網狀泡沫材料的堵漏特性研究

遲軍， 馬川， 尹達， 蒲曉林， 李家學， 王濤

裂縫性漏失是鉆井過程中最常遇到的漏失類型，其大約占井漏總數的70%，花費占90%以上。因此解決裂縫性漏失問題意義重大[1-3]。目前最常用的解決方法是橋塞堵漏，橋塞堵漏材料有礦物顆粒、果殼、植物纖維、合成纖維等[4-6]。這些常規的堵漏材料在堵漏施工中取得了一定的效果，但是存在可變形性差，不易進入漏層，形成的封堵墻強度低等問題，尤其是在漏失嚴重的裂縫性地層，常規的堵漏材料在波動、抽吸壓力等外力作用下，易被返排，造成堵漏效果不佳或者重復漏失[7-11]，因此研究新型橋塞堵漏材料，合理選取其種類和濃度，對提高裂縫性地層承壓能力、提高鉆井工程安全性和成功率都有著重大的意義[12-13]。研制出了新型的網狀泡沫堵漏材料，并進行了裂縫性漏失的橋塞堵漏研究，評價其在裂縫內的封堵效果。探明其堵漏機理，并復配出了效果良好的堵漏配方。

1 實驗材料

1.1 網狀泡沫堵漏材料

實驗用網狀泡沫堵漏材料是一種多孔、密度約為0.02 g/cm3、纖維直徑為0.05 mm、網格直徑約為0.3～0.6 mm的固體泡沫，其成分是聚氨基甲酸乙酯。網狀泡沫結構極端開放，幾乎沒有封閉的泡或細胞窗，只遺留泡相遇處的線性邊界，因此能夠浸潤于不同鉆井液體系中。網狀泡沫材料具有高彈性，可擠入裂縫，在裂縫處形成一個過濾網，同時起到骨架支撐的作用。鉆井液體系中的微小顆粒充填進泡沫網狀結構，進而改善其性能，也相當于對顆粒材料起到了交聯作用。

實驗用網狀泡沫堵漏材料由網狀泡沫板材切割加工而成，顆粒尺寸約為2～10 mm，如圖1所示。取部分網狀泡沫材料和碳酸鈣、核桃殼顆粒，對其膨脹性和強度進行了測試，結果見表1和表2。由表1可以看出，網狀泡沫堵漏材料具有吸油膨脹特性，且在高溫柴油中熱滾后膨脹程度更大。由表2可以看出，高溫老化以及柴油浸泡都會對網狀泡沫堵漏材料的抗拉強度產生影響，在柴油中熱滾后其抗拉強度會大大減弱。因此網狀泡沫堵漏材料更適合于在低溫水基鉆井液中使用。

圖1 網狀泡沫和篩網堵漏材料照片

表1 不同測試條件下堵漏材料的體積相對膨脹率

表2 不同堵漏材料熱滾前后（100 ℃、16 h）的強度

1.2 篩網堵漏材料

篩網堵漏材料是一種高摩阻片狀材料，其強度高，表面凹凸不平，邊緣呈纖維狀。片狀篩網材料相互之間可以將顆粒材料包裹在中間，并且在壓力作用下，增強封堵隔墻中材料之間以及封堵隔墻與裂縫面之間的摩擦力。材料的邊緣呈現出纖維狀，容易插入或掛靠于裂縫面上，為封堵隔墻在光滑裂縫條件中的形成起到重要作用。因此它的加入能夠增強封堵隔墻的穩定性，從而更加有效地封堵裂縫。實驗用篩網堵漏材料粒徑為0.076 mm，厚度為0.1 mm，長為2～4 mm的矩形金屬多孔薄片。

2 實驗部分

2.1 實驗裝置

實驗裝置為QD-2型長裂縫堵漏材料評價裝置，其模擬的裂縫具有30 cm長的深度，實驗完成后可以打開裂縫模塊，觀察堵漏材料在裂縫內的封堵位置和形態，探索橋接堵漏材料封堵裂縫的機理和規律。該裝置結構由主體裝置、裂縫模塊和壓力源3部分組成，主體結構示意圖見圖2。該實驗裝置密封效果好、操作簡單、使用方便；裂縫模塊與裂縫墊片可以貼合為各種尺寸的楔形裂縫[14-15]。

