穩定井壁封堵材料分類的研究進展*

鄭力會 吳通 陶秀娟，2 閆振峰 羅江偉 甘茂宗

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

0 引 言

井壁穩定是油氣井安全鉆井的必要條件，且已經成為掣肘深井、超深井及海上鉆井的主要問題。井壁失穩從廣義上講，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。

一般認為，井壁失穩由地質因素和工程因素兩方面導致。地質因素可分為原地應力、巖石強度等地質力學因素，以及巖性、結構、溫度和產狀等地層因素兩類。工程因素是由于鉆井流體性能配伍性、起下鉆作業不規范和鉆井機械擾動等所致。目前控制井壁穩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裝備，通過優化井身結構、調整井眼軌跡精準化控壓鉆井實現井壁穩定。因此，通過提高鉆井流體抑制性、降低鉆井流體活度及增強鉆井流體封堵性能等應對井壁失穩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省時間、減少成本及簡化工序[1]。

穩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或制造封堵體系的物質，如用于石油鉆井的封堵材料包括套管、封隔器等機械材料，以及滯留在封堵體表面或進入漏層的非機械材料。狹義上講，封堵材料僅指非機械材料。依據材料的形狀不同，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。依據材料的應用范疇不同，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。依據材料的力學硬度差異，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。依據材料的作用機制不同，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。可以看出，現有材料的分類依據多樣，不同分類之間既各成體系，又難免交叉，由此導致封堵后穩定井壁評價方法各異，不同材料封堵穩定井壁的能力缺乏統一的評價標準。同時，隨著新材料研發的不斷深入，新型穩定井壁封堵材料不斷涌現，現有的分類不能或只能部分囊括新材料的歸屬，不利于室內材料研發人員根據材料的作用原理和封堵機制制定針對性的評價方法，不利于新材料應用和推廣。

針對當前穩定井壁封堵材料分類現狀，為進一步解決現有封堵材料類型劃分存在交叉、重疊的問題，本文在總結前人對封堵材料分類的基礎上，提出以封堵結構形成時的作用原理為劃分依據，即以是否發生化學反應生成新物質為依據，將封堵材料劃分為物理封堵材料和化學封堵材料。物理封堵材料是指在漏失通道中依靠材料的力學強度和硬度，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構的封堵材料總稱。這種分類方法不再以材料自身所表現的形狀、結構或力學性質為分類依據，而是以材料的作用原理為依據，在一定程度上能避免以形狀、結構等外在性質歸類所帶來的材料類型的交叉和重疊，能有效涵蓋現階段和未來新型封堵材料的類型，有助于為穩定井壁封堵材料評價方法和標準的建立提供基礎依據。

1 物理封堵材料

物理封堵材料需要依靠材料的強度、剛度及硬度等宏觀力學性能參數，結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構。使用物理封堵材料構建封堵層成功的關鍵在于材料與漏失通道大小的匹配性。根據材料的作用機制，可將物理封堵材料分為機械支護材料、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 機械支護材料

機械支護是指應用機械裝備，將承受液柱壓力的巖石井壁置換為具有不同強度剛級的管柱，從而對井壁進行強化加固、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，最廣泛被采用的解決辦法仍是增加一層井身結構，即下一層套管(技術套管或尾管)加固井壁[7]。由于使用管柱加固井壁形成承壓結構，并沒有發生化學反應，所以將其歸類為物理封堵材料。

機械支護材料包括常規下套管[8]和下膨脹管[9]兩類，流程及方法較為成熟。機械支護在保護井周圍巖的承載力和支撐防護井壁方面具有顯著作用效果，相比其他方法或技術手段有著天然的優越性。但是，隨著地質勘探不斷深入，油氣動用儲量逐步轉向深部裂縫發育地層、壓力枯竭油氣藏以及海洋深水井的開發，在實際作業時為防止發生漏失和井涌，就需下入多層技術套管封隔復雜層段，因而增加并提高了井身結構層次及強度，導致完井井徑和生產套管尺寸大大減小，影響油氣產量和后續作業。相對于傳統套管作業，膨脹管技術在不損失井眼尺寸的情況下創造穩定的井下環境，一方面優化深井及超深井的井身結構，減小井眼錐度，減少井下事故，降低作業成本；另一方面，膨脹管用作生產套管，可增大井眼泄流面積，有利于井眼增產措施實施和井下作業維護[10]。但是，由于井下受力狀態及環境惡劣，用于膨脹管之間連接的特殊螺紋強度、精度及契合度要求高，導致該技術的應用成功率無法保障。同時，操作工序繁雜、施工周期偏長和綜合成本高等帶來的負面影響，也限制了該技術的規模性應用和推廣[11]。

