稳定井壁封堵材料分类的研究进展*

郑力会 吴通 陶秀娟，2 闫振峰 罗江伟 甘茂宗

(1. 中国石油大学(北京)石油工程学院 2.陕西科技大学化学与化工学院 3. 渤海钻探第二固井公司)

0 引 言

井壁稳定是油气井安全钻井的必要条件，且已经成为掣肘深井、超深井及海上钻井的主要问题。井壁失稳从广义上讲，是指井塌、井漏、掉块以及缩径等所有井下难题，狭义上讲，仅指井壁坍塌。

一般认为，井壁失稳由地质因素和工程因素两方面导致。地质因素可分为原地应力、岩石强度等地质力学因素，以及岩性、结构、温度和产状等地层因素两类。工程因素是由于钻井流体性能配伍性、起下钻作业不规范和钻井机械扰动等所致。目前控制井壁稳定的方法是通过钻井流体固壁材料或者井下工具加固井壁，以提高地层承压能力；或者利用特定工艺及技术装备，通过优化井身结构、调整井眼轨迹精准化控压钻井实现井壁稳定。因此，通过提高钻井流体抑制性、降低钻井流体活度及增强钻井流体封堵性能等应对井壁失稳甚至窄密度窗口是最为常用的方式。其中，利用封堵材料可以节省时间、减少成本及简化工序[1]。

稳定井壁的封堵材料来源广泛且类型多样。广义上讲，封堵材料指用于封堵的物质或制造封堵体系的物质，如用于石油钻井的封堵材料包括套管、封隔器等机械材料，以及滞留在封堵体表面或进入漏层的非机械材料。狭义上讲，封堵材料仅指非机械材料。依据材料的形状不同，R.J.WHITE[2]将封堵材料划分为纤维状、片状和颗粒状以及这些材料的混合物等4种。依据材料的应用范畴不同，H.H.ALKINANI等[3]将封堵材料划分为堵漏材料和防漏材料2大类。依据材料的力学硬度差异，苏晓明等[4]将封堵材料划分为刚性封堵材料和柔性封堵材料2大类。依据材料的作用机制不同，张希文等[5-6]则将封堵材料划分为桥接材料、高滤失材料及柔弹性材料等共6大类。可以看出，现有材料的分类依据多样，不同分类之间既各成体系，又难免交叉，由此导致封堵后稳定井壁评价方法各异，不同材料封堵稳定井壁的能力缺乏统一的评价标准。同时，随着新材料研发的不断深入，新型稳定井壁封堵材料不断涌现，现有的分类不能或只能部分囊括新材料的归属，不利于室内材料研发人员根据材料的作用原理和封堵机制制定针对性的评价方法，不利于新材料应用和推广。

针对当前稳定井壁封堵材料分类现状，为进一步解决现有封堵材料类型划分存在交叉、重叠的问题，本文在总结前人对封堵材料分类的基础上，提出以封堵结构形成时的作用原理为划分依据，即以是否发生化学反应生成新物质为依据，将封堵材料划分为物理封堵材料和化学封堵材料。物理封堵材料是指在漏失通道中依靠材料的力学强度和硬度，通过覆盖、堆积、架桥及膨胀堵塞等方式形成具有承压能力封堵结构的封堵材料总称。这种分类方法不再以材料自身所表现的形状、结构或力学性质为分类依据，而是以材料的作用原理为依据，在一定程度上能避免以形状、结构等外在性质归类所带来的材料类型的交叉和重叠，能有效涵盖现阶段和未来新型封堵材料的类型，有助于为稳定井壁封堵材料评价方法和标准的建立提供基础依据。

1 物理封堵材料

物理封堵材料需要依靠材料的强度、刚度及硬度等宏观力学性能参数，结合地层的挠曲度和孔喉尺寸等属性，建立可以减少井筒与地层压力之间沟通的封堵层结构。使用物理封堵材料构建封堵层成功的关键在于材料与漏失通道大小的匹配性。根据材料的作用机制，可将物理封堵材料分为机械支护材料、桥接封堵材料、变形填充材料、泡沫堆积材料及成膜封堵材料。

