油氣鉆采領(lǐng)域功能膠黏材料研究進(jìn)展及前景

孫金聲，雷少飛，白英睿，呂開(kāi)河，程榮超，郝惠軍，劉凡

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

0 引言

歷經(jīng)多年的科技攻關(guān)，中國(guó)石油工業(yè)形成了以堵漏劑、固壁劑、支撐劑和調(diào)剖堵水劑等為核心的油氣鉆采主體功能性材料，提高了油氣田開(kāi)發(fā)效益，取得了重大突破。隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)向頁(yè)巖油氣、致密油氣、深層和深水等資源領(lǐng)域拓展，油氣鉆采工程面臨更加苛刻的地質(zhì)條件，在惡性漏失控制、井壁穩(wěn)定、水力壓裂和提高采收率等方面存在諸多技術(shù)難題[1-5]，亟需石油企業(yè)研發(fā)高端油氣鉆采材料，突破油氣勘探開(kāi)發(fā)中遇到的“卡脖子”難題。

功能膠黏材料是指在光、電、熱和化學(xué)等環(huán)境作用下，通過(guò)范德華力、化學(xué)鍵或靜電吸附等方式，可將兩種材料界面黏結(jié)起來(lái)的材料[6]。功能膠黏材料具有優(yōu)異的黏結(jié)性能，在石油、建筑和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。研發(fā)基于功能膠黏材料的堵漏劑、調(diào)剖堵水劑、支撐劑和固壁劑等油氣鉆采主體材料，有望解決油氣鉆采工程中面臨的惡性漏失、井壁失穩(wěn)、水力壓裂效果不理想和提高采收率難度大等技術(shù)難題，為復(fù)雜深層、非常規(guī)、低滲透、低品質(zhì)和深水油氣高效開(kāi)發(fā)提供重要支撐。

本文系統(tǒng)介紹功能膠黏材料的組成及分類，分析功能膠黏材料的吸附/界面反應(yīng)、擴(kuò)散、機(jī)械互鎖和靜電吸附等黏結(jié)作用機(jī)理，綜述了其在防漏堵漏、井壁穩(wěn)定、水力壓裂和提高采收率等油氣鉆采工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，展望了未來(lái)功能膠黏材料在油氣鉆采領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 功能膠黏材料的分類及性能評(píng)價(jià)

1.1 功能膠黏材料的分類

依據(jù)功能膠黏材料的主要化學(xué)成分，常用的功能膠黏材料可分為熱塑性、熱固性、彈性體型和復(fù)合型4種類型。

①熱塑性膠黏材料：主要指由線性或支化未交聯(lián)大分子組成的膠黏材料，其在常溫下為固態(tài)，高溫時(shí)可熔融成黏稠液體。黏結(jié)被黏物時(shí)，高分子鏈段可通過(guò)擴(kuò)散、糾纏等作用潤(rùn)濕被黏物，隨后冷卻固化。熱塑性膠黏材料可分為配方型和分子設(shè)計(jì)型：配方型熱塑性膠黏材料的黏結(jié)性能主要通過(guò)各種樹(shù)脂或添加劑的組合來(lái)平衡，常見(jiàn)的配方型熱塑性膠黏材料有乙烯醋酸乙烯（EVA）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）等；分子設(shè)計(jì)型熱塑性膠黏材料的黏結(jié)性能取決于基礎(chǔ)聚合物單體的選擇，常見(jiàn)的分子設(shè)計(jì)型熱塑性膠黏材料有聚氨酯、聚酰胺和聚丙烯酰胺等。常規(guī)熱塑性膠黏材料黏結(jié)強(qiáng)度低，耐水性差，學(xué)者們研發(fā)了可固化熱塑性膠黏材料，該材料在高溫下先熔融，隨后在一定條件下發(fā)生固化反應(yīng)，如Zhao等[7]基于硅烷改性合成了一種超疏水濕固化聚氨酯膠黏涂料，受益于 Si—O—Si形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，該涂層表現(xiàn)出較好的黏結(jié)強(qiáng)度和機(jī)械性能。

