倪亞飛，黃友亮（長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

化學(xué)堵漏劑在石油鉆井防漏堵漏中的應(yīng)用現(xiàn)狀

倪亞飛，黃友亮
（長(zhǎng)江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

石油是全球最主要的化石能源之一，其被稱為工業(yè)的血液。在石油鉆井開(kāi)采過(guò)程中可能發(fā)生各種井下復(fù)雜情況，其中井漏則是一種常見(jiàn)的井下事故。統(tǒng)計(jì)川東北地區(qū)，油田處理井漏所花去時(shí)間占到總鉆井時(shí)間的10%左右[1]，嚴(yán)重影響了鉆井安全和鉆井速度，嚴(yán)重增加了鉆井成本?；瘜W(xué)堵漏劑在石油鉆井中的應(yīng)用有效降低了井漏事故和井漏處理成本。本文介紹了化學(xué)堵漏劑的研發(fā)歷史以及目前化學(xué)堵漏劑的研發(fā)方向和重點(diǎn)，總結(jié)了目前化學(xué)堵漏劑的應(yīng)用范圍，對(duì)化學(xué)堵漏劑的研發(fā)提出幾點(diǎn)意見(jiàn)。

石油；井漏；化學(xué)堵漏劑

井漏事故的發(fā)生必須具備3個(gè)必要條件[1-3]：井底壓力大于地層壓力即正壓差的存在；地層巖石孔隙半徑大于鉆井液中固相顆粒半徑；地層具有儲(chǔ)集空間，可以容納漏失的鉆井液。目前，鉆井防漏堵漏過(guò)程中主要工作重點(diǎn)使井漏事故發(fā)生的第二個(gè)必要條件失效，即通過(guò)各種手段使得地層巖石孔隙半徑小于鉆井液中固相顆粒直徑。

將化學(xué)藥劑添加到鉆井液改善鉆井液性能的歷史可以追溯到上個(gè)世紀(jì)20年代，化學(xué)堵漏劑的研發(fā)最早于上個(gè)世紀(jì)50年代?；瘜W(xué)堵漏劑以聚合物樹(shù)脂類堵漏劑為主，其次有聚合物酰胺類、聚合物腈類、共聚物類等。化學(xué)堵漏劑具有幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：封堵性受鉆井液循環(huán)沖刷影響?。痪酆衔镱惙肿又髦ф滈L(zhǎng)、分支鏈多，易吸附在地層孔隙內(nèi)表面并堆積起到封堵作用；可以隨鉆堵漏以及隨鉆防漏，降低井漏事故發(fā)生率；封堵地層后在需要的情況下可以解封地層，恢復(fù)地層滲透率等。

1　化學(xué)堵漏劑研發(fā)早期

1.1聚丙烯酰胺

聚丙烯酰胺（PAM）是由單體丙烯酰胺（AM）通過(guò)烯鍵斷裂并單體相互間重新成鍵聚合而成。其胺基帶有一個(gè)單位正電荷，會(huì)吸引帶有負(fù)電荷基團(tuán)物質(zhì)如粘土，因此，聚丙烯酰胺主要作用為絮凝作用。1979年前蘇聯(lián)利用聚丙烯酰胺成功封堵了克拉斯諾謝爾621井的十個(gè)強(qiáng)漏失地層，其在水泥漿中加入適量聚丙烯酰胺，當(dāng)這種含有聚丙烯酰胺的水泥漿（配方見(jiàn)表1）進(jìn)入地層之后，聚丙烯酰胺加快固相顆粒的絮凝過(guò)程和沉淀過(guò)程，進(jìn)而達(dá)到快速封堵地層的目的。

表1　1979年前蘇聯(lián)封堵地層水泥漿配方表Tab.1　Compound of cement paste to plug formation in the SU in 1979

1.2脲醛樹(shù)脂（Mφ-17）

脲醛樹(shù)脂又稱脲甲醛樹(shù)脂，由尿素與甲醛在催化劑的作用下形成[4]，脲醛樹(shù)脂與草酸混合會(huì)形成堅(jiān)硬的固體顆粒。因此，在處理鉆井井漏事故中可以將脲醛樹(shù)脂與草酸的混合物注入漏失地層，脲醛樹(shù)脂與草酸在漏失地層孔隙中生成沉淀性固體顆粒堵塞漏失通道。

