賈麗莉,田陸飛,劉 振,石運(yùn)中,田 磊

(濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250022)

堵漏材料研究的進(jìn)展

賈麗莉,田陸飛,劉 振,石運(yùn)中,田 磊

(濟(jì)南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250022)

介紹了各種堵漏材料的堵漏機(jī)理,并對(duì)國(guó)內(nèi)外堵漏材料研究的進(jìn)展進(jìn)行了綜合評(píng)述,同時(shí)結(jié)合當(dāng)前堵漏材料的優(yōu)缺點(diǎn),提出了新型智能堵漏材料的模型.

堵漏材料;井漏;堵漏機(jī)理;智能堵漏材料

井漏是鉆井、固井、測(cè)井、修井過(guò)程中存在的復(fù)雜問(wèn)題,它能使鉆井液從井眼漏入漏失通道,這樣不僅耗費(fèi)大量的泥漿和堵漏材料,而且可能造成井塌、卡鉆、井噴,甚至導(dǎo)致井眼報(bào)廢等重大事故,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1].由于井漏發(fā)生率較高,據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界井漏發(fā)生率占鉆井總數(shù)的20%～25%,而井漏的處理是石油鉆井中的難點(diǎn),惡性井漏損失占井漏總損失的50%以上[2].井漏處理不當(dāng),會(huì)引起惡性井下事故,且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染.在鉆井防漏過(guò)程中鉆井用的堵漏材料是必不可少的一種材料,鉆井防漏堵漏的成功率直接取決于堵漏材料性能的優(yōu)劣.所以,研究堵漏材料有非常重要的意義.

1 堵漏機(jī)理

目前,常用的堵漏材料有橋接堵漏材料、高失水堵漏材料、暫堵材料、化學(xué)堵漏材料、無(wú)機(jī)膠凝堵漏材料及軟硬塞堵漏材料等.由于各種堵漏材料的性能有差異,這就使各種堵漏材料的堵漏機(jī)理也有所區(qū)別.堵漏材料進(jìn)入到漏失通道以后,在油井內(nèi)部壓力、溫度或化學(xué)反應(yīng)作用下,以機(jī)械堆積或化學(xué)生成物堆積的方法,形成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的封堵層,從而起到一定的堵塞作用.當(dāng)橋接堵漏材料、暫堵材料、化學(xué)堵漏材料進(jìn)入到漏失通道后,其中的纖維等材料起到“架橋”、“拉筋”作用,而其它的材料則填充到所形成的孔隙中,將大孔洞變成小孔洞,從而提高堵漏能力;高失水堵漏材料進(jìn)入到漏失通道后,在鉆井液壓力和地層壓力差的作用下,迅速失水形成濾餅,所形成的濾餅?zāi)軌蛲笟馔杆?但是鉆井液不能通過(guò),從而起到壓實(shí)密封漏失通道的作用.

2 研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著對(duì)不同井漏原因進(jìn)一步地認(rèn)識(shí),堵漏材料的研究也發(fā)生了很大的改變.我國(guó)從60年代開(kāi)始用堵漏材料對(duì)井漏進(jìn)行處理,并對(duì)堵漏材料進(jìn)行了一些基礎(chǔ)性的研究,這一階段是見(jiàn)漏就堵時(shí)期.由于這一時(shí)期對(duì)淺部地層漏失、產(chǎn)層漏失、天然漏縫等漏失層性質(zhì)認(rèn)識(shí)不足,以及堵漏材料的局限性,因此堵漏材料主要采用橋接堵漏材料及軟硬塞堵漏材料.

