鉆井液堵漏材料研究及應用現狀與堵漏技術對策

李 偉， 白英睿， 李雨桐， 王 波,， 呂開河， 張文哲， 雷少飛

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院， 西安 710075； 2.中國石油大學(華東)石油工程學院， 青島 266580； 3.西安石油大學經濟管理學院， 西安 710065)

井漏是1種鉆井施工過程中鉆井液大量漏入所鉆地層的現象，是復雜地層最常見且難以處理的鉆井工程復雜事故之一[1]。據統計，全世界超過25%的油氣井在鉆井過程中發生井漏，導致鉆井過程中非生產時間增加12%，平均每年用于堵漏的直接費高達20億～40億美元[2-3]。據美國能源部報道，美國高溫高壓井有10%～20%的鉆井費用用于處理井漏。墨西哥灣鉆井過程中，井漏導致非生產時間的增加超過12%[4]。伊朗裂縫性碳酸鹽地層中有32%的井發生井漏[1]。中國石油天然氣集團有限公司(中石油)的每年井漏損失時間占全部鉆井損失時間70%，年均經濟損失超過40億元人民幣。因此，科學有效控制和消除井漏事故對于確保井下安全、提高鉆井速度、節約鉆井成本至關重要。

根據鉆井液漏失速度，井漏可分為低漏失、中等漏失、嚴重漏失和失返性漏失。當井漏發生時，最常用的方法為使用堵漏材料(lost circulation materials,LCMs)封堵地層漏失通道。針對不同鉆井液漏失類型，中外學者已研發出一系列堵漏材料，按照堵漏機理大體可分為橋塞堵漏材料、高失水類堵漏材料、吸水/吸油聚合物堵漏材料、聚合物凝膠類堵漏材料、可固化堵漏材料以及智能堵漏材料等[5-13]。上述堵漏材料的研發，為鉆井液防漏堵漏提供了有效的手段，但是復雜地層鉆井液防漏堵漏仍然存在盲目性和不可預見性，缺乏科學有針對性的堵漏對策，出現堵漏材料對漏失地層適應性差、抗溫性能不佳、承壓能力和駐留能力不足等問題，導致一次堵漏成功率低、堵漏方法難以復制，因此井漏事故至今仍未得到有效控制和消除[14-21]。

針對現有堵漏材料處理復雜漏失時，存在一次堵漏成功率低、堵漏方法難以復制的問題，現通過文獻分析，闡述了橋接堵漏材料、高失水堵漏材料、吸水/吸油聚合物堵漏材料、聚合物凝膠堵漏材料、可固化堵漏材料、智能堵漏材料等堵漏材料的組成、特點和堵漏機理，分析了堵漏材料在不同漏失類型中的應用效果，提出了堵漏材料在鉆井液堵漏中應用的技術途徑、研發方向及防漏堵漏對策。

1 堵漏材料研究進展

1.1 橋塞堵漏材料

橋塞堵漏材料是由形狀不同、大小各異的惰性材料按照一定的比例和級配形成的復合堵漏材料。橋塞堵漏材料一般由顆粒狀材料、纖維狀材料和片狀材料組成，常見的有核桃殼、鋸末和云母等，如圖1所示。橋塞堵漏材料具有來源廣、成本低廉、不影響鉆井液流變性、操作簡單等優點，在現場應用廣泛。但是，由于橋塞堵漏材料是由小粒徑的剛性材料組成，所以對漏失通道的適應性較差，在較大的裂縫或溶洞中容易被沖走。橋塞堵漏材料通過在漏失通道架橋、卡吼、拉筋懸浮和填充等作用，駐留在漏失通道，形成致密的封堵層(圖2)，有效控制和消除井漏事故[22-25]。如國外的C-SEAL系列顆粒復合堵漏材料、MAX-BRIDGE堵漏材料等，中國的HD橋接復合堵漏劑、915復合橋接堵漏材料等[14,16]。

圖1 常見橋塞堵漏材料[9]Fig.1 Conventional bridge LCMs[9]

