钻井用堵漏材料研究进展

1 钻井用堵漏材料国内研究现状 建筑工程混凝土结构常因为自身的收缩、温差变
形、设计缺陷或施工等原因产生裂缝，使混凝土结构 产生渗漏；水工工程由于建造时施工技术限制、施工 中工程质量控制不好、使用过程中受冻胀和水蚀等自 然因素和环境破坏等因素的作用，出现裂缝渗透甚至 出现大的孔洞很常见；在煤炭钻探和油井钻探中，由 于裂缝、溶穴、溶洞的发育，导致井漏使钻井液返还不 高、水泥浆漏失，也常发生孔壁坍塌、水泥浆和滤液进 入油气层等事故。鉴于此，科技人员研发了多种堵漏 材料并应用于实际工程中。
在我国，早在 20 世纪 60 年代就开始应用堵漏材 料处理井漏，并开展了一些基础研究工作。几十年来， 钻井用堵漏材料的开发和应用得到了较大的发展，并 逐步形成了一个较为系统的钻井用堵漏材料体系。 总的说来，我国钻井用堵漏材料的发展经历了 3 个阶 段。
第一阶段是见漏就堵阶段。在这个阶段，以采用 高粘切钻井液加桥堵材料（锯末、云母、稻草、泥球、砖 块等）和打水泥塞等方法为主。由于对漏层性质的认 识有限，加之堵漏材料和方法单一，这一时期井漏处 理失败的案例较多。
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响水泥浆常规性能，具有防漏堵漏双重功效，能大幅 度提高水泥石的增韧性能[12,15-19]。采用其他材料与水 泥复合得到的复合堵漏材料，也在实际应用中表现出 了良好的性能。吴修宾等人[20]研制了无机凝胶堵漏剂 SDR-2；张子平[21]用天然麻纤维、焦炭、锯木等惰性材 料与水泥复合得到复合堵漏材料；邓亚军等人[22]研究 了丙烯酸盐类灌浆材料的性能，与水泥浆混合后能瞬 时产生凝胶，凝胶体具有较强的抗压强度和粘结强 度，这也就是以聚合物-无机胶凝物质为基础的堵漏 材料。
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钻井用堵漏材料研究进展
田陆飞，王 琦，刘 振，乔 林
（济南大学材料科学与工程学院，山东 济南 250022）
摘要：综合评述了国内外钻井用堵漏材料的研究进展，着重论 述了堵漏材料的种类和应用状况，分析了堵漏材料的发展趋 势，预测钻井用堵漏材料将朝着智能堵漏材料方向发展。 关键词：堵漏材料；井漏；发展趋势；智能堵漏材料 文章编号：1007-497X（2010）－06－0001-05 中图分类号：TD742+.2 文献标识码：A Progress in research on leak stopping materials in drilling// Tian Lufei, Wang Qi, Liu Zhen, Qiao Lin Abstract：The article introduces the progress in research on lost circulation materials at home and abroad, with focus on categories and application of the materials. It also analyses development trend of the materials and forecasts intelligent materials are the way. Key words： lost circulation material; lost circulation; development trend; intelligent lost circulation material
国外对钻井过程中的漏失及堵漏机理的研究较 早，美国、前苏联和西欧等国家不仅对常规堵漏剂各 自的封堵性能及它们的混合应用作了大量的分析研 究，还研究出了许多新型堵漏剂。尤其是前苏联，因 油气钻井和地质勘探钻井过程中的井漏问题十分严 重，长期以来，开发了以脲醛树脂、酚醛树脂等为基础 的堵漏剂系列，丙烯类聚合物堵漏剂系列，以胶乳为 基础的堵漏剂浆液和聚氧乙烯水溶液、聚乙烯醇水溶 液、低聚有机硅氧烷等与纤维填料组成的各具特殊性 能的堵漏剂[39]。
