＊馬騰飛

（中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 北京 100016）

前言

井漏是常見(jiàn)的井下復(fù)雜事故之一[1]。油基鉆井液配制成本較高，當(dāng)發(fā)生漏失時(shí)，會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。常規(guī)惰性堵漏材料在頁(yè)巖裂縫中的自適應(yīng)性差，吸水膨脹類(lèi)堵漏材料在油基鉆井液中配伍性較差，造成頁(yè)巖地層油基鉆井液堵漏效果也較差。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)頁(yè)巖地層油基鉆井液技術(shù)，研發(fā)了一系列吸油樹(shù)脂堵漏劑[2-4]。但是油基防漏堵漏材料種類(lèi)較少，普遍存在承壓強(qiáng)度和耐溫性能差等問(wèn)題，無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)堵漏需求。針對(duì)此問(wèn)題，合成了一種三元復(fù)合高吸油膨脹樹(shù)脂堵漏劑，分析了高吸油膨脹樹(shù)脂堵漏劑吸油性能及其影響因素，研究了頁(yè)巖裂縫性地層高吸油膨脹樹(shù)脂堵漏機(jī)理。

1.實(shí)驗(yàn)部分

(1)原料與儀器

丙烯酸丁酯（BA）、甲基丙烯酸月桂酯（LMA）、苯乙烯（St）、二乙烯基苯（DVB）、偶氮二異丁腈（AIBN）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、乙酸乙酯（EAC）、鋰皂土。

真空干燥箱，磁力攪拌器，電熱恒溫水浴鍋，三口圓底燒瓶，滾子加熱爐，電子天平，多功能粉碎機(jī)，掃描電鏡，熱重分析儀。

(2)樹(shù)脂堵漏劑制備

先將一定量的聚乙烯吡咯烷酮溶于去離子水中，攪拌升溫至85℃，使聚乙烯吡咯烷酮完全溶解；然后加入丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸月桂酯、苯乙烯，并加入一定量的乙酸乙酯；同時(shí)不斷攪拌混合溶液，加入適量的惰性材料后倒入三口燒瓶，加熱至60℃并通氮?dú)?0min，再加入一定量的偶氮二異丁腈，反應(yīng)6h；將樹(shù)脂置于真空干燥箱中，持續(xù)烘干24h后粉碎，使用篩網(wǎng)篩選出不同目數(shù)的吸油樹(shù)脂干粉顆粒。

(3)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

①吸油膨脹性能：準(zhǔn)確稱(chēng)量質(zhì)量為m1的干燥樹(shù)脂堵漏劑，放入燒杯中，加入適量的0#柴油，在室溫下靜置6h后取出，于篩網(wǎng)上濾去多余油分，多次稱(chēng)量獲得樹(shù)脂顆粒的質(zhì)量，記為m2，由公式Q=(m2-m1)/m1計(jì)算樹(shù)脂的吸油倍率，評(píng)價(jià)其膨脹性能。

②微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試：借助SEM掃描電鏡裝置，將樹(shù)脂表面進(jìn)行噴金固化處理，通過(guò)放大樹(shù)脂表面對(duì)樹(shù)脂表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

③樹(shù)脂的熱重分析：使用熱重分析儀，取適量堵漏劑在氮?dú)猸h(huán)境中以20℃/min的升溫速率下測(cè)定吸油樹(shù)脂的質(zhì)量變化，測(cè)試溫度范圍為20℃-800℃，進(jìn)而評(píng)價(jià)樹(shù)脂耐溫性能。

④強(qiáng)度測(cè)試：將一定量樹(shù)脂凝膠放入0#柴油中，吸油6h后取出靜置濾去多余油分；將樹(shù)脂置于高度為L(zhǎng)的初始位置處，放置砝碼垂直拉伸測(cè)試堵漏劑的拉伸強(qiáng)度，拉伸距離越長(zhǎng)，封堵效果越好。

⑤裂縫性漏失堵漏性能主要通過(guò)砂床濾失和高溫高壓堵漏評(píng)價(jià)裝置，鉆井液配方：0#柴油+顆粒堵漏劑。

砂床濾失：向容器中填充沙子至設(shè)定位置，注入預(yù)先配置好的堵漏漿，擰緊加壓，在壓力作用下堵漏漿注入模擬漏失通道內(nèi)，測(cè)定濾失量，測(cè)試堵漏漿在裂縫中的承壓封堵性能。

高溫高壓堵漏評(píng)價(jià)裝置：通過(guò)高溫高壓動(dòng)態(tài)封堵裝置，將一定濃度的堵漏劑顆粒溶液注入到鋼柱楔形裂縫巖心模型中，模擬裂縫性漏失地層，測(cè)試其突破壓力，評(píng)價(jià)堵漏漿在裂縫中的承壓封堵性能。

