井漏地層鉆井液堵漏材料研究現(xiàn)狀與展望*

劉 靜，馬 誠，楊 超，鐘飛升，羅根祥

（1.遼寧石油化工大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧撫順 113001；2.中國石化大連石油化工研究院，遼寧大連 116045；3.彰武縣聯(lián)信鑄造硅砂有限公司，遼寧阜新 123200）

0 前言

井漏不僅消耗大量的鉆井液，延長鉆井時間，若處理不當(dāng)，還會造成井眼塌陷、井噴、卡鉆等一系列復(fù)雜情況［1-2］。井漏嚴(yán)重制約鉆井的速度，大幅增加非生產(chǎn)時間，造成重大經(jīng)濟損失［3］。據(jù)統(tǒng)計，在北美，鉆井過程中發(fā)生嚴(yán)重井漏的井?dāng)?shù)約占鉆井總數(shù)的40%［4］；在中東，裂縫性碳酸鹽巖儲層鉆井過程中出現(xiàn)嚴(yán)重井漏的井占30%以上，井漏時間占50%［5］。2017年和2018年，在中國石油集團國內(nèi)外區(qū)塊復(fù)雜鉆井事故造成的總損失時間中，井漏造成的損失時間占70%以上，年均直接經(jīng)濟損失超過40 億元［1］。目前，有效解決井漏問題非常具有挑戰(zhàn)性，尤其是裂縫地層中的嚴(yán)重井漏。井漏控制率低，增加了鉆井的時間，對經(jīng)濟造成了重大損失［6］。因此，井漏已成為一個全球性問題，限制了油氣勘探和開發(fā)的進展。

石油和天然氣鉆井工程的進步伴隨著井漏控制技術(shù)的發(fā)展，堵漏材料是這些方法的關(guān)鍵［7］。國內(nèi)外學(xué)者研究了不同類型的堵漏材料，對于滲透性和小微裂縫性地層發(fā)生的井漏問題得到了較好解決［8-9］。本文系統(tǒng)論述了鉆井液漏失機理和堵漏材料的研究現(xiàn)狀，探討了堵漏材料中存在的不足之處，對未來鉆井液堵漏材料的發(fā)展進行了展望。

1 鉆井液漏失機理的研究

明確漏失的原因和機理是選擇合理堵漏的先決條件。如果漏失機理不清楚，就會造成封堵的盲目性，不能準(zhǔn)確選擇合適的堵漏材料。井漏發(fā)生的原因主要有：（1）鉆井過程中，井筒內(nèi)部壓力大于地層壓力時，鉆井液通過漏失通道進入地層；（2）地層內(nèi)部存在大的孔隙、裂縫和溶洞性地層，鉆井時遇到該地層鉆井液發(fā)生漏失。

相關(guān)學(xué)者建立了相應(yīng)的漏失模型。李大奇等［10-11］將漏失劃分為裂隙或溶洞性漏失、壓裂性漏失和封閉裂隙重張擴展性漏失，提出了一維線性漏失模型和二維H-B流型鉆井液漏失模型，并且使用分形理論描述其斷裂粗糙度［12］。王明波等［13］根據(jù)流體力學(xué)原理，把裂縫視為具有傾角的平面粗糙度、指數(shù)變形和傾角的二維單條裂縫，把鉆井液看作賓漢流體，利用分形理論進行裂縫模擬，建立了帶傾角的二維粗糙裂縫內(nèi)賓漢流體漏失動態(tài)模型。Zhai 等［14］研究了由一維裂縫擴展引起的誘導(dǎo)裂縫泄漏動力學(xué)模型。該模型考慮了裂縫動態(tài)寬度變化和裂縫張開度。Ozdemirtas 等［15-16］研究了二維H-B 流動式鉆井液漏失模型。Lietard 等［17］研究了裂縫中的賓漢流體漏失模型，建立了單個無限裂縫中的賓漢流體漏失的平面徑向流動模型。根據(jù)動量守恒原理，建立了壓力梯度和平均速度之間的關(guān)系。Majidi 等［18-19］建立了考慮裂縫線性變形的H-B流型鉆井液光滑裂縫徑向漏失模型。通過對漏失機理的研究，認(rèn)識到堵漏材料對井漏問題的重要性，為優(yōu)選堵漏材料提供了依據(jù)。

2 鉆井液堵漏材料的研究

國外對于鉆井工程中遇到的漏失和堵漏機理的研究較早。中國從20世紀(jì)60年代開始對堵漏材料進行研究，此時期對漏失層的性質(zhì)認(rèn)識不全面且堵漏材料的種類有限。20世紀(jì)80年代，堵漏材料的種類逐漸豐富。此后，鉆井液堵漏材料由單一堵漏到復(fù)合堵漏。鉆井堵漏材料的發(fā)展可分為3 個階段：見漏即堵、開發(fā)新型堵漏材料、復(fù)合堵漏材料。對于井漏問題，堵漏材料是鉆井過程中必不可少的一部分，是成功封堵的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。傳統(tǒng)堵漏材料種類較多，應(yīng)用廣泛。隨著對堵漏材料的深入研究，出現(xiàn)了新型堵漏材料。各種類型的堵漏材料見表1。

