热熔法井壁加固技术研究

卢春华，吴翔，王强

(中国地质大学工程学院，湖北武汉430074)

热熔法井壁加固技术研究

卢春华，吴翔，王强

(中国地质大学工程学院，湖北武汉430074)

井壁失稳是钻井过程中普通存在、并一直困扰钻井界的一个技术难题。采用传统井口下入套管法能够可靠隔离失稳坍塌孔壁，但同时也存在众多不足:如井径缩小、费时费力、增加成本和工期，并可能导致孔内事故。为了寻求一种简单可靠、快速有效支护坍塌井段，同时又不缩小井眼口径的方法，项目组致力于研究一种新型热熔法井壁加固技术，该方法通过发热体把颗粒状热熔材料加热熔化后挤入井壁裂隙中，将破碎岩块粘结起来达到加固井壁的目的。论文详细阐述了发热体的设计、热熔材料的选型以及室内对设计的人工模拟井壁的加固试验。研究表明:该法切实可行，井壁加固效果明显。

热熔法井壁加固热熔材料

Lu Chun－hua，Wu Xiang，Wang Qiang．Study on hot－melt sidewall strengthening technology［J］．Geology and Exploration，2012，48(5):1034－1038．

0 引言

井壁坍塌将直接导致卡、埋钻事故，使钻进过程无法继续，因此，维护井壁的稳定性是确保正常钻进的基本条件之一。据不完全统计，我国每年由于井壁坍塌产生的井内事故导致的经济损失达4～5亿美元(陈志超，1981;杨振杰等，2008)。

对于轻微坍塌的地层，国内外多采用的优质钻井液的方法来处理，优质钻井液一般都添加了多种化学处理剂，成本较高(杨进，2006;张成德，2010;孙平贺等，2010)，当地层坍塌严重时，一般采用套管隔离，该法的技术优势是能稳定可靠隔离坍塌孔壁，但同时存在众多不足:使井身结构复杂、增加施工成本，套管起拔过程容易出事故等;近年来，国内外石油行业在膨胀套管支护技术上取得了一些进展，但该技术对设备要求高、工艺复杂，由于设备能力、钻孔口径及经济等方面的因素，膨胀套管支护技术在地质岩心钻探领及其它领域仍处于起步阶段(唐明等，2009;彭在美等，2010)。

随着中国资源勘探大规模转向深部，钻遇地层愈加复杂，钻进过程中井壁坍塌矛盾日益突出，研究一种经济、快速、可靠的井壁加固技术十分必要。

1 热熔法加固井壁的基本原理

热熔法加固井壁的基本原理如图1所示，图中1为待加固井壁，2为热熔颗粒材料，3为发热体，4为已加固井壁。发热体3产生大量热量，并沿图中箭头方面缓慢上提，热熔颗粒材料2(或热熔管材)遇到发热体后迅速熔化或软化，一部分材料被发热体挤入井壁的裂隙中将破碎的岩块粘结起来，形成整体，另一部分材料在井壁形成套管支护井壁，从而达到加固井壁的目的。

热熔法加固井壁可分为三个过程:熔化或软化阶段、挤压成型阶段、冷却固化阶段。

(1)熔化或软化阶段通过发热体产生一定的热量，达到材料的熔化点或软化点，使材料处于流动或半流动状态。对于热熔管材，使其达到软化状态。而对于热熔颗粒材料，使其熔化，达到流动或半流动状态。

(2)挤压成型阶段材料熔化或软化后，在发热体的挤压下，一部分流体材料被挤入岩石裂隙中将破碎岩石粘结在一起，另一部分材料则连续地粘附在孔壁形成套管以达到支护孔壁的作用。

图1 热熔法井壁加固原理示意图Fig．1 Sketch showing principle of the hot－melt sidewall strengthening technology

(3)冷却固化阶段成型后，材料的物理力学性能在一定的温度范围内才能表现出来。挤压成型阶段后，材料经短暂时间固化后达到一定强度才具备支护和加固井壁的作用。

由热熔法加固井壁的原理可知，热熔材料和发热体是该技术成败的关键，下面对热熔材料和发热体的研究情况进行介绍。

2 热熔材料的性能及选择

通过分析上述热熔法井壁加固原理可知，理想的热熔材料应具备如下性能:(1)熔点较低，遇到发热体后能够迅速熔化或软化;(2)密度大于钻井液，在钻井液中能够下沉至需加固的井段;(3)冷却成型速度快;(4)与孔壁胶结性好、成型后有一定的韧性和强度;(5)冷却固化后体积不发生收缩。