2.高吸油樹(shù)脂堵漏劑合成機(jī)理

以BA、LMA、St為聚合單體，短鏈丁酯具有良好的交互結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)鏈烷基酯具有良好的吸油性能，苯乙烯為硬支鏈單體，提升樹(shù)脂骨架強(qiáng)度和耐溫性能[5]；在化學(xué)交聯(lián)基礎(chǔ)上，以自由基聚合為主，合理搭配軟硬支鏈結(jié)合使樹(shù)脂堵漏劑既有骨架，又不易伸展，保證吸油倍率同時(shí)提升耐溫性。此外，由于本身具有較高強(qiáng)度和耐熱性，保證在高溫高壓作用下，具有良好的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性[6-7]。

利用SEM電鏡對(duì)堵漏劑表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。樹(shù)脂空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)由軟硬鏈相互交聯(lián)，構(gòu)成骨架，表面分布眾多孔徑大小不一的微孔結(jié)構(gòu)，增加了樹(shù)脂表面和油分子之間的接觸面積，有利于油分子進(jìn)入內(nèi)部空間。樹(shù)脂堵漏劑吸油前后微觀掃描如圖1所示。

圖1 樹(shù)脂堵漏劑吸油前后微觀掃描圖

從圖片中看出，吸油后樹(shù)脂堵漏劑表面凹凸不平，有溝壑結(jié)構(gòu)，樹(shù)脂內(nèi)部吸油鏈段類(lèi)似于海綿結(jié)構(gòu)，油分子進(jìn)入微孔后，不易從樹(shù)脂內(nèi)部溢出。吸油初期階段，主要依賴(lài)油分子擴(kuò)散作用，隨著樹(shù)脂內(nèi)部油分子不斷增加，吸油分子交聯(lián)鏈段纏結(jié)部分伸展[8]，當(dāng)油分子充分填滿孔隙后，分子鏈段伸展達(dá)到極限，達(dá)到溶脹平衡。

圖2 樹(shù)脂堵漏劑熱重分析曲線

樹(shù)脂堵漏劑結(jié)構(gòu)在初始升溫階段緩慢失重，這可能主要與樹(shù)脂堵漏劑存在少量結(jié)合水或殘留水分子蒸發(fā)有關(guān)。對(duì)于堵漏劑來(lái)說(shuō)，側(cè)鏈的分解主要出現(xiàn)在300℃左右，300℃-700℃之間失重屬于主鏈的斷裂，800℃之后停止分解且不再失重，可能與難以分解的殘留物有關(guān)。由上圖可知，樹(shù)脂堵漏劑在300℃之前比較穩(wěn)定，當(dāng)溫度達(dá)到300℃后，迅速失重，這是側(cè)鏈分解所致。由于苯環(huán)的加入與主分子鏈之間形成較強(qiáng)的共價(jià)鍵，樹(shù)脂的鏈段長(zhǎng)度不一，側(cè)鏈逐漸分解完畢后，烷基酯開(kāi)始分解，造成持續(xù)失重。550℃-700℃之間，分子間交聯(lián)的共價(jià)鍵開(kāi)始斷裂。

3.高吸油樹(shù)脂堵漏劑吸油性能評(píng)價(jià)

堵漏劑作用于地層裂縫，考慮時(shí)間、溫度等因素對(duì)吸油性能的影響，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析堵漏劑吸油性能和吸油膨脹后韌性差異。表1為樹(shù)脂堵漏劑強(qiáng)度性評(píng)價(jià)表。

表1 凝膠強(qiáng)度評(píng)級(jí)

將合成的樹(shù)脂堵漏劑烘干、粉碎，用篩網(wǎng)按照不同粒徑大小進(jìn)行篩分，分別放入300mL的0#柴油中，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制不同時(shí)間下樹(shù)脂堵漏劑的吸油膨脹曲線圖，考察不同時(shí)間下的吸油速率。

由圖3可知，堵漏劑在0#柴油中吸油膨脹。在吸油初始階段，堵漏劑的吸油倍率逐漸較高，2h后，吸油倍率逐漸降低，6h后，曲線趨于平緩，吸油樹(shù)脂逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)[9-10]。在進(jìn)入裂縫性地層時(shí)部分達(dá)到溶脹平衡，有適當(dāng)?shù)呐蛎涹w積，可以有效架橋封堵孔隙和裂縫。

圖3 不同時(shí)間下樹(shù)脂堵漏劑的吸油膨脹曲線

稱(chēng)取適量堵漏劑，固定粒徑加入400ml 0#柴油，放入老化爐中滾動(dòng)加熱，分別測(cè)試堵漏劑在60℃、80℃、100℃下的體積溶脹倍數(shù)，評(píng)價(jià)堵漏劑的耐溫性能。