1.2 橋接封堵材料

橋接堵漏是指應用橋接封堵材料，在滲流漏失通道端面或內部形成具有承壓能力的類似橋梁的封堵結構，實現井壁穩定的一種封堵方式。橋接封堵材料通常指形成封堵結構前后理化性質不發生變化的顆粒類、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，是現場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前油基鉆井流體的發展方向之一，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，并形成網狀結構，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建封堵層骨架結構的封堵材料。架橋充填材料指用以填充封堵層骨架結構尺寸的次一級封堵材料，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、包裝運輸和儲存管理標準、規范等要求均低于其他類封堵材料，同時其對工作液的配伍性、簡便性要求等也不高于其他類封堵劑，且其使用的級配和濃度范圍也有很多理論基礎研究。但橋接材料承壓需要材料尺度與地層漏失的孔喉大小級配匹配，而且材料需有良好的抗壓強度及抗溫性能。因此，近年來的架橋材料已由傳統的材料發展至具有強支撐力的納米材料、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用材料的濁點、軟化點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和軟化點特性，通過嵌實填充于濾餅或者孔隙型漏失巖石表面，以減少濾液滲透，提高濾餅質量或者地層承壓能力的封堵材料。

一般認為軟濁充填材料的封堵機理有物理作用和物理化學作用兩方面。物理作用方面認為，當井下條件接近材料的濁點或者軟化點時，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，穩定易失穩地層。物理化學作用方面認為，如材料含磺酸基，材料會吸附在泥頁巖黏土顆粒或頁巖晶層斷面上，提高黏土顆粒的負電性，并在井壁上形成不滲透的憎水薄膜，阻止頁巖進一步水化分散膨脹，從而提高泥頁巖的穩定性。

瀝青類材料的理論及應用已較為成熟。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效應對泥頁巖微裂縫與微節理進行封堵，還具有流型增效、潤滑、低毒性、易生物降解及無熒光不干擾地質錄井等特點。此外，無論是井眼溫度高于還是低于濁點溫度，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度[16]。然而，盡管聚合醇鉆井流體擁有諸多優良性能，但由于其品種多、產品質量差別大，仍影響了鉆井流體的發展[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的方式形成封堵結構的封堵材料，以高分子樹脂材料為代表，同時也還包括有淀粉類、橡膠及預交聯凝膠等材料。

吸水樹脂類材料的技術發展現較為成熟，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[18]，封堵有效周期長，可以進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，能在壓差作用下進入漏失地層，并根據裂縫的尺寸大小進行形狀調節，以滿足不同裂縫尺寸的需求，解決了一些傳統的橋接堵漏材料和無機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作用，只溶脹而不溶解。聚合物顆粒體積增大，溶脹體強度高，抗沖刷能力強，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。因為膨脹后材料強度低，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構不牢固，所以需使用包覆技術處理膨脹材料，一般通過包括延時溶解材料、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發生的時間[20]。但吸水膨脹類材料價格昂貴，作業配制復雜，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。

當前，為了提高吸水型膨脹體封堵層的結構強度，以有效處理管外竄等封堵難題，形成了以水泥為基礎的高強度膠凝膨脹型堵漏體系。這類水泥復合膨脹堵漏體系兼顧了水泥的強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，膨脹固結后承壓強度達5～15 MPa。該體系室溫下膨脹充填前后體積對比試驗結果如圖2所示。

