好的封堵效果及自適應(yīng)性，為解決復(fù)雜裂縫性漏失提供了技術(shù)新途徑。

1 原料與制備方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與儀器

環(huán)氧樹(shù)脂單體（EP），酸酐固化劑（PA），工業(yè)純；胺類促進(jìn)劑（EDA），甲基硅油，化學(xué)純。Vertex70型傅里葉紅外光譜儀（德國(guó)布魯克公司），真空干燥箱（青島藍(lán)特恩科教儀器設(shè)備有限公司），集熱式磁力攪拌器（常州丹瑞實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備有限公司），熱壓成型機(jī)（東莞東合機(jī)械設(shè)備有限公司），振動(dòng)篩分儀（旭鑫儀器）。

1.2 制備方法

將環(huán)氧樹(shù)脂單體和酸酐固化劑倒入燒杯中，加熱到60 ℃攪拌10 min，混合均勻后逐滴加入胺類促進(jìn)劑，攪拌5 min后將混合物澆注到涂有甲基硅油的模具中，放入干燥箱中升溫固化。固化完成后，取出試樣冷卻后脫模，將試樣靜置于120 ℃油浴鍋中5 min后，借助熱壓成型機(jī)，加壓保持外力10 min，冷卻卸載外力，通過(guò)粉碎、造粒及篩分得到不同粒徑的溫敏形狀記憶堵漏劑顆粒。

2 溫敏形狀記憶堵漏劑性能評(píng)價(jià)

2.1 紅外光譜分析

測(cè)試溫敏形狀記憶聚合物的官能團(tuán)的分布情況，紅外光譜圖如圖1所示。由圖1可知，2923 cm?1處為C—H鍵伸縮振動(dòng)吸收峰，1184處為C—O—C特征吸收峰，1230 cm?1處為酸酐特征吸收峰，1727 cm?1處出現(xiàn)了酯羰基的C=O吸收峰，表明酸酐固化劑參與反應(yīng)生成了酯鍵，環(huán)氧樹(shù)脂單體與酸酐固化劑成功發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng)。

圖1 溫敏形狀記憶聚合物紅外光譜圖

2.2 強(qiáng)度測(cè)試

參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2567—2008制備了直徑10 mm、高度25 mm的圓柱狀試樣，測(cè)試了溫敏形狀記憶聚合物的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表1和圖2。

表1 溫敏形狀記憶聚合物抗壓性能

圖2 溫敏形狀記憶聚合物受壓縮破壞狀態(tài)

由表1和圖2可知，常溫下形狀記憶聚合物體系壓縮后發(fā)生脆性破壞，抗壓強(qiáng)度較高，壓縮應(yīng)變小，材料剛度大；高溫下，材料由硬脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄裕瑒偠葴p小，韌性增加，受壓后發(fā)生塑性變形，在井底高溫下不易破碎。隨固化劑含量增加，聚合物體系的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，這是由于交聯(lián)度隨固化劑含量增加而升高，使得體系的交聯(lián)密度增大，兩相間的物理交聯(lián)點(diǎn)增多，加大了承受載荷的能力。

2.3 形狀記憶性能測(cè)試

將溫敏形狀記憶聚合物試樣固定成90°置于油浴鍋中加熱，初始溫度設(shè)置為20 ℃并逐漸升溫，其形狀記憶性能見(jiàn)表2。SMEP-3不同溫度下形狀回復(fù)率與時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖3。

表2 溫敏形狀記憶聚合物形狀記憶性能參數(shù)

圖3 SMEP-3形狀記憶聚合物形狀回復(fù)率與時(shí)間關(guān)系

由表2可知，隨固化劑含量增加，形狀回復(fù)開(kāi)始和結(jié)束的溫度均升高，不同固化度的溫敏形狀記憶聚合物體系具有不同的形狀回復(fù)溫度范圍，可針對(duì)漏失層位溫度合理選擇使用；不同形狀記憶聚合物體系的最終形狀回復(fù)率均可超過(guò)95%，具有良好形狀回復(fù)特性。由圖3可知，形狀回復(fù)速度隨溫度升高而增大，形狀回復(fù)率達(dá)到最大所需時(shí)間為幾分鐘至十幾分鐘，可根據(jù)漏失通道開(kāi)度和漏失層位溫度合理選擇使用；形狀回復(fù)率隨溫度升高而增大，100 ℃下形狀回復(fù)率為80%左右，到達(dá)或超過(guò)激活溫度后形狀回復(fù)率接近100%。

2.4 顆粒膨脹性能測(cè)試

將制備的溫敏形狀記憶聚合物粉碎、造粒便可得到具有熱激活特性的形狀記憶堵漏劑顆粒，以SMEP-3體系為例，測(cè)試了不同溫度下溫敏形狀記憶堵漏劑顆粒的粒徑增長(zhǎng)率，結(jié)果見(jiàn)圖4?？芍?，達(dá)到激活溫度前粒徑顆粒不發(fā)生膨脹，有利于隨鉆井液進(jìn)入漏失通道；達(dá)到激活溫度后，隨溫度升高粒徑增長(zhǎng)率逐漸增大，完全膨脹后粒徑增長(zhǎng)率超過(guò)55%，確保在井下高溫環(huán)境中能夠發(fā)揮架橋封堵作用。

圖4 SMEP-3溫敏形狀記憶顆粒膨脹性能

3 裂縫封堵特性研究及堵漏配方構(gòu)建

配制堵漏基漿（4%膨潤(rùn)土漿+0.4%CMC-HV），采用不同開(kāi)度楔形裂縫實(shí)驗(yàn)?zāi)K，模擬不同溫度、壓力下堵漏劑的封堵效果，并進(jìn)行溫敏形狀記憶堵漏配方優(yōu)化，所用顆粒粒度區(qū)間劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 顆粒粒度區(qū)間劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.1 溫度對(duì)裂縫封堵效果的影響

