左文貴， 朱 林， 吳兵良， 廖光明

(1.有色金屬成礦預(yù)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083; 2.有色資源與地質(zhì)災(zāi)害探查湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083; 3.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083; 4.湖南煤田地質(zhì)第一勘探隊(duì)，湖南 衡陽(yáng) 421000)

1 問(wèn)題的提出

廣東河源市長(zhǎng)翠村地處粵北九連山區(qū)，地形復(fù)雜，起伏較大。鉆孔區(qū)域地層多裂縫、溶洞發(fā)育。主要具有以下特征：灰?guī)r溶洞裂隙發(fā)育，泥漿漏失嚴(yán)重的井段厚度約500 m[1-4]，同時(shí)局部填充有大量的流砂，伴隨著干孔，無(wú)返液的情況，導(dǎo)致斷鉆、跑斜、卡鉆、夾鉆比較突出，堵漏工作非常困難；鉆孔孔深100 m處左右分布有灰?guī)r破碎帶，鉆進(jìn)難度大，鉆進(jìn)效率極其低下，取心困難，取心率難以得到保證，鉆孔孔壁掉塊現(xiàn)象特別嚴(yán)重，易造成卡鉆現(xiàn)象[5-8]。

從地層情況和鉆井施工過(guò)程中所遇到的問(wèn)題可以看出，長(zhǎng)期存在于鉆井工作中的井漏問(wèn)題，到目前仍沒(méi)有得到很好的解決。隨著國(guó)內(nèi)外專家多年來(lái)對(duì)堵漏新材料的不斷探索，以前單一的橋接堵漏材料已轉(zhuǎn)化成了復(fù)合的堵漏材料，如今已研制出了許多新型堵漏劑，在一定程度上使防漏堵漏的效率得到了很大提高。但是有時(shí)候僅僅使用這些堵漏材料仍存在一定的局限性，如在含水的異常高壓層使用水泥漿堵漏，則會(huì)出現(xiàn)漿液被地層流體稀釋，無(wú)法凝固而導(dǎo)致堵漏失敗的現(xiàn)象，但在水泥漿前先注入一段封隔的聚合凝膠，則能有效提高堵漏的成功率[9-10]。為此，凝膠也隨著其優(yōu)良的特性和表現(xiàn)，成為了近幾年國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的研究重點(diǎn)，并且在凝膠堵漏材料上取得了一定的進(jìn)展。如中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司研制出的WS-1凝膠，國(guó)外的Sweatman等人研制出的聚合物堵漏體系(CP)，Lecolier等人研制出的交聯(lián)聚合物橋塞堵漏劑(CACP)等，均在多口惡性漏失井中取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果，而這種效果是眾多新型堵漏材料所實(shí)現(xiàn)不了的。雖然凝膠用于處理井漏已取得了良好的效果，同時(shí)其相關(guān)堵漏機(jī)理的研究也有了一定進(jìn)展，但是在處理大裂縫、溶洞性漏失等問(wèn)題上還未解決。因此，我們針對(duì)大裂隙溶洞地層，對(duì)一種新型凝膠堵漏劑進(jìn)行了研究。

2 聚合物凝膠堵漏機(jī)理

2.1 聚合物成膠原理

當(dāng)聚合物分子溶于水后，聚合物分子的主鏈或側(cè)鏈可通過(guò)化學(xué)鍵與高價(jià)金屬離子相互連接，形成一種可包裹自由水的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即形成凝膠體。而凝膠體的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常具有很高的粘彈性，這種網(wǎng)絡(luò)的大小主要取決于高分子鏈之間以化學(xué)鍵交聯(lián)的數(shù)量[11-12]。當(dāng)聚合物的交聯(lián)程度足夠高時(shí)，發(fā)生交聯(lián)的鏈段就會(huì)阻止鏈和鏈之間的移動(dòng)，鏈段僅能在一個(gè)平面伸直，但是當(dāng)外力消失后，鏈段可以恢復(fù)至原來(lái)位置[13-14]。

