鄭力會(huì) 吳通 陶秀娟，2 閆振峰 羅江偉 甘茂宗

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院 2.陜西科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院 3. 渤海鉆探第二固井公司)

0 引 言

井壁穩(wěn)定是油氣井安全鉆井的必要條件，且已經(jīng)成為掣肘深井、超深井及海上鉆井的主要問題。井壁失穩(wěn)從廣義上講，是指井塌、井漏、掉塊以及縮徑等所有井下難題，狹義上講，僅指井壁坍塌。

一般認(rèn)為，井壁失穩(wěn)由地質(zhì)因素和工程因素兩方面導(dǎo)致。地質(zhì)因素可分為原地應(yīng)力、巖石強(qiáng)度等地質(zhì)力學(xué)因素，以及巖性、結(jié)構(gòu)、溫度和產(chǎn)狀等地層因素兩類。工程因素是由于鉆井流體性能配伍性、起下鉆作業(yè)不規(guī)范和鉆井機(jī)械擾動(dòng)等所致。目前控制井壁穩(wěn)定的方法是通過鉆井流體固壁材料或者井下工具加固井壁，以提高地層承壓能力；或者利用特定工藝及技術(shù)裝備，通過優(yōu)化井身結(jié)構(gòu)、調(diào)整井眼軌跡精準(zhǔn)化控壓鉆井實(shí)現(xiàn)井壁穩(wěn)定。因此，通過提高鉆井流體抑制性、降低鉆井流體活度及增強(qiáng)鉆井流體封堵性能等應(yīng)對(duì)井壁失穩(wěn)甚至窄密度窗口是最為常用的方式。其中，利用封堵材料可以節(jié)省時(shí)間、減少成本及簡(jiǎn)化工序[1]。

穩(wěn)定井壁的封堵材料來源廣泛且類型多樣。廣義上講，封堵材料指用于封堵的物質(zhì)或制造封堵體系的物質(zhì)，如用于石油鉆井的封堵材料包括套管、封隔器等機(jī)械材料，以及滯留在封堵體表面或進(jìn)入漏層的非機(jī)械材料。狹義上講，封堵材料僅指非機(jī)械材料。依據(jù)材料的形狀不同，R.J.WHITE[2]將封堵材料劃分為纖維狀、片狀和顆粒狀以及這些材料的混合物等4種。依據(jù)材料的應(yīng)用范疇不同，H.H.ALKINANI等[3]將封堵材料劃分為堵漏材料和防漏材料2大類。依據(jù)材料的力學(xué)硬度差異，蘇曉明等[4]將封堵材料劃分為剛性封堵材料和柔性封堵材料2大類。依據(jù)材料的作用機(jī)制不同，張希文等[5-6]則將封堵材料劃分為橋接材料、高濾失材料及柔彈性材料等共6大類?？梢钥闯?，現(xiàn)有材料的分類依據(jù)多樣，不同分類之間既各成體系，又難免交叉，由此導(dǎo)致封堵后穩(wěn)定井壁評(píng)價(jià)方法各異，不同材料封堵穩(wěn)定井壁的能力缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，隨著新材料研發(fā)的不斷深入，新型穩(wěn)定井壁封堵材料不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有的分類不能或只能部分囊括新材料的歸屬，不利于室內(nèi)材料研發(fā)人員根據(jù)材料的作用原理和封堵機(jī)制制定針對(duì)性的評(píng)價(jià)方法，不利于新材料應(yīng)用和推廣。