1.1 机械支护材料

机械支护是指应用机械装备，将承受液柱压力的岩石井壁置换为具有不同强度刚级的管柱，从而对井壁进行强化加固、隔绝压力体系的一种封堵方式。目前，钻遇漏失、地层压力异常和压差卡钻问题的地区，最广泛被采用的解决办法仍是增加一层井身结构，即下一层套管(技术套管或尾管)加固井壁[7]。由于使用管柱加固井壁形成承压结构，并没有发生化学反应，所以将其归类为物理封堵材料。

机械支护材料包括常规下套管[8]和下膨胀管[9]两类，流程及方法较为成熟。机械支护在保护井周围岩的承载力和支撑防护井壁方面具有显著作用效果，相比其他方法或技术手段有着天然的优越性。但是，随着地质勘探不断深入，油气动用储量逐步转向深部裂缝发育地层、压力枯竭油气藏以及海洋深水井的开发，在实际作业时为防止发生漏失和井涌，就需下入多层技术套管封隔复杂层段，因而增加并提高了井身结构层次及强度，导致完井井径和生产套管尺寸大大减小，影响油气产量和后续作业。相对于传统套管作业，膨胀管技术在不损失井眼尺寸的情况下创造稳定的井下环境，一方面优化深井及超深井的井身结构，减小井眼锥度，减少井下事故，降低作业成本；另一方面，膨胀管用作生产套管，可增大井眼泄流面积，有利于井眼增产措施实施和井下作业维护[10]。但是，由于井下受力状态及环境恶劣，用于膨胀管之间连接的特殊螺纹强度、精度及契合度要求高，导致该技术的应用成功率无法保障。同时，操作工序繁杂、施工周期偏长和综合成本高等带来的负面影响，也限制了该技术的规模性应用和推广[11]。

1.2 桥接封堵材料

桥接堵漏是指应用桥接封堵材料，在渗流漏失通道端面或内部形成具有承压能力的类似桥梁的封堵结构，实现井壁稳定的一种封堵方式。桥接封堵材料通常指形成封堵结构前后理化性质不发生变化的颗粒类、片状类及纤维类等不影响钻井流体性能的惰性材料总称，一般按材料的刚度划分为刚性桥接材料和柔性桥接材料，按材料的作用组成分为骨架支撑材料和架桥充填材料，是现场最为常用的封堵材料种类之一[12]。目前，纤维作骨架支撑剂，用于油基钻井流体是当前油基钻井流体的发展方向之一，纤维类材料的引入能有效提高油基堵剂的悬浮能力和封堵效率。图1所示为湖北汉科公司清洁纤维油基钻井流体室内悬浮钢珠和颗粒效果。

图1 清洁纤维油基钻井流体及其悬浮能力示意图Fig.1 Clean fiber oil-based drilling fluid and its suspension ability

由图1可见，在清洁纤维油基钻井流体体系中，纤维能均匀分散在钻井液表面，并形成网状结构，充分缠绕、捕获杂物，既能成倍地提高钻井液的携岩能力，有效捕获钻屑、金属碎片、砂子和砾石，还能有效提高膜封堵效率。

骨架支撑材料指用于构建封堵层骨架结构的封堵材料。架桥充填材料指用以填充封堵层骨架结构尺寸的次一级封堵材料，主要由刚性颗粒、纤维类材料、片状材料和柔性塞填材料组成[13]。骨架支撑颗粒类材料常采用核桃壳、石灰石和硫矿粉等，纤维类则常用锯末、棉纤维和木质纤维等，片状材料常用云母片、木片和赛璐珞粉等。充填材料包括刚性充填材料和柔性塞填材料，多呈颗粒状使用，由粒径小一些的架桥材料、橡胶弹性粒子、聚合物弹性颗粒及石墨烯等组成。

