惰性材料與聚合物堵漏技術室內研究

潘 凡, 潘元雙

（長江大學 石油工程學院， 湖北 武漢 430100）

惰性材料與聚合物堵漏技術室內研究

潘 凡, 潘元雙

（長江大學 石油工程學院， 湖北 武漢 430100）

鉆井過程中出現井漏是十分普遍的，這是衡量鉆井安全與否的重要因素之一 。 使用廢舊輪胎這類惰性材料與聚合物相結合，組成一種化學性質穩定、耐溫性能強、抗鹽性能較高的堵漏劑，不僅可以降低堵漏成本，而且可以有效封堵漏層。通過室內實驗研究惰性材料與聚合物組成的堵漏劑的封堵效果有重大意義，并分析了鉆井液堵漏材料及防漏堵漏技術研究的發展方向。

惰性材料; 聚合物; 堵漏劑; 漏層

井漏問題一直是困擾國內外石油開發、勘探的重大技術難題，到現在都沒有一個有效的辦法來對它進行完全的控制。目前應用最廣泛的橋接堵漏技術應用時需準確地掌握地層孔隙或裂縫尺寸，但孔縫型漏失往往分布面積較廣，孔縫尺寸很難準確掌握，導致封堵效果不理想，針對孔縫變化及常規橋接堵漏封堵范圍窄的實際問題，研究由彈性橡膠堵漏材料和聚合物HPAM、HV-CMC以及CDL-1組成三種防漏堵漏劑，用HKYDL-3型高溫高壓防漏堵漏動靜態實驗儀進行室內實驗，其能對較寬尺寸范圍內的孔縫產生有效的封堵作用，在很大程度上避免了傳統橋接堵漏劑依賴于漏失通道尺寸的缺點，提高了對孔縫防漏堵漏的成功率[1-4]。

1 橡膠特性

徐同臺等人在《鉆井工程防漏堵漏技術》一書中講到：膠粒是一種具有一定強度和很好彈性的材料（室溫下測得膠粒的破碎壓力在50 MPa以上，彈性模量為80 MPa，彈性系數為0.45），在壓力的作用下會產生形變。反之，膠粒發生形變后，必定會產生相應的反彈力。這種反彈力如果作用在與膠粒緊密接觸的層面上，必定會增大橡膠粒與接觸面間的摩擦阻力。根據這一理論，如果用膠粒堵漏，設法使其進入裂縫內，產生一定程度的形變，就會使膠粒和縫壁之間產生很大摩擦力，借此摩擦阻力，在撤去外力后，膠粒就會獲得一定的穩定性而形成橋塞骨架。這種骨架能否形成取決于膠粒的粒度，如果我們選擇的膠粒粒度合適，再配合其它一些填充和固化性材料，必定能達到堵漏目的。膠粒的密度在1.172～1.270 g/cm3之間，能夠均勻地分散于泥漿當中，并能吸附泥漿中的粘土等物質形成一層吸附膜，具有一定的粘結能力，膠粒呈不規則多面體，能與縫壁產生較大摩擦力。這些特性表明，膠粒是一種很好的堵漏材料[5,6]。

以橡膠顆粒為橋堵材料的堵漏劑配方的設計，首先需要對膠粒的粒度進行分選，而要完成膠粒粒度的選擇，應首先研究膠粒在裂縫內的行為，即膠粒以何種方式產生橋堵。作為橋堵劑不僅應易于產生橋堵，而且應具有一定的強度。很多研究者認為，橋堵材料的顆粒應為裂縫寬度的1/2至1/7之間，才能獲得比較穩定的橋堵。這種理論對于堅硬材料而言是合理的。因為硬顆粒的彈性變形極小，像核桃殼之類，顆粒尺寸若大于裂口寬度，只能在縫口橋堵，這種橋堵很不穩定，在泥漿流動和鉆具運動時都會很快被解堵；1至1/2裂縫寬度的顆粒不可能產生兩個顆粒橋堵，而恰好相當于裂口寬度的顆粒事實上是很難選擇的，小于1/7的顆粒粒度太細，產生橋堵的機率很低，也是不可取的[7]。

