交聯聚合物堵漏劑室內性能研究

黃春雨，歐陽偉，劉向君，陳俊斌

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都 610500；2.川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院，四川廣漢 618300）

井漏是鉆井工程中常見的復雜問題之一，它不僅影響鉆井速度，還會造成巨大的經濟損失[1]。長期以來，工程作業中所采用的堵漏方法主要是惰性材料橋接堵漏和水泥漿材料堵漏。實踐表明，這兩種材料至少存在兩方面的局限性：一是自身的變形性較差，在堵漏作業過程中，一旦與漏層裂縫孔隙尺寸不匹配就很難深入漏層，只在漏層表面堆積，形成“封口”現象；二是膨脹性差或不具有膨脹性，在外力的作用下難以形成穩定的封堵層。由于上述兩種原因，在使用常規方法堵漏作業過程中，往往容易出現堵漏效果不佳和重復性漏失的情況[2]。

針對上述情況，國內開發出一種新型的交聯聚合物堵漏劑GWS-1。與傳統堵漏材料相比，其優越性在于，第一，堵漏材料具有較好的可變形性，對于不同開口尺寸的漏失通道具有良好的適應性；第二，堵漏材料具有很強的吸水膨脹性，進入漏層中可以起到擴張填充和擠緊壓實的雙重作用；第三，堵漏材料抗污染性強，受鉆井液影響較小，與各種水基鉆井液配伍性好。鑒于目前對該堵漏劑性能的相關研究較少的情況，本文對這種發展前景良好的堵漏劑GWS-1 進行了室內研究，分別評價了其在不同基液中的吸水膨脹性能、耐溫抗鹽性能、與水基鉆井液配伍性能以及對不同寬度裂縫漏失通道的封堵性能。

1 室內性能評價實驗

1.1 吸水膨脹性能評價

評價吸水膨脹性能的指標主要有體積膨脹倍數、質量膨脹倍數、吸水膨脹速率等[3]。基于簡單、方便的原則，本次實驗采用直接測量體積變化的方法，用量筒精確量取一定體積的基液V0，稱取一定質量的干燥堵漏劑顆粒加入量筒中，立即讀取量筒內實際刻度V1，則堵漏劑顆粒本身體積為VM（VM=V1-V0），在恒定溫度下吸水膨脹一段時間或達至吸水平衡后，小心倒出量筒內剩余基液，直至量筒內基液不再滴落為止，重新量取體積為V0的基液倒入量筒中，讀取量筒中基液實際刻度值V2，則堵漏劑顆粒吸水膨脹后的體積VN（VN=V2-V0）。堵漏劑顆粒前后兩個體積之比即為其在一段時間內的體積膨脹倍數。

實驗分別采用了清水、5 %的膨潤土漿和聚磺鉆井液作為基液對GWS-1 的常溫膨脹性能進行了評價。結果表明，該堵漏劑在幾種不同基液中體積膨脹倍數基本一致，常溫下都在5～6 倍。說明該堵漏劑受體系類型影響較小，具有廣泛的適用性。

表1 GWS-1 在不同基液中的膨脹倍數

圖1 GWS-1 在不同時間段吸水膨脹變化情況

1.2 耐溫抗鹽性能評價

聚合物堵漏劑在進入漏層后可能會受到漏層溫度、地層水高礦化度的影響，從而降低其堵漏效果。該實驗的目的在于評價不同溫度和不同鹽、鈣污染下堵漏劑GWS-1 的吸水膨脹性能，仍然采用上述體積膨脹倍數測定方法。實驗結果（見圖2～圖4），從圖2 可以看出，隨著溫度的增加，體積膨脹倍數逐漸增大。由圖3、圖4 可知，鹽水礦化度對其膨脹性能沒有明顯影響。這是由于GWS-1 在分子鏈中引入耐溫抗鹽基團和化學偶聯劑，將高分子與耐溫材料連接成一體，從而使其在高溫高鹽條件下具有很好的強度、韌性及熱穩定性。

圖2 不同溫度下GWS-1 的膨脹倍數

圖3 不同NaCl 濃度對膨脹倍數的影響

圖4 不同CaCl2 濃度對膨脹倍數的影響

1.3 與水基鉆井液配伍性能評價

在鉆井堵漏施工過程中，堵漏劑與鉆井液是否配伍，成為其能否成功應用的一個關鍵[4]。因此，對GWS-1 與水基鉆井液的配伍性進行了室內實驗，測試了不同加量的堵漏劑在老化前后對水基鉆井液的粘度、切力以及濾失量的影響。同樣，實驗前向基漿中加入不同比例的堵漏劑GWS-1，常溫下低速攪拌后養護2 h，使其充分吸水膨脹。實驗結果（見表2）。

從表2 的實驗數據可以看出，堵漏劑的加入對水基鉆井液體系的性能影響較小，說明該堵漏劑與水基鉆井液配伍性良好。隨著堵漏劑加量的增加，體系粘度基本不變，切力略有提高，失水量減少，有利于增強堵漏效果，滿足鉆井作業的要求。