②熱固性膠黏材料：主要指具有三維網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu)的交聯(lián)聚合物，其耐熱性和耐溶劑性能優(yōu)于熱塑性膠黏材料。熱固性膠黏材料有 2種固化方法：一種是通過(guò)在線型結(jié)構(gòu)的聚合物中加入固化劑或其他助劑進(jìn)行固化，如環(huán)氧樹(shù)脂固化和橡膠硫化等；二是具有多種官能團(tuán)的聚合物通過(guò)縮聚或聚合等方式進(jìn)行固化，如脲醛樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂和聚氨酯等膠黏材料。近年來(lái)，學(xué)者通過(guò)向熱固性膠黏材料中引入動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵，構(gòu)建了新型自愈合熱固性膠黏材料，如 Kuang等[8]采用Diels-Alder型加合物交聯(lián)劑和環(huán)氧樹(shù)脂合成了一種自愈合動(dòng)態(tài)可逆環(huán)氧樹(shù)脂，該膠黏材料黏結(jié)強(qiáng)度可達(dá)3 MPa，在反復(fù)斷裂后，仍可以熱愈合完全恢復(fù)。

③彈性體型膠黏材料：主要指以橡膠、熱塑性彈性體等為主體材料配制而成的膠黏材料，具有優(yōu)異的韌性和伸長(zhǎng)率，該材料在高溫條件不會(huì)完全熔化，黏結(jié)強(qiáng)度相對(duì)較低，但柔韌性極佳。常用的彈性體膠黏材料有丁腈橡膠、熱塑性彈性體和有機(jī)硅橡膠等。Zhang等[9]通過(guò)聚合反應(yīng)將 3,5二乙炔基吡啶接枝到聚二甲硅氧烷樹(shù)脂中，合成了具有自修復(fù)功能的彈性體膠黏材料。

④復(fù)合型膠黏材料：主要指由熱固性、熱塑性或彈性體型膠黏材料中的兩種或多種具有不同化學(xué)基團(tuán)的樹(shù)脂組合構(gòu)成的膠黏材料，該材料的性能通過(guò)不同類型的樹(shù)脂來(lái)平衡，與其他膠黏材料相比具有更寬的溫度適用范圍。常見(jiàn)的復(fù)合型膠黏材料有酚醛-丁腈橡膠、環(huán)氧-丁腈橡膠和環(huán)氧-聚氨酯等。Sivanesan等[10]采用己內(nèi)酯和三環(huán)癸二醇合成新型聚氨酯彈性體改性環(huán)氧樹(shù)脂膠黏材料。與環(huán)氧樹(shù)脂膠黏材料相比，該膠黏材料具有更好的黏結(jié)、抗拉伸和耐沖擊性能。

1.2 功能膠黏材料性能評(píng)價(jià)

黏結(jié)是指兩個(gè)不同的材料通過(guò)緊密的界面接觸而結(jié)合在一起的狀態(tài)，這種將兩種材料黏結(jié)起來(lái)的界面力可能是范德華力、化學(xué)鍵或靜電吸附等作用。膠黏材料的性能可通過(guò)化學(xué)結(jié)構(gòu)表征、相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定、形態(tài)觀察、穩(wěn)定性分析、黏彈性和力學(xué)性能分析等方法進(jìn)行表征和性能評(píng)價(jià)[11]。

2 功能膠黏材料黏結(jié)機(jī)理

功能膠黏材料的黏結(jié)是一個(gè)復(fù)雜的物理或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，根據(jù)黏結(jié)作用力的不同可分為吸附/界面反應(yīng)、擴(kuò)散、機(jī)械結(jié)合和靜電等黏結(jié)機(jī)理。