桥接封堵材料的生产、包装运输和储存管理标准、规范等要求均低于其他类封堵材料，同时其对工作液的配伍性、简便性要求等也不高于其他类封堵剂，且其使用的级配和浓度范围也有很多理论基础研究。但桥接材料承压需要材料尺度与地层漏失的孔喉大小级配匹配，而且材料需有良好的抗压强度及抗温性能。因此，近年来的架桥材料已由传统的材料发展至具有强支撑力的纳米材料、合金颗粒材料、智能材料甚至形状记忆合金丝材料[14-15]。

1.3 变形充填材料

变形充填材料主要应用材料的浊点、软化点及吸水膨胀性等物理变形特性制成，包括以磺化沥青及聚合醇为代表的软浊充填材料和以吸水树脂为代表的膨胀充填材料。

1.3.1 软浊充填材料

软浊充填材料是指利用材料的浊点和软化点特性，通过嵌实填充于滤饼或者孔隙型漏失岩石表面，以减少滤液渗透，提高滤饼质量或者地层承压能力的封堵材料。

一般认为软浊充填材料的封堵机理有物理作用和物理化学作用两方面。物理作用方面认为，当井下条件接近材料的浊点或者软化点时，材料的胶体粒子或亚微米粒子通过压差作用变形，填塞、嵌入或涂敷在漏层表面、滤饼或者微裂缝中，阻止液相渗透，稳定易失稳地层。物理化学作用方面认为，如材料含磺酸基，材料会吸附在泥页岩黏土颗粒或页岩晶层断面上，提高黏土颗粒的负电性，并在井壁上形成不渗透的憎水薄膜，阻止页岩进一步水化分散膨胀，从而提高泥页岩的稳定性。

沥青类材料的理论及应用已较为成熟。添加有聚合醇(聚乙二醇)的或聚醚多元醇的钻井流体，不仅能够利用其浊点效应对泥页岩微裂缝与微节理进行封堵，还具有流型增效、润滑、低毒性、易生物降解及无荧光不干扰地质录井等特点。此外，无论是井眼温度高于还是低于浊点温度，聚合醇都可以提高体系的抑制性，并最大程度维持岩石的强度[16]。然而，尽管聚合醇钻井流体拥有诸多优良性能，但由于其品种多、产品质量差别大，仍影响了钻井流体的发展[17]。

1.3.2 膨胀充填材料

膨胀充填材料是指在压差作用下进入到漏失通道后，通过架桥、填塞，最终以吸水膨胀和紧密压实的方式形成封堵结构的封堵材料，以高分子树脂材料为代表，同时也还包括有淀粉类、橡胶及预交联凝胶等材料。

吸水树脂类材料的技术发展现较为成熟，种类较多，并以脲醛树脂堵漏剂使用居多。常用的方法是将固态的树脂加入到钻井流体或堵漏浆中，以改善体系的封堵性能。与常规体系相比，树脂具有低黏、可变形、易注入、高耐盐、耐酸、耐油的特性，且抗压和抗稀释能力强[18]，封堵有效周期长，可以进入不同尺度的漏失孔道，因而被广泛用作油井堵漏材料[19]。此外，树脂堵漏材料在吸水体积膨胀后，具有很好的弹性，能在压差作用下进入漏失地层，并根据裂缝的尺寸大小进行形状调节，以满足不同裂缝尺寸的需求，解决了一些传统的桥接堵漏材料和无机凝胶堵漏材料无法解决的问题。

膨胀类材料通过聚合物大分子交联作用，只溶胀而不溶解。聚合物颗粒体积增大，溶胀体强度高，抗冲刷能力强，可提高封堵效果。虽然树脂类堵漏材料成功率较高，但钻井流体配制过程中易提前膨胀而增加泵送难度。因为膨胀后材料强度低，泵送过程中易在钻杆、钻头喷嘴处剪切破碎，而且提前膨胀的材料粒径与漏层孔隙、裂缝大小和形状不匹配形成的封堵层结构不牢固，所以需使用包覆技术处理膨胀材料，一般通过包括延时溶解材料、接枝疏水性单体或采用专门携带液的方法，延迟材料吸水膨胀反应发生的时间[20]。但吸水膨胀类材料价格昂贵，作业配制复杂，耐温性差，且难以控制大裂缝和溶洞性漏失，这些问题限制了其广泛使用。

