惰性材料与聚合物堵漏技术室内研究

潘 凡, 潘元双

（长江大学 石油工程学院， 湖北 武汉 430100）

惰性材料与聚合物堵漏技术室内研究

潘 凡, 潘元双

（长江大学 石油工程学院， 湖北 武汉 430100）

钻井过程中出现井漏是十分普遍的，这是衡量钻井安全与否的重要因素之一 。 使用废旧轮胎这类惰性材料与聚合物相结合，组成一种化学性质稳定、耐温性能强、抗盐性能较高的堵漏剂，不仅可以降低堵漏成本，而且可以有效封堵漏层。通过室内实验研究惰性材料与聚合物组成的堵漏剂的封堵效果有重大意义，并分析了钻井液堵漏材料及防漏堵漏技术研究的发展方向。

惰性材料; 聚合物; 堵漏剂; 漏层

井漏问题一直是困扰国内外石油开发、勘探的重大技术难题，到现在都没有一个有效的办法来对它进行完全的控制。目前应用最广泛的桥接堵漏技术应用时需准确地掌握地层孔隙或裂缝尺寸，但孔缝型漏失往往分布面积较广，孔缝尺寸很难准确掌握，导致封堵效果不理想，针对孔缝变化及常规桥接堵漏封堵范围窄的实际问题，研究由弹性橡胶堵漏材料和聚合物HPAM、HV-CMC以及CDL-1组成三种防漏堵漏剂，用HKYDL-3型高温高压防漏堵漏动静态实验仪进行室内实验，其能对较宽尺寸范围内的孔缝产生有效的封堵作用，在很大程度上避免了传统桥接堵漏剂依赖于漏失通道尺寸的缺点，提高了对孔缝防漏堵漏的成功率[1-4]。

1 橡胶特性

徐同台等人在《钻井工程防漏堵漏技术》一书中讲到：胶粒是一种具有一定强度和很好弹性的材料（室温下测得胶粒的破碎压力在50 MPa以上，弹性模量为80 MPa，弹性系数为0.45），在压力的作用下会产生形变。反之，胶粒发生形变后，必定会产生相应的反弹力。这种反弹力如果作用在与胶粒紧密接触的层面上，必定会增大橡胶粒与接触面间的摩擦阻力。根据这一理论，如果用胶粒堵漏，设法使其进入裂缝内，产生一定程度的形变，就会使胶粒和缝壁之间产生很大摩擦力，借此摩擦阻力，在撤去外力后，胶粒就会获得一定的稳定性而形成桥塞骨架。这种骨架能否形成取决于胶粒的粒度，如果我们选择的胶粒粒度合适，再配合其它一些填充和固化性材料，必定能达到堵漏目的。胶粒的密度在1.172～1.270 g/cm3之间，能够均匀地分散于泥浆当中，并能吸附泥浆中的粘土等物质形成一层吸附膜，具有一定的粘结能力，胶粒呈不规则多面体，能与缝壁产生较大摩擦力。这些特性表明，胶粒是一种很好的堵漏材料[5,6]。

以橡胶颗粒为桥堵材料的堵漏剂配方的设计，首先需要对胶粒的粒度进行分选，而要完成胶粒粒度的选择，应首先研究胶粒在裂缝内的行为，即胶粒以何种方式产生桥堵。作为桥堵剂不仅应易于产生桥堵，而且应具有一定的强度。很多研究者认为，桥堵材料的颗粒应为裂缝宽度的1/2至1/7之间，才能获得比较稳定的桥堵。这种理论对于坚硬材料而言是合理的。因为硬颗粒的弹性变形极小，像核桃壳之类，颗粒尺寸若大于裂口宽度，只能在缝口桥堵，这种桥堵很不稳定，在泥浆流动和钻具运动时都会很快被解堵；1至1/2裂缝宽度的颗粒不可能产生两个颗粒桥堵，而恰好相当于裂口宽度的颗粒事实上是很难选择的，小于1/7的颗粒粒度太细，产生桥堵的机率很低，也是不可取的[7]。