2.1 吸附/界面反應(yīng)黏結(jié)機(jī)理

吸附/界面反應(yīng)黏結(jié)機(jī)理包括吸附機(jī)理、化學(xué)鍵機(jī)理和酸堿機(jī)理 3種。吸附機(jī)理認(rèn)為黏結(jié)本質(zhì)是一種吸附作用，黏結(jié)力是由兩種材料之間的分子接觸和表面張力引起的；化學(xué)鍵機(jī)理認(rèn)為黏結(jié)主要是離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵等化學(xué)鍵力作用的結(jié)果，化學(xué)鍵是分子中相鄰兩原子之間的強(qiáng)烈吸引力，比分子間范德華力大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)；酸堿機(jī)理認(rèn)為黏附力是由黏結(jié)界面上路易斯酸與堿的極性吸引引起的，氫鍵就是一種特殊的酸堿相互作用，雖然氫鍵的強(qiáng)度低于離子鍵和共價(jià)鍵，但卻是次價(jià)鍵力中最重要的一種。

2.2 擴(kuò)散理論黏結(jié)機(jī)理

擴(kuò)散理論認(rèn)為高分子材料之間的黏結(jié)是聚合物表面分子或鏈段處于不停熱運(yùn)動(dòng)所引起的相互擴(kuò)散作用的結(jié)果。黏結(jié)過(guò)程中，功能膠黏材料與被黏物之間的界面逐漸消失，變成一個(gè)過(guò)渡區(qū)，最后在過(guò)渡區(qū)形成相互穿插交織的牢固黏結(jié)，如熱塑性樹(shù)脂和橡膠的自黏現(xiàn)象就是典型的擴(kuò)散黏結(jié)。Prager等[12]的研究表明，當(dāng)溫度高于玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，兩個(gè)相同的無(wú)定型聚合物可通過(guò)鏈段運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散而黏結(jié)。

2.3 機(jī)械互鎖黏結(jié)機(jī)理

機(jī)械互鎖理論認(rèn)為黏結(jié)是一個(gè)機(jī)械結(jié)合過(guò)程，是膠黏材料對(duì)被黏物的黏結(jié)界面機(jī)械附著的結(jié)果。黏結(jié)過(guò)程中，功能膠黏材料首先在粗糙多孔固體表面流動(dòng)、擴(kuò)散和滲入，然后填滿凹凸不平的被黏物表面，隨后膠黏材料膠凝或固化，形成無(wú)數(shù)微小的“釘鍵”、“鉤鍵”或“根鍵”達(dá)到黏結(jié)效果，功能膠黏材料在被黏物表面滲透越深，膠鍵越多，膠結(jié)強(qiáng)度就越高。Xie等[13]通過(guò)化學(xué)處理在金屬材料表面形成納米孔，實(shí)現(xiàn)聚合物和金屬材料的機(jī)械結(jié)合，黏結(jié)強(qiáng)度高達(dá)20 MPa以上。

2.4 靜電吸附黏結(jié)機(jī)理

靜電理論認(rèn)為黏結(jié)是膠黏材料和被黏物之間靜電效應(yīng)作用的結(jié)果，不同材料具有不同的電子帶結(jié)構(gòu)，功能膠黏材料和被黏物之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，在黏結(jié)界面處形成雙電層，通過(guò)靜電力相互作用達(dá)到黏結(jié)效果。Zhang等[14]研發(fā)了一種由離子交換引發(fā)的聚電解質(zhì)水下功能膠黏材料，這種通過(guò)陰陽(yáng)離子的靜電引力形成的功能膠黏材料具有較強(qiáng)的黏結(jié)強(qiáng)度，采用表面張力儀測(cè)試的黏結(jié)力大于2 J/m2。

3 功能膠黏材料在石油鉆采領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 在防漏、堵漏領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