在钻井过程中，如果发生恶性漏失，常规的水泥 基复合堵漏材料不但堵漏效果差，而且堵漏材料耗费 量多，但如果在漏失层中注入交联聚合物堵漏剂，可 以有效解决恶性漏失。这类堵漏剂在研发过程中重 视各种水溶性树脂、高分子聚合物、胶乳等固化后具 有黏弹性的基础物质的开发，以及纤维材料的表面化 学改性和彼此间的配合使用。纯粹的聚合物凝胶力 学强度相对较低，新型复合多功能凝胶的力学强度相 对较高，后者能有效解决井下地层漏失问题。在聚合 物凝胶堵漏材料的制备过程中经常选用成胶剂（聚丙 烯酰胺）、交联剂（三价铬、酚醛）[23]，通过改变成胶剂 的分子量、掺量和交联剂的类型来调整堵漏材料的性 能；聚丙烯酰胺也可作为无固相冲洗液，岩粉加入泥 浆池中搅拌后注入，可使返水量逐渐增大至基本不漏 失；将锯末、聚丙烯酰胺和水搅拌成糊状后注入，操作 简单，效果良好。
第二阶段是研究开发新型堵漏材料阶段。20 世 纪 80 年代是我国钻井防漏堵漏工艺技术的发展时 期，各种化学堵漏剂、高失水堵漏剂、混合堵漏稠浆 等新型堵漏剂应运而生，为对付各种类型的井漏、提 高处理井漏的成功率提供了有效手段。
第三阶段是复合堵漏材料研制阶段。20 世纪 90 年代以来，人们注重了堵漏材料的系列化、规格化和 商品化，单一的桥接堵漏材料转化成了复合堵漏剂，
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3） 聚合物复合 堵漏材料的 固化粘结强 度小、浆 液黏度大、质量稳定性差，承压堵漏情况下强度发展 缓慢、强度较低；施工复杂，成本高。
除此之外，还有些学者研发了一些其他的堵漏材 料。滕子军等人[34-35]通过引进国外液体高膨胀材料， 结合特殊的工艺，对钻孔周围一定范围内的溶洞、裂 缝、破碎带进行安全快速地充填、封堵、加固，成功解 决了井漏事故；孙剑等人[36]采用石英砂和沥青经过特 殊的制备工艺，研制成了一种颗粒状、兼具刚性和变 形性、化学惰性的复合材料 XFD-1，该材料可随着温 度的升高发生弹性变形，进一步降低漏层的渗透性， 直至把漏层堵住；赵仁明等人 以 [37] 沥青、表面活性剂 和膨润土为原料，采用合适的试验工艺与技术研制而 成的 ABD-1 复合堵漏剂，可随着渗流扩散到各渗流 通道，并凝聚粘附在渗流通道的表面，从而阻塞水流 的通过；王绪友等人[38]将固体粉料与水按一定的比例 混合，制成发泡充填材料，该材料具有封闭或充填渗 流通道实现堵漏的作用。 2 钻井用堵漏材料国外研究现状
堵漏材料广泛应用于水工工程和钻探行业，尤其 是在钻探行业中是不可缺少的材料。堵漏材料按照 不同的机理和功能主要分为桥接堵漏材料、高失水堵 漏材料、暂堵材料、化学堵漏材料、无机胶凝堵漏材 料、软硬塞堵漏材料、高温堵漏材料、复合堵漏材料 [4]。应根据不同的实际施工条件和环境情况选择不同 的堵漏材料。目前，应用最多的是无机非金属堵漏材 料，包括各种特种水泥、混合水泥稠浆等[5-8]。近年来， 国内许多科研机构在研制水泥新品种[9-11]、水泥添加 剂和改善灌注工艺等方面做了大量的工作，在提高水 泥浆体的可泵性、缩短凝固时间、提高水泥石早期强 度和稳定性等方面取得了很大的进展。特别是各种 快干水泥、触变性水泥、膨胀水泥的研制成功以及各 种高效的水泥速凝剂、缓凝剂等 的 [12-14] 出现，大大拓 宽了水泥的使用范围，保证了水泥使用的安全性，为 进一步提高水泥浆堵漏的成功率奠定了基础。此外， 在漏失地层进行固井作业时，使用纤维水泥浆不会影
美国的有关钻井液实验室对常规堵漏剂的合理 应用进行大量研究，提出了一些颇有借鉴价值的结论 [40]，例如可以利用聚合物来使钻井液产生独特的流变
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性和提高微泡的韧性，而新型微泡钻井液体系是利用 黏土和聚合物来使钻井液达到理想的流变性和稳定 微泡的。另外，M-I 钻井液公司研制出一种新型油基 钻井液，使用密度为 2.2 g/cm3 的甲酸铯盐水配制了 密度为 1.66 g/cm3 的低固相油基钻井液，可以减轻钻 井液与完井液不相容的不利影响，减少钻井液颗粒 堵塞振动筛网的可能性。