圖2 QD-2型長裂縫堵漏裝置示意圖

2.2 堵漏基漿配方及性能

油基基漿為塔里木盆地庫車山前區塊UDM-2油基鉆井液。水基和油基基漿的基本性能見表3，配方如下。

水基基漿 水+4%膨潤土+0.2%無水碳酸鈉+0.5% CMC-HV

油基基漿 柴油+10%水+2.7% CaCl2+2%主輔乳化劑+2.3%輔乳化劑+0.6%黏度調節劑+1.2%降失水劑+2.7% CaO+重晶石

表3 水基基漿與高密度油基鉆井液的基本性能

2.3 堵漏材料基本配方

堵漏材料基礎配方如下。

0#水基基漿+1%核桃殼（細）+1%SQD-98（中粗）+1%SQD-98（細）+1%ZDS-1+1%ZDS-2+1%ZDS-3

其中，SQD為纖維與顆粒混合物，ZDS為剛性礦物顆粒，ZDS-3粒徑為2.0～0.9 mm，ZDS-2粒徑為0.9～0.45 mm，ZDS-1粒徑為0.125～0.05 mm。

2.4 實驗方案

①準備3 000 mL水基鉆井液，按質量比加入堵漏材料，攪拌均勻。②將入口2 mm出口1 mm的長裂縫模塊裝入堵漏裝置，保證儀器密封完好。③將攪拌好的鉆井液倒入實驗筒內，旋好注氣筒和鋼蓋。④水龍頭下準備好量程燒杯，打開閥門，靜置10 min，記錄無外界壓力下的漏失量。⑤10 min后無外界壓力下自然封堵成功后，打開注氣筒加壓到1 MPa。⑥以1 MPa為間隔，逐步加壓到5 MPa，分析不同壓力下的承壓封堵效果。

3 實驗結果

3.1 網狀泡沫封堵裂縫實驗

考察了不同壓力下網狀泡沫封堵裂縫的情況，結果見表4。在堵漏基礎配方中加入0.04%的網狀泡沫或0.6%篩網堵漏材料，其在裂縫模塊內的封堵情況如圖3所示。由表4可以看出，單獨使用堵漏基礎配方或網狀泡沫材料不能成功封堵裂縫，加入0.08%的網狀泡沫堵漏材料就可以成功封堵裂縫，但隨著網狀泡沫堵漏材料質量分數的增加，在相同壓力作用下的漏失量減少并不顯著。由圖3可以看出，在尾部形成的封堵隔墻實際完全由剛性顆粒構成。網狀泡沫堵漏材料則是滯留于裂縫之中。

表4 加入網狀泡沫堵漏配方后在裂縫模塊內的封堵情況

圖3 加有網狀泡沫和篩網材料的堵漏漿在裂縫模塊內的封堵情況

網狀泡沫極易壓縮，可隨基漿漏失出來一部分。經分析認為，在實際地層中，網狀泡沫材料可在裂縫深處較窄孔隙中壓縮，從而與剛性顆粒共同組成封堵隔墻，對在其中流動的流體產生極大的阻力，因此可以減少漏失速率。滯留在裂縫較寬處的一部分網狀泡沫壓縮形變較小，形成的封堵隔墻較弱，但是大量的網狀泡沫分布于裂縫之中，相當于形成了多層微弱的封堵隔墻，承擔了部分壓力，減少對剛性堵漏顆粒的沖擊，提高了整體的承壓能力。

3.2 篩網堵漏材料封堵裂縫實驗

篩網堵漏材料封堵裂縫情況見表5。由表5可以看出，篩網堵漏材料的添加質量分數小于0.9%時，隨著加量增加，漏失量大為減少，而加量超過0.9%后，隨加量的增加漏失量減少幅度降低。考慮到使用的經濟性，0.9%質量分數即為篩網材料的合理加量。與表2對比可知，篩網堵漏材料添加量要遠遠大于網狀泡沫堵漏材料，其加量的增加對漏失總量影響較大。由圖3還可以看出，篩網堵漏材料依靠高摩阻的性質增強封堵隔墻的穩定性，與固相顆粒共同封堵裂縫末端。

