廢舊汽車輪胎橡膠顆粒堵漏材料的研究與應用

康力，　鮮明，　楊國興，　周成華，　曾藝，　王權陽

廢舊汽車輪胎橡膠顆粒堵漏材料的研究與應用

康力1，鮮明2，楊國興1，周成華1，曾藝1，王權陽1

（1.中石化西南石油工程有限公司鉆井工程研究院，四川德陽618000；2.中石油塔里木第二勘探公司井下作業分公司，新疆庫爾勒841000）

康力等.廢舊汽車輪胎橡膠顆粒堵漏材料的研究與應用［J］.鉆井液與完井液，2016， 33（4）：69-73.

目前在中國廢舊輪胎的再利用率比較低，而橡膠作為堵漏材料在油田應用方面有其獨特的性能優勢：易形變、膨脹自封、物理及化學穩定性好等。通過對廢舊汽車輪胎的粉碎處理，形成不同粒徑的橡膠顆粒，在室內進行堵漏實驗評價。結果表明，橡膠顆粒XJ-1最小封堵壓力為2.8 MPa，擊破壓力為3.6 MPa，單獨使用可封堵0.5～1 mm裂縫，復合其他堵漏材料可封堵2～3 mm裂縫，承壓能力達4 MPa，橡膠顆粒抗溫達135 ℃。橡膠堵漏材料應用于油田堵漏作業中，可以解決復雜井漏問題，成本低廉，同時降低環境保護壓力。

汽車輪胎；橡膠；堵漏

隨著汽車數量的增加，廢舊輪胎的環境保護處理問題日益尖銳，經過橡膠粉碎機處理后的廢舊輪胎，可以形成不同粒徑的橡膠堵漏顆粒，封堵不同縫寬的裂縫，其易形變、膨脹自封和穩定性好的特點，在油田堵漏作業中凸顯優勢。研制了一種新的廢舊橡膠堵漏材料，進行室內堵漏實驗評價，結果表明，橡膠顆粒承壓能力達4 MPa，抗溫達135 ℃，可單獨配制或復配其他堵漏材料，適用于表層至5 000 m井段。現場應用于川西、川東北、長慶和大慶油田，解決了該區塊復雜井漏問題。橡膠顆粒堵漏材料加工工藝簡單、成本低廉，應用效果顯著，同時降低了環境保護壓力［1-5］。

1　廢舊輪胎橡膠的特點和應用

1.1橡膠顆粒堵漏材料的優勢

1.1.1其他顆粒狀堵漏材料的局限性

目前常規使用的顆粒狀堵漏材料在某一方面的特性非常優良，但其綜合特性總是差強人意。核桃殼粒徑分布廣，堵漏見效快，但其易在鉆井液中膨脹導致強度變低。碳酸鈣強度高，但不易形變導致封堵效果差。單封能順利進入漏層，但井下一旦形成負壓時會造成井漏反吐。鋸末和瀝青高溫下不穩定，導致形成堵漏塞效果差，影響堵漏成功率。

1.1.2性能優勢

橡膠顆粒堵漏材料在油田應用方面具有獨特的性能優勢：易形變、 膨脹自封、 物理及化學穩定性好等。堵漏作業中， 由于井下壓力導致橡膠變形，橡膠顆粒可以順利進入漏層孔隙，不會出現常規堵漏材料 “封門” 的現象。進入漏層孔隙的橡膠顆粒在壓力的持續作用下，會膨脹封閉漏失通道，達到“進得去、 停得住” 的效果。橡膠具有極高的惰性，在漏層里不易發生物理和化學變化，保持了堵漏塞的穩定性，確保堵漏一次成功率和后續施工的順利。

1.1.3成本優勢

橡膠顆粒由廢舊輪胎制得， 原材料成本低，加工設備價格低，操作費用少，生產橡膠顆粒堵漏材料工藝簡單，周期短。同時其運輸方便，保存時間長，現場施工工藝簡單。一個廢輪胎5 kg，回收價格是5元錢，廢輪胎價格為500～1 000元/t，而一般彈塑性堵漏材料的價格為5 000元以上。