圖2 橋塞堵漏材料堵漏機理[22-25]Fig.2 Lost control mechanism of bridge LCMs

圖3 高失水堵漏材料堵漏機理Fig.3 Lost control mechanism of high fluid loss LCMs

1.2 高失水類堵漏材料

高失水類堵漏材料是指在漏失通道通過固相失水、填塞等作用形成致密封堵層的堵漏材料。高失水類堵漏材料一般由硅藻土、滲濾性材料、惰性材料等按一定比例復配而成[26]。高失水類堵漏材料使用方便、見效快，在高滲透性地層成功率高[27]。但是高失水類堵漏材料與橋塞堵漏材料類似，對漏失通道的適應性較差，在較大的裂縫或溶洞中容易被沖走。如圖3所示，高失水類堵漏材料進入地層后，在地層與井底壓差作用下，通過材料的高失水性能迅速失水，固相組分聚集變稠迅速形成薄膜或濾餅，進而封堵漏失通道。常見的高失水類堵漏材料有雪佛龍的Diaseal M堵漏材料、中國的狄賽爾(DSL)堵漏劑和Z-DTR堵漏劑[14,16]。

1.3 吸水/吸油聚合物堵漏材料

吸水/吸油型聚合物堵漏材料是由分子結構上含有親水性或親油性基團，遇水或油溶脹，但不溶解的吸水/吸油樹脂組成的堵漏材料[27]，如圖4所示。吸水/吸油型聚合物堵漏材料一般可分為陰離子型、陽離子型、非離子型和復合離子型[28]。吸水/吸油型聚合物堵漏材料具有膨脹和變形性等優點，不受漏失通道形狀和尺寸的影響，可以解決了橋接堵漏材料和高失水堵漏材料無法解決的自適應堵漏問題。但是，吸水/吸油型聚合物堵漏材料吸水或吸油速度不可控，抗溫能力幾乎都在135 ℃以下，導致延時封堵效果和抗高溫性能較差。如圖5所示，吸水/吸油型聚合物堵漏材料在壓差的作用下進入漏失地層后，通過利用分子間范德華力或氫鍵、三維網絡結構內外側滲透壓將水分子或油分子吸入網絡結構而引起體積劇烈變化，形成具有一定彈性的自適應材料，根據漏失通道尺寸的大小自動調節形狀，進而封堵漏失通道[29]。常見的吸水/吸油型聚合物堵漏材料如國外的Poly Block、中國的溶脹性丙烯酰胺-丙烯腈共聚樹脂等[16]。

圖4 吸水/吸油聚合物堵漏材料[27]Fig.4 Water/oil absorbent resin LCMs[27]

圖5 吸水/吸油聚合物堵漏材料堵漏原理[29]Fig.5 Lost control mechanism of water/oil absorbent resin LCMs[29]

1.4 聚合物凝膠類堵漏材料

聚合物凝膠類堵漏材料是由成膠前以液體或者高黏流體進入漏失層，在漏失通道形成交聯體的交聯聚合物堵漏材料[30]，如圖6所示。聚合物凝膠類堵漏材料一般由聚合物單體、交聯劑和引發劑通過交聯作用形成。聚合物凝膠類堵漏材料自適應能力強，有較強的黏滯阻力和抗剪切稀釋能力，在大的裂縫或溶洞中不易被稀釋沖走。但是其與鉆井液配伍性差、成膠時間不易控制、抗溫能力低，承壓能力不足。如圖7所示，聚合物堵漏材料以液體或者高黏流體進入漏失層后，聚合物鏈通過彼此之間的交聯形成三維網絡結構，凝膠成膠后利用高分子聚合物的化學鍵以及其分子間作用力，與漏失通道壁面粘合在一起產生較大的黏滯阻力，在漏失通道處形成凝固封堵層。典型的聚合物凝膠類堵漏材料如M-I公司的FORM-A-PLUG、FORM-A-SET、FORM-A-SETAKX等系列凝膠堵漏材料[16]；西南石油大學羅平亞院士團隊的ZNT特種凝膠[31]；中國石油大學(華東)孫金聲院士團隊的抗高溫凝膠堵漏劑和剪切響應型凝膠堵漏劑等[32-33]。