惡性漏失是最常見(jiàn)且最難治理的井下復(fù)雜事故，常規(guī)橋接堵漏材料存在與裂縫不匹配，封堵層顆粒間缺乏黏結(jié)力，承壓能力不足和一次堵漏成功率低等問(wèn)題[2]。聚合物凝膠類堵漏材料抗溫、抗鹽和承壓能力普遍較差?？晒袒侣┎牧瞎袒瘡?qiáng)度和固化時(shí)間不可控，且存在施工安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于熱塑性樹(shù)脂和熱固性樹(shù)脂等材料研發(fā)了具有黏結(jié)特性的堵漏材料。如Khoshmardan等[15]采用纖維改性的聚丙烯進(jìn)行堵漏，該堵漏材料在玻璃轉(zhuǎn)化溫度以上可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自黏結(jié)封堵漏失通道，在5.08 mm（0.2 in）寬的裂縫中承壓能力高達(dá) 5 MPa，性能優(yōu)于常規(guī)堵漏材料；白英睿等[16]采用EVA、聚苯乙烯等改性熱塑性樹(shù)脂顆粒與橋接堵漏顆粒協(xié)同封堵裂縫，在高溫下的封堵壓力可達(dá)9.3 MPa；劉偉等[17]采用聚醚、二苯基甲烷二異氰酸酯和甲乙酮肟等合成了一種油基交聯(lián)固化黏結(jié)堵漏劑，在封堵5 mm寬縫板時(shí)，承壓能力高達(dá)6 MPa；王在明等[18]采用雙酚A環(huán)氧樹(shù)脂、酮亞胺和偶聯(lián)劑等合成了一種膠黏堵漏劑，將其涂覆在橋接堵漏材料上，可形成具有自固結(jié)特性的堵漏劑。

相對(duì)于云母、核桃殼等傳統(tǒng)堵漏材料，功能性膠黏堵漏劑（如纖維改性聚丙烯）可在大孔隙、大裂縫和溶洞等漏失通道架橋、黏結(jié)形成高強(qiáng)度整體封堵層，大幅提高封堵層承壓能力，減小漏失量，有效控制惡性漏失（見(jiàn)圖1）。

圖1 纖維改性聚丙烯承壓堵漏實(shí)驗(yàn)（據(jù)文獻(xiàn)[15]修改）

3.2 在井壁穩(wěn)定領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

泥頁(yè)巖井壁在外力作用下容易開(kāi)裂、縮頸，造成井下地質(zhì)力學(xué)平衡破壞，甚至導(dǎo)致井壁坍塌[19]。目前主要通過(guò)封堵頁(yè)巖納米孔隙或抑制頁(yè)巖水化膨脹減輕鉆井液對(duì)井壁穩(wěn)定性的不利影響，但由于不能完全抑制泥頁(yè)巖水化膨脹或阻止自由水濾失，常規(guī)固壁劑只是一定程度上減輕了井壁失穩(wěn)造成的影響，對(duì)極易坍塌地層則不適用。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了具有黏結(jié)性質(zhì)的固壁劑。蔣官澄等[3]借鑒貽貝蛋白的超強(qiáng)黏附性能，將鄰苯二酚基團(tuán)接枝在聚合物主鏈上，研制了仿生固壁劑，該材料具有優(yōu)良的固壁和抑制性能，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好；孫金聲等[20]采用殼聚糖等含氫鍵結(jié)構(gòu)單元與多酚化合物制備了自愈合黏結(jié)固壁劑，通過(guò)氫鍵作用或靜電作用吸附于巖石表面，隨后黏結(jié)為高強(qiáng)度的固壁層；張縣民[21]將丙烯酰胺等單體接枝到聚乙烯醇上，制備了一種井壁穩(wěn)定劑，能夠增加泥頁(yè)巖顆粒間的黏結(jié)力，阻止泥頁(yè)巖水化分散；董騰飛[22]采用二甲基二烯丙基氯化銨、乙酸乙烯酯和丙烯酰胺基等單體制備了一種陽(yáng)離子聚合物型固壁劑，可通過(guò)靜電作用和氫鍵作用，黏結(jié)在黏土表面，減少黏土表面水化作用。

3.3 在水力壓裂領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

支撐劑是提高壓裂改造效果的關(guān)鍵材料，目前最常用的支撐劑包括天然石英砂和陶粒。石英砂硬度低，破碎率高，容易封堵儲(chǔ)集層裂縫或孔隙，難以適用于高壓深井環(huán)境；陶粒支撐劑硬度高，抗破碎能力強(qiáng)，但是其密度較大，施工風(fēng)險(xiǎn)高[23]。同時(shí)常規(guī)支撐劑在地層中容易回流，堵塞油氣滲流通道，影響油氣井產(chǎn)能。針對(duì)上述問(wèn)題，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研發(fā)了具有黏結(jié)作用的樹(shù)脂覆膜支撐劑。

