废旧汽车轮胎橡胶颗粒堵漏材料的研究与应用

康力，　鲜明，　杨国兴，　周成华，　曾艺，　王权阳

废旧汽车轮胎橡胶颗粒堵漏材料的研究与应用

康力1，鲜明2，杨国兴1，周成华1，曾艺1，王权阳1

（1.中石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院，四川德阳618000；2.中石油塔里木第二勘探公司井下作业分公司，新疆库尔勒841000）

康力等.废旧汽车轮胎橡胶颗粒堵漏材料的研究与应用［J］.钻井液与完井液，2016， 33（4）：69-73.

目前在中国废旧轮胎的再利用率比较低，而橡胶作为堵漏材料在油田应用方面有其独特的性能优势：易形变、膨胀自封、物理及化学稳定性好等。通过对废旧汽车轮胎的粉碎处理，形成不同粒径的橡胶颗粒，在室内进行堵漏实验评价。结果表明，橡胶颗粒XJ-1最小封堵压力为2.8 MPa，击破压力为3.6 MPa，单独使用可封堵0.5～1 mm裂缝，复合其他堵漏材料可封堵2～3 mm裂缝，承压能力达4 MPa，橡胶颗粒抗温达135 ℃。橡胶堵漏材料应用于油田堵漏作业中，可以解决复杂井漏问题，成本低廉，同时降低环境保护压力。

汽车轮胎；橡胶；堵漏

随着汽车数量的增加，废旧轮胎的环境保护处理问题日益尖锐，经过橡胶粉碎机处理后的废旧轮胎，可以形成不同粒径的橡胶堵漏颗粒，封堵不同缝宽的裂缝，其易形变、膨胀自封和稳定性好的特点，在油田堵漏作业中凸显优势。研制了一种新的废旧橡胶堵漏材料，进行室内堵漏实验评价，结果表明，橡胶颗粒承压能力达4 MPa，抗温达135 ℃，可单独配制或复配其他堵漏材料，适用于表层至5 000 m井段。现场应用于川西、川东北、长庆和大庆油田，解决了该区块复杂井漏问题。橡胶颗粒堵漏材料加工工艺简单、成本低廉，应用效果显著，同时降低了环境保护压力［1-5］。

1　废旧轮胎橡胶的特点和应用

1.1橡胶颗粒堵漏材料的优势

1.1.1其他颗粒状堵漏材料的局限性

目前常规使用的颗粒状堵漏材料在某一方面的特性非常优良，但其综合特性总是差强人意。核桃壳粒径分布广，堵漏见效快，但其易在钻井液中膨胀导致强度变低。碳酸钙强度高，但不易形变导致封堵效果差。单封能顺利进入漏层，但井下一旦形成负压时会造成井漏反吐。锯末和沥青高温下不稳定，导致形成堵漏塞效果差，影响堵漏成功率。

1.1.2性能优势

橡胶颗粒堵漏材料在油田应用方面具有独特的性能优势：易形变、 膨胀自封、 物理及化学稳定性好等。堵漏作业中， 由于井下压力导致橡胶变形，橡胶颗粒可以顺利进入漏层孔隙，不会出现常规堵漏材料 “封门” 的现象。进入漏层孔隙的橡胶颗粒在压力的持续作用下，会膨胀封闭漏失通道，达到“进得去、 停得住” 的效果。橡胶具有极高的惰性，在漏层里不易发生物理和化学变化，保持了堵漏塞的稳定性，确保堵漏一次成功率和后续施工的顺利。

1.1.3成本优势

橡胶颗粒由废旧轮胎制得， 原材料成本低，加工设备价格低，操作费用少，生产橡胶颗粒堵漏材料工艺简单，周期短。同时其运输方便，保存时间长，现场施工工艺简单。一个废轮胎5 kg，回收价格是5元钱，废轮胎价格为500～1 000元/t，而一般弹塑性堵漏材料的价格为5 000元以上。

1.2废旧橡胶作堵漏材料的应用情况

目前，井漏是石油钻探开发中一个仍未完全解决的问题，随着堵漏工艺技术的不断进步，各种堵漏材料也相继问世，但是橡胶作为堵漏材料运用较少［6］。近年来，国外不仅对常规堵漏剂的合理应用做了大量研究，而且还研究出了一批改进型堵漏剂和新型堵漏剂。如热凝橡胶堵漏剂以汽车废旧电瓶壳为原料的热凝橡胶颗粒，经过室内评价和现场试验证明，热凝橡胶堵漏剂是一种极好的桥堵材料。其既适合水基钻井液，也适合油基钻井液，而且还证明其是目前所有桥堵材料中最适合各种油基钻井液的桥堵剂［7］。