圖6 聚合物凝膠堵漏材料[30]Fig.6 Polymer gel LCMs[30]

圖7 聚合物凝膠堵漏機理Fig.7 Lost control mechanism of polymer gel LCMs

1.5 可固化堵漏材料

可固化堵漏材料是指具有較強觸變和固化性能，能在漏失層快速固化封堵漏失層的堵漏材料[34]，可固化堵漏材料由固化劑、懸浮穩定劑和緩凝劑等材料組成的。可固化堵漏材料來源廣，成本低，強度高，配制工藝簡單，固化后膠結強度大。但是其施工安全風險高，抗高礦化度地層水污染和稀釋能力差，容易導致卡鉆或在裂縫或溶洞被水稀釋沖走等問題[35]。如圖8所示，可固化堵漏材料泵入漏失地層一段時間后，由于其較強的觸變性能，在漏失層流動阻力大，稠化凝結形成具有一定強度的固體狀，與地層膠結而封堵漏失通道。現有的可固化堵漏材料如Halliburton公司的Sentinel CemTM堵漏水泥漿[36]、中國的高強度耐高溫化學固結劑HDL-4[37]、井下交聯固結堵漏劑[38]等。

圖8 可固化堵漏材料堵漏機理[35]Fig.8 Lost control mechanism of Curable LCMs[35]

1.6 智能型堵漏材料

智能型堵漏材料是1類能感知漏失地層刺激，判斷并且可進行有效封堵漏失通道的堵漏材料。智能型堵漏材料包括智能形狀記憶堵漏材料(圖9)[39-45]、智能凝膠堵漏材料[46]、智能分子膜材料智能仿生材料等智能材料[47-48]。智能堵漏材料可智能適應各種復雜地層，力學性能優異，可顯著提高堵漏效率，在鉆井液防漏堵漏領域具有廣闊的應用前景。目前大多數智能材料堵漏材料仍處于基礎研究階段，大部分尚未進行現場應用。如圖10所示，智能堵漏材料進入地層后，可在地層溫度、壓力、pH等環境因素的刺激下，通過感知響應進行自主判斷，在漏失通道自適應形成致密的封堵層。現有的智能堵漏材料如中國石油大學(華東)孫金聲院士團隊的智能膜堵漏材料[18]和智能自愈合凝膠堵漏材料[49]。

圖9 智能形狀記憶聚合物堵漏材料[44]Fig.9 Smart shape memory polymer used for lost circulation control[44]

圖10 智能形狀記憶聚合物材料堵漏原理Fig.10 Lost control mechanism of smart shape memory polymer

2 堵漏材料應用效果

通過油田現場堵漏技術報告和文獻調研，選取了全球超過2000口井的堵漏數據，分析了不同橋塞堵漏材料[50-52,58-63,66-72]、吸水/吸油聚合物堵漏材料[53-56,64-65]、聚合物凝膠堵漏材料[13,57]、可固化堵漏材料和智能堵漏材料[39-48]在低漏失、中等漏失、嚴重漏失和失返性漏失時的堵漏效果。

2.1 在低漏失的應用效果

低漏失是指漏失量小于1 m3/h的漏失[1]。當鉆井液當量循環密度過高或所鉆地層為高滲透性或微裂縫地層時，往往發生低漏失。一般通過3種方法控制和消除低漏失：①忽略低漏失，繼續鉆進，通過細鉆屑累積架橋封堵漏失通道。但是細鉆屑累積會影響鉆井液流變性，容易導致其他事故產生[73-74]。②停鉆，關泵，將鉆桿提到可疑漏失地層之上，對井眼進行處理。③在漏失可疑地層鉆井時，提前在鉆井液加入隨鉆堵漏材料，這是處理低漏失最好的方法[75-76]。

圖11 堵漏材料在中等漏失地層的使用頻次Fig.11 Application frequency of LCMs in medium loss treatments

圖12 堵漏材料在中等漏失地層的堵漏效果Fig.12 Lost circulation control effectof LCMs in medium loss treatments