目前樹(shù)脂覆膜支撐劑主要有熱固性覆膜支撐劑（可細(xì)分為預(yù)固化和可固化 2種）和熱塑性覆膜支撐劑 2種。Zoveidavianpoor等[4]的研究表明覆膜支撐劑具有較高的強(qiáng)度和柔韌性，在深層高壓下可使裂縫保持較高的導(dǎo)流能力（見(jiàn)表1）；Rediger等[24]采用聚乙烯、聚丙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等熱塑性膠黏材料涂覆支撐劑，在地層高溫條件下，熱塑性樹(shù)脂軟化自黏，有效防止了支撐劑回流，對(duì)油氣滲流通道堵塞問(wèn)題具有較好的預(yù)防能力；Li等[25]基于可逆氫鍵的相互作用，研發(fā)了一種具有優(yōu)異自修復(fù)黏結(jié)特性的聚酯支撐劑，在水力壓裂中顯示出巨大的應(yīng)用潛力；Xu等[26]采用多孔樹(shù)脂包覆陶粒制造了一種自懸浮支撐劑，其自懸浮能力比常規(guī)支撐劑提高11倍，附著力提高23.7%。

表1 支撐劑涂層黏結(jié)聚合物及其性能[4]

與常規(guī)支撐劑石英砂和陶粒相比，功能黏結(jié)材料覆膜支撐劑密度低、抗壓強(qiáng)度高，具有較好的懸浮和黏結(jié)能力，可有效支撐人工裂縫，防止支撐劑回流，提高裂縫導(dǎo)流能力。

3.4 在調(diào)剖堵水領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

老油田、非常規(guī)油氣和碳酸鹽巖油田開(kāi)發(fā)過(guò)程中面臨著儲(chǔ)集層非均質(zhì)性強(qiáng)、含水飽和度高、高溫和高鹽等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了開(kāi)發(fā)效果[27]。常規(guī)地下交聯(lián)凝膠具有較高的注入能力，在地層中的流動(dòng)能力強(qiáng)，能夠滲入儲(chǔ)集層深部，但其成膠作用易受油藏溫度、礦化度和地層剪切力等影響，成膠時(shí)間和成膠強(qiáng)度不易控制，易堵塞低滲透層；預(yù)交聯(lián)凝膠強(qiáng)度和顆粒大小可控，可避免進(jìn)入低滲透層，膠液不受設(shè)備、油藏條件的影響，但存在大顆粒無(wú)法進(jìn)入常規(guī)多孔介質(zhì)、小顆粒無(wú)法在裂縫和大孔道形成有效封堵、深部運(yùn)移調(diào)控能力差等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于功能黏結(jié)材料，研發(fā)了黏結(jié)調(diào)剖堵水劑。Michael等[28]基于原位合成法，采用聚丙烯酰胺、對(duì)苯二酚和氧化石墨烯等合成了一種具有黏結(jié)特性的自修復(fù)凝膠堵水劑，其在地層中黏結(jié)修復(fù)率可達(dá) 77%；陳康等[29]采用丙烯酸樹(shù)脂和丁腈橡膠等材料，研發(fā)出一種適用于縫洞型油藏的自黏結(jié)顆粒堵劑，在高溫條件下可通過(guò)分子鏈段運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散而自黏，形成具有較高承壓強(qiáng)度的整體封堵層；陳世軍等[30]將酚醛樹(shù)脂注入地層，通過(guò)在地層固化黏結(jié)形成高強(qiáng)度交聯(lián)封堵帶，該封堵帶具有良好的耐鹽抗溫性能，封堵率高達(dá)90%以上；Zhao等[31]采用改性環(huán)氧樹(shù)脂涂覆顆粒制備了一種黏結(jié)封堵劑，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果表明該堵劑在 140 ℃高溫和高鹽條件下能夠黏結(jié)封堵，突破壓力可達(dá)10 MPa左右。

