聚合物凝膠堵漏劑在大裂隙溶洞地層中的研究及應用

左文貴， 朱 林， 吳兵良， 廖光明

(1.有色金屬成礦預測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083; 2.有色資源與地質(zhì)災害探查湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410083; 3.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410083; 4.湖南煤田地質(zhì)第一勘探隊，湖南 衡陽 421000)

1 問題的提出

廣東河源市長翠村地處粵北九連山區(qū)，地形復雜，起伏較大。鉆孔區(qū)域地層多裂縫、溶洞發(fā)育。主要具有以下特征：灰?guī)r溶洞裂隙發(fā)育，泥漿漏失嚴重的井段厚度約500 m[1-4]，同時局部填充有大量的流砂，伴隨著干孔，無返液的情況，導致斷鉆、跑斜、卡鉆、夾鉆比較突出，堵漏工作非常困難；鉆孔孔深100 m處左右分布有灰?guī)r破碎帶，鉆進難度大，鉆進效率極其低下，取心困難，取心率難以得到保證，鉆孔孔壁掉塊現(xiàn)象特別嚴重，易造成卡鉆現(xiàn)象[5-8]。

從地層情況和鉆井施工過程中所遇到的問題可以看出，長期存在于鉆井工作中的井漏問題，到目前仍沒有得到很好的解決。隨著國內(nèi)外專家多年來對堵漏新材料的不斷探索，以前單一的橋接堵漏材料已轉(zhuǎn)化成了復合的堵漏材料，如今已研制出了許多新型堵漏劑，在一定程度上使防漏堵漏的效率得到了很大提高。但是有時候僅僅使用這些堵漏材料仍存在一定的局限性，如在含水的異常高壓層使用水泥漿堵漏，則會出現(xiàn)漿液被地層流體稀釋，無法凝固而導致堵漏失敗的現(xiàn)象，但在水泥漿前先注入一段封隔的聚合凝膠，則能有效提高堵漏的成功率[9-10]。為此，凝膠也隨著其優(yōu)良的特性和表現(xiàn)，成為了近幾年國內(nèi)外研究機構(gòu)的研究重點，并且在凝膠堵漏材料上取得了一定的進展。如中國石油集團渤海鉆探工程有限公司研制出的WS-1凝膠，國外的Sweatman等人研制出的聚合物堵漏體系(CP)，Lecolier等人研制出的交聯(lián)聚合物橋塞堵漏劑(CACP)等，均在多口惡性漏失井中取得了良好的現(xiàn)場應用效果，而這種效果是眾多新型堵漏材料所實現(xiàn)不了的。雖然凝膠用于處理井漏已取得了良好的效果，同時其相關(guān)堵漏機理的研究也有了一定進展，但是在處理大裂縫、溶洞性漏失等問題上還未解決。因此，我們針對大裂隙溶洞地層，對一種新型凝膠堵漏劑進行了研究。

2 聚合物凝膠堵漏機理

2.1 聚合物成膠原理

當聚合物分子溶于水后，聚合物分子的主鏈或側(cè)鏈可通過化學鍵與高價金屬離子相互連接，形成一種可包裹自由水的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即形成凝膠體。而凝膠體的空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)通常具有很高的粘彈性，這種網(wǎng)絡的大小主要取決于高分子鏈之間以化學鍵交聯(lián)的數(shù)量[11-12]。當聚合物的交聯(lián)程度足夠高時，發(fā)生交聯(lián)的鏈段就會阻止鏈和鏈之間的移動，鏈段僅能在一個平面伸直，但是當外力消失后，鏈段可以恢復至原來位置[13-14]。

2.2 凝膠堵漏原理

根據(jù)鉆井現(xiàn)場的實際情況(漏速、漏層深度等)來控制凝膠的成膠時間，使凝膠在完成成膠前以液體或者高粘稠流體進入漏失通道，并盡可能的多覆蓋所有漏失井段，由于凝膠本身以液態(tài)形式出現(xiàn)，所以不論漏失通道的形狀如何，凝膠都可以順利的進入。停泵后，凝膠停滯在井筒和漏失通道中，隨著時間的延長逐漸成膠，此時，凝膠與漏失通道壁面之間可以產(chǎn)生較大的粘滯阻力，隨著凝膠的逐步成膠，粘滯阻力逐步增加，產(chǎn)生壓差漏速逐漸減小，當凝膠完全成膠后，形成的強度足以抵抗井筒與漏層之間的壓差時，堵漏便成功。由于凝膠成膠后具有憎水的特性，其完全成膠后形成的塊體很難被水稀釋，也很難被孔內(nèi)氣體所破壞，而且在其運動過程中還有很好的推水和推氣作用。因此，凝膠堵漏尤其適用于常規(guī)堵漏材料難以封堵的鉆孔漏失[15-17]。

3 堵漏凝膠的開發(fā)