2.2 在中等漏失的應用效果

中等漏失是漏失速率為1～15 m3/h的漏失[1]。中等漏失發生一般是由以下3種原因引起的：①由于鉆井液泵關閉，井眼完全充滿鉆井液時，環空水力壓力降低導致井底壓力增大，鉆井液當量循環密度增大，產生誘導裂縫；②下套管時由于壓力激動或者起下鉆時鉆井液循環停止，井底壓力大大超過地層壓力，產生誘導裂縫；③地層中存在天然裂縫[77]。前2種情況，應該降低鉆井液固相含量或降低鉆井液屈服值，最好不采用堵漏材料[1]。當地層中存在天然裂縫時，需要采用堵漏材料封堵漏層，以防漏失繼續惡化導致嚴重或失返性漏失。由圖11和圖12可知，在統計的鉆井工程現場中控制和消除中等漏失時，堵漏材料使用頻次由大較小分別為橋塞堵漏材料、聚合物凝膠堵漏材料、可固化堵漏材料、復合堵漏材料(高失水堵漏材料+彈性石墨+橋塞堵漏材料)、高失水堵漏材料，其堵漏成功率分別為64%、62%、79%、91%、68%。復合堵漏材料堵漏處理中等漏失成功率最高，但是較其他堵漏材料成本高，操作復雜；可固化堵漏材料堵漏成功率相對較高，能夠自適應進入漏層，稠化凝固成具有相當強度的封堵層，但是其施工安全風險高，相較于橋塞堵漏材料對儲層損害大；聚合物凝膠堵漏材料堵漏成功率和橋塞堵漏材料大體相同，但是其成本較后者高。所以上述3種堵漏材料在中等漏失地層應用較少。高失水類堵漏材料處理中等漏失時，堵漏成功率較高，但僅限于高滲透性地層。根據堵漏成功率和成本考慮，橋塞堵漏材料和高失水堵漏材料是目前處理中等漏失經濟實用的堵漏材料。

2.3 在嚴重漏失的應用效果

嚴重漏失是漏失量大于15 m3/h的漏失[1]。嚴重漏失一般是由于以下2個原因導致的：①下鉆過程中由于瞬間的壓力激動產生了誘導裂縫；②地層中存在較大的天然裂縫或溶洞[78]。由圖13和圖14可知，在統計的鉆井工程現場中控制和消除嚴重漏失時，堵漏材料使用頻次由大較小分別為橋塞堵漏材料、可固化堵漏材料、高失水堵漏材料、復合堵漏材料(高失水堵漏材料+彈性石墨+橋塞堵漏材料)、復合堵漏材料(可固化+橋塞堵漏材料)、智能形狀記憶堵漏材料、吸水/吸油聚合物堵漏材料、復合堵漏材料(吸水/吸油聚合物+橋塞+可固化堵漏材料)、聚合物凝膠堵漏材料，其堵漏成功率分別為53%、79%、60%、86%、78%、23%、81%、71%、81%。橋塞堵漏材料和高失水堵漏材料成本低，適用方便，在嚴重漏失中應用較多，但是其堵漏成功率較低；單獨使用智能堵漏材料成功率只有23%，可能是漏失層位預測不準，漏失層溫度無法確定，導致智能形狀記憶堵漏材料激活溫度出現偏差[45,54]。根據堵漏成功率和成本考慮，吸水/吸油聚合物堵漏材料、聚合物凝膠堵漏材料堵漏、可固化堵漏材料及以可固化材料為基礎的復合堵漏材料是目前處理嚴重漏失效果較好的堵漏材料。

圖13 堵漏材料在嚴重漏失地層的使用頻次Fig.13 Application frequency of LCMs in severe loss treatments

圖14 堵漏材料在嚴重漏失地層的堵漏效果Fig.14 Lost circulation control effectof LCMs in severe loss treatments