相對(duì)于常規(guī)的聚合物凝膠類堵劑，基于功能黏結(jié)材料的樹(shù)脂類黏結(jié)堵水劑具有較高的抗溫和抗鹽能力，能夠在孔喉黏結(jié)固化或黏結(jié)架橋，減小喉道過(guò)流斷面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大孔喉或裂縫的有效調(diào)控。

4 功能膠黏材料在石油鉆采領(lǐng)域的應(yīng)用挑戰(zhàn)

功能黏結(jié)材料具有優(yōu)異的環(huán)境響應(yīng)和黏結(jié)性能，在油氣鉆采領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但功能黏結(jié)材料在石油鉆采領(lǐng)域的應(yīng)用還存在以下問(wèn)題。

①惡性漏失控制方面：功能膠黏堵漏劑提高了一次堵漏成功率，但仍然存在黏結(jié)力不足、承壓能力較低、施工安全風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題。熱塑性膠黏堵漏劑依靠高分子鏈段在高溫下擴(kuò)散和糾纏自黏，導(dǎo)致其與常規(guī)橋接堵漏顆粒和巖石壁面的黏結(jié)力不足；熱固性膠黏堵漏劑施工安全風(fēng)險(xiǎn)高，成膠時(shí)間和強(qiáng)度不易控制。因此，仍需進(jìn)一步優(yōu)化基于功能膠黏堵漏劑的配方，加強(qiáng)推廣應(yīng)用。

②井壁穩(wěn)定方面：基于功能膠黏材料的仿生固壁劑具有優(yōu)良的固壁性和抑制性，取得了良好的應(yīng)用效果，但成本較高，固壁能力仍然有限。因此，膠黏固壁劑合成單體仍需進(jìn)一步優(yōu)化降低成本，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

③水力壓裂支撐劑方面：基于功能膠黏材料的覆膜支撐劑密度低、抗壓性能好，可防止支撐劑回流，但覆膜支撐劑仍存在諸多局限。預(yù)固化覆膜支撐劑在地面形成三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)，在高溫下黏結(jié)聚集能力不足，預(yù)防支撐劑回流能力有限；可固化覆膜支撐劑在高溫中熔融固化，但固化時(shí)間不可控；熱塑性樹(shù)脂覆膜支撐劑通過(guò)熔融黏結(jié)，熔融時(shí)容易導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度不足。

④調(diào)剖堵水方面：基于功能膠黏材料的調(diào)剖堵水劑克服了常規(guī)堵水劑的一些缺點(diǎn)，在提高采收率方面取得了較好的效果，具有廣泛的應(yīng)用前景，但現(xiàn)有產(chǎn)品仍具有一定的局限性。聚合物凝膠類堵水劑耐溫性能差，削弱了凝膠強(qiáng)度；熱塑性或橡膠類自黏堵水劑黏結(jié)性能差，影響了其對(duì)裂縫/溶洞的封堵效果；基于地下交聯(lián)的熱固性樹(shù)脂固化時(shí)間和固化強(qiáng)度不易控制，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高。

5 功能膠黏材料在石油鉆采領(lǐng)域的應(yīng)用展望

5.1 在防漏堵漏領(lǐng)域的應(yīng)用展望

熱塑性膠黏堵漏劑以顆粒形態(tài)注入裂縫，具有使用方便、施工安全等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)最有前景的防漏堵漏材料之一，但該堵漏劑在裂縫中的黏結(jié)強(qiáng)度仍需進(jìn)一步提高，主要途徑有：①通過(guò)共混改性提高其初黏力和終黏力；②研發(fā)具有可固化特性的熱塑性堵漏劑。例如可通過(guò)將熱塑性黏結(jié)材料與增黏樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、馬來(lái)酸酐等共混改性，加快堵漏劑在高溫下分子鏈段的擴(kuò)散速度，增加其對(duì)巖石壁面或橋接堵漏材料表面的潤(rùn)濕性、黏結(jié)性，從而提高封堵層承壓堵漏能力?？刹捎梅忾]劑保護(hù)—NCO、硅烷改性或引入熱可逆共價(jià)鍵改性聚氨酯等熱塑性聚合物，使其在高溫下可先熔融黏結(jié)橋接堵漏材料，隨后固化為高強(qiáng)度的封堵層；熱塑性堵漏劑來(lái)源廣、成本低、耐溫性能好，可與常規(guī)橋接堵漏劑復(fù)配使用，提高堵漏料的承壓能力和一次堵漏成功率，有望解決鉆井過(guò)程中遇到的惡性漏失技術(shù)難題。

