吸水膨胀类堵漏材料研究进展

史野 夏景刚 周志强 闫文华 于肇云（中国石油集团渤海钻探工程有限公司第五钻井公司，河北 河间 062450）

吸水膨胀类堵漏材料研究进展

史野 夏景刚 周志强 闫文华 于肇云（中国石油集团渤海钻探工程有限公司第五钻井公司，河北 河间 062450）

对近年来国内外吸水树脂堵漏材料的作用机理和材料类型进行了综述。介绍了目前吸水堵漏材料延时膨胀的方法如包裹法、接枝疏水性单体和采用非水携带液等。总结了延迟吸水树脂类堵漏材料存在的问题，并提出了研究建议。

吸水膨胀材料；膨胀机理；膨胀材料类型；延迟膨胀方法

堵漏是钻井作业中最常遇到的复杂难题之一，至今没有得到有效解决。全球石油行业每年因井漏而造成的经济损失高达数亿美元[1]。在钻井液中加入桥堵材料是常见的堵漏方法。化学堵漏材料包括胶堵剂、树脂堵剂、膨胀堵漏剂。膨胀材料的密封层不需要粒径和泄漏通道完全匹配，利用颗粒自身的膨胀特性进入漏层进行堵漏，对大孔隙或裂缝，渗漏的效果好。

1 吸水膨胀类堵漏材料现状

1.1 堵漏用膨胀材料吸水膨胀作用机理

遇水膨胀材料是一种交联聚合物，只溶胀而与水不溶解。其分子结构包括羧基、羟基、酰胺基、磺酸基等亲水基团，具有一定的网状结构。根据吸水树脂吸水机理，吸水树脂吸水膨胀的前提是有亲水基团例如-COONa和-SO3Na。-COONa和-SO3Na发生离解，产生-COO-、-SO3-和Na+。由于高分子链上的-COO-和-SO3-不能向水中扩散，为维持电中性，Na+也不能自由地离开高分子网络向水中扩散，即网络中的Na+浓度。正是这种浓度差，使聚合物网络外部的水向网络内渗透，发生吸水膨胀。

1.2 堵漏用吸水膨胀材料类型

1.2.1 粘土类复合吸水材料

凝胶封堵层由分散的、亲油的膨润土形成，或者由土粉和干粉PAM的混合物与水混合后注入密封层。粘土也可以被包裹在聚合物膜囊中，在袋中留下一个孔，当胶囊被泵入井筒内，水通过孔进入胶囊，粘土膨胀并破坏涂层膜，释放聚合物膨胀形成密封层封堵漏层。

1.2.2 丙烯类聚合物吸水材料

丙烯酸（AA）与丙烯酰胺（AM）和丙烯腈（AN）单体构成的聚合物和带电荷离子或有机化合物的活性官能团交联形成凝胶。丙烯酰胺作为单体用作合成堵漏剂成为主要的研究对象，这是由于酰胺基团吸水能力强是非离子单体，具有良好的耐盐性，另外酰胺基团有吸附能力，可以增加树脂的吸附能力的形成，提高驻留能力。在AA和AM聚合体系中，引入膨润土和蒙脱土等无机材料不仅可以提高材料的强度，而且可以降低成本。[2]

1.2.3 聚氨酯类堵漏材料

二异氰酸酯和多元醇加成聚合得到聚氨酯，分子间氢键的强度高，耐磨性、耐溶剂性等性能优异。虽然聚氨酯不属于吸水树脂，但因为水是聚氨酯预聚物的固化剂，固化交联反应，产生CO2引起体积膨胀，有一个类似的溶胀作用，达到堵漏的目的。固化后的聚氨酯树脂的抗压强度可达到19.8mpa，和水含量最大可达27倍。[3]聚氨酯为主要材料，制备钻井堵漏剂，在裂缝、裂纹内形成固体塞体，达到堵漏的目的。

1.3 国内外采取延时膨胀的方法

现有的膨胀类堵漏剂吸水速度过快，半个小时已经完全膨胀。经常在现场配制过程和泵送时已经膨胀过大，导致堵漏剂难以进入漏层，部分进入漏层的堵漏剂因提前膨胀致使填塞层强度较低，堵漏效果差。

目前国内外延迟膨胀的方法有包裹法、接枝疏水单体法和非水溶液法。包裹法：包被材料表面上一层疏水性吸附剂颗粒，当颗粒被泵送到漏失地层时，由地层的温度作用和钻井液的剪切力的作用下吸水颗粒的包裹材料破裂，裸露出吸水颗粒进行吸水膨胀，密封发生漏失的裂缝或孔隙。包裹法存在的主要问题有：（1）涂层困难；（2）涂层不均匀，需要多次重复，完全覆盖；（3）涂层工艺复杂，难以实现工业化。接枝疏水性单体法：疏水性单体对水分子进入吸收颗粒内有抑制作用，因此，可接枝一定量的疏水单体，控制吸水膨胀速度。虽然疏水单体实现延迟扩张取得了一定的效果，但引入疏水性单体，还应该考虑到吸水材料的吸水能力。疏水液携带法：以地面流体为一定浓度的疏水性液体，吸水颗粒略有膨胀，当达到漏失地层后被地层水稀释后，携带液的疏水能力降低，吸水颗粒进一步膨胀，填充的渗漏通道。这种方法的问题是，在地层水稀释液后，吸水颗粒的溶胀度降低，吸水时不能达到原有的膨胀程度[4]。

2 结语

目前关于延时膨胀堵漏材料的研制，虽然取得了一定的成果，但有待进一步的完善和优化。延迟的效果和膨胀的倍率还有待完全解决，存在一定的矛盾。比如某些延迟膨胀材料是牺牲了膨胀倍率而达到延迟膨胀的目的，某些是膨胀倍率很大但是延迟膨胀效果不理想。因此提出一种新型的延迟机理，研制新型的可延迟膨胀类材料是接下来研究工作的重点。

[1]徐同台,刘玉杰,申威.钻井工程防漏堵漏技术[M].北京:石油工业出版社,1997:1-4.

[2]黄达全,陈少亮,马运庆等.可膨胀高效承压剂在堵漏作业中的应用.钻井液与完井液,2006,23(3):71-73.

[3]金术英.水溶性聚氨酯在坝工裂缝防渗堵漏中的应用.吉林水利,2007,S1:79-81.

[4]李娟,刘文堂,沈士军.吸水树脂堵漏材料的研究进展.油田化学,2011,28(1):110-114.

史 野（1987-）男，汉族，山东郓城人，工程师，博士，主要从事钻井液研究工作。