解思維，唐國(guó)旺，王貴和

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

0 引言

鉆井中經(jīng)常遇到各種復(fù)雜問(wèn)題，如井噴、卡鉆、井漏和掉塊，給鉆井帶來(lái)了諸多問(wèn)題［1-7］。其中井漏問(wèn)題體現(xiàn)的尤為突出，不僅增加了鉆井成本，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致整口井的報(bào)廢，帶來(lái)的損失巨大［8-13］。水泥作為一種工業(yè)材料，被廣泛地應(yīng)用到鉆井堵漏中，其效果也是十分顯著。由于水泥高效廉價(jià)，受到了相關(guān)研究人員的青睞，然而，水泥原材料不僅在開(kāi)采的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生巨大的環(huán)境污染，而且在生產(chǎn)過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生大量的溫室氣體；因此，尋找可以部分替代水泥的新材料降低水泥的消耗顯得至關(guān)重要。

膨潤(rùn)土是一種層狀鋁硅酸鹽，具有良好的離子交換性、黏結(jié)性以及吸水性。將其摻入水泥中，可以改善水泥的抗?jié)B性能，提高水泥在施工過(guò)程中的流動(dòng)性，同時(shí)縮短凝固時(shí)間，在國(guó)內(nèi)外防滲工程中被廣泛應(yīng)用。但研究發(fā)現(xiàn)，隨著膨潤(rùn)土的摻入，水泥試件的抗壓強(qiáng)度有所下降。因此，尋找一種合適的工藝方法對(duì)提高改性水泥的力學(xué)性能具有重要意義。生物水泥是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種基于生物礦化的微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀新技術(shù)，廣泛用于提高水泥的力學(xué)性能［14］。該技術(shù)不僅可以改善水泥的力學(xué)性能，同時(shí)還可以減少二氧化碳的排放。生物水泥已經(jīng)發(fā)展為一種可持續(xù)的新材料。

本文通過(guò)將微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)應(yīng)用到膨潤(rùn)土改性水泥中，研究了微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀對(duì)膨潤(rùn)土改性水泥的作用效果。除了研究菌懸液?jiǎn)为?dú)作用時(shí)對(duì)膨潤(rùn)土改性水泥的增強(qiáng)效果外，本文還研究了菌懸液和膠結(jié)液同時(shí)存在時(shí)的作用效果。室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)隨著膨潤(rùn)土的增加，膨潤(rùn)土改性水泥的抗壓強(qiáng)度顯著降低。本研究希望通過(guò)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀提高膨潤(rùn)土改性水泥的強(qiáng)度，彌補(bǔ)膨潤(rùn)土加入時(shí)對(duì)水泥強(qiáng)度的降低，以有效地降低水泥的加量，減少生產(chǎn)水泥產(chǎn)生的二氧化碳污染。同時(shí)，通過(guò)SEM-EDS研究了微生物誘導(dǎo)碳酸鈣在膨潤(rùn)土改性水泥中的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 微生物的培養(yǎng)與配制

本實(shí)驗(yàn)中巴氏芽孢桿菌（ATCC11859）被用來(lái)研制生物水泥。選擇該細(xì)菌是因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生脲酶，并具有結(jié)晶碳酸鈣的能力。首先，在1 L的去離子水中加入酪蛋白（15 g/L），大豆蛋白（5 g/L），氯化鈉（5 g/L）和尿素（20 g/L）來(lái)制備細(xì)菌培養(yǎng)基，調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的pH值為7.3；然后，將培養(yǎng)基在121℃下滅菌并冷卻至室溫后接種細(xì)菌，接種細(xì)菌后的培養(yǎng)基在30℃的恒溫振蕩箱中以120 r/min的轉(zhuǎn)速培養(yǎng)48 h；最后，通過(guò)離心機(jī)分離細(xì)菌和培養(yǎng)基，分離后的細(xì)菌懸浮在1 L去離子水中，菌懸液被釋至 OD600=0.5，1.0，1.5，2.0，備用。