对于胶粒而言，它在裂缝内的行为和核桃壳等硬颗粒就有许多不同之处，它可以选择大于裂口宽度的胶粒，在外力的作用下进入裂缝内，而形成单桥（图1）。这种单桥有一定的桥堵，且有100%的成堵机率。胶粒在裂缝内形成两个以上的桥堵是不易的（图2），虽然也能产生瞬间桥堵，但在压差的作用下，胶粒将变形，到一定程度桥堵就会破坏。无论是平行裂缝还是楔形裂缝，只要是两个以上胶粒的桥堵都不易形成而且强度很低。单个胶粒桥堵不论在平行裂缝还是楔形裂缝内都易于形成，其强度会随变形程度的增大而增大[8]。通过正交实验法在实验室条件下完成了对橡胶颗粒的优选。在此基础上，研究橡胶颗粒与聚合物组成的堵漏剂的封堵效果。

2 室内实验

实验材料：蒸馏水、钻井膨润土、橡胶粒、部分水解聚丙烯酰胺 HPAM、羧甲基纤维素钠盐HV-CMC、丙烯基聚合物CDL-1等。

图1 单个胶粒桥堵示意图Fig.1 Single colloidal particle bridging schematic diagram

图2 多个胶粒桥堵示意图Fig.2 Multiple colloidal particle bridging schematic diagram

（1）试验用设备

堵漏模拟装置：HKYDL-3型高温高压动静态堵漏试验仪。

（2）试验用仪器

1.电子天平：分度值0.01 g；

2.标准筛：孔径4.75，4，2，1.7，1 mm等；

3.旋转粘度计 ZNN-D6 Ⅱ型（电动六速粘度计）；

4.电动搅拌器：GJSS-B12K变频高速搅拌机，转速3 000～12 000 r/min；

5.称量瓶：70 mm×35 mm；

6.秒表；

7.烧杯：150，250，500，1 000 L；

8.量筒：50，100，250，500，1 000 L；

9.氮气源；

10.玻璃棒；

11.容器：容积5 000 mL。

实验岩心：孔缝型模板（规格：Φ50 m m×360 m m；孔缝宽度1～4 mm），实验设备自带岩心。

（3）实验流程：

试验用基浆的配制：基浆配制：按每1 000 mL蒸馏水加入50.0 g钻井膨润土的比例配制基浆5 L，将基浆在转速3 000～4 000 r/min下用电动搅拌器搅拌4 h，在室温下养护24 h备用。基浆表观粘度应在15～25 mPa·s范围内，否则重新配制。

试验用堵漏浆液的配制：向养护24 h的基浆中边搅拌边加入一定比例的桥接堵漏材料，在电动搅拌器上搅拌30 min，配成堵漏浆液。堵漏材料均匀分布在基浆中。

堵漏实验：

①选择试验模板，将模板装入岩心筒内。

②向釜体及活塞容器内注满堵漏浆。

③设定试验温度、进口压力和出口压力；在设置温度下，给堵漏浆加热。

④均匀向试验容器内加压，在50 s内使压力达到设定压力。

⑤在设定温度和压力下，打开控制阀门，启动计时器，如果无浑浊钻井液滤出，即为封堵试验成功，记录浆液漏出的体积和实现封堵的最小时间。维持30 min，记录漏失量。若封堵试验失败，更换试验模板或改变试验条件，重新试验。