探討溫度對(duì)溫敏形狀記憶堵漏劑的裂縫封堵效果的影響，結(jié)果見(jiàn)表4?？芍?，設(shè)計(jì)的封堵配方以小顆粒溫敏形狀記憶堵漏劑為主，粒徑不超過(guò)2 mm，由于在室溫下不發(fā)生熱致膨脹，配方中缺乏大粒徑架橋顆粒，無(wú)法對(duì)裂縫進(jìn)行有效封堵；升高溫度至80 ℃，顆粒發(fā)生不完全膨脹，可在裂縫中進(jìn)行架橋，但封堵層承壓能力較低；升高溫度至100 ℃，顆粒在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大程度膨脹，形成了較為致密的封堵層，提高了承壓能力及封堵效率，降低了鉆井液漏失量。配方如下。

表4 不同溫度下裂縫封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1#2% SMEP（10～20目）+3% SMEP（20～40目）+1% SMEP（40～80目）

3.2 裂縫封堵效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)

選擇3 mm×2 mm的楔形長(zhǎng)裂縫，溫度設(shè)置為100 ℃，選擇碳酸鈣顆粒、彈性橡膠顆粒和溫敏形狀記憶堵漏劑進(jìn)行裂縫封堵效果對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表5。配方如下。

表5 不同類型堵漏材料裂縫封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，在濃度及粒徑級(jí)配相同的條件下，碳酸鈣堵漏配方和彈性橡膠堵漏配方無(wú)法對(duì)3 mm×2 mm裂縫進(jìn)行有效封堵；而溫敏形狀記憶堵漏劑進(jìn)入裂縫后在高溫作用下發(fā)生熱致膨脹，體積增大，可在裂縫中實(shí)現(xiàn)架橋封堵。增大碳酸鈣堵漏配方中架橋顆粒的粒徑，由于剛性顆粒對(duì)裂縫敏感性較強(qiáng)，適應(yīng)性差，粒徑稍大則不易進(jìn)入漏失通道，封堵層承壓能力較低；增大彈性橡膠堵漏配方中架橋顆粒的粒徑，由于彈性橡膠顆粒彈性模量小，受壓易發(fā)生形變，導(dǎo)致封堵層穩(wěn)定性較差，承壓能力相對(duì)較低。而溫敏形狀記憶堵漏劑激活前體積較小，易進(jìn)入漏失通道，激活后強(qiáng)度大，不易形變，封堵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

3.3 溫敏形狀記憶堵漏體系配方構(gòu)建

選擇裂縫開(kāi)度為3 mm×2 mm的楔形長(zhǎng)裂縫，溫度設(shè)置為100 ℃，通過(guò)溫敏形狀記憶堵漏劑顆粒（SMEP）與不同類型堵漏材料的協(xié)同作用，進(jìn)行溫敏致密承壓堵漏配方構(gòu)建。由表6可知，溫敏形狀記憶堵漏劑復(fù)配剛性碳酸鈣顆粒后，由于剛性碳酸鈣顆粒高剛度和高彈性模量的特性，架橋后形成的封堵層骨架具有更高強(qiáng)度，可提高封堵層突破壓力；溫敏形狀記憶堵漏劑復(fù)配彈性橡膠顆粒后，由于彈性橡膠顆粒具有受壓變形特性，可填充封堵層空隙，形成的封堵層更加致密，降低鉆井液漏失量；溫敏形狀記憶堵漏劑復(fù)配纖維后，纖維分布于封堵層內(nèi)部，有利于增加堵漏劑顆粒間的剪切強(qiáng)度，可改善封堵層整體穩(wěn)定性提高封堵層突破壓力。

表6 不同類型堵漏材料協(xié)同封堵實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采取“形狀記憶顆粒+剛性架橋顆粒+彈性填充顆粒+纖維”的技術(shù)思路，通過(guò)合理的濃度控制及粒度級(jí)配，結(jié)合承壓堵漏實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建出一套具有較強(qiáng)自適應(yīng)性的堵漏體系配方。采用自制裂縫封堵模擬實(shí)驗(yàn)裝置評(píng)價(jià)其裂縫封堵性能及自適應(yīng)性，結(jié)果如表7所示。由表7可知，在高溫下采用一套溫敏形狀記憶堵漏工作液配方便可對(duì)3～5 mm不同開(kāi)度裂縫實(shí)現(xiàn)封堵，承壓能力大于9 MPa且漏失量較小，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)協(xié)同封堵。

表7 自適應(yīng)協(xié)同堵漏體系的封堵性能

4 結(jié)論

1.研制的溫敏形狀記憶堵漏劑具有良好的力學(xué)及形狀記憶性能，其形狀回復(fù)率大于95%，形狀回復(fù)溫度范圍可調(diào)，形狀回復(fù)時(shí)間范圍較寬。

2.達(dá)到激活溫度前，溫敏形狀記憶堵漏劑顆粒不發(fā)生膨脹；進(jìn)入漏層達(dá)到激活溫度后，隨溫度升高粒徑增長(zhǎng)率逐漸增大，完全膨脹后粒徑增長(zhǎng)率超過(guò)55%，確保在井下高溫環(huán)境中發(fā)揮架橋封堵作用。

3.溫敏形狀記憶堵漏劑達(dá)到激活溫度后裂縫封堵效果顯著提升，且高溫激活后封堵效果優(yōu)于傳統(tǒng)橋接堵漏材料，協(xié)同其他類型橋接堵漏材料，構(gòu)建出一套溫敏形狀記憶堵漏工作液配方，具有較強(qiáng)自適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)采用一套配方可成功封堵3～5 mm不同開(kāi)度的裂縫。