1.2廢舊橡膠作堵漏材料的應用情況

目前，井漏是石油鉆探開發中一個仍未完全解決的問題，隨著堵漏工藝技術的不斷進步，各種堵漏材料也相繼問世，但是橡膠作為堵漏材料運用較少［6］。近年來，國外不僅對常規堵漏劑的合理應用做了大量研究，而且還研究出了一批改進型堵漏劑和新型堵漏劑。如熱凝橡膠堵漏劑以汽車廢舊電瓶殼為原料的熱凝橡膠顆粒，經過室內評價和現場試驗證明，熱凝橡膠堵漏劑是一種極好的橋堵材料。其既適合水基鉆井液，也適合油基鉆井液，而且還證明其是目前所有橋堵材料中最適合各種油基鉆井液的橋堵劑［7］。

柔彈性橡膠材料具有較好的彈性、一定的可變形性、韌性和化學穩定性。在擴張填充和內部擠緊壓實雙重作用下，自適應封堵不同形狀和尺寸的孔隙或裂縫。這種可變形性膠態顆粒組成的可變形封堵塞，通過在低滲透、小孔喉處和泥巖微裂縫處形成內部架橋來降低孔隙壓力的傳播，同時還提高外泥餅的質量［8-9］。

大慶油田研發的高效廉價膠粒復合堵漏材料，具有粒度廣、易形變填充的特點，解決了薩爾圖油田南二、三區西部層間壓力差異井漏和裂縫性井漏等問題［10-11］。橡膠顆粒形變與壓力關系見圖1。由此可知，隨著壓力的增加其形變增大，并逐漸趨于穩定，這有助于膠粒復合材料封堵微孔隙，進一步降低封堵層的滲透率，提高防漏堵漏成功率［12］。

以廢舊橡膠制品為主要原料，經過特殊加工工藝生產的橋接型防漏堵漏劑，兼具顆粒和纖維形狀，表面凹凸，多毛刺，化學性質穩定，并具有優良的柔韌性和強度。室內研究和現場應用表明，該堵漏劑在正壓差作用下能迅速形成強而有效的封堵［13］。

2　輪胎粉碎工藝

2.1輪胎粉碎工藝簡介

橡膠粉碎機是對輪胎、橡膠制品進行回收造粒的設備，能把各種橡膠制品粉碎成小塊，并在粉碎的同時清洗除去其中的塵土，雜質。設備具有投資小，成本低，操作簡單，節能環境保護等特點，可加工各種廢舊橡膠。

處理流程：廢舊輪胎→切圈機→切條機→切塊機→破碎機→研磨機→篩選機→上料機→研磨機→半成品→再次磁選→檢驗→入庫。簡單的機械粉碎法就能生產細度為0.076～5 mm（3～200目）的橡膠顆粒，基本覆蓋了堵漏材料常用的粒徑范圍。

2.2輪胎粉碎工藝流程

①洗滌廢舊輪胎，使用切圈機將橡膠圈割掉。②用切條機將橡膠切成50 mm×50 mm的膠塊。③用切塊機將輪胎割成20 mm×20 mm的塊狀。④喂入破碎機，進行細碎，得到0.6～5 mm（3～30目）的膠粒。⑤送入橡膠磨粉機，磨粉得到0.075～0.6mm（30～200目）的膠粉。⑥破碎后得到的膠粒和膠粉落入振動篩，根據篩布目數篩選成品。⑦半成品繼續進行循環加工。

固定間隙調整破碎機動盤和定盤的相對轉速，固定轉速調整破碎機動盤和定盤的間隙均可得到不同粒徑的橡膠顆粒堵漏材料（粒徑變化見圖2和圖3），XJ-1粒徑為0.5～1 mm；XJ-2粒徑為2～3 mm；XJ-3粒徑為4～5 mm。

圖2　調整轉速時粒徑變化圖（間隙為0.57 mm）

圖3　調整間隙時粒徑變化圖（相對轉速為1 440 r/min）

3　室內研究

3.1實驗準備

材料：膨潤土、FA367、燒堿、純堿、瀝青、鋸末、橡膠（XJ-1）、核桃殼；儀器：DL-A2堵漏儀（見圖4）、 自制HTHP改造堵漏儀 （見圖5）、 六速黏度儀、 高溫滾子爐；實驗對象：各種尺寸縫板（見圖6）。