在我國(guó)多個(gè)地區(qū)曾應(yīng)用脲醛樹(shù)脂堵漏：大寶山鉬礦區(qū)選用以水泥、脲醛樹(shù)脂、酒石酸等為主要原料的堵漏配方[5]，應(yīng)用效果表明該方案有效解決了該地區(qū)的大量漏失問(wèn)題；甘肅陽(yáng)山金礦區(qū)經(jīng)過(guò)探索發(fā)現(xiàn)鋸末-脲醛樹(shù)脂對(duì)于封堵大裂縫地層的漏失具有良好效果[6]；劉曉平等人通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定一種脲醛樹(shù)脂堵漏劑配方[7]（見(jiàn)表2），將該配方應(yīng)用于中原油田效果良好；等等。

表2　脲醛樹(shù)脂堵漏劑配方表Tab.2　Compound of urea formaldehyde resin LCM

1.3不常用堵漏劑

不常用堵漏劑中包括聚丙烯腈、聚乙烯醇、泛美6-210、聚苯乙烯等。聚丙烯腈是由單體丙烯腈聚合而成，將其添加到鉆井液中起增粘和穩(wěn)定的作用。早在1957年Goins.W.C通過(guò)實(shí)驗(yàn)將碎胡桃核與聚丙烯腈以質(zhì)量比60∶1的比例加入鉆井液中成功封堵了其他封堵方法失效的漏失地層[8]。聚乙烯醇由單體乙烯醇聚合而成，單獨(dú)使用不具備堵漏能力，其必須與膠凝劑、纖維材料等混合制成混合物顆粒，該顆粒能夠在溫度71℃經(jīng)2h左右體積膨脹至原體積的2～4倍，且具有較高強(qiáng)度，因此混合物顆粒首先進(jìn)入漏失地層孔隙經(jīng)過(guò)地層高溫體積膨脹而封堵地層。

2　化學(xué)堵漏劑研發(fā)現(xiàn)狀

近年來(lái)，化學(xué)堵漏劑的研究熱點(diǎn)可以分為兩大類：聚合物凝膠類堵漏劑[9-13]和體膨類堵漏劑[14-18]。

聚合物凝膠類堵漏劑主要由兩類化學(xué)劑組成：成膠劑和交聯(lián)劑，目前，最常用成膠劑為聚丙烯酰胺、酚醛樹(shù)脂、高分子蛋白等，常用的交聯(lián)劑有Cr（Ⅲ）、酚醛、硼砂、有機(jī)鋯、有機(jī)硼等。一般情況下將成膠劑和交聯(lián)劑分別用清水配成溶液，其次將顆粒材料加入成膠劑溶液中隨后泵入井眼；交聯(lián)劑溶液隨后泵入井眼，兩種溶液在井底混合并在地層溫度的作用下迅速交聯(lián)，形成一種不具流動(dòng)性、富有彈性的凝膠。處于地層孔隙內(nèi)的凝膠將阻止流體流過(guò)，達(dá)到堵漏的效果。在渤海SZ-36-1井中應(yīng)用凝膠堵漏劑一次性堵漏成功[19]。交聯(lián)劑的選擇對(duì)凝膠的生成與破壞有著重要影響：有機(jī)金屬交聯(lián)劑可以使凝膠快速成型但是破膠困難；無(wú)機(jī)硼交聯(lián)劑耐溫性能差，極大限制其應(yīng)用。二十世紀(jì)90年代至今有機(jī)硼交聯(lián)劑的研究一直是熱點(diǎn)。

體膨型堵漏劑主要特點(diǎn)是堵漏劑在吸水之后會(huì)體積會(huì)發(fā)生膨脹，且仍具有較強(qiáng)的韌性和彈性，在壓力的作用下變形擠入地層孔隙并充填整個(gè)孔隙達(dá)到封堵地層的作用。體膨型堵漏劑較凝膠類堵漏劑具有幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：泵入摩阻小，能耗小；適用于大多數(shù)漏失地層包括大裂縫漏失。但是其也有幾點(diǎn)問(wèn)題需要突破：體積膨脹后堵漏材料的凝膠強(qiáng)度；堵漏劑的體積膨脹率；體膨型堵漏劑在高溫、高含鹽地層的穩(wěn)定性。