柔弹性橡胶材料具有较好的弹性、一定的可变形性、韧性和化学稳定性。在扩张填充和内部挤紧压实双重作用下，自适应封堵不同形状和尺寸的孔隙或裂缝。这种可变形性胶态颗粒组成的可变形封堵塞，通过在低渗透、小孔喉处和泥岩微裂缝处形成内部架桥来降低孔隙压力的传播，同时还提高外泥饼的质量［8-9］。

大庆油田研发的高效廉价胶粒复合堵漏材料，具有粒度广、易形变填充的特点，解决了萨尔图油田南二、三区西部层间压力差异井漏和裂缝性井漏等问题［10-11］。橡胶颗粒形变与压力关系见图1。由此可知，随着压力的增加其形变增大，并逐渐趋于稳定，这有助于胶粒复合材料封堵微孔隙，进一步降低封堵层的渗透率，提高防漏堵漏成功率［12］。

以废旧橡胶制品为主要原料，经过特殊加工工艺生产的桥接型防漏堵漏剂，兼具颗粒和纤维形状，表面凹凸，多毛刺，化学性质稳定，并具有优良的柔韧性和强度。室内研究和现场应用表明，该堵漏剂在正压差作用下能迅速形成强而有效的封堵［13］。

2　轮胎粉碎工艺

2.1轮胎粉碎工艺简介

橡胶粉碎机是对轮胎、橡胶制品进行回收造粒的设备，能把各种橡胶制品粉碎成小块，并在粉碎的同时清洗除去其中的尘土，杂质。设备具有投资小，成本低，操作简单，节能环境保护等特点，可加工各种废旧橡胶。

处理流程：废旧轮胎→切圈机→切条机→切块机→破碎机→研磨机→筛选机→上料机→研磨机→半成品→再次磁选→检验→入库。简单的机械粉碎法就能生产细度为0.076～5 mm（3～200目）的橡胶颗粒，基本覆盖了堵漏材料常用的粒径范围。

2.2轮胎粉碎工艺流程

①洗涤废旧轮胎，使用切圈机将橡胶圈割掉。②用切条机将橡胶切成50 mm×50 mm的胶块。③用切块机将轮胎割成20 mm×20 mm的块状。④喂入破碎机，进行细碎，得到0.6～5 mm（3～30目）的胶粒。⑤送入橡胶磨粉机，磨粉得到0.075～0.6mm（30～200目）的胶粉。⑥破碎后得到的胶粒和胶粉落入振动筛，根据筛布目数筛选成品。⑦半成品继续进行循环加工。

固定间隙调整破碎机动盘和定盘的相对转速，固定转速调整破碎机动盘和定盘的间隙均可得到不同粒径的橡胶颗粒堵漏材料（粒径变化见图2和图3），XJ-1粒径为0.5～1 mm；XJ-2粒径为2～3 mm；XJ-3粒径为4～5 mm。

图2　调整转速时粒径变化图（间隙为0.57 mm）

图3　调整间隙时粒径变化图（相对转速为1 440 r/min）

3　室内研究

3.1实验准备

材料：膨润土、FA367、烧碱、纯碱、沥青、锯末、橡胶（XJ-1）、核桃壳；仪器：DL-A2堵漏仪（见图4）、 自制HTHP改造堵漏仪 （见图5）、 六速黏度仪、 高温滚子炉；实验对象：各种尺寸缝板（见图6）。

图4　DL-A2堵漏仪

图5　HTHP改造堵漏仪

图6　HTHP改造堵漏仪的各种尺寸缝板

3.2橡胶堵漏材料的堵漏实验及结果分析

3.2.1对比实验

室内先进行了堵漏材料对比实验。分别在基浆（水+4%膨润土+0.3%FA367）中加入不同架桥材料，封堵效果见表1，缝板缝宽为0.5 mm，堵漏材料加量为3%。主要记录最小封堵压力、最小封堵时间、击破压力和流尽总时间。

表1　堵漏材料对比实验

从表1看出，橡胶的堵漏效果和核桃壳相当，且橡胶的封堵能力还略高于核桃壳。因为核桃壳虽具备良好的架桥能力，但是本身对充填没有贡献，钻井液仍能穿过孔隙进入缝板。含有沥青或锯末钻井液的封堵时间最短，能在较短的时间形成封堵层，承压能力也较好，但随着实验压力升高，流出液体直线上升，说明封堵层遭到破坏。橡胶的封堵时间较长，但承压能力最高，随着系统压力升高，流出液体体积变化不大，当压力高于3 600 kPa时，液体流出速度瞬间变快，随后趋于平缓。