針對(duì)當(dāng)前穩(wěn)定井壁封堵材料分類現(xiàn)狀，為進(jìn)一步解決現(xiàn)有封堵材料類型劃分存在交叉、重疊的問題，本文在總結(jié)前人對(duì)封堵材料分類的基礎(chǔ)上，提出以封堵結(jié)構(gòu)形成時(shí)的作用原理為劃分依據(jù)，即以是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新物質(zhì)為依據(jù)，將封堵材料劃分為物理封堵材料和化學(xué)封堵材料。物理封堵材料是指在漏失通道中依靠材料的力學(xué)強(qiáng)度和硬度，通過覆蓋、堆積、架橋及膨脹堵塞等方式形成具有承壓能力封堵結(jié)構(gòu)的封堵材料總稱。這種分類方法不再以材料自身所表現(xiàn)的形狀、結(jié)構(gòu)或力學(xué)性質(zhì)為分類依據(jù)，而是以材料的作用原理為依據(jù)，在一定程度上能避免以形狀、結(jié)構(gòu)等外在性質(zhì)歸類所帶來的材料類型的交叉和重疊，能有效涵蓋現(xiàn)階段和未來新型封堵材料的類型，有助于為穩(wěn)定井壁封堵材料評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)的建立提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 物理封堵材料

物理封堵材料需要依靠材料的強(qiáng)度、剛度及硬度等宏觀力學(xué)性能參數(shù)，結(jié)合地層的撓曲度和孔喉尺寸等屬性，建立可以減少井筒與地層壓力之間溝通的封堵層結(jié)構(gòu)。使用物理封堵材料構(gòu)建封堵層成功的關(guān)鍵在于材料與漏失通道大小的匹配性。根據(jù)材料的作用機(jī)制，可將物理封堵材料分為機(jī)械支護(hù)材料、橋接封堵材料、變形填充材料、泡沫堆積材料及成膜封堵材料。

1.1 機(jī)械支護(hù)材料

機(jī)械支護(hù)是指應(yīng)用機(jī)械裝備，將承受液柱壓力的巖石井壁置換為具有不同強(qiáng)度剛級(jí)的管柱，從而對(duì)井壁進(jìn)行強(qiáng)化加固、隔絕壓力體系的一種封堵方式。目前，鉆遇漏失、地層壓力異常和壓差卡鉆問題的地區(qū)，最廣泛被采用的解決辦法仍是增加一層井身結(jié)構(gòu)，即下一層套管(技術(shù)套管或尾管)加固井壁[7]。由于使用管柱加固井壁形成承壓結(jié)構(gòu)，并沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以將其歸類為物理封堵材料。

機(jī)械支護(hù)材料包括常規(guī)下套管[8]和下膨脹管[9]兩類，流程及方法較為成熟。機(jī)械支護(hù)在保護(hù)井周圍巖的承載力和支撐防護(hù)井壁方面具有顯著作用效果，相比其他方法或技術(shù)手段有著天然的優(yōu)越性。但是，隨著地質(zhì)勘探不斷深入，油氣動(dòng)用儲(chǔ)量逐步轉(zhuǎn)向深部裂縫發(fā)育地層、壓力枯竭油氣藏以及海洋深水井的開發(fā)，在實(shí)際作業(yè)時(shí)為防止發(fā)生漏失和井涌，就需下入多層技術(shù)套管封隔復(fù)雜層段，因而增加并提高了井身結(jié)構(gòu)層次及強(qiáng)度，導(dǎo)致完井井徑和生產(chǎn)套管尺寸大大減小，影響油氣產(chǎn)量和后續(xù)作業(yè)。相對(duì)于傳統(tǒng)套管作業(yè)，膨脹管技術(shù)在不損失井眼尺寸的情況下創(chuàng)造穩(wěn)定的井下環(huán)境，一方面優(yōu)化深井及超深井的井身結(jié)構(gòu)，減小井眼錐度，減少井下事故，降低作業(yè)成本；另一方面，膨脹管用作生產(chǎn)套管，可增大井眼泄流面積，有利于井眼增產(chǎn)措施實(shí)施和井下作業(yè)維護(hù)[10]。但是，由于井下受力狀態(tài)及環(huán)境惡劣，用于膨脹管之間連接的特殊螺紋強(qiáng)度、精度及契合度要求高，導(dǎo)致該技術(shù)的應(yīng)用成功率無法保障。同時(shí)，操作工序繁雜、施工周期偏長(zhǎng)和綜合成本高等帶來的負(fù)面影響，也限制了該技術(shù)的規(guī)模性應(yīng)用和推廣[11]。

