溫敏形狀記憶堵漏材料實驗研究

馮杰，臧曉宇，邱正松，暴丹，鄭力會

（1.中國石油大學(北京)石油工程學院,北京 102249；2.中國石油集團工程技術研究院有限公司,北京 102206；3.中國石油大學(華東)石油工程學院,山東青島 266580）

在鉆井作業過程中，裂縫性地層漏失通道大、漏失速度快，堵漏材料難以在裂縫內形成結構穩定的致密承壓封堵層，導致鉆井液堵漏作業難度大[1–2]。橋接堵漏法是目前處理裂縫性漏失最常用的方法，但其依賴于對漏失通道尺寸的掌握以及對橋接堵漏材料的合理匹配，地層裂縫特征參數（開度、深度等）具有可變、不確定和多尺度特性，堵漏材料粒徑級配不合理時，容易產生封門或隨堵漏漿流向地層深處，導致堵漏作業失敗[3–4]。形狀記憶材料具有通過外部因素（熱、光、磁、電、化學等）觸發的響應機制，釋放內部儲存的能量，實現應力釋放及形狀變化[5–6]。形狀記憶聚合物具有形變量大、加工性能好、相對密度小、耐腐蝕、激活溫度可調控等優點，在復雜裂縫性地層防漏堵漏領域具有良好的應用前景[7–10]?；谛螤钣洃浘酆衔锏男螤钣洃?、回復機理，制備了具有熱激活特性的形狀記憶堵漏材料，其具有較好的封堵效果及自適應性，為解決復雜裂縫性漏失提供了技術新途徑。

1 原料與制備方法

1.1 實驗原料與儀器

環氧樹脂單體（EP），酸酐固化劑（PA），工業純；胺類促進劑（EDA），甲基硅油，化學純。Vertex70型傅里葉紅外光譜儀（德國布魯克公司），真空干燥箱（青島藍特恩科教儀器設備有限公司），集熱式磁力攪拌器（常州丹瑞實驗儀器設備有限公司），熱壓成型機（東莞東合機械設備有限公司），振動篩分儀（旭鑫儀器）。

1.2 制備方法

將環氧樹脂單體和酸酐固化劑倒入燒杯中，加熱到60 ℃攪拌10 min，混合均勻后逐滴加入胺類促進劑，攪拌5 min后將混合物澆注到涂有甲基硅油的模具中，放入干燥箱中升溫固化。固化完成后，取出試樣冷卻后脫模，將試樣靜置于120 ℃油浴鍋中5 min后，借助熱壓成型機，加壓保持外力10 min，冷卻卸載外力，通過粉碎、造粒及篩分得到不同粒徑的溫敏形狀記憶堵漏劑顆粒。

2 溫敏形狀記憶堵漏劑性能評價

2.1 紅外光譜分析

測試溫敏形狀記憶聚合物的官能團的分布情況，紅外光譜圖如圖1所示。由圖1可知，2923 cm?1處為C—H鍵伸縮振動吸收峰，1184處為C—O—C特征吸收峰，1230 cm?1處為酸酐特征吸收峰，1727 cm?1處出現了酯羰基的C=O吸收峰，表明酸酐固化劑參與反應生成了酯鍵，環氧樹脂單體與酸酐固化劑成功發生了交聯反應。

圖1 溫敏形狀記憶聚合物紅外光譜圖

2.2 強度測試

參考國家標準GB/T 2567—2008制備了直徑10 mm、高度25 mm的圓柱狀試樣，測試了溫敏形狀記憶聚合物的抗壓強度，結果見表1和圖2。

表1 溫敏形狀記憶聚合物抗壓性能

圖2 溫敏形狀記憶聚合物受壓縮破壞狀態

由表1和圖2可知，常溫下形狀記憶聚合物體系壓縮后發生脆性破壞，抗壓強度較高，壓縮應變小，材料剛度大；高溫下，材料由硬脆性轉變為塑性，剛度減小，韌性增加，受壓后發生塑性變形，在井底高溫下不易破碎。隨固化劑含量增加，聚合物體系的抗壓強度逐漸增大，這是由于交聯度隨固化劑含量增加而升高，使得體系的交聯密度增大，兩相間的物理交聯點增多，加大了承受載荷的能力。

2.3 形狀記憶性能測試

將溫敏形狀記憶聚合物試樣固定成90°置于油浴鍋中加熱，初始溫度設置為20 ℃并逐漸升溫，其形狀記憶性能見表2。SMEP-3不同溫度下形狀回復率與時間關系見圖3。

表2 溫敏形狀記憶聚合物形狀記憶性能參數

圖3 SMEP-3形狀記憶聚合物形狀回復率與時間關系

由表2可知，隨固化劑含量增加，形狀回復開始和結束的溫度均升高，不同固化度的溫敏形狀記憶聚合物體系具有不同的形狀回復溫度范圍，可針對漏失層位溫度合理選擇使用；不同形狀記憶聚合物體系的最終形狀回復率均可超過95%，具有良好形狀回復特性。由圖3可知，形狀回復速度隨溫度升高而增大，形狀回復率達到最大所需時間為幾分鐘至十幾分鐘，可根據漏失通道開度和漏失層位溫度合理選擇使用；形狀回復率隨溫度升高而增大，100 ℃下形狀回復率為80%左右，到達或超過激活溫度后形狀回復率接近100%。