实验表明， 橡胶粒进入漏层后有一定的扩张填充和挤紧压实的作用。橡胶粒具有可变形性， 能适应具有不同形状和尺寸的孔隙或裂缝， 特别能适应诱导性裂缝的尺寸变化。在压差作用下， 小于地层孔隙尺寸或裂缝宽度的橡胶粒进入孔隙后架桥封堵，略大于地层孔隙直径或裂缝宽度的橡胶粒可通过被挤压变形进入孔隙，对孔隙或裂缝产生充填作用。

3.2.2橡胶堵漏材料封堵实验

室内实验评价了橡胶颗粒对裂缝的封堵效果，结果如表2所示。由表2可以看出，橡胶颗粒单独使用，可封堵0.5～1 mm宽的人造裂缝，与其他架桥材料配合使用，可有效封堵2～3 mm宽的人造裂缝， 承压能力均达到了4 MPa， 堵漏效果图见图7。实验中使用自主研发的高温高压堵漏仪和自制的人造缝板（图5、 图6），在圆柱体筒上沿轴向开有不同裂缝， 根据实验情况可选择不同的裂缝尺寸。

表2　在4%膨润土浆中加入不同堵漏材料的评价实验

图7　入口及出口封堵情况

3.2.3橡胶堵漏材料对钻井液流变性及抗温性的影响

取ZJ103D井井浆，加入不同量的橡胶颗粒堵漏材料，测试其老化前后的流变性和滤失量，见表3。

表3　橡胶堵漏材料抗温流变性能

由表3可以看出，橡胶堵漏材料是一种惰性材料，几乎对钻井液的流变性没有影响，随着加量的增大，滤失量反而降低。经过135 ℃高温老化16 h后，性能变化不大，说明了橡胶堵漏材料抗高温达到了135 ℃，满足深井的堵漏工作。

4　现场应用

橡胶颗粒堵漏材料现场施工简单，在井浆或膨润土浆的基础上配制，复配其他堵漏材料，用泥浆泵直接打入井内，根据漏失速度大小选择不同粒径的橡胶颗粒。其堵漏工艺如下。①单独使用一个泥浆罐，倒入井浆或膨润土浆，按方案配方加入不同粒径的橡胶颗粒，可单独使用，也可复配其他堵漏材料。②先用单泵将堵漏剂泵入漏层，井口返浆再改用双泵，替完钻具内所有堵漏浆，提钻静止观察，或关防喷器憋压。③开防喷器起钻至套管鞋，静止4 h后下钻分段循环观察，不漏则恢复正常钻进。

实例1：知新31井钻进至井深573.31 m发生井漏，前2次采用GD-1、DTR、碳酸钙、核桃壳和棉籽壳，堵住后下钻开泵即漏失。第3次在原有配方的基础上加入橡胶颗粒粗（4～5 mm）、 中（2～3 mm）、细（0.9 mm）各2.5%，下钻至井底打堵漏浆12 m3，起钻至套管鞋关井挤堵，共挤入3.8 m3堵漏浆，下钻到底循环，井内无漏失，起钻接钻头下钻恢复正常钻进。

实例2：元303-54井，地层存在微裂缝，二开钻进到井深600～737 m处时，多次反复发生失返性漏失，3 d内多次使用棉桃、锯末、桥塞堵漏剂和水泥浆堵漏均失败。通过静止探液面，在原配方堵漏浆基础上加入橡胶堵漏颗粒浆，共注入60 m3，关闭防喷器进行地层承压堵漏，立管压力升至3 MPa，静置30 min，立管压力稳定，恢复钻进，井口返出钻井液。

实例3：长庆油田在西峰油田和马岭油田进行了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、镇-71井）橡胶堵漏材料现场试验，取得了好的效果，主要有以下优势：施工简便、堵漏强度高、用量少、降低综合成本。橡胶颗粒对裂缝性漏失尤其是易发生井漏反吐的漏层特别有效，加入不同尺寸的橡胶颗粒，采用关井挤堵的工艺，增加了堵漏材料的“吃入度”，提高了地层承压能力，也就提高了堵漏一次成功率。

5　结论

1. 橡胶颗粒堵漏材料具有弹塑性、惰性和耐高温性能。应用于油田堵漏作业中，可以封堵小裂缝，复合其他堵漏材料可以封堵较大裂缝，其良好的形变能力在有效充填漏失空间的同时保持一定的承压能力，使得堵漏一次成功率大大提高。

2. 废旧轮胎橡胶的再生利用一直都是全球研究热点，将其运用在石油工业中，变废为宝，解决了黑色污染的环境保护压力。

3. 废旧轮胎的回收和粉碎工艺容易实现，整个生产链成本低、周期短，形成的堵漏材料价格低廉，用途广泛，具有极大的经济推广价值。

［1］洪桂香. 我国合成橡胶轮胎行业的市场分析［J］.上海化工，2015，40（4）：32-38. HONG Guixiang. The market analysis of China synthetic rubber tire industry［J］. The Shanghai Chemical Industry，2015， 40（4）： 32-38.