1.2 材料

所用膨潤(rùn)土平均粒徑為13.89 μm，水泥符合IS 12269—1987《53級(jí)普通硅酸鹽水泥規(guī)范》，平均粒徑為 17.04 μm。

1.3 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

研究膨潤(rùn)土改性水泥的抗壓強(qiáng)度所使用的材料為離子水、菌懸液和膠結(jié)液。膠結(jié)液（0.5 mol/L）由1 mol/L氯化鈣溶液和1 mol/L尿素溶液混合組成，液體與固體的比例為1.5∶1.0（質(zhì)量比）。675 mL膠結(jié)液和225 mL菌懸液作為水溶液進(jìn)行膨潤(rùn)土改性水泥固化實(shí)驗(yàn)，菌濃度分別為OD600=0.5，1.0，1.5，2.0。采用去離子水替換膠結(jié)液來(lái)進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)675 mL膠結(jié)液和225 mL菌懸液（OD600=1.0）作為水溶液，膨潤(rùn)土替換水泥的比例分別為10%，20%，30%，40%，50%時(shí)，進(jìn)行膨潤(rùn)土改性水泥的固化實(shí)驗(yàn)。去離子水替換膠結(jié)液和菌懸液來(lái)進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)IS 4031—1988《水凝水泥的物理試驗(yàn)方法》，使用邊長(zhǎng)70.6 mm立方體模具。脫模后，將所有樣品放置在25℃的養(yǎng)護(hù)箱中，3，7，28 d后分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的測(cè)試。

1.4 能譜儀與掃描電鏡

能譜儀（EDS）用來(lái)對(duì)材料微區(qū)成分元素種類(lèi)與含量進(jìn)行分析，配合掃描電鏡使用。本實(shí)驗(yàn)中使用的是HORIBA7593-H型號(hào)的能譜儀。掃描電鏡（SEM）是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察手段，可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性質(zhì)、性能進(jìn)行微觀成像。將收集的水泥樣品噴涂在物鏡桌上，通過(guò)掃描電鏡觀察水泥樣品的形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)，使用25 kV的加速電壓進(jìn)行掃描。將材料置于能譜儀中，分析其化學(xué)組成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 膨潤(rùn)土改性水泥抗壓強(qiáng)度的影響條件

2.1.1 無(wú)膠結(jié)液時(shí)的菌濃度

如圖1所示，20%膨潤(rùn)土改性水泥養(yǎng)護(hù)3 d時(shí)，加入菌懸液對(duì)抗壓強(qiáng)度有顯著的提升，但是沒(méi)有明顯的線性關(guān)系。當(dāng)膨潤(rùn)土改性水泥養(yǎng)護(hù)7 d和28 d，菌濃度為OD600=1.0時(shí)，膨潤(rùn)土改性水泥的抗壓強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后分別提高了35%和39%。在其他菌懸液濃度下，膨潤(rùn)土改性水泥的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有顯著提高。由上述結(jié)果可知，在細(xì)菌單獨(dú)存在時(shí)也可以提高膨潤(rùn)土改性水泥的抗壓強(qiáng)度。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的主要原因可能是蒙脫土和水泥中含有一定量的氧化鈣，溶入水中形成鈣離子，同時(shí)空氣中的二氧化碳溶入水中易形成碳酸根；在細(xì)菌的作用下形成了少量的碳酸鈣。導(dǎo)致了膨潤(rùn)土改性水泥強(qiáng)度的增加。然而，隨著菌懸液濃度的進(jìn)一步升高，膨潤(rùn)土改性水泥的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有持續(xù)增加，這可能是因?yàn)檫^(guò)多的細(xì)菌作為核點(diǎn)，無(wú)法形成較大的碳酸鈣導(dǎo)致的。

圖1 抗壓強(qiáng)度與菌濃度的關(guān)系

2.1.2 膠結(jié)液濃度0.5 mol/L時(shí)的菌濃度

如圖2所示，當(dāng)菌懸液和膠結(jié)液的混合液作為水溶液時(shí)，20%膨潤(rùn)土改性水泥養(yǎng)護(hù)3 d時(shí)，試塊的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有顯著的提升。膨潤(rùn)土改性水泥養(yǎng)護(hù)7 d和28 d，菌懸液 OD600值為 1.0，1.5，2.0 時(shí)，膨潤(rùn)土改性水泥的抗壓強(qiáng)度分別提高了46%，42%，61%和57%，59%，67%；菌懸液OD600值為0.5時(shí)，膨潤(rùn)土改性水泥的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有顯著提高。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，菌懸液和膠結(jié)液的混合液作為水溶液時(shí)，膨潤(rùn)土改性水泥的抗壓強(qiáng)度得到了顯著的提高。并且，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越久，提升的效果越顯著。養(yǎng)護(hù)3 d時(shí)膨潤(rùn)土改性水泥的抗壓強(qiáng)度沒(méi)有顯著提高，主要原因是微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀封堵住了水泥中的空隙，導(dǎo)致水泥里面含有大量的水分，養(yǎng)護(hù)7 d和28 d時(shí)，水分和水泥進(jìn)一步水化分散，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀進(jìn)一步生成，使得抗壓強(qiáng)度的得到顯著提升。