1.4 封堵性能評價

利用DL 型堵漏評價裝置進行模擬堵漏實驗[5，6]。按照橋堵材料的實驗方法，實驗前配制好1 000 mL 基漿，分別加入堵漏材料，常溫下低速攪拌后養護2 h，然后將堵漏漿倒入DL 堵漏實驗裝置進行實驗，逐步加壓，觀察并記錄其漏失情況，直至全部漏失或者承壓達到4 MPa 以上為止，由此來確定堵漏劑加量和堵漏漿配方。實驗結果（見表3 及圖5、圖6）。

從表3 中1#～3#實驗數據可以看出，隨著堵漏劑加量的增加，承壓能力明顯提高，漏失量明顯減少，說明GWS-1 具有良好的堵漏效果，GWS-1 的適宜加量為5 %。4#配方中加入常規橋接堵漏材料和超細碳酸鈣與GWS-1 復配，可進一步提高GWS-1 的承壓堵漏能力，這是由于橋堵材料的架橋拉筋作用有利于形成更為堅實的封堵層，超細碳酸鈣表面活性強，能與活性纖維和聚合物分子鏈串產生強烈的親和吸附作用和聚結作用，從而加快堵漏材料聚集速度和提高承壓強度。

表2 聚合物加量對鉆井液體系性能的影響

表3 GWS-1 及其復配其它材料對不同寬度裂縫的封堵效果

圖5 3#配方對2 mm 裂縫封堵情況

圖6 4#配方對3 mm 裂縫封堵情況

2 GWS-1的堵漏機理分析

交聯聚合物堵漏劑GWS-1 的堵漏機理主要可以歸納為以下三個方面：（1）架橋堵塞作用[7]。交聯聚合物具有一定的粒徑分布，粒徑級范圍廣泛，對孔隙裂縫有很強的適應性，在漏失地層中能起到良好的架橋堵塞作用；（2）膨脹壓實作用。GWS-1 是一種吸水膨脹性很強的交聯聚合物，其吸水膨脹后聚合物顆粒具有很高的彈性和韌性，能夠在外力的作用下變形擠入架橋骨架形成的較小孔隙內，進一步壓實充填，增強堵漏效果；（3）膠結吸附作用。吸水膨脹后的聚合物具有一定粘性，能粘接在漏失通道中，并且GWS-1 中含有非離子機團、陽離子機團，它們可以通過氫鍵和靜電作用與地層巖石表面產生吸附作用，從而提高封堵層的穩定性。

3 結論與認識

（1）該堵漏劑在不同基液中體積膨脹倍數基本一致，常溫下都在5～6 倍，膨脹倍數高，受體系類型影響較小，具有廣泛的適用性。

（2）隨著溫度升高，GWS-1 的吸水膨脹倍數相對增加；鹽、鈣污染對其吸水膨脹性能沒有明顯影響，說明其耐溫抗鹽性能好，可用于深井超深井堵漏。

（3）交聯聚合物堵漏劑GWS-1 與水基鉆井液配伍性良好，有利于增強堵漏效果，滿足鉆井作業的要求。

（4）對GWS-1 的模擬堵漏實驗結果表明，其能在3 mm 寬度的裂縫中形成膠結強度高、韌性好、有效期長的封堵層，并且承壓能力達到4 MPa 以上，適用于各種條件下大小裂縫的封堵。

4 問題與建議

（1）該交聯聚合物堵漏劑吸水膨脹速度較快，建議選用適當的親油疏水物質對聚合物分子表面進行化學改性，使其具有延遲膨脹的特征，從而保證足夠的施工時間；（2）室內模擬實驗和真實漏層有一定差異，建議進一步加強現場應用方面的研究。

［1］ 羅興樹，蒲曉林，黃巖，等.堵漏型聚合物凝膠材料研究與評價［J］.鉆井液與完井液，2006，23（2）：28-32.

［2］ 張歧安，徐先國，董維，等.延遲膨脹顆粒堵漏劑的研究與應用［J］.鉆井液與完井液，2006，23（2）：21-24.

［3］ 賈佳，郭建華，趙雄虎，等.聚合物凝膠堵漏劑在鹽水中吸水膨脹性能評價［J］.精細石油化工進展，2012，13（4）：16-17.

［4］ 張凡，許明標，劉衛紅，等.一種油基膨脹封堵劑的合成及其性能評價［J］.長江大學學報（自然科學版），2010，7（3）：507-509.

［5］ 王睿，馬光長，曾婷.復合化學凝膠堵漏技術在四川地區的應用［J］.鉆采工藝，2009，32（1）：92-94+97.

［6］ 苗娟.可控膨脹堵漏劑的研制與性能研究［D］.四川：西南石油大學，2010，4.

［7］ 王正良，周玲革，胡三清.JPD 吸水膨脹型聚合物堵漏劑的研究［J］.石油鉆探技術，2004，32（1）：32-34.