交联聚合物堵漏剂室内性能研究

黄春雨，欧阳伟，刘向君，陈俊斌

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500；2.川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院，四川广汉 618300）

井漏是钻井工程中常见的复杂问题之一，它不仅影响钻井速度，还会造成巨大的经济损失[1]。长期以来，工程作业中所采用的堵漏方法主要是惰性材料桥接堵漏和水泥浆材料堵漏。实践表明，这两种材料至少存在两方面的局限性：一是自身的变形性较差，在堵漏作业过程中，一旦与漏层裂缝孔隙尺寸不匹配就很难深入漏层，只在漏层表面堆积，形成“封口”现象；二是膨胀性差或不具有膨胀性，在外力的作用下难以形成稳定的封堵层。由于上述两种原因，在使用常规方法堵漏作业过程中，往往容易出现堵漏效果不佳和重复性漏失的情况[2]。

针对上述情况，国内开发出一种新型的交联聚合物堵漏剂GWS-1。与传统堵漏材料相比，其优越性在于，第一，堵漏材料具有较好的可变形性，对于不同开口尺寸的漏失通道具有良好的适应性；第二，堵漏材料具有很强的吸水膨胀性，进入漏层中可以起到扩张填充和挤紧压实的双重作用；第三，堵漏材料抗污染性强，受钻井液影响较小，与各种水基钻井液配伍性好。鉴于目前对该堵漏剂性能的相关研究较少的情况，本文对这种发展前景良好的堵漏剂GWS-1 进行了室内研究，分别评价了其在不同基液中的吸水膨胀性能、耐温抗盐性能、与水基钻井液配伍性能以及对不同宽度裂缝漏失通道的封堵性能。

1 室内性能评价实验

1.1 吸水膨胀性能评价

评价吸水膨胀性能的指标主要有体积膨胀倍数、质量膨胀倍数、吸水膨胀速率等[3]。基于简单、方便的原则，本次实验采用直接测量体积变化的方法，用量筒精确量取一定体积的基液V0，称取一定质量的干燥堵漏剂颗粒加入量筒中，立即读取量筒内实际刻度V1，则堵漏剂颗粒本身体积为VM（VM=V1-V0），在恒定温度下吸水膨胀一段时间或达至吸水平衡后，小心倒出量筒内剩余基液，直至量筒内基液不再滴落为止，重新量取体积为V0的基液倒入量筒中，读取量筒中基液实际刻度值V2，则堵漏剂颗粒吸水膨胀后的体积VN（VN=V2-V0）。堵漏剂颗粒前后两个体积之比即为其在一段时间内的体积膨胀倍数。

实验分别采用了清水、5 %的膨润土浆和聚磺钻井液作为基液对GWS-1 的常温膨胀性能进行了评价。结果表明，该堵漏剂在几种不同基液中体积膨胀倍数基本一致，常温下都在5～6 倍。说明该堵漏剂受体系类型影响较小，具有广泛的适用性。

表1 GWS-1 在不同基液中的膨胀倍数

图1 GWS-1 在不同时间段吸水膨胀变化情况

1.2 耐温抗盐性能评价

聚合物堵漏剂在进入漏层后可能会受到漏层温度、地层水高矿化度的影响，从而降低其堵漏效果。该实验的目的在于评价不同温度和不同盐、钙污染下堵漏剂GWS-1 的吸水膨胀性能，仍然采用上述体积膨胀倍数测定方法。实验结果（见图2～图4），从图2 可以看出，随着温度的增加，体积膨胀倍数逐渐增大。由图3、图4 可知，盐水矿化度对其膨胀性能没有明显影响。这是由于GWS-1 在分子链中引入耐温抗盐基团和化学偶联剂，将高分子与耐温材料连接成一体，从而使其在高温高盐条件下具有很好的强度、韧性及热稳定性。

图2 不同温度下GWS-1 的膨胀倍数

图3 不同NaCl 浓度对膨胀倍数的影响

图4 不同CaCl2 浓度对膨胀倍数的影响

1.3 与水基钻井液配伍性能评价

在钻井堵漏施工过程中，堵漏剂与钻井液是否配伍，成为其能否成功应用的一个关键[4]。因此，对GWS-1 与水基钻井液的配伍性进行了室内实验，测试了不同加量的堵漏剂在老化前后对水基钻井液的粘度、切力以及滤失量的影响。同样，实验前向基浆中加入不同比例的堵漏剂GWS-1，常温下低速搅拌后养护2 h，使其充分吸水膨胀。实验结果（见表2）。

从表2 的实验数据可以看出，堵漏剂的加入对水基钻井液体系的性能影响较小，说明该堵漏剂与水基钻井液配伍性良好。随着堵漏剂加量的增加，体系粘度基本不变，切力略有提高，失水量减少，有利于增强堵漏效果，满足钻井作业的要求。