該時(shí)期發(fā)生井漏時(shí),一般根據(jù)漏失層孔徑及位置的不同,調(diào)節(jié)顆粒狀、鱗片狀及纖維狀堵漏材料的復(fù)配比,并添加適當(dāng)?shù)亩栊圆牧吓c之相補(bǔ),以增強(qiáng)堵漏效果.常用的顆粒狀堵漏材料包括有核桃殼、橡膠粒、硅藻土、瀝青等[3-5];纖維狀材料包括有鋸末、棉纖維、亞麻纖維等[6-10];片狀材料包括有云母片、谷殼等[11].在鉆井過(guò)程中由鉆井速度快或下鉆快等原因引起的人為裂縫,可以利用軟硬塞堵漏材料不固化的特性,而形成不流動(dòng)粘稠物質(zhì)進(jìn)行封堵,這類(lèi)材料主要有柴油膨潤(rùn)土漿、剪切稠化液[12]、重晶石塞及石灰乳等.以上幾類(lèi)堵漏材料可以解決由孔隙和裂縫造成的部分漏失和失返漏失,但是一些復(fù)雜的漏失不能很好地解決.因此,各種化學(xué)堵劑、高失水堵劑、混合堵漏稠漿等新型堵劑應(yīng)運(yùn)而生,為對(duì)付各種類(lèi)型的井漏,提高處理井漏的成功率提供了有效手段.

堵漏材料發(fā)展的第二階段,即開(kāi)發(fā)研究堵漏材料階段.高失水堵漏材料漿液進(jìn)入漏失層后,在鉆井液柱壓力及底層壓力所產(chǎn)生的壓差作用下,迅速失水形成濾餅,堵塞漏失通道,這類(lèi)材料主要包括滲濾性材料、纖維狀材料、硅藻土及多孔惰性材料等[13];化學(xué)堵漏材料是利用高聚物在界面上的靜力、分子間的作用力、化學(xué)鍵力,使化合物在界面處形成粘結(jié)而起到堵漏作用,這類(lèi)材料包括凝膠堵漏劑、樹(shù)脂堵漏劑、膨脹性堵漏劑[14-20];混合堵漏稠漿主要是以特種水泥、混合水泥稠漿為主,添加不同的外加劑,提高水泥石的早期強(qiáng)度和穩(wěn)定性,使之產(chǎn)生較高的承壓能力.這幾類(lèi)堵漏材料對(duì)滲透性漏失和裂縫性漏失能起到很好的堵漏作用[21-30].但是,隨著對(duì)鉆井技術(shù)要求的提高,經(jīng)常出現(xiàn)溶洞性等惡性漏失,而這些常規(guī)的堵漏材料不能有效地起到堵漏作用.

90年代后,人們更加注重的是堵漏材料產(chǎn)品的系列化、規(guī)格化,為了提高堵漏的效率,開(kāi)始由單一的堵漏材料向復(fù)合型堵漏材料轉(zhuǎn)變.這一階段研制的復(fù)合型堵漏材料,主要有酸溶性高失水暫堵劑、單向壓力封閉劑、酸溶性固化材料等.復(fù)合堵漏材料主要用于處理復(fù)雜的漏失,如水層漏失、氣層漏失、長(zhǎng)段裸眼井漏失及大裂縫、大溶洞漏失等.對(duì)嚴(yán)重井漏,采用復(fù)合堵漏材料能大大地提高堵漏成功率[31].孫玉學(xué)等人[32]通過(guò)室內(nèi)模擬地層裂縫對(duì)六種堵漏材料的封堵效果進(jìn)行了分析,研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于較大裂縫,用復(fù)合型堵漏材料配制的堵漏漿的堵漏效果最好.西南石油大學(xué)的孫劍等人[33]以石英砂和瀝青作為原材料,通過(guò)特殊的制備工藝,研制了一種新型的復(fù)合橋接堵漏材料XFD-1,該材料兼具剛性材料與可變形材料的特點(diǎn),化學(xué)性能穩(wěn)定,抗溫抗壓能力較好,可大大節(jié)省橋接堵漏材料的用量.此外,汪建軍等人[34]針對(duì)大裂縫、大孔隙型、含大量地層水等漏失,研制出新型多功能復(fù)合凝膠堵漏材料,通過(guò)無(wú)機(jī)材料在凝膠網(wǎng)絡(luò)體系中形成支撐骨架結(jié)構(gòu),并與聚合物鏈段相互作用、相互包容,使這種凝膠體系具有更高的強(qiáng)度,能有效地對(duì)付大漏、失返、返出量太小的裂縫性、溶洞性及破碎性地層漏失.