表1 不同類型的堵漏材料

2.1 橋接堵漏材料

近年來，國內(nèi)外已有大量關(guān)于橋接堵漏材料的報道［29-31］。橋接類堵漏材料是由顆粒狀、纖維狀、片狀等惰性材料按照一定的質(zhì)量比和粒度級配形成的復(fù)合堵漏材料［1］，常見的有核桃殼、鋸末和云母等。

為了有效解決塔里木盆地中部異常高溫高壓碳酸鹽巖縫洞型儲層鉆井過程中的縫洞雙重?fù)p失問題，蘇曉明等［9］研究了一種具有高酸溶性和鋸齒狀表面的剛性封堵材料，其與木質(zhì)素纖維、彈性材料和碳酸鈣在混合網(wǎng)中復(fù)合，形成新型的復(fù)合堵漏材料。該堵漏材料抗溫高達180 ℃，裂縫封堵承壓9 MPa 以上，可用于封堵高溫高壓地層。在天然裂縫較大的地區(qū)，井漏是一個很難克服的挑戰(zhàn)。對于發(fā)生嚴(yán)重至全部損失的區(qū)域，Savari 等［32］研究了基于顆粒的堵漏材料。該酸溶性堵漏材料可以在10%鹽酸和10%甲酸中溶解，可有效封堵大裂縫地層。

在鉆井液中使用橋接類堵漏材料，不會對鉆井液的流變性有很大的影響，而且取材容易、操作簡便、價格便宜、來源廣，在現(xiàn)場應(yīng)用廣泛。橋接堵漏材料能有效封堵因孔隙和裂縫所導(dǎo)致的滲漏問題，雖然在一定程度上改善了鉆井液井漏的問題，但仍存在一些不足。如對漏失通道的適應(yīng)性差，在大溶洞或大裂縫地層中容易被沖走。在深井的鉆井過程中，由橋接堵漏材料形成的裂縫封堵層不穩(wěn)定，容易被破壞，導(dǎo)致鉆井液流失。

2.2 高失水堵漏材料

高失水堵漏材料在地層壓強和鉆井液柱壓力差下會迅速失水，堵漏漿中的固相成分不斷聚集、變稠，形成濾餅，進一步壓實、填塞漏失通道，起到堵漏作用。與高失水堵漏材料相關(guān)的研究如表2所示。除此之外，常見的高失水堵漏材料有雪佛龍菲利普斯公司研發(fā)的DiasealM 堵漏材料。其以碎紙屑、石灰、硅藻土為原材料，技術(shù)簡便、堵漏成功率高、堵漏效果顯著，已在各地數(shù)千口井中推廣使用。高失水堵漏材料使用方便，對高滲透地層的堵漏成功率高。但是高失水堵漏材料對漏失通道的適應(yīng)性較差，在洞穴或大裂縫地層中容易被沖走。

表2 不同的高失水堵漏材料

2.3 聚合物凝膠類堵漏材料

與其他類型的堵漏材料相比，壓縮變形顯著的凝膠類材料可以自適應(yīng)地進入不同尺寸的泄漏通道，不管通道的形狀如何，在泄漏通道中形成高強度的封堵層，適用于不同尺寸的損失通道［6］。凝膠堵漏材料主要利用化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)或通過分子間的相互作用形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高強度凝膠，以堵塞復(fù)雜地層中的鉆井液漏失通道［36-37］。

針對常規(guī)化學(xué)凝膠堵漏材料抗高溫和力學(xué)性能差的問題，白英睿等［38］以鋰皂石為增韌劑和無機交聯(lián)劑、自制反應(yīng)性微凝膠為有機交聯(lián)劑、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷為硅源，與丙烯酰胺、甲基丙烯酸等反應(yīng)，合成一種雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠材料。該材料的流變力學(xué)性能優(yōu)異，在140 ℃條件下老化48 h 后的儲能模量高于4 kPa、損耗模量高于1 kPa。