表2 樹(shù)脂堵漏劑在不同溫度下強(qiáng)度測(cè)試

如圖4所示，溫度升高，堵漏劑的吸油膨脹倍數(shù)逐漸增大，吸油倍率初始階段先增大后趨于平緩，100℃下拉伸強(qiáng)度3.7cm，強(qiáng)度中等。溫度升高使內(nèi)部分子吸油鏈段伸展，克服化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)束縛力，鏈段伸展性變大，體積膨脹，分子鏈段間空隙增大[11-12]。堵漏劑在進(jìn)入裂縫性地層時(shí)未達(dá)到溶脹平衡，有適當(dāng)?shù)呐蛎涹w積，惰性材料的填充使得主鏈和側(cè)鏈耐溫性得到提升，可以有效封堵裂縫和孔隙，達(dá)到承壓封堵效果。

圖4 不同溫度下樹(shù)脂堵漏劑的吸油膨脹曲線

4.高吸油樹(shù)脂堵漏劑堵漏性能評(píng)價(jià)

(1)對(duì)不同目數(shù)砂床堵漏效果

砂床濾失實(shí)驗(yàn)是對(duì)流體侵入能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，觀察流體侵入砂層深度，反應(yīng)鉆井液在地下濾失情況，選用吸水前平均粒徑為300μm～400μm。下表為不同粒徑下的砂床濾失情況。

表3 樹(shù)脂堵漏劑分散液在砂礫不同粒徑下沙床濾失量

砂礫粒徑為20-40目時(shí)，鉆井液迅速侵入砂層，砂礫粒徑過(guò)大導(dǎo)致鉆井液全部漏失；減少砂礫粒徑為40-60目，鉆井液已無(wú)砂礫濾出，堵漏劑能進(jìn)入砂層起到承壓層度的效果；砂礫粒徑為60-80目時(shí)，砂層侵入深度大幅減少，堵漏劑濃度增加，除加壓時(shí)少量初始侵入深度，迅速形成密封層，侵入深度明顯降低，有良好的承壓封堵性能[13-15]。

(2)對(duì)不同縫寬縫板堵漏效果

選用高溫高壓動(dòng)態(tài)測(cè)試裝置，進(jìn)一步評(píng)價(jià)高溫狀態(tài)不同縫寬縫板下堵漏劑封堵性能。使用長(zhǎng)度為20cm、進(jìn)口縫寬為5mm、出口縫寬為1～2mm的平行縫的鋼柱巖心模型模擬裂縫性漏失。測(cè)試樹(shù)脂堵漏劑在溫度為90℃下、平均粒徑為500μm、質(zhì)量濃度3%和5%下堵漏顆粒分散液裂縫中最大突破壓力。表4為縫寬為1～2mm下的漏失情況。

表4 樹(shù)脂堵漏劑分散液在不同縫寬下封堵性能

堵漏劑在不同縫寬下的封堵性能如上表所示。出口裂縫寬度為1mm，堵漏劑加量為3%時(shí)，承壓封堵能力為3.2MPa。出口裂縫寬度為1mm，濃度為5%時(shí)，承壓封堵能力為4.7MPa。出口裂縫寬度為2mm，堵漏劑加量為3%時(shí)，承壓封堵能力為2.4MPa。出口裂縫寬度為2mm，堵漏劑加量為5%時(shí)，承壓封堵能力為4.0MPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高吸油樹(shù)脂堵漏劑在不同裂縫寬度下承壓堵漏效果良好[16]。

5.高吸油樹(shù)脂堵漏劑的堵漏機(jī)理分析

樹(shù)脂顆粒堵漏劑在吸油膨脹后具有一定粘彈性、強(qiáng)度和良好的可變形性，在內(nèi)外壓差作用下根據(jù)孔隙發(fā)生形變，在孔隙的滯留力和顆粒之間的擠壓力下，壓實(shí)封堵，具有良好封漏效果。由于裂縫通道壁面是粗糙、非均質(zhì)的，在水平上受鉆井液液柱壓力、地層孔隙壓力和裂縫壁面摩擦力，豎直方面受裂縫擠壓力和重力作用，在外力綜合作用下，剛性大顆粒堵漏材料能夠在裂縫在孔吼處滯留堆積，形成觸點(diǎn)架橋；裂縫通道中流動(dòng)空間降低，流動(dòng)阻力增大，樹(shù)脂顆粒堵漏劑顆粒受黏切力和壓力共同作用下，逐漸充填堆積喉道，最終形成致密承壓封堵層[17]。

6.結(jié)論

（1）與常規(guī)的吸油樹(shù)脂堵漏劑相比，三元高吸油膨脹樹(shù)脂具有較為致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、良好的熱穩(wěn)定性和較高的承壓堵漏能力。（2）隨著溫度升高，高吸油樹(shù)脂內(nèi)部分子吸油鏈段伸展，克服化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)束縛力，鏈段伸展性變大，體積膨脹，分子鏈段間空隙增大膨脹性能隨溫度增加而增加，因此膨脹性能隨之增加。（3）高吸油膨脹樹(shù)脂堵漏劑在吸油膨脹后具有一定強(qiáng)度和自適應(yīng)性，在漏失通道中通過(guò)吸油溶脹、充填堆積等作用，形成具有一定強(qiáng)度的致密封堵層，最大突破壓力可達(dá)4.7MPa。