對于膠粒而言，它在裂縫內的行為和核桃殼等硬顆粒就有許多不同之處，它可以選擇大于裂口寬度的膠粒，在外力的作用下進入裂縫內，而形成單橋（圖1）。這種單橋有一定的橋堵，且有100%的成堵機率。膠粒在裂縫內形成兩個以上的橋堵是不易的（圖2），雖然也能產生瞬間橋堵，但在壓差的作用下，膠粒將變形，到一定程度橋堵就會破壞。無論是平行裂縫還是楔形裂縫，只要是兩個以上膠粒的橋堵都不易形成而且強度很低。單個膠粒橋堵不論在平行裂縫還是楔形裂縫內都易于形成，其強度會隨變形程度的增大而增大[8]。通過正交實驗法在實驗室條件下完成了對橡膠顆粒的優選。在此基礎上，研究橡膠顆粒與聚合物組成的堵漏劑的封堵效果。

2 室內實驗

實驗材料：蒸餾水、鉆井膨潤土、橡膠粒、部分水解聚丙烯酰胺 HPAM、羧甲基纖維素鈉鹽HV-CMC、丙烯基聚合物CDL-1等。

圖1 單個膠粒橋堵示意圖Fig.1 Single colloidal particle bridging schematic diagram

圖2 多個膠粒橋堵示意圖Fig.2 Multiple colloidal particle bridging schematic diagram

（1）試驗用設備

堵漏模擬裝置：HKYDL-3型高溫高壓動靜態堵漏試驗儀。

（2）試驗用儀器

1.電子天平：分度值0.01 g；

2.標準篩：孔徑4.75，4，2，1.7，1 mm等；

3.旋轉粘度計 ZNN-D6 Ⅱ型（電動六速粘度計）；

4.電動攪拌器：GJSS-B12K變頻高速攪拌機，轉速3 000～12 000 r/min；

5.稱量瓶：70 mm×35 mm；

6.秒表；

7.燒杯：150，250，500，1 000 L；

8.量筒：50，100，250，500，1 000 L；

9.氮氣源；

10.玻璃棒；

11.容器：容積5 000 mL。

實驗巖心：孔縫型模板（規格：Φ50 m m×360 m m；孔縫寬度1～4 mm），實驗設備自帶巖心。

（3）實驗流程：

試驗用基漿的配制：基漿配制：按每1 000 mL蒸餾水加入50.0 g鉆井膨潤土的比例配制基漿5 L，將基漿在轉速3 000～4 000 r/min下用電動攪拌器攪拌4 h，在室溫下養護24 h備用。基漿表觀粘度應在15～25 mPa·s范圍內，否則重新配制。

試驗用堵漏漿液的配制：向養護24 h的基漿中邊攪拌邊加入一定比例的橋接堵漏材料，在電動攪拌器上攪拌30 min，配成堵漏漿液。堵漏材料均勻分布在基漿中。

堵漏實驗：

①選擇試驗模板，將模板裝入巖心筒內。

②向釜體及活塞容器內注滿堵漏漿。

③設定試驗溫度、進口壓力和出口壓力；在設置溫度下，給堵漏漿加熱。

④均勻向試驗容器內加壓，在50 s內使壓力達到設定壓力。

⑤在設定溫度和壓力下，打開控制閥門，啟動計時器，如果無渾濁鉆井液濾出，即為封堵試驗成功，記錄漿液漏出的體積和實現封堵的最小時間。維持30 min，記錄漏失量。若封堵試驗失敗，更換試驗模板或改變試驗條件，重新試驗。

⑥在儀器承壓范圍內，繼續加壓，直至再次發生漏失（封堵層被突破），記錄此時的壓力作為封堵層的承壓能力。

⑦實驗完成后，請清洗容器并關閉電源。

3 實驗結果及數據分析

正聚合物一般是長分子鏈，他們可以吸附部分巖屑，并附著在井壁上，他們可以阻礙鉆井液進入巖石孔隙或裂縫。同時在鉆井液中添加聚合物材料可以使攜帶巖屑能力升高以及防卡。故對于常用一些高分子量聚合物進行堵漏評價有非常重要的意義，試驗選用了分子量巨大的幾種長鏈大分子，加量均為0.3%，試驗方案：孔縫型模板（規格：Φ50 m m× 360 mm；孔縫寬度1～4 mm）；膨潤土+蒸餾水+5%橡膠粒+0.3%聚合物；工作流量100 mL/min；進口壓力：3 MPa；出口壓力：1MPa。結果見表1。

表1 不同類別聚合物封堵效果試驗結果表Table 1 Test result of plugging effect of different categories of polymer