對于裂縫地層，常規(guī)封堵材料具有尺寸不合適和強度低的缺點，導(dǎo)致首次封堵不成功，成本增加。Fan等［39］研究的聚合物封堵凝膠主要由丙烯酰胺單體制成，并輔以羧基和羥基的反應(yīng)性單體。其凝膠膠化時間被控制在實際應(yīng)用所需的時間內(nèi)，可以順利進入交叉裂縫并封堵裂縫。該材料的承載力可達21 MPa，反向承載力可達20 MPa。張新民等［40］研發(fā)的特種凝膠在水溶液中由于分子之間的相互作用，大分子鏈自發(fā)聚合，形成動態(tài)的物理交聯(lián)網(wǎng)，從而堵塞漏失層。該特種凝膠已成功應(yīng)用于四川、長慶和吐哈油田，獲得了良好的堵漏效果。

聚合物凝膠堵漏材料具有固相含量低、凝膠不受漏失通道的限制、較強的抗稀釋能力的特點，在大的裂縫或溶洞中不易被沖走。不足之處是抗高溫能力差，在高溫條件下的長期穩(wěn)定性差，凝膠的形成時間和凝膠的強度不易控制。

2.4 可固化類堵漏材料

可固化類堵漏材料一般由固化劑、懸浮穩(wěn)定劑和緩凝劑等材料組成［24］。水泥和其他材料組成的體系為可固化堵漏材料，是近年來國內(nèi)外研究的熱點。水泥是典型的可固化材料，例如波特蘭水泥堵漏材料［41］和Sarawak Shell Berhad 公司的水泥堵漏材料［42］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者一直在進行水泥品種的研究［43-45］，通過使用水泥添加劑、改進工藝等，提高了水泥漿的可泵性、縮短了水泥固化時間、改善了水泥的早期強度和穩(wěn)定性。哈里伯頓公司開發(fā)的“一袋式”封堵技術(shù)的高壓封堵能力為20 MPa，并采用“測試擠壓清洗液+擠壓水泥漿”的間歇式水泥擠壓工藝，在南海西部鶯歌海盆地高壓封堵了10多口井的漏失，封堵成功率達到100%［46］。除了水泥材料外，貝克休斯公司開發(fā)的MAGNE-SET 可固化堵漏材料，是由鎂與氧化鈣的混合物與水發(fā)生反應(yīng)而生成的高強度固體，用于嚴(yán)重井漏或無泥漿返回等情況［1］。為了解決惡行漏失及儲層段漏失控制難題，張浩等［47］以1%聚氧乙烯醚、0.5%羥乙基纖維素、15%氯化鈣、10%碳酸氫鈉和5%海藻酸鈉為原料，制備了一種新型可酸溶固化堵漏材料。該材料抗鉆井液污染能力強，8 mm 裂縫封堵帶承壓可達18 MPa，固結(jié)體滲透率達0.81×10-3μm2。該堵漏材料可以有效封堵惡性漏失地層，且可用于儲層段漏失控制，從而達到保護儲層的目的。

可固化類堵漏材料的最大特點是在堵漏后具有較高的承壓能力和較高的固結(jié)強度。可固化堵漏材料具有原料廣泛、價格低廉、制造工藝簡便等特點。然而，其施工安全風(fēng)險很高，抵抗高鹽度地層水污染和稀釋的能力差，容易導(dǎo)致卡鉆、被裂縫或溶洞中的水稀釋和沖走等問題［26］。

2.5 智能型堵漏材料

隨著新應(yīng)用和新材料的興起，智能堵漏材料得到了進一步的發(fā)展。智能型堵漏材料是一種能自主感知外界刺激，且對漏失地層做出反應(yīng)的堵漏材料。智能型堵漏材料包括智能形狀記憶材料、智能凝膠材料、智能膜等智能型材料。目前，智能堵漏材料的研究主要分為智能形狀記憶材料和智能凝膠。在智能堵漏材料中，時間控制凝膠堵漏材料、形狀記憶聚合物材料和形狀記憶合金材料具有更好地適應(yīng)高溫高壓地質(zhì)條件的性能。

2.5.1 智能形狀記憶堵漏材料

智能形狀記憶堵漏材料有形狀記憶金屬和形狀記憶聚合物兩種。形狀記憶金屬主要原料組成為Ni-Ti 合金、Ti-Ni-Pd 合金、Ti-Nb 合金、Au-Cd 合金等，具有良好的延展性能和抗疲勞性能，環(huán)保無污染、承壓能力高，但研制成本較高、形變量低。形狀記憶聚合物主要原料組成為水泥、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚氨醋等，具有原料來源廣、成本低、變形量大的優(yōu)點，但部分材料的耐溫性低。