1.2 橋接封堵材料

橋接堵漏是指應(yīng)用橋接封堵材料，在滲流漏失通道端面或內(nèi)部形成具有承壓能力的類似橋梁的封堵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)井壁穩(wěn)定的一種封堵方式。橋接封堵材料通常指形成封堵結(jié)構(gòu)前后理化性質(zhì)不發(fā)生變化的顆粒類、片狀類及纖維類等不影響鉆井流體性能的惰性材料總稱，一般按材料的剛度劃分為剛性橋接材料和柔性橋接材料，按材料的作用組成分為骨架支撐材料和架橋充填材料，是現(xiàn)場(chǎng)最為常用的封堵材料種類之一[12]。目前，纖維作骨架支撐劑，用于油基鉆井流體是當(dāng)前油基鉆井流體的發(fā)展方向之一，纖維類材料的引入能有效提高油基堵劑的懸浮能力和封堵效率。圖1所示為湖北漢科公司清潔纖維油基鉆井流體室內(nèi)懸浮鋼珠和顆粒效果。

圖1 清潔纖維油基鉆井流體及其懸浮能力示意圖Fig.1 Clean fiber oil-based drilling fluid and its suspension ability

由圖1可見，在清潔纖維油基鉆井流體體系中，纖維能均勻分散在鉆井液表面，并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，充分纏繞、捕獲雜物，既能成倍地提高鉆井液的攜巖能力，有效捕獲鉆屑、金屬碎片、砂子和礫石，還能有效提高膜封堵效率。

骨架支撐材料指用于構(gòu)建封堵層骨架結(jié)構(gòu)的封堵材料。架橋充填材料指用以填充封堵層骨架結(jié)構(gòu)尺寸的次一級(jí)封堵材料，主要由剛性顆粒、纖維類材料、片狀材料和柔性塞填材料組成[13]。骨架支撐顆粒類材料常采用核桃殼、石灰石和硫礦粉等，纖維類則常用鋸末、棉纖維和木質(zhì)纖維等，片狀材料常用云母片、木片和賽璐珞粉等。充填材料包括剛性充填材料和柔性塞填材料，多呈顆粒狀使用，由粒徑小一些的架橋材料、橡膠彈性粒子、聚合物彈性顆粒及石墨烯等組成。

橋接封堵材料的生產(chǎn)、包裝運(yùn)輸和儲(chǔ)存管理標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等要求均低于其他類封堵材料，同時(shí)其對(duì)工作液的配伍性、簡(jiǎn)便性要求等也不高于其他類封堵劑，且其使用的級(jí)配和濃度范圍也有很多理論基礎(chǔ)研究。但橋接材料承壓需要材料尺度與地層漏失的孔喉大小級(jí)配匹配，而且材料需有良好的抗壓強(qiáng)度及抗溫性能。因此，近年來的架橋材料已由傳統(tǒng)的材料發(fā)展至具有強(qiáng)支撐力的納米材料、合金顆粒材料、智能材料甚至形狀記憶合金絲材料[14-15]。

1.3 變形充填材料

變形充填材料主要應(yīng)用材料的濁點(diǎn)、軟化點(diǎn)及吸水膨脹性等物理變形特性制成，包括以磺化瀝青及聚合醇為代表的軟濁充填材料和以吸水樹脂為代表的膨脹充填材料。

1.3.1 軟濁充填材料

軟濁充填材料是指利用材料的濁點(diǎn)和軟化點(diǎn)特性，通過嵌實(shí)填充于濾餅或者孔隙型漏失巖石表面，以減少濾液滲透，提高濾餅質(zhì)量或者地層承壓能力的封堵材料。