⑥在仪器承压范围内，继续加压，直至再次发生漏失（封堵层被突破），记录此时的压力作为封堵层的承压能力。

⑦实验完成后，请清洗容器并关闭电源。

3 实验结果及数据分析

正聚合物一般是长分子链，他们可以吸附部分岩屑，并附着在井壁上，他们可以阻碍钻井液进入岩石孔隙或裂缝。同时在钻井液中添加聚合物材料可以使携带岩屑能力升高以及防卡。故对于常用一些高分子量聚合物进行堵漏评价有非常重要的意义，试验选用了分子量巨大的几种长链大分子，加量均为0.3%，试验方案：孔缝型模板（规格：Φ50 m m× 360 mm；孔缝宽度1～4 mm）；膨润土+蒸馏水+5%橡胶粒+0.3%聚合物；工作流量100 mL/min；进口压力：3 MPa；出口压力：1MPa。结果见表1。

表1 不同类别聚合物封堵效果试验结果表Table 1 Test result of plugging effect of different categories of polymer

从表 1中可以看到，封堵效果相对最好的是HPAM。在水基钻井液中加入胶束聚合物后，可以在固液界面现场吸附层，当达到临界浓度时，聚合物在岩石表面发生缔合，形成胶束。随着其浓度的增加，胶束聚合物在固液界面（井壁）上形成大量胶束，胶束可依靠其界面吸力发展到胶束间缔合，从而在岩石表面形成封堵层，封堵地层微孔隙或微裂缝[9]。为得到最佳胶束浓度，对不同HPAM加量的防漏堵漏效果进行了评价。试验方案：孔缝型模板（规格：Φ50 mm×360 mm；孔缝宽度1～4 mm）；膨润土+蒸馏水+5%橡胶粒+（0.1% ～ 0.5%）HPAM；工作流量100 mL/min；进口压力：3 MPa；出口压力：1 MPa。试验结果见表2。

4 结束语

最近一段时间，堵漏机理和漏失的研究、新型堵漏评价仪器、找漏工具、特殊的堵漏材料应用都使得复杂漏失地层堵漏技术的发展越来越快，特别是关于聚合物配合桥堵及无机活性堵漏材料的使用，为复杂漏失地层堵漏提供了有效手段。

表2 不同加量聚合物封堵效果试验结果表Table 2 Test result of plugging effect of different added amount of polymer

惰性材料与聚合物之间无明显的化学作用，反而两者相结合可以增加惰性堵漏材料的封堵强度。聚合物一般均具有吸附作用，可以填充惰性材料在封堵过程中留下的细小孔隙，防止由于惰性材料封堵不完全而造成的渗漏问题。迄今为止虽然关于聚合物和惰性堵漏材料的相关研究有很多，但是还不够全面，在下一步的工作中通过对多种聚合物的分析研究，找到与惰性堵漏材料可以很好结合的聚合物类型，研制出适应性广、成本相对较低的堵漏剂。

［1］ 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.

［2］ 吕开河. 钻井工程中井漏预防与堵漏技术研究与应用[D]. 中国石油大学，2007.

［3］ 王贵. 提高地层承压能力的钻井液封堵理论与技术研究[D]. 西南石油大学，2012.

［4］ 聂勋勇, 王平全, 张新民. 聚合物凝胶堵漏技术研究进展[J]. 钻井液与完井液, 2007, 24(1): 83-84.

［5］ 张新民, 聂勋勇, 王平全, 等. 特种凝胶在钻井堵漏中的应用[J].钻井液与完井液, 2007, 24(5): 83-84.

［6］ 孙金声, 张家栋, 黄达全, 等. 超低渗透钻井液防漏堵漏技术研究与应用[J]. 钻井液与完井液, 2005, 22(4): 21-23．

［7］ 李家学, 黄进军, 罗平亚, 等. 随钻防漏堵漏技术研究[J]. 钻井液与完井液, 2008, 25(3): 25-26.

［8］ 王眉山. 石油钻井废弃钻井液处理的环境问题(2008年钻井技术论文)[R]. 石油工业出版社, 2008.

［9］ 吕开河. 钻井工程中井漏预防与堵漏技术研究与应用[D]. 中国石油大学, 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，长江大学石油工程学院在读硕士研究生，主要从事油气井流体力学方面的研究。E-m ail：945918356@qq.com。