圖4　DL-A2堵漏儀

圖5　HTHP改造堵漏儀

圖6　HTHP改造堵漏儀的各種尺寸縫板

3.2橡膠堵漏材料的堵漏實驗及結果分析

3.2.1對比實驗

室內先進行了堵漏材料對比實驗。分別在基漿（水+4%膨潤土+0.3%FA367）中加入不同架橋材料，封堵效果見表1，縫板縫寬為0.5 mm，堵漏材料加量為3%。主要記錄最小封堵壓力、最小封堵時間、擊破壓力和流盡總時間。

表1　堵漏材料對比實驗

從表1看出，橡膠的堵漏效果和核桃殼相當，且橡膠的封堵能力還略高于核桃殼。因為核桃殼雖具備良好的架橋能力，但是本身對充填沒有貢獻，鉆井液仍能穿過孔隙進入縫板。含有瀝青或鋸末鉆井液的封堵時間最短，能在較短的時間形成封堵層，承壓能力也較好，但隨著實驗壓力升高，流出液體直線上升，說明封堵層遭到破壞。橡膠的封堵時間較長，但承壓能力最高，隨著系統壓力升高，流出液體體積變化不大，當壓力高于3 600 kPa時，液體流出速度瞬間變快，隨后趨于平緩。

實驗表明， 橡膠粒進入漏層后有一定的擴張填充和擠緊壓實的作用。橡膠粒具有可變形性， 能適應具有不同形狀和尺寸的孔隙或裂縫， 特別能適應誘導性裂縫的尺寸變化。在壓差作用下， 小于地層孔隙尺寸或裂縫寬度的橡膠粒進入孔隙后架橋封堵，略大于地層孔隙直徑或裂縫寬度的橡膠粒可通過被擠壓變形進入孔隙，對孔隙或裂縫產生充填作用。

3.2.2橡膠堵漏材料封堵實驗

室內實驗評價了橡膠顆粒對裂縫的封堵效果，結果如表2所示。由表2可以看出，橡膠顆粒單獨使用，可封堵0.5～1 mm寬的人造裂縫，與其他架橋材料配合使用，可有效封堵2～3 mm寬的人造裂縫， 承壓能力均達到了4 MPa， 堵漏效果圖見圖7。實驗中使用自主研發的高溫高壓堵漏儀和自制的人造縫板（圖5、 圖6），在圓柱體筒上沿軸向開有不同裂縫， 根據實驗情況可選擇不同的裂縫尺寸。

表2　在4%膨潤土漿中加入不同堵漏材料的評價實驗

圖7　入口及出口封堵情況

3.2.3橡膠堵漏材料對鉆井液流變性及抗溫性的影響

取ZJ103D井井漿，加入不同量的橡膠顆粒堵漏材料，測試其老化前后的流變性和濾失量，見表3。

表3　橡膠堵漏材料抗溫流變性能

由表3可以看出，橡膠堵漏材料是一種惰性材料，幾乎對鉆井液的流變性沒有影響，隨著加量的增大，濾失量反而降低。經過135 ℃高溫老化16 h后，性能變化不大，說明了橡膠堵漏材料抗高溫達到了135 ℃，滿足深井的堵漏工作。

4　現場應用

橡膠顆粒堵漏材料現場施工簡單，在井漿或膨潤土漿的基礎上配制，復配其他堵漏材料，用泥漿泵直接打入井內，根據漏失速度大小選擇不同粒徑的橡膠顆粒。其堵漏工藝如下。①單獨使用一個泥漿罐，倒入井漿或膨潤土漿，按方案配方加入不同粒徑的橡膠顆粒，可單獨使用，也可復配其他堵漏材料。②先用單泵將堵漏劑泵入漏層，井口返漿再改用雙泵，替完鉆具內所有堵漏漿，提鉆靜止觀察，或關防噴器憋壓。③開防噴器起鉆至套管鞋，靜止4 h后下鉆分段循環觀察，不漏則恢復正常鉆進。