1.4 封堵性能评价

利用DL 型堵漏评价装置进行模拟堵漏实验[5，6]。按照桥堵材料的实验方法，实验前配制好1 000 mL 基浆，分别加入堵漏材料，常温下低速搅拌后养护2 h，然后将堵漏浆倒入DL 堵漏实验装置进行实验，逐步加压，观察并记录其漏失情况，直至全部漏失或者承压达到4 MPa 以上为止，由此来确定堵漏剂加量和堵漏浆配方。实验结果（见表3 及图5、图6）。

从表3 中1#～3#实验数据可以看出，随着堵漏剂加量的增加，承压能力明显提高，漏失量明显减少，说明GWS-1 具有良好的堵漏效果，GWS-1 的适宜加量为5 %。4#配方中加入常规桥接堵漏材料和超细碳酸钙与GWS-1 复配，可进一步提高GWS-1 的承压堵漏能力，这是由于桥堵材料的架桥拉筋作用有利于形成更为坚实的封堵层，超细碳酸钙表面活性强，能与活性纤维和聚合物分子链串产生强烈的亲和吸附作用和聚结作用，从而加快堵漏材料聚集速度和提高承压强度。

表2 聚合物加量对钻井液体系性能的影响

表3 GWS-1 及其复配其它材料对不同宽度裂缝的封堵效果

图5 3#配方对2 mm 裂缝封堵情况

图6 4#配方对3 mm 裂缝封堵情况

2 GWS-1的堵漏机理分析

交联聚合物堵漏剂GWS-1 的堵漏机理主要可以归纳为以下三个方面：（1）架桥堵塞作用[7]。交联聚合物具有一定的粒径分布，粒径级范围广泛，对孔隙裂缝有很强的适应性，在漏失地层中能起到良好的架桥堵塞作用；（2）膨胀压实作用。GWS-1 是一种吸水膨胀性很强的交联聚合物，其吸水膨胀后聚合物颗粒具有很高的弹性和韧性，能够在外力的作用下变形挤入架桥骨架形成的较小孔隙内，进一步压实充填，增强堵漏效果；（3）胶结吸附作用。吸水膨胀后的聚合物具有一定粘性，能粘接在漏失通道中，并且GWS-1 中含有非离子机团、阳离子机团，它们可以通过氢键和静电作用与地层岩石表面产生吸附作用，从而提高封堵层的稳定性。

3 结论与认识

（1）该堵漏剂在不同基液中体积膨胀倍数基本一致，常温下都在5～6 倍，膨胀倍数高，受体系类型影响较小，具有广泛的适用性。

（2）随着温度升高，GWS-1 的吸水膨胀倍数相对增加；盐、钙污染对其吸水膨胀性能没有明显影响，说明其耐温抗盐性能好，可用于深井超深井堵漏。

（3）交联聚合物堵漏剂GWS-1 与水基钻井液配伍性良好，有利于增强堵漏效果，满足钻井作业的要求。

（4）对GWS-1 的模拟堵漏实验结果表明，其能在3 mm 宽度的裂缝中形成胶结强度高、韧性好、有效期长的封堵层，并且承压能力达到4 MPa 以上，适用于各种条件下大小裂缝的封堵。

4 问题与建议

（1）该交联聚合物堵漏剂吸水膨胀速度较快，建议选用适当的亲油疏水物质对聚合物分子表面进行化学改性，使其具有延迟膨胀的特征，从而保证足够的施工时间；（2）室内模拟实验和真实漏层有一定差异，建议进一步加强现场应用方面的研究。

［1］ 罗兴树，蒲晓林，黄岩，等.堵漏型聚合物凝胶材料研究与评价［J］.钻井液与完井液，2006，23（2）：28-32.

［2］ 张歧安，徐先国，董维，等.延迟膨胀颗粒堵漏剂的研究与应用［J］.钻井液与完井液，2006，23（2）：21-24.

［3］ 贾佳，郭建华，赵雄虎，等.聚合物凝胶堵漏剂在盐水中吸水膨胀性能评价［J］.精细石油化工进展，2012，13（4）：16-17.

［4］ 张凡，许明标，刘卫红，等.一种油基膨胀封堵剂的合成及其性能评价［J］.长江大学学报（自然科学版），2010，7（3）：507-509.

［5］ 王睿，马光长，曾婷.复合化学凝胶堵漏技术在四川地区的应用［J］.钻采工艺，2009，32（1）：92-94+97.

［6］ 苗娟.可控膨胀堵漏剂的研制与性能研究［D］.四川：西南石油大学，2010，4.

［7］ 王正良，周玲革，胡三清.JPD 吸水膨胀型聚合物堵漏剂的研究［J］.石油钻探技术，2004，32（1）：32-34.