3.1 聚合物和交聯(lián)劑的篩選

成膠時間和強度是凝膠堵漏的關(guān)鍵技術(shù)，成膠時間短，則很難泵入地層，應該找到一種適合的投送方法；成膠時間太長，一方面會導致因堵漏耽誤時間太多，另一方面也會由于成膠時間長而導致成膠強度比較低，不利于堵漏，或者堵漏成功率低，所以選擇聚合物或交聯(lián)劑一定要保證凝膠應有一定的成膠強度[18-19]。聚合物種類比較多，但不一定都能成為凝膠，有的聚合物成膠后強度過低，使得堵漏成功率降低，而且有時還很難找到合適的交聯(lián)劑。因此，如何選擇聚合物和交聯(lián)劑顯得尤為重要。通過對堵漏劑相關(guān)技術(shù)的調(diào)研，同時對不同聚合物和凝膠劑成膠情況進行研究，根據(jù)成膠強度選出4種聚合物體系進行對比分析。成膠效果如表1所示。

表1 不同聚合物與交聯(lián)劑成膠情況

通過試驗了大量不同的聚合物和交聯(lián)劑。我們篩選的是目前市面上不曾出現(xiàn)的，能成膠并且具有較好成膠強度的凝膠體系，所以選擇了聚乙烯醇和硼砂交聯(lián)，聚合物采用聚乙烯醇，即PVA，交聯(lián)劑采用硼砂，開展一系列相關(guān)的室內(nèi)試驗。

3.2 聚合物凝膠體成膠試驗

3.2.1 聚合物濃度加量試驗

為研究聚合物凝膠體系，對選定的聚合物和交聯(lián)劑，我們進行了不同濃度的成膠試驗，測得反應體系的粘度。如表2所示。

表2 聚合物濃度對膠體粘度的影響

由圖1可以看出，當聚合物的濃度增大時，反應體系的表觀粘度也隨之增大，反應體系中的聚合物與交聯(lián)劑充分反應，所形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)密集程度越大，表觀粘度也隨之增大。但當聚合物濃度達到一定值時，聚合物反應體系充分反應，成膠粘度已到穩(wěn)定狀態(tài)，甚至略有降低。

圖1 聚乙烯醇濃度對表觀粘度的影響

3.2.2 交聯(lián)劑加量試驗

為了考察硼砂交聯(lián)劑的加量對反應體系粘度的影響,不同交聯(lián)劑加量時，測定反應體系的表觀粘度,試驗結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出當聚合物濃度與溫度為某一常數(shù)時，聚合物膠體的表觀粘度隨著交聯(lián)劑的加入而增加，最后逐漸趨于平穩(wěn)，并略有降低，其相關(guān)的變化關(guān)系見圖2，粘度的增加是由于交聯(lián)劑與聚合物反應的結(jié)果，當交聯(lián)劑的添加量超過兩者反應所需的量時，其表觀粘度不再繼續(xù)增大。交聯(lián)劑添加量較小時，聚合物中只有少量的與交聯(lián)劑產(chǎn)生化學反應，其形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較疏松，膠體的表觀粘度小，隨著交聯(lián)劑加入量增多，參與化學反應的聚合物也逐漸的增多，從而生成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)膠體變得越來越密實，膠體的表觀粘度也隨之加大。后期聚合物凝膠體系所形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)強度過大，結(jié)構(gòu)致密，降水分子包裹起來，粘度變差。當聚合物濃度與交聯(lián)劑濃度達到一定值時，兩者反應達到平衡，聚合物體系充分反應。

表3 交聯(lián)劑濃度對膠體粘度的影響

圖2 交聯(lián)劑濃度對表觀粘度的影響

3.3 配方優(yōu)選

凝膠堵漏劑的關(guān)鍵因素主要是將聚合物與交聯(lián)劑成膠時間控制在合理的范圍內(nèi)，即將成膠時間控制在1～3 h為最優(yōu)。由以上成膠試驗可知，凝膠體系存在交聯(lián)劑的最佳用量值，通過對以下8個聚合物和凝膠劑配方成膠情況進行研究分析，以確定最佳配方。(1)清水+2%PVA+1%硼砂；(2)清水+2%PVA+1%硼酸；(3)清水+2%PVA+1.5%硼砂；(4)清水+2.5%PVA+1%硼砂；(5)清水+3%PVA+2%硼砂；(6)清水+3%PVA+2%硼砂+0.75%六偏磷酸鈉(緩凝劑)；(7)清水+3%PVA+2%硼砂+0.75%六偏磷酸鈉(緩凝劑)+1%細木屑；(8)清水+3%PVA+2%硼砂+1%植物膠+1%細木屑(骨架材料)。

成膠效果如表4所示。

表4 凝膠成膠數(shù)據(jù)

配方(8)是為了探究另一種將凝膠堵漏材料送入漏失通道的方法，植物膠首先也能夠和硼砂交聯(lián)，形成具有一定粘彈性的水基凝膠，在這種水基凝膠中PVA又與硼砂交聯(lián)，形成一種復合凝膠體系，初期能夠在分散介質(zhì)中形成分散的小團凝膠塊，這些復合的小凝膠團能夠完全形成具有很大強度的整塊凝膠，但所需時間很長，其原理與加入緩凝劑相似，水基凝膠可以隔離開PVA凝膠與水，從而減緩其反應速率。然而，其可以快速形成的分散小凝膠團強度很高，且相互接觸時也會相互融合具備一定強度，所以設想將這種復合凝膠體系在分散小凝膠團的情況下泵入漏失通道，使其小凝膠團被擠壓填補裂縫與孔隙，減少成膠時間，提高生產(chǎn)效率，成膠。