2.4 在失返性漏失的應用效果

失返性漏失是鉆井液完全失返的漏失[1]。導致失返性漏失的主要原因是地層中存在大裂縫或大溶洞。由圖15和圖16可知，在統計的鉆井工程現場中控制和消除失返性漏失時，堵漏材料使用頻次由大較小分別為可固化堵漏材料、復合堵漏材料(可固化+橋塞堵漏材料)、聚合物凝膠類堵漏材料、高失水堵漏材料、復合堵漏材料(高失水堵漏材料+彈性石墨+橋塞+可固化堵漏材料)，其堵漏成功率分別為65%、73%、69%、41%、77%。高失水堵漏材料在較大的裂縫或溶洞中容易被沖走，因此其堵漏成功率最低。以可固化材料為基礎的復合堵漏材料，可通過惰性材料的架橋填塞作用，阻止可固化堵漏材料被沖走[79]，所以以可固化材料為基礎的復合堵漏材料的成功率大于可固化堵漏材料。從堵漏成功率和成本考慮，聚合物凝膠類堵漏材料、可固化堵漏材料以及以可固化材料為基礎的復合堵漏材料是目前處理失返性漏失較經濟實用的堵漏材料。

圖15 堵漏材料在失返性漏失地層的使用頻次Fig.15 Application frequency of LCMs in complete loss treatments

圖16 堵漏材料在失返性漏失地層的堵漏效果Fig.16 Lost circulation control effectof LCMs in complete loss treatments

3 堵漏技術對策

近年來鉆井液堵漏材料的研究取得了重要進展，經歷了從惰性堵漏材料到化學堵漏材料和智能堵漏材料的發展，提高了堵漏效果，但是由于裂縫性和縫洞性地層的復雜性，堵漏效果仍不理想。總體而言，鉆井液防漏堵漏仍然存在盲目性和不可預見性。現針對鉆井液防漏堵漏存在的問題，結合常用堵漏材料優缺點、堵漏材料發展方向以及堵漏程序，提出了提高鉆井液防漏堵漏效果的具體措施。

3.1 優化現堵漏材料性能

針對目前常規堵漏材料在處理復雜漏失時，出現適應性差、抗溫性能不佳、承壓能力和駐留能力不足等問題，應根據不同堵漏材料的優點和適應性，優化其堵漏性能。橋塞堵漏材料和高失水堵漏材料種類繁多，主要是剛性顆粒通過架橋、失水堆積等作用形成封堵層，導致適應性差、功能單一、配方復雜，堵漏方法難以復制，部分區塊返吐嚴重，應注重提高其對漏失通道的自適應封堵能力；吸水/吸油聚合物堵漏材料遇水/油膨脹，吸水速度不可控，抗溫能力幾乎都在140 ℃以下，導致延時封堵效果和抗高溫性能較差，應注重提高其承壓強度、抗溫能力和延遲膨脹能力；常規聚合物凝膠類材料與鉆井液配伍性差、成膠時間不易控制、抗溫能力低、承壓能力不足，堵漏效果不佳，應注重提高其承壓強度、抗溫能力和延遲凝膠能力；可固化堵漏材料施工安全風險高，抗高礦化度地層水污染和稀釋能力差，容易導致卡鉆或在裂縫或溶洞被水稀釋沖走等問題，注重提高施工安全性和抗稀釋能力；由于裂縫性和縫洞性地層復雜多變，漏失機理具有多樣性，單一的堵漏材料難以取得較好的效果，應通過多種堵漏材料之間的協同作用，形成有科學的有針對性的復合堵漏材料。