圖2 KDF體系膨脹固結前后體積對比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、助排能力強以及對地層傷害小等良好的特性，廣泛應用于壓裂、酸化、堵水和調剖等領域，較少用于穩定油氣井井壁封堵。由于其利用自身的堆積形變能力進行封堵，所以被歸類為物理封堵材料，比如在鉆井過程中應用的可循環泡沫以及在此基礎上形成的絨囊封堵材料。利用仿生原理由環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時為囊泡、靜止時吸附聚合物并具有自身降解恢復滲透率能力的絨囊封堵材料[21]，在煤層氣鉆井中實現了提高地層強度而穩定井壁。

絨囊封堵材料入井時囊泡壓縮，隨縫、洞、裂隙形態變形進入地層，根據空間大小堆積、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，為絨毛粘結破碎巖石提供粘結時間、環境及條件。粘結處理劑粘結地層破碎體后，巖石強度和韌性提高，漏失壓力升高，坍塌壓力降低，工作液安全密度窗口擴大[22]。目前絨囊流體已成功應用于塔河油田7 000多m的深井壓裂，絨囊流體的封堵能力得到驗證[23]。為了進一步提升絨囊流體的耐鹽抗溫和承壓能力，研究人員成功開發了承壓能力更強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構如圖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Fig.3 Appearance and cryo-SEM photo of fuzzy-ball fluid and nano-SiO2- fuzzy-ball fluid

從圖3可以看出，絨囊中引入質量分數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膩，分散性更好。掃描電鏡結果顯示，絨囊體系中引入納米SiO2后，井下高分子網格結構變得致密，納米顆粒較均勻地分布在網格結構表面。室內測試結果顯示，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。

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，是具有一定化學疏水特性的乳狀材料[24]。其封堵機理是，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，使鉆井流體內的固相在井筒流體與井壁界面的架橋結構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，從而增強濾餅封堵及承壓強度，提高井壁地層承壓能力和破裂壓力梯度，實現儲層巖石安全密度窗口擴大。由于其利用封堵材料的物理作用實現變形涂覆，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、潤滑性、封堵性和攜巖能力差等一系列缺點，且較油基鉆井流體成本低、環境友好，同時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用前景。但是，常規的成膜劑僅考慮成膜吸附，并未考慮和剛性顆粒的協同吸附作用，且應用的前提是有可吸附的介質，因此在相對較大的地層孔隙條件下的應用效果并不理想。目前成膜劑和超低滲透劑可供選擇的品種較少，有待進一步發展。

2 化學封堵材料

地層漏失或坍塌尺寸大小不明時，剛性封堵材料與漏失尺寸級配成為掣肘選擇材料的關鍵。化學封堵材料隨工作液泵送至漏失部位，通過化學交聯或膠結封堵形成封堵結構，封堵漏失。

化學封堵材料是指通過發生化學反應，如水化反應、交聯反應和成鹽沉淀等，形成具有承壓結構的封堵材料總稱。化學封堵材料構建封堵層的成功與否在于其是否可以在漏層滯流，以及反應時間和條件是否合適。根據材料的作用機制可分為交聯封堵材料、膠凝封堵材料及沉淀封堵材料。

2.1 交聯封堵材料

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

交聯封堵材料對漏失通道具有良好的適應性，其自身可以通過擠壓變形進入孔隙或裂縫。交聯類堵漏材料常被用于處理常規堵漏材料難以封堵的含水層或惡性漏失[25]。交聯反應成膠之后，封堵結構表現出良好的黏彈性和韌性，具有較強的抗剪切、抗腐蝕及承壓增阻能力，可以減緩漏失通道內的壓力傳播和裂縫誘導擴展。交聯型封堵材料的交聯時間、交聯強度、耐溫性和現場施工工藝等受多重因素影響[26]，同時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。

為了滿足縫洞型等惡性漏失井況對封堵體系強度和承壓能力的需求，中國石油大學(北京)研究人員在絨囊流體的基礎上開發形成了一種高強度的交聯絨囊封堵體系，該體系絨囊流體交聯前、后流動狀態如圖4所示。

圖4 絨囊流體交聯前、后及交聯體系破膠后狀態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劑后，體系即失去流動性。室內測試交聯絨囊流體體系封堵承壓能力達70 MPa。在室溫下，向交聯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現絨囊交聯體強度的解除，體系恢復流動性。