经过大量调研及对材料性能的测试，项目组确定了两种性能较适合热熔法井壁加固的颗粒材料，TPU热熔胶和EVA热熔胶，下面对这两种材料的性能进行介绍。

TPU热熔胶:TPU为热塑型聚氨酯热熔胶，具备优异的橡胶特性，能适应不同热膨胀系数基材的粘合，它在基材之间形成具有软－硬过渡层，不仅粘接力强，同时还具有优异的缓冲、减震功能，具备优异的柔韧特性、抗剪切强度和抗冲击特性，适用于各种结构性粘合领域(刘春林，2008;刘超等，2010)。其形状为颗粒状，粒径Ф 2～3mm，如图2所示，该材料的基本性能参数见表1。

表1 TPU热熔胶基本性能参数Table1 Basic performance parameters of the TPU hot－melt glue

图2 TPU热熔胶Fig．2 TPU hot－melt glue

EVA热熔胶:俗称橡皮胶，它是由乙烯(E)及乙烯基醋酸盐(VA)共聚所形成。EVA是一种半透明到不透明白色腊状材料，柔软而且有橡胶弹性，能伸长，无毒，无味。EVA凝聚力大，熔融时表面张力小，对几乎所有材料都有热粘接性，粘接强度高，固化速度快，固化体具有较高的强度和韧性(朱万章，1999)。EVA的基本性能参数见表2。

表2 EVA热熔胶基本性能参数Table2 Basic performance parameters of the EVA hot－melt glue

3 发热体的设计选择

热熔材料遇到发热体后要能够迅速熔化或软化，因此，发热体要具有较高的功率且功率可调，此外，发热体的设计还包括合理的结构形式和发热方式等，在有钻井液的情况下，发热体的设计关键是解决高温密封和绝缘问题(孙瑞民等，2005;马安君，2006)。

目前初步实验使用的是石墨发热体。石墨发热体的结构原理如图3所示，主要包括接线柱、绝缘压盖、芯杆、石墨电极、石墨元件、外壳和保护套等。输入的交流电通过晶闸管整流电源后，变为直流电，为石墨发热元件供电，整流电源的输出电压电流可调，从而可以调节石墨发热体的功率。发热体的主要技术参数如下:发热段长度为20cm，最大发热功率5．2kW，外壳的最高温度为1300℃，保护套的最高温度为800℃，该发热体工作性能稳定可靠。

图3 石墨发热体结构原理示意图Fig．3 Sketch showing structure and principle of the graphite heater

此外，项目组正在设计其它一些形式的发热体，例如硅碳棒、感应加热、微波加热等发热体形式。

4 初步室内实验

(1)实验装置

为了模拟井壁，设计了如图4所示井壁模拟装置，该装置主体由一个圆筒对称剖开，外围设有卡箍和支腿，底部设有端盖(模拟井内有钻井液的情况使用)，支腿通过铆钉与地面固定，圆筒垂直地面。制作人工井壁的方法是:在圆筒内部放入另一个圆筒模具(其尺寸根据需要确定但外径必须小于剖开圆筒的内径)，在内外圆筒的间隙填入一些石子或其它材料模拟不同裂隙的井壁。实验结束时可打开半剖管检验井壁加固效果。

图4 井壁模拟装置Fig．4 Analog devices of sidewall

加热装置如图5所示，动力头钻机可通过钻杆带动发热体上下移动。

图5 加热装置Fig．5 Heating desice

(2)实验方法

先做好模拟井壁，再将发热装置安装连接好，操作动力头钻机使发热体处于人工井壁的下部，接通加热装置电源，调至适当功率并不断监测发热体表面温度，达到适当温度后从人工井口投入热熔颗粒材料，操作钻机使发热体匀速缓慢上提，短暂时间冷却固化后打开模拟井壁观察和检测井壁加固效果。

(3)实验效果

项目组对大量材料进行了实验，其中EVA和TPU颗粒热熔材料的加固效果较好，尤其是二者的混合物实验效果最好。

EVA热熔胶加固井壁的效果如图6所示。其特点是:熔点低、固化速度快、与孔壁的粘结非常牢固，熔化之后能被挤压到孔壁的裂隙中去，且形成的管道形状较为规则，其不足点是冷却成型后具有一定脆性。TPU热熔胶加固井壁的特点是:形成的护壁套管比较完整，颗料熔化比较完全，部分熔化的热熔胶可以被很好的挤入孔壁裂隙间，与孔壁及裂隙能很好胶结，冷却成型后，韧性很好，但硬度不如EVA热熔胶。

