化学堵漏剂在石油钻井防漏堵漏中的应用现状

倪亚飞，黄友亮（长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100）

化学堵漏剂在石油钻井防漏堵漏中的应用现状

倪亚飞，黄友亮
（长江大学 石油工程学院，湖北 武汉 430100）

石油是全球最主要的化石能源之一，其被称为工业的血液。在石油钻井开采过程中可能发生各种井下复杂情况，其中井漏则是一种常见的井下事故。统计川东北地区，油田处理井漏所花去时间占到总钻井时间的10%左右[1]，严重影响了钻井安全和钻井速度，严重增加了钻井成本。化学堵漏剂在石油钻井中的应用有效降低了井漏事故和井漏处理成本。本文介绍了化学堵漏剂的研发历史以及目前化学堵漏剂的研发方向和重点，总结了目前化学堵漏剂的应用范围，对化学堵漏剂的研发提出几点意见。

石油；井漏；化学堵漏剂

井漏事故的发生必须具备3个必要条件[1-3]：井底压力大于地层压力即正压差的存在；地层岩石孔隙半径大于钻井液中固相颗粒半径；地层具有储集空间，可以容纳漏失的钻井液。目前，钻井防漏堵漏过程中主要工作重点使井漏事故发生的第二个必要条件失效，即通过各种手段使得地层岩石孔隙半径小于钻井液中固相颗粒直径。

将化学药剂添加到钻井液改善钻井液性能的历史可以追溯到上个世纪20年代，化学堵漏剂的研发最早于上个世纪50年代。化学堵漏剂以聚合物树脂类堵漏剂为主，其次有聚合物酰胺类、聚合物腈类、共聚物类等。化学堵漏剂具有几点优点：封堵性受钻井液循环冲刷影响小；聚合物类分子主支链长、分支链多，易吸附在地层孔隙内表面并堆积起到封堵作用；可以随钻堵漏以及随钻防漏，降低井漏事故发生率；封堵地层后在需要的情况下可以解封地层，恢复地层渗透率等。

1　化学堵漏剂研发早期

1.1聚丙烯酰胺

聚丙烯酰胺（PAM）是由单体丙烯酰胺（AM）通过烯键断裂并单体相互间重新成键聚合而成。其胺基带有一个单位正电荷，会吸引带有负电荷基团物质如粘土，因此，聚丙烯酰胺主要作用为絮凝作用。1979年前苏联利用聚丙烯酰胺成功封堵了克拉斯诺谢尔621井的十个强漏失地层，其在水泥浆中加入适量聚丙烯酰胺，当这种含有聚丙烯酰胺的水泥浆（配方见表1）进入地层之后，聚丙烯酰胺加快固相颗粒的絮凝过程和沉淀过程，进而达到快速封堵地层的目的。

表1　1979年前苏联封堵地层水泥浆配方表Tab.1　Compound of cement paste to plug formation in the SU in 1979

1.2脲醛树脂（Mφ-17）

脲醛树脂又称脲甲醛树脂，由尿素与甲醛在催化剂的作用下形成[4]，脲醛树脂与草酸混合会形成坚硬的固体颗粒。因此，在处理钻井井漏事故中可以将脲醛树脂与草酸的混合物注入漏失地层，脲醛树脂与草酸在漏失地层孔隙中生成沉淀性固体颗粒堵塞漏失通道。

在我国多个地区曾应用脲醛树脂堵漏：大宝山钼矿区选用以水泥、脲醛树脂、酒石酸等为主要原料的堵漏配方[5]，应用效果表明该方案有效解决了该地区的大量漏失问题；甘肃阳山金矿区经过探索发现锯末-脲醛树脂对于封堵大裂缝地层的漏失具有良好效果[6]；刘晓平等人通过室内实验确定一种脲醛树脂堵漏剂配方[7]（见表2），将该配方应用于中原油田效果良好；等等。

表2　脲醛树脂堵漏剂配方表Tab.2　Compound of urea formaldehyde resin LCM

1.3不常用堵漏剂

不常用堵漏剂中包括聚丙烯腈、聚乙烯醇、泛美6-210、聚苯乙烯等。聚丙烯腈是由单体丙烯腈聚合而成，将其添加到钻井液中起增粘和稳定的作用。早在1957年Goins.W.C通过实验将碎胡桃核与聚丙烯腈以质量比60∶1的比例加入钻井液中成功封堵了其他封堵方法失效的漏失地层[8]。聚乙烯醇由单体乙烯醇聚合而成，单独使用不具备堵漏能力，其必须与胶凝剂、纤维材料等混合制成混合物颗粒，该颗粒能够在温度71℃经2h左右体积膨胀至原体积的2～4倍，且具有较高强度，因此混合物颗粒首先进入漏失地层孔隙经过地层高温体积膨胀而封堵地层。