一般認(rèn)為軟濁充填材料的封堵機(jī)理有物理作用和物理化學(xué)作用兩方面。物理作用方面認(rèn)為，當(dāng)井下條件接近材料的濁點(diǎn)或者軟化點(diǎn)時(shí)，材料的膠體粒子或亞微米粒子通過壓差作用變形，填塞、嵌入或涂敷在漏層表面、濾餅或者微裂縫中，阻止液相滲透，穩(wěn)定易失穩(wěn)地層。物理化學(xué)作用方面認(rèn)為，如材料含磺酸基，材料會(huì)吸附在泥頁巖黏土顆?；蝽搸r晶層斷面上，提高黏土顆粒的負(fù)電性，并在井壁上形成不滲透的憎水薄膜，阻止頁巖進(jìn)一步水化分散膨脹，從而提高泥頁巖的穩(wěn)定性。

瀝青類材料的理論及應(yīng)用已較為成熟。添加有聚合醇(聚乙二醇)的或聚醚多元醇的鉆井流體，不僅能夠利用其濁點(diǎn)效應(yīng)對(duì)泥頁巖微裂縫與微節(jié)理進(jìn)行封堵，還具有流型增效、潤(rùn)滑、低毒性、易生物降解及無熒光不干擾地質(zhì)錄井等特點(diǎn)。此外，無論是井眼溫度高于還是低于濁點(diǎn)溫度，聚合醇都可以提高體系的抑制性，并最大程度維持巖石的強(qiáng)度[16]。然而，盡管聚合醇鉆井流體擁有諸多優(yōu)良性能，但由于其品種多、產(chǎn)品質(zhì)量差別大，仍影響了鉆井流體的發(fā)展[17]。

1.3.2 膨脹充填材料

膨脹充填材料是指在壓差作用下進(jìn)入到漏失通道后，通過架橋、填塞，最終以吸水膨脹和緊密壓實(shí)的方式形成封堵結(jié)構(gòu)的封堵材料，以高分子樹脂材料為代表，同時(shí)也還包括有淀粉類、橡膠及預(yù)交聯(lián)凝膠等材料。

吸水樹脂類材料的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)較為成熟，種類較多，并以脲醛樹脂堵漏劑使用居多。常用的方法是將固態(tài)的樹脂加入到鉆井流體或堵漏漿中，以改善體系的封堵性能。與常規(guī)體系相比，樹脂具有低黏、可變形、易注入、高耐鹽、耐酸、耐油的特性，且抗壓和抗稀釋能力強(qiáng)[18]，封堵有效周期長(zhǎng)，可以進(jìn)入不同尺度的漏失孔道，因而被廣泛用作油井堵漏材料[19]。此外，樹脂堵漏材料在吸水體積膨脹后，具有很好的彈性，能在壓差作用下進(jìn)入漏失地層，并根據(jù)裂縫的尺寸大小進(jìn)行形狀調(diào)節(jié)，以滿足不同裂縫尺寸的需求，解決了一些傳統(tǒng)的橋接堵漏材料和無機(jī)凝膠堵漏材料無法解決的問題。

膨脹類材料通過聚合物大分子交聯(lián)作用，只溶脹而不溶解。聚合物顆粒體積增大，溶脹體強(qiáng)度高，抗沖刷能力強(qiáng)，可提高封堵效果。雖然樹脂類堵漏材料成功率較高，但鉆井流體配制過程中易提前膨脹而增加泵送難度。因?yàn)榕蛎浐蟛牧蠌?qiáng)度低，泵送過程中易在鉆桿、鉆頭噴嘴處剪切破碎，而且提前膨脹的材料粒徑與漏層孔隙、裂縫大小和形狀不匹配形成的封堵層結(jié)構(gòu)不牢固，所以需使用包覆技術(shù)處理膨脹材料，一般通過包括延時(shí)溶解材料、接枝疏水性單體或采用專門攜帶液的方法，延遲材料吸水膨脹反應(yīng)發(fā)生的時(shí)間[20]。但吸水膨脹類材料價(jià)格昂貴，作業(yè)配制復(fù)雜，耐溫性差，且難以控制大裂縫和溶洞性漏失，這些問題限制了其廣泛使用。