圖2 抗壓強(qiáng)度與膠結(jié)液和菌濃度的關(guān)系

2.1.3 膨潤(rùn)土加量

在不同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，隨著膨潤(rùn)土的增加，膨潤(rùn)土改性水泥試塊抗壓強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)膨潤(rùn)土加量為20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降最顯著（見(jiàn)圖3）。當(dāng)菌懸液和膠結(jié)液作為水溶液時(shí)，水泥立方塊的抗壓強(qiáng)度相對(duì)于對(duì)照樣品（去離子水作為水溶液）有了顯著的提高（見(jiàn)圖4）。

圖3 去離子水作水溶液時(shí)，抗壓強(qiáng)度與膨潤(rùn)土加量的關(guān)系

圖4 菌懸液和膠結(jié)液作水溶液時(shí)，抗壓強(qiáng)度與膨潤(rùn)土加量的關(guān)系

由相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算得出：不加膨潤(rùn)土，水泥試塊養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后，抗壓強(qiáng)度分別提高了15%和12%；加10%膨潤(rùn)土，水泥試塊養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后，抗壓強(qiáng)度分別提高了9%和6%；加20%膨潤(rùn)土，水泥試塊養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后，抗壓強(qiáng)度分別提高了約76%和74%；加30%膨潤(rùn)土，水泥試塊養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后，抗壓強(qiáng)度分別提高了100%和54%；加40%膨潤(rùn)土，水泥試塊養(yǎng)護(hù)7 d和28 d后，水泥試塊的抗壓強(qiáng)度分別提高了62%和26%。通過(guò)上述數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)雖然微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀可以提高膨潤(rùn)土改性水泥的抗壓強(qiáng)度，但是過(guò)多的引入膨潤(rùn)土?xí)?yán)重降低水泥的強(qiáng)度，因此建議采用合適的配比進(jìn)行使用。

2.2 生物礦化水泥的SEM-EDS分析

膨潤(rùn)土改性水泥的EDS分析表明，去離子水作為水溶液時(shí)，膨潤(rùn)土改性的水泥中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)C元素（見(jiàn)圖5a），這表明沒(méi)有或只有少量的碳酸鈣產(chǎn)生。在膨潤(rùn)土改性水泥中以菌懸液和膠結(jié)液作為水溶液時(shí)，明顯有C元素存在（見(jiàn)圖5b），證明水泥中有微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀，可顯著提高膨潤(rùn)土改性水泥的強(qiáng)度。

為了研究微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的作用機(jī)理，將養(yǎng)護(hù)28 d的沒(méi)有經(jīng)過(guò)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀作用的膨潤(rùn)土改性水泥樣品（見(jiàn)圖5c）和經(jīng)過(guò)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀作用的膨潤(rùn)土改性水泥樣品（見(jiàn)圖5d）進(jìn)行SEM分析。SEM照片顯示，經(jīng)過(guò)微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀作用處理過(guò)的膨潤(rùn)土改性水泥的水化膜出現(xiàn)了明顯的破裂。前人研究認(rèn)為水化膜的破裂可以導(dǎo)致膨潤(rùn)土改性水泥的孔隙度顯著降低，進(jìn)而提高膨潤(rùn)土改性水泥的抗壓強(qiáng)度。因此，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀在增強(qiáng)膨潤(rùn)土改性水泥的強(qiáng)度方面起著重要作用。