2　化学堵漏剂研发现状

近年来，化学堵漏剂的研究热点可以分为两大类：聚合物凝胶类堵漏剂[9-13]和体膨类堵漏剂[14-18]。

聚合物凝胶类堵漏剂主要由两类化学剂组成：成胶剂和交联剂，目前，最常用成胶剂为聚丙烯酰胺、酚醛树脂、高分子蛋白等，常用的交联剂有Cr（Ⅲ）、酚醛、硼砂、有机锆、有机硼等。一般情况下将成胶剂和交联剂分别用清水配成溶液，其次将颗粒材料加入成胶剂溶液中随后泵入井眼；交联剂溶液随后泵入井眼，两种溶液在井底混合并在地层温度的作用下迅速交联，形成一种不具流动性、富有弹性的凝胶。处于地层孔隙内的凝胶将阻止流体流过，达到堵漏的效果。在渤海SZ-36-1井中应用凝胶堵漏剂一次性堵漏成功[19]。交联剂的选择对凝胶的生成与破坏有着重要影响：有机金属交联剂可以使凝胶快速成型但是破胶困难；无机硼交联剂耐温性能差，极大限制其应用。二十世纪90年代至今有机硼交联剂的研究一直是热点。

体膨型堵漏剂主要特点是堵漏剂在吸水之后会体积会发生膨胀，且仍具有较强的韧性和弹性，在压力的作用下变形挤入地层孔隙并充填整个孔隙达到封堵地层的作用。体膨型堵漏剂较凝胶类堵漏剂具有几点优点：泵入摩阻小，能耗小；适用于大多数漏失地层包括大裂缝漏失。但是其也有几点问题需要突破：体积膨胀后堵漏材料的凝胶强度；堵漏剂的体积膨胀率；体膨型堵漏剂在高温、高含盐地层的稳定性。

单独使用化学堵漏剂堵漏具有诸多局限：不能有效封堵大裂缝地层、高含水地层、地层水高矿化度地层、溶洞溶孔性地层；凝胶堵漏剂自身强度有限，在高剪切力作用下有可能失去封堵能力等。有学者提出将刚性无机材料与聚合物凝胶堵漏剂混合使用[22]，其堵漏机理在于：聚合物支链上的功能基团与刚性无机材料、地层岩石通过配位键连接，凝胶强度极大提升的同时抗剪强度也得到提升，使得刚性无机材料能够承受更高压差而不产生移动。

3　化学堵漏剂的发展趋势

化学堵漏剂经过半个多世纪的发展，成型产品多种多样，但是现在油田现场对堵漏剂的要求也越来越高。这些堵漏材料的应用，有效地解决了渗透性及微裂缝地层的漏失问题。但是对于大型裂缝、溶洞或洞穴地层的漏失处理仍较困难，用于处理严重漏失的堵漏材料不多。有些化学药剂更具有毒性，比如聚丙烯酰胺中没有反应完全的单体丙烯酰胺，在堵漏过程中有可能污染地下水源。另外当漏失地层也是储层时，不能完全堵死地层否则无法开采油气资源，则需要在封堵地层之后凝胶能够高效率地破胶，以此恢复地层渗透率。日后化学堵漏剂的研发重点将集中在成胶剂和交联剂的研发，并且需要解决3大问题：（1）堵漏材料具有较强的变形能力，使其适应不同类型的漏失；（2）堵漏材料进入漏失地层吸水自身膨胀后仍具有较强韧性和弹性；（3）堵漏材料的各项性能要稳定，受外界因素影响小，在各种钻井液体系中都具有良好的封堵能力。

4　结论

化学堵漏剂经过半个多世纪的发展，研发了多种堵漏剂，特别是聚合物凝胶、体膨型堵漏剂、选择性封堵剂、聚合物与云母片、碎核桃壳、废弃橡胶颗粒等组合的复合型堵漏剂，同时防漏技术的研发也同步进行，比如超低滤失钻井液，含有微泡的钻井液等等。这些堵漏剂成功解决了许多井漏技术问题。目前，堵漏材料仍不能有效处理特殊地层的井漏以及特殊情况下的井漏。往后堵漏防漏剂可以往加强提高地层承压能力方向研发，各种堵漏防漏材料之间的复配协同作用研究，同时适应高温高压及高含盐地层等复杂情况的堵漏材料研究，能够高效处理恶性漏失的防漏堵漏技术研究等等，这些都将是化学堵漏剂的发展方向，做到提高堵漏的成功率，做到堵漏剂适应性好、经济适用、针对性强等。

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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

倪亚飞（1991-），男，在读硕士研究生，从事岩石力学相关研究。

黄友亮（1991-），男，硕士研究生在读，从事岩石力学相关研究。