5.2 在井壁穩(wěn)定領(lǐng)域的應(yīng)用展望

基于類鄰苯二酚類（單寧酸等）和聚丙烯酰胺類的水下膠黏材料，具有成本低、黏結(jié)性能好的優(yōu)點(diǎn)，已成為固壁劑研究的重要方向之一，但井壁附著的水合陽(yáng)離子層的存在會(huì)阻礙巖石壁面與類鄰苯二酚基團(tuán)的接觸，從而阻礙類鄰苯二酚基團(tuán)與基材表面化學(xué)鍵或氫鍵的形成，鑒于此，可在膠黏固壁劑中引入正電荷結(jié)構(gòu)，在正電荷靜電排斥下移除井壁水合陽(yáng)離子，降低類鄰苯二酚基團(tuán)與巖石壁面接觸阻力。類鄰苯二酚基團(tuán)膠黏聚合物引入正電荷后，固壁劑黏附井壁的能力強(qiáng)，黏結(jié)強(qiáng)度高，在高溫鉆井液中具有較強(qiáng)的黏結(jié)性能，可膠結(jié)吸附在泥頁(yè)巖表面，提高泥頁(yè)巖強(qiáng)度，且生產(chǎn)成本低于鄰苯二酚類固壁劑，有望解決鉆井過(guò)程中遇到的井壁穩(wěn)定性差、窄密度窗口等難題。

5.3 在水力壓裂領(lǐng)域的應(yīng)用展望

熱固性樹(shù)脂覆膜支撐劑具有很強(qiáng)的力學(xué)性能和耐熱性能，但熱固性樹(shù)脂在裂縫中黏結(jié)力不足。可將二硫鍵、酯鍵、Diels-Alder鍵等熱可逆鍵引入熱固性樹(shù)脂中，賦予覆膜層高溫條件下黏結(jié)自修復(fù)性能，提高熱固性樹(shù)脂黏結(jié)能力，研發(fā)新型黏結(jié)覆膜支撐劑。較低溫度下，黏結(jié)覆膜支撐劑粒徑較常規(guī)支撐劑小，能有效運(yùn)移到復(fù)雜裂縫深處，在次級(jí)裂縫中運(yùn)移和沉降，隨后在地層高溫下，黏結(jié)支撐劑被激活，黏結(jié)為較大的顆粒，從而提高支撐劑強(qiáng)度，對(duì)裂縫形成有效支撐，并預(yù)防支撐劑回流。黏結(jié)覆膜支撐劑在裂縫中的流動(dòng)過(guò)程中，可黏結(jié)在裂縫壁面，減少支撐劑嵌入，同時(shí)保護(hù)裂縫壁面免受水化作用影響。新型黏結(jié)覆膜支撐劑結(jié)合了預(yù)固型和可固型覆膜支撐劑的優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的抗壓能力和優(yōu)異的黏結(jié)性能，可提高支撐劑在復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)中的輸送距離和鋪置范圍，有效防止支撐劑回流，實(shí)現(xiàn)支撐微裂縫的開(kāi)度最大化。

