吸水膨脹類堵漏材料研究進展

史野 夏景剛 周志強 閆文華 于肇云（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第五鉆井公司，河北 河間 062450）

吸水膨脹類堵漏材料研究進展

史野 夏景剛 周志強 閆文華 于肇云（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第五鉆井公司，河北 河間 062450）

對近年來國內外吸水樹脂堵漏材料的作用機理和材料類型進行了綜述。介紹了目前吸水堵漏材料延時膨脹的方法如包裹法、接枝疏水性單體和采用非水攜帶液等。總結了延遲吸水樹脂類堵漏材料存在的問題，并提出了研究建議。

吸水膨脹材料；膨脹機理；膨脹材料類型；延遲膨脹方法

堵漏是鉆井作業中最常遇到的復雜難題之一，至今沒有得到有效解決。全球石油行業每年因井漏而造成的經濟損失高達數億美元[1]。在鉆井液中加入橋堵材料是常見的堵漏方法。化學堵漏材料包括膠堵劑、樹脂堵劑、膨脹堵漏劑。膨脹材料的密封層不需要粒徑和泄漏通道完全匹配，利用顆粒自身的膨脹特性進入漏層進行堵漏，對大孔隙或裂縫，滲漏的效果好。

1 吸水膨脹類堵漏材料現狀

1.1 堵漏用膨脹材料吸水膨脹作用機理

遇水膨脹材料是一種交聯聚合物，只溶脹而與水不溶解。其分子結構包括羧基、羥基、酰胺基、磺酸基等親水基團，具有一定的網狀結構。根據吸水樹脂吸水機理，吸水樹脂吸水膨脹的前提是有親水基團例如-COONa和-SO3Na。-COONa和-SO3Na發生離解，產生-COO-、-SO3-和Na+。由于高分子鏈上的-COO-和-SO3-不能向水中擴散，為維持電中性，Na+也不能自由地離開高分子網絡向水中擴散，即網絡中的Na+濃度。正是這種濃度差，使聚合物網絡外部的水向網絡內滲透，發生吸水膨脹。

1.2 堵漏用吸水膨脹材料類型

1.2.1 粘土類復合吸水材料

凝膠封堵層由分散的、親油的膨潤土形成，或者由土粉和干粉PAM的混合物與水混合后注入密封層。粘土也可以被包裹在聚合物膜囊中，在袋中留下一個孔，當膠囊被泵入井筒內，水通過孔進入膠囊，粘土膨脹并破壞涂層膜，釋放聚合物膨脹形成密封層封堵漏層。

1.2.2 丙烯類聚合物吸水材料

丙烯酸（AA）與丙烯酰胺（AM）和丙烯腈（AN）單體構成的聚合物和帶電荷離子或有機化合物的活性官能團交聯形成凝膠。丙烯酰胺作為單體用作合成堵漏劑成為主要的研究對象，這是由于酰胺基團吸水能力強是非離子單體，具有良好的耐鹽性，另外酰胺基團有吸附能力，可以增加樹脂的吸附能力的形成，提高駐留能力。在AA和AM聚合體系中，引入膨潤土和蒙脫土等無機材料不僅可以提高材料的強度，而且可以降低成本。[2]

1.2.3 聚氨酯類堵漏材料

二異氰酸酯和多元醇加成聚合得到聚氨酯，分子間氫鍵的強度高，耐磨性、耐溶劑性等性能優異。雖然聚氨酯不屬于吸水樹脂，但因為水是聚氨酯預聚物的固化劑，固化交聯反應，產生CO2引起體積膨脹，有一個類似的溶脹作用，達到堵漏的目的。固化后的聚氨酯樹脂的抗壓強度可達到19.8mpa，和水含量最大可達27倍。[3]聚氨酯為主要材料，制備鉆井堵漏劑，在裂縫、裂紋內形成固體塞體，達到堵漏的目的。

1.3 國內外采取延時膨脹的方法

現有的膨脹類堵漏劑吸水速度過快，半個小時已經完全膨脹。經常在現場配制過程和泵送時已經膨脹過大，導致堵漏劑難以進入漏層，部分進入漏層的堵漏劑因提前膨脹致使填塞層強度較低，堵漏效果差。

目前國內外延遲膨脹的方法有包裹法、接枝疏水單體法和非水溶液法。包裹法：包被材料表面上一層疏水性吸附劑顆粒，當顆粒被泵送到漏失地層時，由地層的溫度作用和鉆井液的剪切力的作用下吸水顆粒的包裹材料破裂，裸露出吸水顆粒進行吸水膨脹，密封發生漏失的裂縫或孔隙。包裹法存在的主要問題有：（1）涂層困難；（2）涂層不均勻，需要多次重復，完全覆蓋；（3）涂層工藝復雜，難以實現工業化。接枝疏水性單體法：疏水性單體對水分子進入吸收顆粒內有抑制作用，因此，可接枝一定量的疏水單體，控制吸水膨脹速度。雖然疏水單體實現延遲擴張取得了一定的效果，但引入疏水性單體，還應該考慮到吸水材料的吸水能力。疏水液攜帶法：以地面流體為一定濃度的疏水性液體，吸水顆粒略有膨脹，當達到漏失地層后被地層水稀釋后，攜帶液的疏水能力降低，吸水顆粒進一步膨脹，填充的滲漏通道。這種方法的問題是，在地層水稀釋液后，吸水顆粒的溶脹度降低，吸水時不能達到原有的膨脹程度[4]。

2 結語

目前關于延時膨脹堵漏材料的研制，雖然取得了一定的成果，但有待進一步的完善和優化。延遲的效果和膨脹的倍率還有待完全解決，存在一定的矛盾。比如某些延遲膨脹材料是犧牲了膨脹倍率而達到延遲膨脹的目的，某些是膨脹倍率很大但是延遲膨脹效果不理想。因此提出一種新型的延遲機理，研制新型的可延遲膨脹類材料是接下來研究工作的重點。

[1]徐同臺,劉玉杰,申威.鉆井工程防漏堵漏技術[M].北京:石油工業出版社,1997:1-4.

[2]黃達全,陳少亮,馬運慶等.可膨脹高效承壓劑在堵漏作業中的應用.鉆井液與完井液,2006,23(3):71-73.

[3]金術英.水溶性聚氨酯在壩工裂縫防滲堵漏中的應用.吉林水利,2007,S1:79-81.

[4]李娟,劉文堂,沈士軍.吸水樹脂堵漏材料的研究進展.油田化學,2011,28(1):110-114.

史 野（1987-）男，漢族，山東鄆城人，工程師，博士，主要從事鉆井液研究工作。