当前，为了提高吸水型膨胀体封堵层的结构强度，以有效处理管外窜等封堵难题，形成了以水泥为基础的高强度胶凝膨胀型堵漏体系。这类水泥复合膨胀堵漏体系兼顾了水泥的强封堵能力和膨胀材料的可变形能力，提高了封堵的成功率，比如中石化胜利井下作业公司典型的胶凝膨胀KDF水泥浆体系，该体系是一种以水泥为基础的膨胀堵剂，膨胀比例0.5%～5.0%，有利于堵剂充满堵漏空间，膨胀固结后承压强度达5～15 MPa。该体系室温下膨胀充填前后体积对比试验结果如图2所示。

图2 KDF体系膨胀固结前后体积对比Fig.2 Volume comparison of KDF system before and after expansion and consolidation

1.4 泡沫堆积材料

泡沫堆积材料由于具有静液柱压力低、滤失量小、携砂性能好、助排能力强以及对地层伤害小等良好的特性，广泛应用于压裂、酸化、堵水和调剖等领域，较少用于稳定油气井井壁封堵。由于其利用自身的堆积形变能力进行封堵，所以被归类为物理封堵材料，比如在钻井过程中应用的可循环泡沫以及在此基础上形成的绒囊封堵材料。利用仿生原理由环保型聚合物及表面活性剂自组装配制形成，通过氢键和疏水缔合作用形成流动时为囊泡、静止时吸附聚合物并具有自身降解恢复渗透率能力的绒囊封堵材料[21]，在煤层气钻井中实现了提高地层强度而稳定井壁。

绒囊封堵材料入井时囊泡压缩，随缝、洞、裂隙形态变形进入地层，根据空间大小堆积、拉抻和填塞充满流体通道，并通过升温低压膨胀充满空间，使封堵材料静止或降速，为绒毛粘结破碎岩石提供粘结时间、环境及条件。粘结处理剂粘结地层破碎体后，岩石强度和韧性提高，漏失压力升高，坍塌压力降低，工作液安全密度窗口扩大[22]。目前绒囊流体已成功应用于塔河油田7 000多m的深井压裂，绒囊流体的封堵能力得到验证[23]。为了进一步提升绒囊流体的耐盐抗温和承压能力，研究人员成功开发了承压能力更强的耐盐抗温的纳米绒囊流体，绒囊体系和纳米绒囊体系微观结构如图3所示。

图3 绒囊流体和纳米SiO2-绒囊流体外观及冷冻电镜照片Fig.3 Appearance and cryo-SEM photo of fuzzy-ball fluid and nano-SiO2- fuzzy-ball fluid

从图3可以看出，绒囊中引入质量分数1%的纳米SiO2后，体系的外观变化不大，但体系的中囊泡变得细腻，分散性更好。扫描电镜结果显示，绒囊体系中引入纳米SiO2后，井下高分子网格结构变得致密，纳米颗粒较均匀地分布在网格结构表面。室内测试结果显示，纳米绒囊的耐盐耐温能力和承压封堵能力都得到了有效增强。

1.5 成膜封堵材料

成膜封堵材料指在漏失通道表面浓聚成胶束的聚集体或膜，并具有一定承压封堵能力的聚合物封堵材料，是具有一定化学疏水特性的乳状材料[24]。其封堵机理是，在钻井流体中加入的特殊聚合物处理剂在岩石表面浓聚成胶束，依靠聚合物胶束或胶粒界面吸力及其可变形性，使钻井流体内的固相在井筒流体与井壁界面的架桥结构上形成一层可以封堵地层孔隙和裂缝的超低渗透半透膜或隔离膜，从而增强滤饼封堵及承压强度，提高井壁地层承压能力和破裂压力梯度，实现储层岩石安全密度窗口扩大。由于其利用封堵材料的物理作用实现变形涂覆，所以将其归类为物理封堵材料。