當(dāng)前，為了提高吸水型膨脹體封堵層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以有效處理管外竄等封堵難題，形成了以水泥為基礎(chǔ)的高強(qiáng)度膠凝膨脹型堵漏體系。這類水泥復(fù)合膨脹堵漏體系兼顧了水泥的強(qiáng)封堵能力和膨脹材料的可變形能力，提高了封堵的成功率，比如中石化勝利井下作業(yè)公司典型的膠凝膨脹KDF水泥漿體系，該體系是一種以水泥為基礎(chǔ)的膨脹堵劑，膨脹比例0.5%～5.0%，有利于堵劑充滿堵漏空間，膨脹固結(jié)后承壓強(qiáng)度達(dá)5～15 MPa。該體系室溫下膨脹充填前后體積對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 KDF體系膨脹固結(jié)前后體積對(duì)比Fig.2 Volume comparison of KDF system before and after expansion and consolidation

1.4 泡沫堆積材料

泡沫堆積材料由于具有靜液柱壓力低、濾失量小、攜砂性能好、助排能力強(qiáng)以及對(duì)地層傷害小等良好的特性，廣泛應(yīng)用于壓裂、酸化、堵水和調(diào)剖等領(lǐng)域，較少用于穩(wěn)定油氣井井壁封堵。由于其利用自身的堆積形變能力進(jìn)行封堵，所以被歸類為物理封堵材料，比如在鉆井過程中應(yīng)用的可循環(huán)泡沫以及在此基礎(chǔ)上形成的絨囊封堵材料。利用仿生原理由環(huán)保型聚合物及表面活性劑自組裝配制形成，通過氫鍵和疏水締合作用形成流動(dòng)時(shí)為囊泡、靜止時(shí)吸附聚合物并具有自身降解恢復(fù)滲透率能力的絨囊封堵材料[21]，在煤層氣鉆井中實(shí)現(xiàn)了提高地層強(qiáng)度而穩(wěn)定井壁。

絨囊封堵材料入井時(shí)囊泡壓縮，隨縫、洞、裂隙形態(tài)變形進(jìn)入地層，根據(jù)空間大小堆積、拉抻和填塞充滿流體通道，并通過升溫低壓膨脹充滿空間，使封堵材料靜止或降速，為絨毛粘結(jié)破碎巖石提供粘結(jié)時(shí)間、環(huán)境及條件。粘結(jié)處理劑粘結(jié)地層破碎體后，巖石強(qiáng)度和韌性提高，漏失壓力升高，坍塌壓力降低，工作液安全密度窗口擴(kuò)大[22]。目前絨囊流體已成功應(yīng)用于塔河油田7 000多m的深井壓裂，絨囊流體的封堵能力得到驗(yàn)證[23]。為了進(jìn)一步提升絨囊流體的耐鹽抗溫和承壓能力，研究人員成功開發(fā)了承壓能力更強(qiáng)的耐鹽抗溫的納米絨囊流體，絨囊體系和納米絨囊體系微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 絨囊流體和納米SiO2-絨囊流體外觀及冷凍電鏡照片F(xiàn)ig.3 Appearance and cryo-SEM photo of fuzzy-ball fluid and nano-SiO2- fuzzy-ball fluid

從圖3可以看出，絨囊中引入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的納米SiO2后，體系的外觀變化不大，但體系的中囊泡變得細(xì)膩，分散性更好。掃描電鏡結(jié)果顯示，絨囊體系中引入納米SiO2后，井下高分子網(wǎng)格結(jié)構(gòu)變得致密，納米顆粒較均勻地分布在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)表面。室內(nèi)測(cè)試結(jié)果顯示，納米絨囊的耐鹽耐溫能力和承壓封堵能力都得到了有效增強(qiáng)。