實例1：知新31井鉆進至井深573.31 m發生井漏，前2次采用GD-1、DTR、碳酸鈣、核桃殼和棉籽殼，堵住后下鉆開泵即漏失。第3次在原有配方的基礎上加入橡膠顆粒粗（4～5 mm）、 中（2～3 mm）、細（0.9 mm）各2.5%，下鉆至井底打堵漏漿12 m3，起鉆至套管鞋關井擠堵，共擠入3.8 m3堵漏漿，下鉆到底循環，井內無漏失，起鉆接鉆頭下鉆恢復正常鉆進。

實例2：元303-54井，地層存在微裂縫，二開鉆進到井深600～737 m處時，多次反復發生失返性漏失，3 d內多次使用棉桃、鋸末、橋塞堵漏劑和水泥漿堵漏均失敗。通過靜止探液面，在原配方堵漏漿基礎上加入橡膠堵漏顆粒漿，共注入60 m3，關閉防噴器進行地層承壓堵漏，立管壓力升至3 MPa，靜置30 min，立管壓力穩定，恢復鉆進，井口返出鉆井液。

實例3：長慶油田在西峰油田和馬嶺油田進行了7井次（如西21-20井、西35-027井、董85-65井、董85-64井、董84-64井、董82-45井、鎮-71井）橡膠堵漏材料現場試驗，取得了好的效果，主要有以下優勢：施工簡便、堵漏強度高、用量少、降低綜合成本。橡膠顆粒對裂縫性漏失尤其是易發生井漏反吐的漏層特別有效，加入不同尺寸的橡膠顆粒，采用關井擠堵的工藝，增加了堵漏材料的“吃入度”，提高了地層承壓能力，也就提高了堵漏一次成功率。

5　結論

1. 橡膠顆粒堵漏材料具有彈塑性、惰性和耐高溫性能。應用于油田堵漏作業中，可以封堵小裂縫，復合其他堵漏材料可以封堵較大裂縫，其良好的形變能力在有效充填漏失空間的同時保持一定的承壓能力，使得堵漏一次成功率大大提高。

2. 廢舊輪胎橡膠的再生利用一直都是全球研究熱點，將其運用在石油工業中，變廢為寶，解決了黑色污染的環境保護壓力。

3. 廢舊輪胎的回收和粉碎工藝容易實現，整個生產鏈成本低、周期短，形成的堵漏材料價格低廉，用途廣泛，具有極大的經濟推廣價值。

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Study and Application of Rubber Powder LCM Made from Waste Motor Tires

KANG Li1， XIAN Ming2， YANG Guoxing1， ZHOU Chenghua1， ZENG Yi1， WANG Quanyang1
（1. Research Center of Drilling Engineering， Southwest Petroleum Engineering Co.， Ltd.， Sinopec， Deyang， Sichuan 618000；2. Downhole Operation Branch of the Second Exploration Company， CNPC， Korla， Xinjiang 841000）

Waste motor tires， which are seldom reused in China， can be used to make lost circulation materials （LCM） because of their advantages such as good flexibility， capability to plug when swelling， and stable physical and chemical properties. Waste tires were first ground to powders of different sizes and the rubber powders were then tested for their capability in lost circulation control. The evaluation results demonstrate that the rubber powder LCM XJ-1， has the minimum pressure required for plugging， which is 2.8 MPa，and a breakthrough pressure of 3.6 MPa. Use XJ-1 alone， fractures of 0.51 mm in size can be plugged. When used with other LCMs，fractures of about 23 mm in size can be plugged， and the pressure bearing capacity can be as high as 4 MPa. The rubber powders retain their stability at high temperatures to 135 ℃. As a cheap and environmentally friendly lost circulation agent， rubber powders can be used to control severe mud losses.

Motor tire； Rubber； Lost circulation control

TE282

A

1001-5620（2016）04-0069-05

10.3696/j.issn.1001-5620.2016.04.014

中國石油化工集團公司項目“四川盆地惡性漏失防漏堵漏工藝技術”（SG1303-01K）。

康力，工程師，碩士，1982年生，畢業于西南石油大學油氣井工程專業，現在從事鉆井液技術研究工作。E-mail：274977739@qq.com。

（2016-3-9；HGF=1604M5；編輯馬倩蕓）