［2］刘英俊，乔慧君，杜爱华. 废轮胎热裂解研究进展［J］.世界橡胶工业，2015，42（1）：41-46. LIU Yingjun， QIAO Huijun， DU Aihua. Wasted tire pyrolyzation research progress［J］. The World's Rubber Industry， 2015，42（1）： 41-46.

［3］辛凌，刘汉龙，沈扬，等. 废弃轮胎橡胶颗粒轻质混合土强度特性试验研究［J］.岩土工程学报，2010（3）：428-433. XIN Ling， LIU Hanlong， SHEN Yang， et al. Test and research on the strength characteristics of wasted tire rubber particles lightweight soil［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2010（3）： 428-433.

［4］邱垂德，潘昌林. 以废轮胎橡胶拌制沥青混凝土之台湾经验［J］.上海公路，2005（1）：41-49. QIU Chuide， PAN Changlin. Experience of using wasted tire rubber mixing asphalt concrete in TaiWan［J］. Shanghai Road， 2005（1）：41-49.

［5］王凯， 王欢， 韩赫兴， 等. 双氧水氧化废轮胎胶粉在改性沥青中的应用［J］.天津大学学报，2014，47（11）：949-954. WANG Kai， WANG Huan， HAN Hexing， et al. The application of hydrogen peroxide oxidation of wasted tire rubber powder in modified asphalt［J］. Journal of TianJin University， 2014，47（11）： 949-954.

［6］王中华. 复杂漏失地层堵漏技术现状及发展方向［J］.中外能源，2014，19（1）：39-48. WANG ZhongHua. The current situation and development direction of complex leakage formation plugging technology［J］.The Chinese and Foreign Energy， 2014，12（1）： 39-48.

［7］王钰然. 废旧轮胎橡胶粉改性沥青制备及改性机理［J］.实验教学与仪器，2015（7）：134-136. WANG Yuran. The producing and modification mechanism of wasted tire rubber powder modified asphalt［J］. The Experiment Teaching and Instrument，2015（7）：134-136.

［8］李来文，毛伟汉，曾定烈. 胶粒复合堵漏剂的研究与应用［J］.钻井液与完井液，1993，10（3）：47-50. LI Laiwen， MAO Weihan， ZENG Dinglie. The research and application of rubber particle composite plugging agents［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 1993， 10（3）：47-50.

［9］许成元，康毅力，李大奇，等. 提高地层承压能力研究新进展［J］.钻井液与完井液，2011，28（5）：81-85. XU Chengyuan， KANG Yili， LI Daqi， et al. The new progress of study on improving formation bearing capacity［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2011， 28（5）：81-85.

［10］赵巍， 林勇， 李波， 等. 诱导性裂缝适应性防漏堵漏钻井液技术［J］.钻井液与完井液，2012，29（4）：12-15. ZHAO Wei， LIN Yong， LI Bo， et al. Adaptive induced cracks preventing and plugging drilling fluid technology［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2012，29（4）：12-15.

［11］魏宏超，唐志进，张凌. 裂隙型储层桥堵剂配方优选实验［J］.钻井液与完井液，2010，27（ 3）：38-40. WEI Hongchao， TANG Zhijin， ZHANG Ling. Crack type reservoir plugging agent formula optimization experiment［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid， 2010，27（3）：38-40.

［12］杨力. 彭水区块页岩气水平井防漏堵漏技术探讨［J］.石油钻探技术，2013，41（5）：16-20. YANG Li. Shale gas horizontal wells preventing and plugging technology study in Peng Shui block［J］. Petroleum Drilling Technology， 2013， 9（ 5）：16-20.

［13］于小龙. 新型复合堵漏材料的研制及效果评价［J］.油气田地面工程，2015，34（1）：89-90. YU Xiaolong. The development and effect evaluation of new composite plugging material［J］. Oil and Gas Field Surface Engineering， 2015（1）：89-90.

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

中国石油化工集团公司项目“四川盆地恶性漏失防漏堵漏工艺技术”（SG1303-01K）。

康力，工程师，硕士，1982年生，毕业于西南石油大学油气井工程专业，现在从事钻井液技术研究工作。E-mail：274977739@qq.com。

（2016-3-9；HGF=1604M5；编辑马倩芸）