5.4 在調(diào)剖堵水領(lǐng)域的應(yīng)用展望

在調(diào)剖堵水領(lǐng)域，提高膠黏堵水劑的抗溫抗鹽能力、黏結(jié)封堵能力和施工安全性是目前需要攻關(guān)的重要方向，可通過(guò)將熱可逆共價(jià)鍵引入堵水劑中，構(gòu)建具有地下交聯(lián)和預(yù)交聯(lián)雙重優(yōu)點(diǎn)的黏結(jié)堵水劑。例如將熱可逆共價(jià)鍵引入聚氨酯中，通過(guò)聚合反應(yīng)在地面形成具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的黏結(jié)堵水劑顆粒：①當(dāng)該顆粒進(jìn)入高含水地層后，遇地層高溫激活，顆粒先熔融，隨后在動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵作用下自黏結(jié)，達(dá)到堵水目的；②聚氨酯材料中含有大量的氨基甲酸酯、羰基、脲基、醚氧鍵等易形成氫鍵的基團(tuán)，可與地層孔隙壁面進(jìn)行黏結(jié)；③高溫下—NCO基團(tuán)端熱解封，并與含活潑氫的化合物、儲(chǔ)集層中的水反應(yīng)擴(kuò)鏈，可形成耐鹽、耐溫和耐水解等性能優(yōu)異的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)堵水劑顆粒較大時(shí)，常規(guī)堵水劑難以進(jìn)入多孔介質(zhì)深部，易在注入端堆積形成污染，而黏結(jié)顆粒可通過(guò)高溫熔融變形通過(guò)大孔喉，在壓差作用下進(jìn)入多孔介質(zhì)深部，黏結(jié)在多孔介質(zhì)表面。當(dāng)堵水劑顆粒較小時(shí)，黏結(jié)顆?？身樌M(jìn)入多孔介質(zhì)深部，隨后在多孔介質(zhì)或溶洞中黏結(jié)架橋、固化或黏附。黏結(jié)堵水劑具有較高的耐溫性能、黏結(jié)性能和機(jī)械性能，易注入，粒徑可控，具有較好的深部運(yùn)移能力，可順利進(jìn)入多孔介質(zhì)深部，實(shí)現(xiàn)對(duì)大孔喉的有效調(diào)控，進(jìn)而大幅度提高后續(xù)水驅(qū)波及范圍，有望解決高溫、高鹽及縫洞型油藏水驅(qū)采收率低的難題。

6 結(jié)語(yǔ)

不同類型的功能膠黏材料具有不同的黏結(jié)機(jī)理、黏結(jié)強(qiáng)度和適用條件，在研發(fā)具體油氣鉆采主體材料時(shí)，可基于吸附/界面反應(yīng)、擴(kuò)散、機(jī)械結(jié)合和靜電等黏結(jié)機(jī)理，依據(jù)防漏堵漏劑、固壁劑、支撐劑和調(diào)剖堵水劑等材料的實(shí)際功效，選擇合適的熱塑性、熱固性、彈性體和復(fù)合型等功能膠黏材料，實(shí)現(xiàn)最佳匹配。

功能膠黏材料來(lái)源廣，成本低，可適應(yīng)復(fù)雜的地層環(huán)境，在油氣鉆采領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。功能膠黏材料作為防漏堵漏劑，在遇地層高溫激活后，可通過(guò)高分子鏈擴(kuò)散與共價(jià)鍵的相互作用，在漏失通道中黏結(jié)橋接堵漏材料和裂縫壁面，形成高強(qiáng)度封堵層；作為固壁劑，可通過(guò)氫鍵、化學(xué)鍵、靜電等的吸附作用聚集于井壁和微裂縫處，維持井壁穩(wěn)定；作為覆膜支撐劑，可提高支撐劑韌性，并在地層條件下有效黏結(jié)，控制支撐劑回流，維持裂縫高導(dǎo)流能力；作為調(diào)剖堵水劑，可在大孔隙或裂縫中黏結(jié)封堵優(yōu)勢(shì)水流通道，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)油控水，提高注水開(kāi)發(fā)效果。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)功能膠黏材料的種類、性能和黏結(jié)機(jī)理的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但功能黏結(jié)材料在油氣鉆采領(lǐng)域的研究和應(yīng)用還相對(duì)較少。未來(lái)，應(yīng)綜合考慮地質(zhì)、工程和材料因素，搞清功能膠黏材料的構(gòu)筑機(jī)理與作用機(jī)制，進(jìn)一步提高功能膠黏材料的適用性、經(jīng)濟(jì)性。