1.5 成膜封堵材料

成膜封堵材料指在漏失通道表面濃聚成膠束的聚集體或膜，并具有一定承壓封堵能力的聚合物封堵材料，是具有一定化學(xué)疏水特性的乳狀材料[24]。其封堵機(jī)理是，在鉆井流體中加入的特殊聚合物處理劑在巖石表面濃聚成膠束，依靠聚合物膠束或膠粒界面吸力及其可變形性，使鉆井流體內(nèi)的固相在井筒流體與井壁界面的架橋結(jié)構(gòu)上形成一層可以封堵地層孔隙和裂縫的超低滲透半透膜或隔離膜，從而增強(qiáng)濾餅封堵及承壓強(qiáng)度，提高井壁地層承壓能力和破裂壓力梯度，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層巖石安全密度窗口擴(kuò)大。由于其利用封堵材料的物理作用實(shí)現(xiàn)變形涂覆，所以將其歸類為物理封堵材料。

由于成膜鉆井流體克服了一般水基鉆井流體抑制防塌性、潤(rùn)滑性、封堵性和攜巖能力差等一系列缺點(diǎn)，且較油基鉆井流體成本低、環(huán)境友好，同時(shí)又克服了一般水基鉆井流體存在的諸多問題，所以該體系具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，常規(guī)的成膜劑僅考慮成膜吸附，并未考慮和剛性顆粒的協(xié)同吸附作用，且應(yīng)用的前提是有可吸附的介質(zhì)，因此在相對(duì)較大的地層孔隙條件下的應(yīng)用效果并不理想。目前成膜劑和超低滲透劑可供選擇的品種較少，有待進(jìn)一步發(fā)展。

2 化學(xué)封堵材料

地層漏失或坍塌尺寸大小不明時(shí)，剛性封堵材料與漏失尺寸級(jí)配成為掣肘選擇材料的關(guān)鍵?；瘜W(xué)封堵材料隨工作液泵送至漏失部位，通過化學(xué)交聯(lián)或膠結(jié)封堵形成封堵結(jié)構(gòu)，封堵漏失。

化學(xué)封堵材料是指通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如水化反應(yīng)、交聯(lián)反應(yīng)和成鹽沉淀等，形成具有承壓結(jié)構(gòu)的封堵材料總稱?；瘜W(xué)封堵材料構(gòu)建封堵層的成功與否在于其是否可以在漏層滯流，以及反應(yīng)時(shí)間和條件是否合適。根據(jù)材料的作用機(jī)制可分為交聯(lián)封堵材料、膠凝封堵材料及沉淀封堵材料。

2.1 交聯(lián)封堵材料

交聯(lián)封堵材料是指在漏失通道中發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成具有一定抗變形能力和承壓能力的結(jié)構(gòu)材料，如脲醛樹脂和水解聚丙烯腈等高分子聚合物材料。

交聯(lián)封堵材料對(duì)漏失通道具有良好的適應(yīng)性，其自身可以通過擠壓變形進(jìn)入孔隙或裂縫。交聯(lián)類堵漏材料常被用于處理常規(guī)堵漏材料難以封堵的含水層或惡性漏失[25]。交聯(lián)反應(yīng)成膠之后，封堵結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的黏彈性和韌性，具有較強(qiáng)的抗剪切、抗腐蝕及承壓增阻能力，可以減緩漏失通道內(nèi)的壓力傳播和裂縫誘導(dǎo)擴(kuò)展。交聯(lián)型封堵材料的交聯(lián)時(shí)間、交聯(lián)強(qiáng)度、耐溫性和現(xiàn)場(chǎng)施工工藝等受多重因素影響[26]，同時(shí)凝膠材料難以徹底處理大裂縫和溶洞型漏失等惡性漏失地層，封堵效果受限于裂縫尺寸和形態(tài)。

為了滿足縫洞型等惡性漏失井況對(duì)封堵體系強(qiáng)度和承壓能力的需求，中國(guó)石油大學(xué)(北京)研究人員在絨囊流體的基礎(chǔ)上開發(fā)形成了一種高強(qiáng)度的交聯(lián)絨囊封堵體系，該體系絨囊流體交聯(lián)前、后流動(dòng)狀態(tài)如圖4所示。