3.3.1 配方體系堵漏性能評價

本次堵漏性能測試中所使用的堵漏測試儀是根據(jù)高壓失水儀原理自制，模擬破碎地層條件下漏失的儀器。圖3為自制模擬堵漏測試儀，圖4為模擬破碎地層所用的砂石。

如圖5和圖6所示，前4種配方所形成的膠體雖具有一定的粘彈力，但是比較稀，手觸摸仍然會有液體粘滯感，說明此配方交聯(lián)沒有完全將所有的分散介質(zhì)(水)包裹在凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，并且此時凝膠幾乎沒有強度，挑掛性弱，挑起后會由于自身重力而斷裂，因而不進行進一步堵漏承壓測試。

堵漏性能測試結(jié)果如表5所示。

凝膠材料完全封堵漏失通道如圖7，加入植物膠后效果如圖8。

圖3 模擬堵漏測試儀

圖4 模擬破碎地層所用砂石

圖5 凝膠成膠

圖6 凝膠成膠

配方測 試 結(jié) 果(5)加壓至3.5 MPa,未漏失,堵漏成功,由于3.5 MPa已到達儀器承壓極限,故無法測試凝膠堵漏材料突破壓力(6)加壓至3.5 MPa,未漏失,堵漏成功,可見加入緩凝劑在設計承壓范圍內(nèi)對凝膠體系承壓能力無影響(7)加壓至3.5 MPa,未漏失,堵漏成功,但由于設備限制,無法測試突破壓力,無法測出加入骨架材料后凝膠堵漏材料的承壓能力有所提升(8)放入凝膠堵漏材料后,加入1000 mL水,不加壓漏出220 mL,這是由于此時凝膠體系是分散的小凝膠團,還未能完全進入裂縫與孔隙中,加壓初期又有160 mL漏失,原因也是由于凝膠堵漏材料還未能完全進入裂縫與孔隙中封堵漏失通道,加壓穩(wěn)定至3.5 MPa后無漏失,堵漏成功

圖7 凝膠堵漏效果圖

3.3.2 破膠性能測試

將配方(8)(清水+3%PVA+2%硼砂+1%植物膠)配置的凝膠取4 g，2 g加入40 mL基漿(鈉土+純堿)，2 g加入40 mL清水中浸泡。

圖8 加入植物膠堵漏效果

浸泡1 h，水中凝膠約有50%被溶解，基漿中凝膠吸水膨脹，攪拌后變?yōu)槎垢鼧?。說明破膠性能良好，不會卡住鉆具，影響鉆井，而隨鉆井往下鉆，鉆井液只會溶脹表層凝膠，不會侵入漏失通道溶脹堵漏材料，而在1 h內(nèi)溶解的凝膠約為50%，說明也可在含有一定地下水的地層使用，但是不能用于含大量地下水且有強地下水流時使用。

根據(jù)以上試驗結(jié)果，綜合成膠時間(1～3 h最佳)，承壓能力(大于3 MPa)，破膠性能(凝膠加入鉆井液后易破膠)，并結(jié)合鉆孔區(qū)域地層常遇灰?guī)r，地層壓力較大，在封堵較大的裂縫，需要較大承壓能力的堵漏劑等各方面條件，因此確定最佳應用配方為3%PVA+2%硼砂+1%植物膠+1%細木屑。

4 現(xiàn)場實際應用分析

根據(jù)研制的新型聚合物凝膠堵漏劑，針對鉆井漏失井段進行現(xiàn)場堵漏試驗，通過與復合堵漏劑的配合使用，成功完成了漏失層的封堵。

通過觀測鉆井液的流速來看，采用新型PVA堵漏劑堵漏之后，整個鉆井過程中未見有大的流失，只有一些小漏失：漏失速度在5～15 m3/h，因此再采取靜止堵漏方式隨鉆堵漏。堵漏漿配方:一定量井漿+3%膨潤土+3%～8%復合型堵漏劑+3%單向封閉劑，調(diào)整粘切提鉆至漏失層位，用小排量將堵漏漿泵入至漏失層位后，提鉆至漏失層位頂部，靜止堵漏4～6 h(堵漏期間必須保持井內(nèi)灌滿鉆井液)，再在漏層頂部循環(huán)30 min，不漏則恢復鉆井。

所研制的凝膠堵漏劑配合復合堵漏劑使用可以提高堵漏成功率，凝膠可以把地層水和水泥漿分開，并起到一定的保護作用，實現(xiàn)平衡堵漏，現(xiàn)場試驗表明，所研制的聚合物凝膠堵漏劑對大裂隙、溶洞地層漏失等緊急情況具有較好的堵漏效果。