由于成膜钻井流体克服了一般水基钻井流体抑制防塌性、润滑性、封堵性和携岩能力差等一系列缺点，且较油基钻井流体成本低、环境友好，同时又克服了一般水基钻井流体存在的诸多问题，所以该体系具有广阔的应用前景。但是，常规的成膜剂仅考虑成膜吸附，并未考虑和刚性颗粒的协同吸附作用，且应用的前提是有可吸附的介质，因此在相对较大的地层孔隙条件下的应用效果并不理想。目前成膜剂和超低渗透剂可供选择的品种较少，有待进一步发展。

2 化学封堵材料

地层漏失或坍塌尺寸大小不明时，刚性封堵材料与漏失尺寸级配成为掣肘选择材料的关键。化学封堵材料随工作液泵送至漏失部位，通过化学交联或胶结封堵形成封堵结构，封堵漏失。

化学封堵材料是指通过发生化学反应，如水化反应、交联反应和成盐沉淀等，形成具有承压结构的封堵材料总称。化学封堵材料构建封堵层的成功与否在于其是否可以在漏层滞流，以及反应时间和条件是否合适。根据材料的作用机制可分为交联封堵材料、胶凝封堵材料及沉淀封堵材料。

2.1 交联封堵材料

交联封堵材料是指在漏失通道中发生交联反应，形成具有一定抗变形能力和承压能力的结构材料，如脲醛树脂和水解聚丙烯腈等高分子聚合物材料。

交联封堵材料对漏失通道具有良好的适应性，其自身可以通过挤压变形进入孔隙或裂缝。交联类堵漏材料常被用于处理常规堵漏材料难以封堵的含水层或恶性漏失[25]。交联反应成胶之后，封堵结构表现出良好的黏弹性和韧性，具有较强的抗剪切、抗腐蚀及承压增阻能力，可以减缓漏失通道内的压力传播和裂缝诱导扩展。交联型封堵材料的交联时间、交联强度、耐温性和现场施工工艺等受多重因素影响[26]，同时凝胶材料难以彻底处理大裂缝和溶洞型漏失等恶性漏失地层，封堵效果受限于裂缝尺寸和形态。

为了满足缝洞型等恶性漏失井况对封堵体系强度和承压能力的需求，中国石油大学(北京)研究人员在绒囊流体的基础上开发形成了一种高强度的交联绒囊封堵体系，该体系绒囊流体交联前、后流动状态如图4所示。

图4 绒囊流体交联前、后及交联体系破胶后状态Fig.4 State of fuzzy-ball fluid before and after crosslinking as well as after viscosity break of cross-linking system

从图4可以看出，绒囊流体加入一定比例的交联剂后，体系即失去流动性。室内测试交联绒囊流体体系封堵承压能力达70 MPa。在室温下，向交联绒囊体系中加入一定pH值的流体和破胶剂，用玻璃棒搅拌即可实现绒囊交联体强度的解除，体系恢复流动性。

2.2 胶凝封堵材料

胶凝封堵材料主要是粉状硬性的无机胶凝材料，包括硅酸盐水泥(硅基水泥)、铝酸盐水泥(铝基水泥)和氯镁氧水泥(镁基水泥)等。水泥浆在注入顶替过程中具有良好的流变性，泵送停止后则迅速形成具有刚性、能自身支撑的凝胶结构，其胶凝时间、承压强度及水泥固化性能取决于材料的水化反应速率、水泥颗粒的粗细分散程度及复配材料等。山东东营泰尔公司的高强度复合胶凝水泥堵漏浆现场配浆的罐中状态如图5所示。

图5 配浆罐中的高强度复合水泥浆堵漏体系Fig.5 High strength composite cement slurry plugging system in slurry tank