圖4 絨囊流體交聯(lián)前、后及交聯(lián)體系破膠后狀態(tài)Fig.4 State of fuzzy-ball fluid before and after crosslinking as well as after viscosity break of cross-linking system

從圖4可以看出，絨囊流體加入一定比例的交聯(lián)劑后，體系即失去流動(dòng)性。室內(nèi)測(cè)試交聯(lián)絨囊流體體系封堵承壓能力達(dá)70 MPa。在室溫下，向交聯(lián)絨囊體系中加入一定pH值的流體和破膠劑，用玻璃棒攪拌即可實(shí)現(xiàn)絨囊交聯(lián)體強(qiáng)度的解除，體系恢復(fù)流動(dòng)性。

2.2 膠凝封堵材料

膠凝封堵材料主要是粉狀硬性的無機(jī)膠凝材料，包括硅酸鹽水泥(硅基水泥)、鋁酸鹽水泥(鋁基水泥)和氯鎂氧水泥(鎂基水泥)等。水泥漿在注入頂替過程中具有良好的流變性，泵送停止后則迅速形成具有剛性、能自身支撐的凝膠結(jié)構(gòu)，其膠凝時(shí)間、承壓強(qiáng)度及水泥固化性能取決于材料的水化反應(yīng)速率、水泥顆粒的粗細(xì)分散程度及復(fù)配材料等。山東東營(yíng)泰爾公司的高強(qiáng)度復(fù)合膠凝水泥堵漏漿現(xiàn)場(chǎng)配漿的罐中狀態(tài)如圖5所示。

圖5 配漿罐中的高強(qiáng)度復(fù)合水泥漿堵漏體系Fig.5 High strength composite cement slurry plugging system in slurry tank

從圖5可以看出，高強(qiáng)度復(fù)合水泥漿堵漏體系固相分散均勻，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)堵漏技術(shù)使用方便、密度可調(diào)、強(qiáng)度適中且適用范圍廣，具有較高的堵漏成功率。一般在鉆進(jìn)壓力衰竭地層、破碎性儲(chǔ)層[27]、弱膠結(jié)地層、裂縫發(fā)育地層及多套壓力層系等地層時(shí)，惡性漏失問題非常突出，水泥漿堵漏是主要手段[28]。但水泥漿堵漏由于密度較大，不易滯留在漏失通道中，常因漏入地層深處而導(dǎo)致堵漏失敗[29]。在含水的異常高壓層使用水泥漿堵漏時(shí)，水泥漿易被地層水稀釋，稠化時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致堵漏失敗。因此，水泥漿堵漏需要復(fù)配如橡膠粉、纖維及凝膠等其他堵漏材料，形成纖維水泥漿、泡沫水泥漿及膠質(zhì)水泥漿，以提高滯留能力及抗稀釋能力[30]。在膠凝水泥封堵體系的基礎(chǔ)上，為解決當(dāng)前常規(guī)水泥漿膠凝堵漏存在需多次下鉆以及有效工作時(shí)間短等問題，中國(guó)石油大學(xué)(北京)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一類流變性好、不固化的“一趟鉆”新型堵漏絨囊水泥漿體系。圖6所示為室內(nèi)絨囊水泥漿配漿圖和填砂管封堵試驗(yàn)效果圖。

從圖6可以看出，絨囊水泥漿具有常規(guī)水泥漿的形態(tài)，填砂管封堵后，絨囊水泥漿不發(fā)生固結(jié)。絨囊水泥漿是在絨囊流體基礎(chǔ)上開發(fā)的新型封堵體系，該體系充分利用絨囊流體的流變特性有效調(diào)節(jié)水泥漿的流變性質(zhì)，有望實(shí)現(xiàn)在不使用架橋材料的情況下直接通過井下工具實(shí)現(xiàn)“一趟鉆”不起鉆堵漏，可節(jié)約處理井漏的時(shí)間。