本課題組結(jié)合當(dāng)前堵漏材料的優(yōu)缺點(diǎn),以及在大量閱讀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,提出了智能型復(fù)合堵漏材料.該堵漏材料的模型是以形狀記憶合金感知漏失處溫度的變化,以合金的記憶效應(yīng)和超彈性為基礎(chǔ),利用合金絲間的搭接、纏繞,發(fā)揮出該堵漏材料的優(yōu)勢(shì).該模型中的感知、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行元件為形狀記憶合金,使其與普通的水泥基堵漏材料復(fù)合制備而成智能型堵漏材料,該模型的提出為研發(fā)新型的堵漏材料提供了理論基礎(chǔ).

2.2 國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外對(duì)鉆井過(guò)程中遇到的漏失和堵漏機(jī)理研究的比較早,如今已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了各種常規(guī)的及新型的堵漏材料,如天然植物堵漏劑、天然礦物堵漏劑、工業(yè)廢料堵漏劑及化學(xué)堵漏劑.美國(guó)、前蘇聯(lián)及西歐等國(guó)家,不僅對(duì)大量常規(guī)堵漏劑各自的封堵性能及它們的混合作用做了大量的分析研究,而且還研究出了大量新型堵漏劑.尤其是前蘇聯(lián)開(kāi)發(fā)出了脲醛樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂等為基的堵漏劑系列,丙烯類(lèi)聚合物堵漏劑系列,以膠乳為基礎(chǔ)的堵漏劑漿液及聚氧乙烯水溶液、聚乙烯醇水溶液、低聚有機(jī)硅氧烷等與纖維填料組成的各具特殊性能的堵漏劑[35].國(guó)外的Poly Block為膨脹性堵漏材料,其為特定的顆粒狀材料與不同尺寸的結(jié)晶狀聚合物的混合體,水化后會(huì)大幅膨脹,幾小時(shí)內(nèi)就能封堵非常嚴(yán)重的大漏失,很好地解決了埃及尼羅河三角洲地區(qū)的井漏問(wèn)題[36].近幾年來(lái),國(guó)外又開(kāi)發(fā)了各具特色的熱溶橡膠堵漏劑、膨脹團(tuán)粒堵漏劑、剪切稠化液堵漏劑、封包石灰堵漏劑、吸油固體材料堵漏劑、封包烯烴堵漏劑及吸水聚合物堵漏劑等堵漏材料[37].這些堵漏材料的應(yīng)用,有效地解決了滲透性及微裂縫地層的漏失問(wèn)題,但不能較好地解決天然裂縫、孔洞或洞穴地層的嚴(yán)重漏失問(wèn)題.用于處理嚴(yán)重漏失的堵漏材料不多,常用的主要有液體硅酸鈉、珍珠巖水泥、柴油膨潤(rùn)土水泥及快凝水泥等.

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)于新型的鉆井堵漏材料提出了越來(lái)越高的要求,如能提高地層承壓能力的漏堵材料以及能適應(yīng)高溫高壓等復(fù)雜情況和能夠用于處理惡性漏失的漏堵材料.本課題研究的智能堵漏材料因其能感知溫度的變化,可用于不同溫度的漏失層.同時(shí)又可通過(guò)調(diào)整粒徑分布,適用于不同尺寸裂縫、孔隙的漏失,并且堵漏強(qiáng)度高,施工簡(jiǎn)便,具有較高的研究與應(yīng)用價(jià)值.

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Research progress of lost circulation materials

JIA Li-li,TIAN Lu-fei,L IU Zhen,SH I Yun-zhong,TIAN Lei
(School of M aterials Science and Engineering,University of Jinan,Jinan 250022,China)

The paper introduces p lugging mechanism of different sorts of lost circulation materials,and review s the research p rogressof lost circulation materials at home and abroad.Combining w ith the advantages and disadvantagesof current lost circulation materials,a new model of intelligent lost circulation materials is put forward.

lost circulation materials;lost circulation;p lugging mechanism;intelligent lost circulation materials

TD742.2

A

1673-9981(2011)01-0014-03

2010-09-26

賈麗莉(1986—),女,河南省信陽(yáng)市人,碩士研究生.