3.2 研發智能型堵漏材料

目前智能堵漏材料在鉆井液堵漏領域的研究和應用仍處于起步階段，未來應繼續提高智能堵漏材料性能，拓寬使用范圍，制定科學化和智能化的堵漏工藝，加快成果轉化和工業化應用。智能形狀記憶聚合物堵漏材料到達激活溫度強度較低，可能導致承壓能力不足。在未來研究過程中，智能形狀記憶聚合物材料應注重通過兩階段固化技術提高其承壓強度；凝膠隨鉆堵漏將凝膠顆粒分散在鉆井液中，通過在漏失通道中架橋堆積形成封堵，隨鉆隨堵、操作簡便，但是堆積層易被沖散，承壓能力低，今后應注重提高智能凝膠材料在高溫等苛刻條件下的自愈合、自膠結能力；常規鉆井液成膜材料膜的厚度較小，在激動壓力等條件下容易發生破壞，僅適用于滲透性漏失地層的封堵，今后應實現智能膜堵漏材料成膜厚度和成膜強度雙提升，提高智能膜對漏失通道的適用能力；智能仿生材料自適應能力強、結構穩定、抗溫能力強，適用于高滲透性漏失及微小裂縫性漏失地層，今后智能仿生材料應注重將架橋封堵、自適應封堵和智能仿生封堵結合起來，實現協同強化堵漏。

3.3 制定科學的堵漏技術準則

根據漏失及堵漏機理和現場堵漏經驗，形成科學合理的防漏堵漏決策樹，選擇合理的堵漏材料及方式，是目前防漏堵漏常用的方法。當發生鉆井液漏失時，需停鉆，觀察泥漿液面。對于表層漏失，需測點定位，封堵漏失；對于井口溢流，需記錄關井壓力，壓井。此外，根據測量的漏失速率，由堵漏材料應用效果可知，對于低漏失，由于漏失量較小，可以采用清水搶鉆、停泵以及加入隨鉆堵漏材料控制和消除漏失；對于中等漏失，由于裂縫較小，橋塞堵漏材料和高失水堵漏材料可在漏失層通過架橋、拉筋、填塞等作用形成致密封堵層，其相對于可固化堵漏材料和聚合物凝膠類堵漏材料成本較低、使用方便，因此橋塞堵漏材料和高失水堵漏材料是控制和消除中等漏失的優選方案；對于嚴重漏失，橋塞堵漏材料和高失水堵漏材料在較大裂縫或溶洞中容易被沖走，吸水/吸油聚合物堵漏材料、聚合物凝膠類堵漏材料、可固化堵漏材料及以可固化材料為基礎的復合堵漏材料在大裂縫或溶洞中具有較強的自適應能力和滯留能力，堵漏成功率較高；對于失返性漏失，吸水/吸油聚合物堵漏材料是通過顆粒膨脹架橋封堵，在大裂縫或大溶洞容易被沖走，而聚合物凝膠類堵漏材料、可固化堵漏材料以及以可固化材料為基礎的復合堵漏材料是通過在漏失通道形成連續封堵層，因此是控制和消除失返性漏失的優選方案。針對堵漏材料在低漏失、中等漏失、嚴重漏失和失返性漏失中的應用效果，形成了新的堵漏決策樹，如圖17所示。

圖17 鉆井液堵漏決策樹Fig.17 Methods of lost circulation control

4 結束語

針對鉆井液堵漏存在的問題，應重點從優化現有堵漏材料性能、研發智能型堵漏材料和制定科學的堵漏技術準則出發，提高堵漏材料在一次堵漏中的成功率及可復制性。針對低漏失、中等漏失、嚴重漏失和失返性漏失的漏失機理的不同，根據常用堵漏材料優缺點及其適應性，重點解決堵漏材料的泵入、駐留、抗溫、承壓和封堵強度等方面的問題，開發高效的堵漏材料，以形成應對不同類型復雜漏失的堵漏材料，著力提高堵漏材料的適應性和針對性。智能材料在鉆井液堵漏領域的研究和應用仍處于起步階段，未來應繼續提高智能堵漏材料性能，拓寬使用范圍，制定科學化和智能化的堵漏工藝，加快成果轉化和工業化應用。根據堵漏材料現場堵漏經驗和堵漏機理，結合各種堵漏材料在不同漏失類型中的堵漏效果，制定針對不同漏失類型的防漏堵漏對策，形成科學合理的鉆井液堵漏準則。

總體而言，復雜地層鉆井液防漏堵漏仍然存在較大盲目性和不可預見性，未來應結合常用堵漏材料優缺點、堵漏材料發展方向以及堵漏程序，制定科學合理的堵漏方案，推動鉆井液堵漏技術的實用性、創新性和科學化發展。