表5 篩網堵漏材料在裂縫模塊內的封堵情況

3.3 堵漏材料復配實驗

考察了網狀泡沫和篩網堵漏材料復合配方的堵漏情況，結果見表6。由表6可以看出，2種堵漏材料復配使用，堵漏效果更好。0.9%篩網堵漏材料+0.04%網狀泡沫即達較好堵漏的效果。考慮到網狀泡沫材料的加量要比篩網低很多，且成本低廉和更易于分散，確定0.45%篩網堵漏材料+0.04%網狀泡沫配方為最佳堵漏配方。由圖4可知，2種材料相互組合，優勢疊加，在模擬長裂縫中形成了穩固的封堵隔墻。

表6 網狀泡沫和篩網復合配方在裂縫模塊內的封堵情況

圖4 14#配方在裂縫模塊內的封堵情況

3.4 不同寬度裂縫條件下的堵漏實驗

將裂縫模塊換成入口1 mm出口為0.5 mm的裂縫模塊，同時在14#配方的基礎上去掉1%ZDS-1，形成17#配方；將裂縫模塊換成入口為3 mm出口為1.5 mm的裂縫模塊，同時在14#配方的基礎上加入1%核桃殼中粗，形成18#配方，其封堵效果見見表7和圖5。由表7可知，在入口1 mm出口0.5 mm的裂縫下，網狀泡沫材料進入較少，原因在于入口較窄的情況下網狀泡沫需要更大的形變量才能進入裂縫，這個過程中需要克服較大的阻力；并且總漏失量較小，隨堵漏漿流動的堵漏材料不多。由于網狀泡沫的多孔特性在低壓縮的情況下可以透過鉆井液，受到流動壓差的影響較小，而在狹窄孔隙中由于受到了更大的壓縮，流通孔隙減小，因此受到了流動壓差更大的影響，從而與剛性架橋顆粒共同架橋，封堵裂縫，其作用相當于一般可變形顆粒。由圖5可知，在入口3 mm出口1.5 mm的條件下，網狀泡沫大量地進入裂縫中，并且與尾部堵漏隔墻存在一定的分層。原因可解釋為在較大入口條件下，網狀泡沫隨堵漏漿能夠輕易進入裂縫中，由于其多孔特性以及尾部封堵隔墻承擔著主要作用，沉積的網狀泡沫材料受到壓差的影響并不顯著，進而隨著裂縫的收窄產生阻卡沉積于裂縫的某一區域。

表7 不同寬度的裂縫對復合堵漏配方堵漏情況的影響

圖5 17#（左）和18#（右）配方堵漏材料在裂縫模塊內的封堵情況

3.5 庫車山前區塊高密度油基鉆井液堵漏實驗

將14#配方基漿換成高密度油基鉆井液形成19#配方進行堵漏實驗，結果見表8和圖6。

表8 高密度油基鉆井液堵漏實驗結果

圖6 19#配方在裂縫模塊內的封堵情況

由此可知，在高密度油基鉆井液中漏失量相比水基鉆井液更大，原因在于實驗用油基鉆井液相比實驗用水基基漿更易流動，并且油基鉆井液浸泡下的網狀泡沫堵漏材料強度變弱，形成的封堵隔墻整體較弱，進而更易發生漏失。但總體而言19#配方能夠成功封堵漏失裂縫。

4 結論與認識

1.通過對新型網狀泡沫堵漏材料進行研究，并與篩網堵漏材料進行對比和復配,從而形成了針對裂縫性漏失堵漏效果良好的配方。

2.通過在水基基漿中進行實驗，考慮到堵漏效果，兼顧經濟性，得出在基本堵漏配方下加入0.45%篩網和0.08%網狀泡沫即為最佳方案。

3.網狀泡沫堵漏材料在油基鉆井液和高溫條件下強度變弱，因此更適于在低溫水基鉆井液中使用。

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