2.2 凝膠堵漏原理

根據(jù)鉆井現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況(漏速、漏層深度等)來(lái)控制凝膠的成膠時(shí)間，使凝膠在完成成膠前以液體或者高粘稠流體進(jìn)入漏失通道，并盡可能的多覆蓋所有漏失井段，由于凝膠本身以液態(tài)形式出現(xiàn)，所以不論漏失通道的形狀如何，凝膠都可以順利的進(jìn)入。停泵后，凝膠停滯在井筒和漏失通道中，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸成膠，此時(shí)，凝膠與漏失通道壁面之間可以產(chǎn)生較大的粘滯阻力，隨著凝膠的逐步成膠，粘滯阻力逐步增加，產(chǎn)生壓差漏速逐漸減小，當(dāng)凝膠完全成膠后，形成的強(qiáng)度足以抵抗井筒與漏層之間的壓差時(shí)，堵漏便成功。由于凝膠成膠后具有憎水的特性，其完全成膠后形成的塊體很難被水稀釋，也很難被孔內(nèi)氣體所破壞，而且在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還有很好的推水和推氣作用。因此，凝膠堵漏尤其適用于常規(guī)堵漏材料難以封堵的鉆孔漏失[15-17]。

3 堵漏凝膠的開(kāi)發(fā)

3.1 聚合物和交聯(lián)劑的篩選

成膠時(shí)間和強(qiáng)度是凝膠堵漏的關(guān)鍵技術(shù)，成膠時(shí)間短，則很難泵入地層，應(yīng)該找到一種適合的投送方法；成膠時(shí)間太長(zhǎng)，一方面會(huì)導(dǎo)致因堵漏耽誤時(shí)間太多，另一方面也會(huì)由于成膠時(shí)間長(zhǎng)而導(dǎo)致成膠強(qiáng)度比較低，不利于堵漏，或者堵漏成功率低，所以選擇聚合物或交聯(lián)劑一定要保證凝膠應(yīng)有一定的成膠強(qiáng)度[18-19]。聚合物種類比較多，但不一定都能成為凝膠，有的聚合物成膠后強(qiáng)度過(guò)低，使得堵漏成功率降低，而且有時(shí)還很難找到合適的交聯(lián)劑。因此，如何選擇聚合物和交聯(lián)劑顯得尤為重要。通過(guò)對(duì)堵漏劑相關(guān)技術(shù)的調(diào)研，同時(shí)對(duì)不同聚合物和凝膠劑成膠情況進(jìn)行研究，根據(jù)成膠強(qiáng)度選出4種聚合物體系進(jìn)行對(duì)比分析。成膠效果如表1所示。

表1 不同聚合物與交聯(lián)劑成膠情況

通過(guò)試驗(yàn)了大量不同的聚合物和交聯(lián)劑。我們篩選的是目前市面上不曾出現(xiàn)的，能成膠并且具有較好成膠強(qiáng)度的凝膠體系，所以選擇了聚乙烯醇和硼砂交聯(lián)，聚合物采用聚乙烯醇，即PVA，交聯(lián)劑采用硼砂，開(kāi)展一系列相關(guān)的室內(nèi)試驗(yàn)。

3.2 聚合物凝膠體成膠試驗(yàn)

3.2.1 聚合物濃度加量試驗(yàn)

為研究聚合物凝膠體系，對(duì)選定的聚合物和交聯(lián)劑，我們進(jìn)行了不同濃度的成膠試驗(yàn)，測(cè)得反應(yīng)體系的粘度。如表2所示。

表2 聚合物濃度對(duì)膠體粘度的影響

由圖1可以看出，當(dāng)聚合物的濃度增大時(shí)，反應(yīng)體系的表觀粘度也隨之增大，反應(yīng)體系中的聚合物與交聯(lián)劑充分反應(yīng)，所形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)密集程度越大，表觀粘度也隨之增大。但當(dāng)聚合物濃度達(dá)到一定值時(shí)，聚合物反應(yīng)體系充分反應(yīng)，成膠粘度已到穩(wěn)定狀態(tài)，甚至略有降低。

圖1 聚乙烯醇濃度對(duì)表觀粘度的影響

3.2.2 交聯(lián)劑加量試驗(yàn)