單獨(dú)使用化學(xué)堵漏劑堵漏具有諸多局限：不能有效封堵大裂縫地層、高含水地層、地層水高礦化度地層、溶洞溶孔性地層；凝膠堵漏劑自身強(qiáng)度有限，在高剪切力作用下有可能失去封堵能力等。有學(xué)者提出將剛性無(wú)機(jī)材料與聚合物凝膠堵漏劑混合使用[22]，其堵漏機(jī)理在于：聚合物支鏈上的功能基團(tuán)與剛性無(wú)機(jī)材料、地層巖石通過(guò)配位鍵連接，凝膠強(qiáng)度極大提升的同時(shí)抗剪強(qiáng)度也得到提升，使得剛性無(wú)機(jī)材料能夠承受更高壓差而不產(chǎn)生移動(dòng)。

3　化學(xué)堵漏劑的發(fā)展趨勢(shì)

化學(xué)堵漏劑經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，成型產(chǎn)品多種多樣，但是現(xiàn)在油田現(xiàn)場(chǎng)對(duì)堵漏劑的要求也越來(lái)越高。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。但是對(duì)于大型裂縫、溶洞或洞穴地層的漏失處理仍較困難，用于處理嚴(yán)重漏失的堵漏材料不多。有些化學(xué)藥劑更具有毒性，比如聚丙烯酰胺中沒(méi)有反應(yīng)完全的單體丙烯酰胺，在堵漏過(guò)程中有可能污染地下水源。另外當(dāng)漏失地層也是儲(chǔ)層時(shí)，不能完全堵死地層否則無(wú)法開(kāi)采油氣資源，則需要在封堵地層之后凝膠能夠高效率地破膠，以此恢復(fù)地層滲透率。日后化學(xué)堵漏劑的研發(fā)重點(diǎn)將集中在成膠劑和交聯(lián)劑的研發(fā)，并且需要解決3大問(wèn)題：（1）堵漏材料具有較強(qiáng)的變形能力，使其適應(yīng)不同類型的漏失；（2）堵漏材料進(jìn)入漏失地層吸水自身膨脹后仍具有較強(qiáng)韌性和彈性；（3）堵漏材料的各項(xiàng)性能要穩(wěn)定，受外界因素影響小，在各種鉆井液體系中都具有良好的封堵能力。

4　結(jié)論

化學(xué)堵漏劑經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，研發(fā)了多種堵漏劑，特別是聚合物凝膠、體膨型堵漏劑、選擇性封堵劑、聚合物與云母片、碎核桃殼、廢棄橡膠顆粒等組合的復(fù)合型堵漏劑，同時(shí)防漏技術(shù)的研發(fā)也同步進(jìn)行，比如超低濾失鉆井液，含有微泡的鉆井液等等。這些堵漏劑成功解決了許多井漏技術(shù)問(wèn)題。目前，堵漏材料仍不能有效處理特殊地層的井漏以及特殊情況下的井漏。往后堵漏防漏劑可以往加強(qiáng)提高地層承壓能力方向研發(fā)，各種堵漏防漏材料之間的復(fù)配協(xié)同作用研究，同時(shí)適應(yīng)高溫高壓及高含鹽地層等復(fù)雜情況的堵漏材料研究，能夠高效處理惡性漏失的防漏堵漏技術(shù)研究等等，這些都將是化學(xué)堵漏劑的發(fā)展方向，做到提高堵漏的成功率，做到堵漏劑適應(yīng)性好、經(jīng)濟(jì)適用、針對(duì)性強(qiáng)等。

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Application status of chemical plugging agent in leakage protection in petroleum drilling

NI Ya-fei，HUANG You-liang（College of Petroleum Engineering，Yangtze University，Wuhan 430100，China）

Oil is one of the world's most important fossil energy，which is called the blood of industry.It may occurs all the complicated downhole conditions during drilling，such as leakage.According to the statistics in the northeast of Sichuan，the time of preventing and dealing with lost circulation is wasted and makes up10%of the total drilling time.It seriously affected the safety drilling and the drilling speed，at the same time increased the cost of drilling.Chemical plugging agent can effectively leak stoppage and prevent to leak in the petroleum drilling.The paper presents the application effect of various chemical LCM in different regions and different oil fields.It will help that the leakage successfully is prevented.

petroleum；well leakage；chemical plugging agent

TE282

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20160860

2016-05-22

倪亞飛（1991-），男，在讀碩士研究生，從事巖石力學(xué)相關(guān)研究。

黃友亮（1991-），男，碩士研究生在讀，從事巖石力學(xué)相關(guān)研究。