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構，其膠凝時間、承壓強度及水泥固化性能取決于材料的水化反應速率、水泥顆粒的粗細分散程度及復配材料等。山東東營泰爾公司的高強度復合膠凝水泥堵漏漿現場配漿的罐中狀態如圖5所示。

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

從圖5可以看出，高強度復合水泥漿堵漏體系固相分散均勻，現場根據堵漏技術使用方便、密度可調、強度適中且適用范圍廣，具有較高的堵漏成功率。一般在鉆進壓力衰竭地層、破碎性儲層[27]、弱膠結地層、裂縫發育地層及多套壓力層系等地層時，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致堵漏失敗[29]。在含水的異常高壓層使用水泥漿堵漏時，水泥漿易被地層水稀釋，稠化時間延長導致堵漏失敗。因此，水泥漿堵漏需要復配如橡膠粉、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上，為解決當前常規水泥漿膠凝堵漏存在需多次下鉆以及有效工作時間短等問題，中國石油大學(北京)研究團隊開發了一類流變性好、不固化的“一趟鉆”新型堵漏絨囊水泥漿體系。圖6所示為室內絨囊水泥漿配漿圖和填砂管封堵試驗效果圖。

從圖6可以看出，絨囊水泥漿具有常規水泥漿的形態，填砂管封堵后，絨囊水泥漿不發生固結。絨囊水泥漿是在絨囊流體基礎上開發的新型封堵體系，該體系充分利用絨囊流體的流變特性有效調節水泥漿的流變性質，有望實現在不使用架橋材料的情況下直接通過井下工具實現“一趟鉆”不起鉆堵漏，可節約處理井漏的時間。

圖6 室內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、電離或絡合反應生成沉淀的材料，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生反應，如鋁離子在不同酸堿度下可呈離子狀、膠狀和沉淀狀，且高價鋁離子可以形成螯合物或者雜環復合物，可以共價鍵形式與非金屬離子形成絡合物封堵劑。在鉆進過程中這種材料與低pH值的井壁和巖石表面接觸后，發生沉淀反應，形成致密的絡合鋁礦物內濾餅，可提高地層承壓能力，穩定井壁[32]。另外，帶負電的硅酸鹽聚積體進入頁巖孔隙接觸pH值接近中性的頁巖后，會形成三維網狀凝膠結構，并與地層水中的多價金屬離子(如鈣離子和鎂離子)反應生成不溶沉淀物[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，可以形成良好的內封堵結構。但是，由于井下環境惡劣與漏失尺寸未知，此類材料并不能實際處理較大型漏失，僅能作為預防漏失手段。

為解決大裂縫和溶洞型漏失這類復雜地層的大型或較大型漏失難題，中國石油大學(北京)研究團隊開發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個小尺度漏失通道，另一方面充分利用交聯/膠凝/沉淀材料的流動性和可變形能力進一步充填蜂窩結構。智能匹配蜂窩植入式封堵材料有望發展成為解決大裂縫和溶洞型漏失的技術關鍵。

3 結束語

隨著封堵學理論和技術的發展，在不同領域之間封堵材料開始相互滲透借鑒，互通有無。目前，井壁的漏失和復雜坍塌無法單純依靠某一類性質材料就能有效解決。對封堵材料進行合理的分類，基于目標需求，建立同類材料封堵能力評價標準，能為封堵材料組合、篩選、優化、開發和現場應用提供依據。同時，通過封堵材料的信息化、智能化集成，可以推動封堵材料的產業化、專業化和規模化，提高應用效果的理想化。

依據材料分子在穩定井壁過程中形成封堵結構時是否發生化學反應，重新劃分了封堵材料類型，這在一定程度上解決了現有穩定井壁封堵材料之間的重復和交叉問題，為建立封堵材料性能評價方法研究提供理論支撐，也為如調剖、堵水及建筑土木等相關領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不同領域封堵材料的交叉和融合，推進封堵理論研究和應用，推動封堵學(Sealaplugology)這一新學科的發展。