為了考察硼砂交聯(lián)劑的加量對(duì)反應(yīng)體系粘度的影響,不同交聯(lián)劑加量時(shí)，測(cè)定反應(yīng)體系的表觀粘度,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出當(dāng)聚合物濃度與溫度為某一常數(shù)時(shí)，聚合物膠體的表觀粘度隨著交聯(lián)劑的加入而增加，最后逐漸趨于平穩(wěn)，并略有降低，其相關(guān)的變化關(guān)系見(jiàn)圖2，粘度的增加是由于交聯(lián)劑與聚合物反應(yīng)的結(jié)果，當(dāng)交聯(lián)劑的添加量超過(guò)兩者反應(yīng)所需的量時(shí)，其表觀粘度不再繼續(xù)增大。交聯(lián)劑添加量較小時(shí)，聚合物中只有少量的與交聯(lián)劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，其形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較疏松，膠體的表觀粘度小，隨著交聯(lián)劑加入量增多，參與化學(xué)反應(yīng)的聚合物也逐漸的增多，從而生成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)膠體變得越來(lái)越密實(shí)，膠體的表觀粘度也隨之加大。后期聚合物凝膠體系所形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度過(guò)大，結(jié)構(gòu)致密，降水分子包裹起來(lái)，粘度變差。當(dāng)聚合物濃度與交聯(lián)劑濃度達(dá)到一定值時(shí)，兩者反應(yīng)達(dá)到平衡，聚合物體系充分反應(yīng)。

表3 交聯(lián)劑濃度對(duì)膠體粘度的影響

圖2 交聯(lián)劑濃度對(duì)表觀粘度的影響

3.3 配方優(yōu)選

凝膠堵漏劑的關(guān)鍵因素主要是將聚合物與交聯(lián)劑成膠時(shí)間控制在合理的范圍內(nèi)，即將成膠時(shí)間控制在1～3 h為最優(yōu)。由以上成膠試驗(yàn)可知，凝膠體系存在交聯(lián)劑的最佳用量值，通過(guò)對(duì)以下8個(gè)聚合物和凝膠劑配方成膠情況進(jìn)行研究分析，以確定最佳配方。(1)清水+2%PVA+1%硼砂；(2)清水+2%PVA+1%硼酸；(3)清水+2%PVA+1.5%硼砂；(4)清水+2.5%PVA+1%硼砂；(5)清水+3%PVA+2%硼砂；(6)清水+3%PVA+2%硼砂+0.75%六偏磷酸鈉(緩凝劑)；(7)清水+3%PVA+2%硼砂+0.75%六偏磷酸鈉(緩凝劑)+1%細(xì)木屑；(8)清水+3%PVA+2%硼砂+1%植物膠+1%細(xì)木屑(骨架材料)。

成膠效果如表4所示。

表4 凝膠成膠數(shù)據(jù)

配方(8)是為了探究另一種將凝膠堵漏材料送入漏失通道的方法，植物膠首先也能夠和硼砂交聯(lián)，形成具有一定粘彈性的水基凝膠，在這種水基凝膠中PVA又與硼砂交聯(lián)，形成一種復(fù)合凝膠體系，初期能夠在分散介質(zhì)中形成分散的小團(tuán)凝膠塊，這些復(fù)合的小凝膠團(tuán)能夠完全形成具有很大強(qiáng)度的整塊凝膠，但所需時(shí)間很長(zhǎng)，其原理與加入緩凝劑相似，水基凝膠可以隔離開(kāi)PVA凝膠與水，從而減緩其反應(yīng)速率。然而，其可以快速形成的分散小凝膠團(tuán)強(qiáng)度很高，且相互接觸時(shí)也會(huì)相互融合具備一定強(qiáng)度，所以設(shè)想將這種復(fù)合凝膠體系在分散小凝膠團(tuán)的情況下泵入漏失通道，使其小凝膠團(tuán)被擠壓填補(bǔ)裂縫與孔隙，減少成膠時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，成膠。

3.3.1 配方體系堵漏性能評(píng)價(jià)

本次堵漏性能測(cè)試中所使用的堵漏測(cè)試儀是根據(jù)高壓失水儀原理自制，模擬破碎地層條件下漏失的儀器。圖3為自制模擬堵漏測(cè)試儀，圖4為模擬破碎地層所用的砂石。

如圖5和圖6所示，前4種配方所形成的膠體雖具有一定的粘彈力，但是比較稀，手觸摸仍然會(huì)有液體粘滯感，說(shuō)明此配方交聯(lián)沒(méi)有完全將所有的分散介質(zhì)(水)包裹在凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，并且此時(shí)凝膠幾乎沒(méi)有強(qiáng)度，挑掛性弱，挑起后會(huì)由于自身重力而斷裂，因而不進(jìn)行進(jìn)一步堵漏承壓測(cè)試。