为网状结构的大分子凝胶体，能堵塞各种细小的孔 道。新型多功能凝胶复合堵漏材料[31-33]可以有效对付 大漏、失返和返出量太小的裂缝性、溶洞性地层漏失。 这类堵漏剂在可控时间内在漏失层形成黏度、切力、 弹性和静结构尺寸足够大的凝胶段塞，并由于其具有 极强的粘附能力，最终形成的极高流动阻力足以抵抗 外来力的破坏，最终成功堵住漏层。
目前，国内外钻井用堵漏材料存在的主要问题 是：
1） 水泥基复合堵漏材料在钻井恶性漏失堵漏中 效果差、堵漏材料耗费量大，在堵水量大的情况下灌 浆量损失多；在堵漏时很难在漏层周围停留，容易与 地层中的流体混合而被冲走。
2）含纤维的水泥基堵漏材料中的纤维强度低，所 能封堵的裂缝、孔洞比较小，对于大的孔洞和裂缝堵 漏效果差。
随着新型功能材料和智能材料的发展，智能材料 在各领域中得到越来越多的应用。笔者在广泛查阅国 内外相关资料的基础上，以智能材料—— —形状记忆合 金的应用为背景，对形状记忆合金的工作机理、设计 原理、变形规律、驱动特性、组合方式、控制方法等进 行了深入细致的研究。通过研究笔者认为，可以利用 智能材料能感知周围环境变化并能对此作出适当反 应的特点，使其与普通的水泥基堵漏材料复合而制备 成智能堵漏材料。智能堵漏材料将对钻井防漏堵漏技 术的发展产生革命性的推动作用，相关研究单位应尽 快重视智能堵漏材料的开发，抓住其应用发展的先 机。 4 总结
根据各种堵漏剂不同的堵漏效果，不同的深度应 选择不同的堵漏剂[24]。聚合物堵漏材料中应用最多的 是超强吸水树脂，当遇到漏层时，超强吸水树脂通过 吸水膨胀而阻止钻井液漏入钻井裂缝中[25]。吸水树脂 在用作堵漏材料时，通过架桥、不断被压实、继续吸水 膨胀，从而最终达到堵漏的目的[26]。用聚合物的膨胀 这一机理来研发堵漏材料的还有聚氨酯类[27-30]，这类 堵漏剂可以通过化学反应使浆液发泡膨胀增加固体 体积，产生较大的膨胀压力，使浆液四处扩散；而胺和 剩余的异氰酸酯基反应形成脲键，互相连接起来，成
国外的常规钻井用堵漏材料与国内类似，近年又 发展了各具特色的热溶橡胶堵漏剂、膨胀团粒堵漏 剂、剪切稠化液堵漏剂、封包石灰堵漏剂、吸油固体材 料堵漏剂、封包烯烃堵漏剂、吸水聚合物堵漏剂等堵 漏材料。这些堵漏材料的应用，有效地解决了渗透性 及微裂缝地层的漏失问题，但对于天然裂缝、孔洞或 洞穴地层的严重漏失的处理比较困难。目前用于处 理严重漏失的堵漏材料还不多，常用的主要有液体 硅酸钠、珍珠岩水泥、柴油膨润土水泥、快凝水泥等。 3 堵漏材料的发展趋势
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提高了堵漏效率；开发出了酸溶性高失水暂堵剂、单 向压力封闭剂、酸溶性固化材料等一系列具有产层保 护作用的堵漏剂，把钻井防漏堵漏工艺技术推上了一 个新的水平。
现阶段虽有各种类型的常规堵漏剂和新型堵漏 剂，并在一定程度上取得了较好的应用效果，但适用 于处理严重井漏的堵漏剂并不多，而且主要仍限于各 种水泥及少部分化学堵漏剂和混合物堵漏剂[41]。以桥 接堵漏剂为主的其余大多数堵漏剂，一般只适合作泥 浆体系的堵漏添加剂用，而且存在封堵强度低、施工 复杂、解堵困难、成本较高等问题。有学者推测，不管 未来有多少新型堵漏剂，以水泥为基础的胶凝堵漏 剂，仍可能是将来相当长时期内用于处理严重井漏的 重要手段。
井漏是钻井过程中普遍存在的问题，而且可能造 成井塌、卡钻、井喷等其他井下复杂情况和重大事故 [1]，对钻井工作危害极大，甚至会导致井眼报废，造成 巨大的经济损失。据统计，全世界井漏发生率占钻井 总数的 20%～25%[2]，而井漏的处理是石油钻井中的难 点，特别是复杂井漏问题尤为棘手。恶性井漏损失占 井漏总损失的 50%以上，且堵漏很难成功，因此亟需 加强恶性井漏的防治研究[3]。钻井用堵漏材料是钻井 防漏堵漏中必不可少的一种材料，钻井防漏堵漏的成 功率直接取决于堵漏材料性能的优劣。因此，对钻井 用堵漏材料进行研究具有非常重要的意义。