图6 EVA热熔胶加固井壁效果Fig．6 Sidewall reinforce effects of the EVA hot－melt glue

综合考虑EVA和TPU热熔胶的优缺点，将EVA和TPU两种颗粒材料混合后进行实验取得较理想的加固效果:固化物的韧性和强度均较高，部分热熔胶挤入孔壁裂隙中，与裂隙牢固结合，形成的套管比较完整。

5 结论

(1)热熔法是一种通过发热体把颗粒状热熔材料加热熔化后挤入井壁裂隙中，将破碎岩块粘结起来加固井壁的新技术，其工艺原理与传统井壁加固技术完全不同，关键技术是热熔材料的性能及大功率发热体的设计。

(2)室内人工模拟井壁加固实验表明:热熔法是一种切实可行、经济快速的井壁加固技术，其加固效果显著。

(3)随着矿产勘探大规模转向深部，钻遇复杂地层井壁失稳问题将越来越多，热熔法为井壁加固技术提供了一种新选择，该技术具有一定应用前景。

Chen Zhi－cao．1981．Situation and prospect of supporting the hole walls and plugging the leaky zone with cement［J］．Geology and Prospecting，(06):22－25(in Chinese)

Chen Jing，Xiong Qing－shan，Peng Ming－wang，Sun Li．2008．Techonlogy of well cementing with expandable tube and its application［J］．Exploration Engineering，(8):19－21(in Chinese with English abstract)

Du Huan－wen，Hu Zhong－yi．1992．Practice and discussion on supporting the hole walls and plugging the leaky zone with common portland cement［J］．Coal Geology＆Exploration，20(2):63－65(in Chinese)

Liu Chun－lin，Zhou Ru－dong，Wu Dun．2008．Study on Toughen ing of POM by TPU［J］．Polyurethane industry，23(4):12－15(in Chinese with English abstract)

Liu Chao，Tao Yun－zhen，Li Xue－lian．2010．The modification of polyurethanefoam in coal mine［J］．Coal Mine Safety，(426):10－12(in Chinese with English abstract)

Ma An－jun，Shi Zhang－ming，Liu Yu－qing．2006．Optimum design of graphite heaters in sinter－HIP furnace［J］．Industrial Furnace，28(4):26－28(in Chinese with English abstract)

Peng Zai－mei，Zhao Xu，Dou Shu－bai．2010．Commentary development status of expandable casing technology at home and aboard［J］．Jointing Pipe，33(6):5－9(in Chinese with English abstract)

Shi De－quan，Liu Gang．2004．Research and treatment of borehole walls’collapse and landslide accidents［J］．West－china Exploration Engineering，(07):124－25(in Chinese with English abstract)

Sun Ping－he，Wu Xiao－ming，Zhao Jun－wen．2010．Research and application of sealing technologies in complex molybdenum stratum in dabao mountain［J］．Geology and Exploration，46(1):132－135 (in Chinese with English abstract)

Sun Rui－min，Wu Lai－jie，Tang Feng－lin．2005．Experimental research on hot melt drilling technology［J］．Geological Science and Technology Information，24(7):23－26(in Chinese with English abstract)

Tang Ming，Wu Liu－geng，Ning Xue－tao．2009．Development status of mono hole expandable casing technology［J］．Oil field equipments，38(12):12－17(in Chinese with English abstract)

Tan Ling－hua，Wang Zhang－zhong，Dai Yu－ming，Ba Zhi－xin．2006．Progress in study on the reinforced rigid polyurethane［J］．Materials Review，(9):21－24(in Chinese)

Wang Fu－hua，Wei Zhen－lu，Kang Lian－li，Yue Yan－hua，Wu Fu－pin．2006．Study and appllication of a new type LCM［J］．drilling fluid＆completion fluid，23(3):42－44(in Chinese with English abstract)

Wei Bao－hua，Wang Zhi－zhong，Guo－bing．2007．Borehole unstability theory of shale and its research progress［J］．Drilling＆Production Technology，30(3):16－20(in Chinese with English abstract)

Yang Chuan－yong．2006．Development and application of overseas solid expandable tub［J］．China Petroleum Machinery，(10):74－77(in Chinese)

Yang Zhen－jie，Li Jia－fen，Su Chang－ming．2008．Advances in sidewall strengthening technology［J］．Fault－block oil＆gas field，15 (3):99－102(in Chinese with English abstract)

Yan Jin．2006．Application of wall protection by grouting slurry［J］．Gansu Science and Technology，22(7):147－149(in Chinese with English abstract)

Zhang Cheng－de．2010．Application of wall protection by grouting technology in deep hole coring drilling［J］．Exploration engineering，37 (5):25－26(in Chinese with English abstract)