從表 1中可以看到，封堵效果相對最好的是HPAM。在水基鉆井液中加入膠束聚合物后，可以在固液界面現場吸附層，當達到臨界濃度時，聚合物在巖石表面發生締合，形成膠束。隨著其濃度的增加，膠束聚合物在固液界面（井壁）上形成大量膠束，膠束可依靠其界面吸力發展到膠束間締合，從而在巖石表面形成封堵層，封堵地層微孔隙或微裂縫[9]。為得到最佳膠束濃度，對不同HPAM加量的防漏堵漏效果進行了評價。試驗方案：孔縫型模板（規格：Φ50 mm×360 mm；孔縫寬度1～4 mm）；膨潤土+蒸餾水+5%橡膠粒+（0.1% ～ 0.5%）HPAM；工作流量100 mL/min；進口壓力：3 MPa；出口壓力：1 MPa。試驗結果見表2。

4 結束語

最近一段時間，堵漏機理和漏失的研究、新型堵漏評價儀器、找漏工具、特殊的堵漏材料應用都使得復雜漏失地層堵漏技術的發展越來越快，特別是關于聚合物配合橋堵及無機活性堵漏材料的使用，為復雜漏失地層堵漏提供了有效手段。

表2 不同加量聚合物封堵效果試驗結果表Table 2 Test result of plugging effect of different added amount of polymer

惰性材料與聚合物之間無明顯的化學作用，反而兩者相結合可以增加惰性堵漏材料的封堵強度。聚合物一般均具有吸附作用，可以填充惰性材料在封堵過程中留下的細小孔隙，防止由于惰性材料封堵不完全而造成的滲漏問題。迄今為止雖然關于聚合物和惰性堵漏材料的相關研究有很多，但是還不夠全面，在下一步的工作中通過對多種聚合物的分析研究，找到與惰性堵漏材料可以很好結合的聚合物類型，研制出適應性廣、成本相對較低的堵漏劑。

［1］ 趙巍, 林勇, 李波, 等. 誘導性裂縫適應性防漏堵漏鉆井液技術[J].鉆井液與完井液, 2012, 29(4): 12-15.

［2］ 呂開河. 鉆井工程中井漏預防與堵漏技術研究與應用[D]. 中國石油大學，2007.

［3］ 王貴. 提高地層承壓能力的鉆井液封堵理論與技術研究[D]. 西南石油大學，2012.

［4］ 聶勛勇, 王平全, 張新民. 聚合物凝膠堵漏技術研究進展[J]. 鉆井液與完井液, 2007, 24(1): 83-84.

［5］ 張新民, 聶勛勇, 王平全, 等. 特種凝膠在鉆井堵漏中的應用[J].鉆井液與完井液, 2007, 24(5): 83-84.

［6］ 孫金聲, 張家棟, 黃達全, 等. 超低滲透鉆井液防漏堵漏技術研究與應用[J]. 鉆井液與完井液, 2005, 22(4): 21-23．

［7］ 李家學, 黃進軍, 羅平亞, 等. 隨鉆防漏堵漏技術研究[J]. 鉆井液與完井液, 2008, 25(3): 25-26.

［8］ 王眉山. 石油鉆井廢棄鉆井液處理的環境問題(2008年鉆井技術論文)[R]. 石油工業出版社, 2008.

［9］ 呂開河. 鉆井工程中井漏預防與堵漏技術研究與應用[D]. 中國石油大學, 2007.

Study on Inert Materials and Polymer Plugging Technology

PAN Fan, PAN Yuan-shuang
（Petroleum Engineering, Yangtze University，Hubei Wuhan 430100，China)

The circulation loss is not only a common phenomenon in the process of drilling, but also is one of the important factors restricting the safe and fast drilling. A plugging agent with stable chemical property, high temperature resistance and high salt resistance was prepared from waste tire inert materials and polymer, which not only could reduce the cost of plugging, but also could effectively seal loss zone. Indoor experimental study on plugging effect of inert material and polymer plugging agent is of great significance. At last, development directions of drilling fluid plugging materials and plugging technologies were analyzed.

inert material; polymer; plugging agent; leakage layer

TE 357

A

1671-0460（2016）11-2567-03

2016-09-13

潘凡（1990-），男，湖北仙桃人，男，長江大學石油工程學院在讀碩士研究生，主要從事油氣井流體力學方面的研究。E-m ail：945918356@qq.com。