堵漏性能測(cè)試結(jié)果如表5所示。

凝膠材料完全封堵漏失通道如圖7，加入植物膠后效果如圖8。

圖3 模擬堵漏測(cè)試儀

圖4 模擬破碎地層所用砂石

圖5 凝膠成膠

圖6 凝膠成膠

配方測(cè) 試 結(jié) 果(5)加壓至3.5 MPa,未漏失,堵漏成功,由于3.5 MPa已到達(dá)儀器承壓極限,故無(wú)法測(cè)試凝膠堵漏材料突破壓力(6)加壓至3.5 MPa,未漏失,堵漏成功,可見(jiàn)加入緩凝劑在設(shè)計(jì)承壓范圍內(nèi)對(duì)凝膠體系承壓能力無(wú)影響(7)加壓至3.5 MPa,未漏失,堵漏成功,但由于設(shè)備限制,無(wú)法測(cè)試突破壓力,無(wú)法測(cè)出加入骨架材料后凝膠堵漏材料的承壓能力有所提升(8)放入凝膠堵漏材料后,加入1000 mL水,不加壓漏出220 mL,這是由于此時(shí)凝膠體系是分散的小凝膠團(tuán),還未能完全進(jìn)入裂縫與孔隙中,加壓初期又有160 mL漏失,原因也是由于凝膠堵漏材料還未能完全進(jìn)入裂縫與孔隙中封堵漏失通道,加壓穩(wěn)定至3.5 MPa后無(wú)漏失,堵漏成功

圖7 凝膠堵漏效果圖

3.3.2 破膠性能測(cè)試

將配方(8)(清水+3%PVA+2%硼砂+1%植物膠)配置的凝膠取4 g，2 g加入40 mL基漿(鈉土+純堿)，2 g加入40 mL清水中浸泡。

圖8 加入植物膠堵漏效果

浸泡1 h，水中凝膠約有50%被溶解，基漿中凝膠吸水膨脹，攪拌后變?yōu)槎垢鼧印Ｕf(shuō)明破膠性能良好，不會(huì)卡住鉆具，影響鉆井，而隨鉆井往下鉆，鉆井液只會(huì)溶脹表層凝膠，不會(huì)侵入漏失通道溶脹堵漏材料，而在1 h內(nèi)溶解的凝膠約為50%，說(shuō)明也可在含有一定地下水的地層使用，但是不能用于含大量地下水且有強(qiáng)地下水流時(shí)使用。

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，綜合成膠時(shí)間(1～3 h最佳)，承壓能力(大于3 MPa)，破膠性能(凝膠加入鉆井液后易破膠)，并結(jié)合鉆孔區(qū)域地層常遇灰?guī)r，地層壓力較大，在封堵較大的裂縫，需要較大承壓能力的堵漏劑等各方面條件，因此確定最佳應(yīng)用配方為3%PVA+2%硼砂+1%植物膠+1%細(xì)木屑。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用分析

根據(jù)研制的新型聚合物凝膠堵漏劑，針對(duì)鉆井漏失井段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)堵漏試驗(yàn)，通過(guò)與復(fù)合堵漏劑的配合使用，成功完成了漏失層的封堵。

通過(guò)觀測(cè)鉆井液的流速來(lái)看，采用新型PVA堵漏劑堵漏之后，整個(gè)鉆井過(guò)程中未見(jiàn)有大的流失，只有一些小漏失：漏失速度在5～15 m3/h，因此再采取靜止堵漏方式隨鉆堵漏。堵漏漿配方:一定量井漿+3%膨潤(rùn)土+3%～8%復(fù)合型堵漏劑+3%單向封閉劑，調(diào)整粘切提鉆至漏失層位，用小排量將堵漏漿泵入至漏失層位后，提鉆至漏失層位頂部，靜止堵漏4～6 h(堵漏期間必須保持井內(nèi)灌滿鉆井液)，再在漏層頂部循環(huán)30 min，不漏則恢復(fù)鉆井。

所研制的凝膠堵漏劑配合復(fù)合堵漏劑使用可以提高堵漏成功率，凝膠可以把地層水和水泥漿分開(kāi)，并起到一定的保護(hù)作用，實(shí)現(xiàn)平衡堵漏，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，所研制的聚合物凝膠堵漏劑對(duì)大裂隙、溶洞地層漏失等緊急情況具有較好的堵漏效果。