目前，基于形狀記憶金屬開發(fā)的智能堵漏材料主要以Ni-Nb、Ti-Ni-Pd、Ti-Ni 等形狀記憶合金為原料，與水泥基涂料、樹脂涂料等其他材料復(fù)合。形狀記憶合金是一類具有記憶功能的高性能材料，當(dāng)受到外界刺激如溫度變化或磁力改變時，能夠記憶或保持以前的形態(tài)［27］。田陸飛［48］研制的水泥基智能堵漏材料主要由水泥基涂層、形狀記憶合金、填料等組成。智能堵漏材料進入泄漏地層后，受到溫度的刺激產(chǎn)生溫度敏感效應(yīng)。此時，材料內(nèi)的形狀記憶合金將變形產(chǎn)生應(yīng)變力，導(dǎo)致外殼破裂和脫落，直到完全恢復(fù)原先的直線狀態(tài)。多個線性記憶合金相互重疊，形成橋塞堵塞，內(nèi)部碳酸鈉使堵塞液快速凝固，加快堵塞速度。

形狀記憶聚合物是指具有初始形狀，在外部環(huán)境刺激下又恢復(fù)原始形狀的聚合物［27］。與熱塑性形狀記憶聚合物相比，熱固性形狀記憶聚合物具有高剛度、高強度、高穩(wěn)定性、高尺寸穩(wěn)定性和高耐腐蝕性，是堵漏材料的首選。Magzoub 等［49］采用的熱固性溫度觸發(fā)聚合物在室溫下具有較高的抗壓強度和硬度，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高達150 ℃。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)的熱固性形狀記憶聚合物與雪松纖維相匹配，以解決泄漏問題。對于井漏使用的堵漏材料存在破壞生產(chǎn)區(qū)、堵塞鉆井工具或無法密封裂縫的問題，Mansour［50］研究了一種由陰離子形狀記憶聚合物制成的智能堵漏材料，通過地層自然熱激活，可以有效封閉裂縫且不會損壞生產(chǎn)層，加固井筒。

2.5.2 智能凝膠堵漏材料

智能凝膠堵漏材料不受地層孔隙大小的影響，可以自由流入任何孔道。對于溶洞性、裂縫性等嚴(yán)重漏失的地層，智能凝膠堵漏材料可以通過擠壓變形充滿漏失地層，達到封堵漏失地層的目的。

Jiang 等［5］基于部分水解聚丙烯酰胺和樹脂封裝引發(fā)劑，制備了具有膠凝時間可控和高溫下高凝膠強度的交聯(lián)聚合物凝膠HTCMG，通過樹脂的熱塑性來延長膠凝時間。在150 ℃時，HTCMG 的突破壓力為9.8 MPa。Qu等［51］制備的新型丙烯酰胺共聚物/酚醛樹脂凝膠具有良好的抗沖洗液性能、抗高鹽度鹽水性能和抗原油性能。填砂實驗、經(jīng)凝膠處理的巖心滲透率測試以及其他封堵材料測試均表明，智能凝膠具有良好的封堵性能。除此之外，還有N，N-二甲基氨乙基甲基丙烯酰胺-乙二醇二甲基丙烯酸酯共聚物水凝膠［52］、聚丙烯酸/聚N，N-二甲基丙烯酰胺互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠［53］、應(yīng)力敏感性凝膠堵漏劑［54-55］等智能型堵漏材料。

總之，智能堵漏材料與其他堵漏材料的不同在于可以自主對漏失地層做出感應(yīng)判斷，可自主適應(yīng)各種復(fù)雜地層，力學(xué)性能優(yōu)異，可顯著提高堵漏效率，在鉆井液堵漏領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是目前對智能型堵漏材料的研究大多處于基礎(chǔ)研究階段且注重理論性，大部分尚未進行現(xiàn)場應(yīng)用。

3 結(jié)論與展望

井漏材料是成功控制井漏的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。國內(nèi)外相繼開發(fā)出不同類型的堵漏材料，可以在一定程度上解決裂縫性地層的堵漏問題。然而，缺乏能有效解決深井和超深井高溫井鉆井液損失的高效堵漏材料，開發(fā)高效智能堵漏材料以實現(xiàn)裂縫地層的長期穩(wěn)定封堵至關(guān)重要。

對未來鉆井液堵漏材料的發(fā)展應(yīng)注意以下幾個方面。（1）優(yōu)化現(xiàn)有堵漏材料性能。橋接堵漏材料和高失水堵漏材料的關(guān)鍵是在堵漏過程中形成具有高承壓能力的封堵層，避免漏失重復(fù)發(fā)生，增強堵漏效果，提高堵漏成功率。聚合物凝膠可提高抗溫能力和延遲膠凝能力?？晒袒侣┎牧夏芴岣呖瓜♂屇芰?。（2）加強智能堵漏材料和關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)，建立鉆井液漏失相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)庫，將智能型堵漏材料應(yīng)用到鉆井工程中。（3）傳統(tǒng)堵漏材料與新型堵漏材料之間的協(xié)同，開發(fā)有針對性的復(fù)合堵漏材料。（4）研發(fā)深井和超深井高溫井鉆井液堵漏材料。