圖5 膨潤(rùn)土改性水泥的SEM-EDS分析

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 JPH-399井漏基本情況

JPH-399井完鉆井深為3 335 m，目的層是盒3段，造斜點(diǎn)位于2 672 m，側(cè)鉆點(diǎn)位于2 745 m，劉家溝組井段地層位置是2 476～2 654 m。在通井短起下鉆到井底循環(huán)2 h后發(fā)生井漏，循環(huán)井深為3 335 m，排量為30 L/s，初始漏速為3 m3/h，后期鉆井液逐漸失返。于是起鉆進(jìn)行堵漏，前期堵漏施工共計(jì)使用水泥堵漏2次，常規(guī)堵漏5次，共耗時(shí)12.64 d。綜合考慮水泥堵漏對(duì)鉆井液性能影響較大，上下地層液柱壓力不能進(jìn)行有效的傳遞，導(dǎo)致下部地層泥巖失穩(wěn)等問(wèn)題，同時(shí)，考慮常規(guī)堵漏易出現(xiàn)反復(fù)漏失的情況，決定使用生物水泥堵漏技術(shù)。

3.2 生物水泥堵漏施工程序

根據(jù)前期堵漏施工經(jīng)驗(yàn)，將光鉆桿下鉆到2 100，2 450，2 550 m循環(huán)鉆井液，排量控制在18～25 L/s，測(cè)得漏速為 6～12 m3/h。

開(kāi)始進(jìn)行堵漏程序：1）將鉆桿水眼放置到2 550 m處。2）將鉆井液進(jìn)行一個(gè)周期的循環(huán)，然后注入10 m3膨潤(rùn)土漿。目的是沖洗井壁上前期殘留的堵漏材料，同時(shí)將生物水泥與井內(nèi)鉆井液分隔開(kāi)。3）在膨潤(rùn)土漿后緊接著注入19 m3的生物水泥，然后再注入5 m3膨潤(rùn)土漿，最后注入 5 m3重漿（密度 1.3 g/cm3），重漿的主要作用是控制井筒壓力平衡，防止噴漿。4）使用井筒內(nèi)的鉆井液進(jìn)行替漿，替漿量為10.6 m3，目的是將生物水泥頂至環(huán)空2 100～2 550 m處，使內(nèi)外環(huán)空生物水泥的液面達(dá)到同一高度。5）候凝24 h后，開(kāi)始組合常規(guī)鉆具下鉆掃生物水泥塞。

3.3 掃生物水泥塞情況

分段循環(huán)下鉆至2 320 m處，鉆頭遇阻，接方鉆桿、開(kāi)泵、下放單根，確定塞面在2 320 m處，與前期預(yù)測(cè)時(shí)的理論塞面相吻合。

掃塞到2 540 m后，在未開(kāi)泵的情況下繼續(xù)下鉆，鉆桿顯示無(wú)壓力。初步判斷井內(nèi)生物水泥已掃塞完成。在2 570 m處循環(huán)1周后下鉆至3 057 m砂巖處循環(huán)鉆井液，排量逐步提高至30 L/s，循環(huán)3 h不漏。對(duì)比水泥堵漏，生物水泥中引入膨潤(rùn)土，具有較好的滯留性。生物成礦的引入增加了水泥的強(qiáng)度，抵消了因?yàn)榕驖?rùn)土引入損失的抗壓強(qiáng)度。

4 結(jié)論

1）本研究證明生物礦化對(duì)膨潤(rùn)土改性水泥抗壓強(qiáng)度具有顯著影響。當(dāng)膨潤(rùn)土加入的比例小于40%時(shí)，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀可以使膨潤(rùn)土改性水泥的強(qiáng)度顯著提高。推薦膨潤(rùn)土加量為10%～20%，過(guò)多的膨潤(rùn)土，會(huì)導(dǎo)致水泥強(qiáng)度顯著降低。

2）SEM-EDS分析很好地確認(rèn)了碳酸鈣的存在，表明微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀在增強(qiáng)膨潤(rùn)土改性水泥的強(qiáng)度方面起著重要作用。同時(shí)在微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的作用下，水泥的水化膜出現(xiàn)了明顯的裂痕，也是水泥強(qiáng)度提高的一個(gè)重要因素。若將這種經(jīng)微生物處理過(guò)后的材料用于防滲工程，相比于化學(xué)灌漿材料，它不產(chǎn)生任何污染物，具有環(huán)境友好性。

3）水泥中加入膨潤(rùn)土，不僅降低了水泥的用量；同時(shí)提高了水泥的滯留性，有利于提高堵漏成功的概率。雖然有一定的強(qiáng)度損失，但是生物成礦的引入，提升了水泥的抗壓強(qiáng)度。生物水泥現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用非常成功，水泥加量的降低具有環(huán)保意義。