从图5可以看出，高强度复合水泥浆堵漏体系固相分散均匀，现场根据堵漏技术使用方便、密度可调、强度适中且适用范围广，具有较高的堵漏成功率。一般在钻进压力衰竭地层、破碎性储层[27]、弱胶结地层、裂缝发育地层及多套压力层系等地层时，恶性漏失问题非常突出，水泥浆堵漏是主要手段[28]。但水泥浆堵漏由于密度较大，不易滞留在漏失通道中，常因漏入地层深处而导致堵漏失败[29]。在含水的异常高压层使用水泥浆堵漏时，水泥浆易被地层水稀释，稠化时间延长导致堵漏失败。因此，水泥浆堵漏需要复配如橡胶粉、纤维及凝胶等其他堵漏材料，形成纤维水泥浆、泡沫水泥浆及胶质水泥浆，以提高滞留能力及抗稀释能力[30]。在胶凝水泥封堵体系的基础上，为解决当前常规水泥浆胶凝堵漏存在需多次下钻以及有效工作时间短等问题，中国石油大学(北京)研究团队开发了一类流变性好、不固化的“一趟钻”新型堵漏绒囊水泥浆体系。图6所示为室内绒囊水泥浆配浆图和填砂管封堵试验效果图。

从图6可以看出，绒囊水泥浆具有常规水泥浆的形态，填砂管封堵后，绒囊水泥浆不发生固结。绒囊水泥浆是在绒囊流体基础上开发的新型封堵体系，该体系充分利用绒囊流体的流变特性有效调节水泥浆的流变性质，有望实现在不使用架桥材料的情况下直接通过井下工具实现“一趟钻”不起钻堵漏，可节约处理井漏的时间。

图6 室内绒囊水泥浆及填砂管封堵效果图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钻井流体，能通过中和、水解、电离或络合反应生成沉淀的材料，如硅酸盐和铝盐类[31]等，在随钻堵漏中使用较多。沉淀封堵材料通常是由于酸碱度、电性能及钻井流体活度等激活发生反应，如铝离子在不同酸碱度下可呈离子状、胶状和沉淀状，且高价铝离子可以形成螯合物或者杂环复合物，可以共价键形式与非金属离子形成络合物封堵剂。在钻进过程中这种材料与低pH值的井壁和岩石表面接触后，发生沉淀反应，形成致密的络合铝矿物内滤饼，可提高地层承压能力，稳定井壁[32]。另外，带负电的硅酸盐聚积体进入页岩孔隙接触pH值接近中性的页岩后，会形成三维网状凝胶结构，并与地层水中的多价金属离子(如钙离子和镁离子)反应生成不溶沉淀物[33]。

沉淀封堵材料通常不影响体系性能，尤其在处理泥页岩段时，可以形成良好的内封堵结构。但是，由于井下环境恶劣与漏失尺寸未知，此类材料并不能实际处理较大型漏失，仅能作为预防漏失手段。

为解决大裂缝和溶洞型漏失这类复杂地层的大型或较大型漏失难题，中国石油大学(北京)研究团队开发了一种智能匹配蜂窝植入式封堵材料，一方面通过物理作用在地层中植入蜂窝承压骨架，将大尺度漏失通道分割成数个小尺度漏失通道，另一方面充分利用交联/胶凝/沉淀材料的流动性和可变形能力进一步充填蜂窝结构。智能匹配蜂窝植入式封堵材料有望发展成为解决大裂缝和溶洞型漏失的技术关键。

3 结束语

随着封堵学理论和技术的发展，在不同领域之间封堵材料开始相互渗透借鉴，互通有无。目前，井壁的漏失和复杂坍塌无法单纯依靠某一类性质材料就能有效解决。对封堵材料进行合理的分类，基于目标需求，建立同类材料封堵能力评价标准，能为封堵材料组合、筛选、优化、开发和现场应用提供依据。同时，通过封堵材料的信息化、智能化集成，可以推动封堵材料的产业化、专业化和规模化，提高应用效果的理想化。

依据材料分子在稳定井壁过程中形成封堵结构时是否发生化学反应，重新划分了封堵材料类型，这在一定程度上解决了现有稳定井壁封堵材料之间的重复和交叉问题，为建立封堵材料性能评价方法研究提供理论支撑，也为如调剖、堵水及建筑土木等相关领域封堵材料的借鉴和互通提供了参考。该研究将有助于促进不同领域封堵材料的交叉和融合，推进封堵理论研究和应用，推动封堵学(Sealaplugology)这一新学科的发展。