圖6 室內(nèi)絨囊水泥漿及填砂管封堵效果圖Fig.6 Indoor fuzzy-ball cement slurry and sand packed pipe plugging effect

2.3 沉淀封堵材料

沉淀封堵材料是指添加于鉆井流體，能通過中和、水解、電離或絡(luò)合反應(yīng)生成沉淀的材料，如硅酸鹽和鋁鹽類[31]等，在隨鉆堵漏中使用較多。沉淀封堵材料通常是由于酸堿度、電性能及鉆井流體活度等激活發(fā)生反應(yīng)，如鋁離子在不同酸堿度下可呈離子狀、膠狀和沉淀狀，且高價(jià)鋁離子可以形成螯合物或者雜環(huán)復(fù)合物，可以共價(jià)鍵形式與非金屬離子形成絡(luò)合物封堵劑。在鉆進(jìn)過程中這種材料與低pH值的井壁和巖石表面接觸后，發(fā)生沉淀反應(yīng)，形成致密的絡(luò)合鋁礦物內(nèi)濾餅，可提高地層承壓能力，穩(wěn)定井壁[32]。另外，帶負(fù)電的硅酸鹽聚積體進(jìn)入頁巖孔隙接觸pH值接近中性的頁巖后，會(huì)形成三維網(wǎng)狀凝膠結(jié)構(gòu)，并與地層水中的多價(jià)金屬離子(如鈣離子和鎂離子)反應(yīng)生成不溶沉淀物[33]。

沉淀封堵材料通常不影響體系性能，尤其在處理泥頁巖段時(shí)，可以形成良好的內(nèi)封堵結(jié)構(gòu)。但是，由于井下環(huán)境惡劣與漏失尺寸未知，此類材料并不能實(shí)際處理較大型漏失，僅能作為預(yù)防漏失手段。

為解決大裂縫和溶洞型漏失這類復(fù)雜地層的大型或較大型漏失難題，中國(guó)石油大學(xué)(北京)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種智能匹配蜂窩植入式封堵材料，一方面通過物理作用在地層中植入蜂窩承壓骨架，將大尺度漏失通道分割成數(shù)個(gè)小尺度漏失通道，另一方面充分利用交聯(lián)/膠凝/沉淀材料的流動(dòng)性和可變形能力進(jìn)一步充填蜂窩結(jié)構(gòu)。智能匹配蜂窩植入式封堵材料有望發(fā)展成為解決大裂縫和溶洞型漏失的技術(shù)關(guān)鍵。

3 結(jié)束語

隨著封堵學(xué)理論和技術(shù)的發(fā)展，在不同領(lǐng)域之間封堵材料開始相互滲透借鑒，互通有無。目前，井壁的漏失和復(fù)雜坍塌無法單純依靠某一類性質(zhì)材料就能有效解決。對(duì)封堵材料進(jìn)行合理的分類，基于目標(biāo)需求，建立同類材料封堵能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，能為封堵材料組合、篩選、優(yōu)化、開發(fā)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供依據(jù)。同時(shí)，通過封堵材料的信息化、智能化集成，可以推動(dòng)封堵材料的產(chǎn)業(yè)化、專業(yè)化和規(guī)模化，提高應(yīng)用效果的理想化。

依據(jù)材料分子在穩(wěn)定井壁過程中形成封堵結(jié)構(gòu)時(shí)是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，重新劃分了封堵材料類型，這在一定程度上解決了現(xiàn)有穩(wěn)定井壁封堵材料之間的重復(fù)和交叉問題，為建立封堵材料性能評(píng)價(jià)方法研究提供理論支撐，也為如調(diào)剖、堵水及建筑土木等相關(guān)領(lǐng)域封堵材料的借鑒和互通提供了參考。該研究將有助于促進(jìn)不同領(lǐng)域封堵材料的交叉和融合，推進(jìn)封堵理論研究和應(yīng)用，推動(dòng)封堵學(xué)(Sealaplugology)這一新學(xué)科的發(fā)展。