Zhan dong－hai．2007．Current status and future of bulged tube technology［J］．Special Oil＆Gas Reservoirs，14(01):3－6(in Chinese with English abstract)

Zhu Wang－zhang．1999．Principal ingredients of EVA－based hot－melt adhesives and their influences on adhesive properties［J］．Technology and equipments，20(1):24－28(in Chinese)

［附中文参考文献］

陈志超．1981．水泥护壁堵漏的技术现状与前景［J］．地质与勘探，(06):22－25

陈晶，熊青山，彭明旺，孙丽．2008．可膨胀管固井技术及其应用［J］．探矿工程，(8):19－21

杜焕文，胡忠义．1992．常用硅酸盐水泥护壁堵漏实践与探讨［J］．煤田地质与勘探，20(2):63－65

刘春林，周如东，吴盾．2008．TPU增韧改性POM的研究［J］．聚氨酯工业，23(4):12－15

刘超，谭允祯，李雪连．2010．煤矿用聚氨酯泡沫塑料的改性［J］．煤矿安全，(426):10－12

马安君，时章明，刘余庆．2006．烧结热等静压炉石墨发热体的优化设计［J］．工业炉，28(4):26－28

彭在美，赵旭，窦树柏．2010．国内外可膨胀套管技术发展的概况［J］．焊管，33(6):5－9

石得权，刘刚．2004．钻孔孔壁坍塌掉块现象的分析研究及处理［J］．西部探程，(07):124－25

孙平贺，乌效鸣，赵均文．2010．大宝山复杂钼矿地层钻孔堵漏技术研究与应用［J］．地质与勘探，46(1):132－135

孙瑞民，吴来杰，汤凤林．2005．关于热熔钻进工艺的试验研究［J］．地质科技情报，24(7):23－26

唐明，吴柳根，宁学涛．2009．等井径膨胀套管技术发展现状［J］．石油矿场机械，38(12):12－17

谈玲华，王章忠，戴玉明，巴志新．2006．增强硬质聚氨酯泡沫的研究进展［J］．材料导报，(9):21－24

王富华，魏振禄，亢连礼，岳砚华，吴付频．2006．一种新型钻井防漏堵漏剂的研究与应用［J］．钻井液与完井液，23(3):42－44

蔚宝华，王治中，郭彬．2007．泥页岩地层井壁失稳理论研究及其进展［J］．钻采工艺，30(3):16－20

杨传勇．2006．国外可膨胀套管技术的发展及应用［J］．石油机械，(10):74－77

杨振杰，李家芬，苏长明．2008．井壁加固技术研究进展［J］．断块油气田，15(3):99－102

杨进．2006．水泥浆灌注工艺护壁堵漏的应用［J］．甘肃科技，22 (7):147－149

张成德．2010．注浆护壁堵漏工艺在深孔岩心钻探中的应用［J］．探矿工程，37(5):25－26

张东海．2007．膨胀管技术的现状及未来［J］．特种油气藏，14(01): 3－6

朱万章．1999．EVA热熔胶的主要成分及其对性能的影响［J］．工艺与设备，20(1):24－28

Study on Hot－Melt Sidewall Strengthening Technology

LU Chun－hua，WU Xiang，WANG Qiang

(Engineering faculty，China University of Geosciences，Wuhan，Hubei430074)

Instability of sidewall is a common problem existing in the drilling process which puzzled the drilling industry． The traditional way of casing can isolate instability sidewall reliably．However，it has some drawbacks such as reduction of hole－diameter，time and power consumption，increase of cost and work duration，and even drilling accidents．The project team devoted to research a kind of simple，reliable，fast and effective way for supporting hole well，which will do not reduce hole－diameter at the same time．This new method melts the granular hot melting material，and squeezes it into the sidewall cracks to attain the purpose of reinforcing sidewall．This paper elaborates the design of the heating element，hot melt materials selection and indoor artificial simulation of sidewall reinforcement test．The result indicates that this new method is feasible and able to attain obvious strengthening sidewall effects．

hot－melt method，sidewall strengthening，hot－melt material

book=9,ebook=592

P642

A

0495－5331(2012)05－1034－5

2011－01－18;

2012－02－06;［责任编辑］郝情情。

中央高校基本科研业务费专项资金项目(编号CUGL100216);岩土钻掘与防护教育部工程研究中心开放研究基金(编号201103)。

卢春华(1976年－)，男，2007年毕业于中国地质大学(武汉)，获博士学位，副教授，长期从事钻探工艺与机具的教学研究工作。E－mail:cuglch@yahoo．cn。