2.4 顆粒膨脹性能測試

將制備的溫敏形狀記憶聚合物粉碎、造粒便可得到具有熱激活特性的形狀記憶堵漏劑顆粒，以SMEP-3體系為例，測試了不同溫度下溫敏形狀記憶堵漏劑顆粒的粒徑增長率，結果見圖4?？芍?，達到激活溫度前粒徑顆粒不發生膨脹，有利于隨鉆井液進入漏失通道；達到激活溫度后，隨溫度升高粒徑增長率逐漸增大，完全膨脹后粒徑增長率超過55%，確保在井下高溫環境中能夠發揮架橋封堵作用。

圖4 SMEP-3溫敏形狀記憶顆粒膨脹性能

3 裂縫封堵特性研究及堵漏配方構建

配制堵漏基漿（4%膨潤土漿+0.4%CMC-HV），采用不同開度楔形裂縫實驗模塊，模擬不同溫度、壓力下堵漏劑的封堵效果，并進行溫敏形狀記憶堵漏配方優化，所用顆粒粒度區間劃分標準見表3。

表3 顆粒粒度區間劃分標準

3.1 溫度對裂縫封堵效果的影響

探討溫度對溫敏形狀記憶堵漏劑的裂縫封堵效果的影響，結果見表4?？芍?，設計的封堵配方以小顆粒溫敏形狀記憶堵漏劑為主，粒徑不超過2 mm，由于在室溫下不發生熱致膨脹，配方中缺乏大粒徑架橋顆粒，無法對裂縫進行有效封堵；升高溫度至80 ℃，顆粒發生不完全膨脹，可在裂縫中進行架橋，但封堵層承壓能力較低；升高溫度至100 ℃，顆粒在短時間內發生較大程度膨脹，形成了較為致密的封堵層，提高了承壓能力及封堵效率，降低了鉆井液漏失量。配方如下。

表4 不同溫度下裂縫封堵實驗結果

1#2% SMEP（10～20目）+3% SMEP（20～40目）+1% SMEP（40～80目）

3.2 裂縫封堵效果對比實驗

選擇3 mm×2 mm的楔形長裂縫，溫度設置為100 ℃，選擇碳酸鈣顆粒、彈性橡膠顆粒和溫敏形狀記憶堵漏劑進行裂縫封堵效果對比，結果見表5。配方如下。

表5 不同類型堵漏材料裂縫封堵實驗結果

由表5可知，在濃度及粒徑級配相同的條件下，碳酸鈣堵漏配方和彈性橡膠堵漏配方無法對3 mm×2 mm裂縫進行有效封堵；而溫敏形狀記憶堵漏劑進入裂縫后在高溫作用下發生熱致膨脹，體積增大，可在裂縫中實現架橋封堵。增大碳酸鈣堵漏配方中架橋顆粒的粒徑，由于剛性顆粒對裂縫敏感性較強，適應性差，粒徑稍大則不易進入漏失通道，封堵層承壓能力較低；增大彈性橡膠堵漏配方中架橋顆粒的粒徑，由于彈性橡膠顆粒彈性模量小，受壓易發生形變，導致封堵層穩定性較差，承壓能力相對較低。而溫敏形狀記憶堵漏劑激活前體積較小，易進入漏失通道，激活后強度大，不易形變，封堵層結構穩定性較好。

3.3 溫敏形狀記憶堵漏體系配方構建

選擇裂縫開度為3 mm×2 mm的楔形長裂縫，溫度設置為100 ℃，通過溫敏形狀記憶堵漏劑顆粒（SMEP）與不同類型堵漏材料的協同作用，進行溫敏致密承壓堵漏配方構建。由表6可知，溫敏形狀記憶堵漏劑復配剛性碳酸鈣顆粒后，由于剛性碳酸鈣顆粒高剛度和高彈性模量的特性，架橋后形成的封堵層骨架具有更高強度，可提高封堵層突破壓力；溫敏形狀記憶堵漏劑復配彈性橡膠顆粒后，由于彈性橡膠顆粒具有受壓變形特性，可填充封堵層空隙，形成的封堵層更加致密，降低鉆井液漏失量；溫敏形狀記憶堵漏劑復配纖維后，纖維分布于封堵層內部，有利于增加堵漏劑顆粒間的剪切強度，可改善封堵層整體穩定性提高封堵層突破壓力。

表6 不同類型堵漏材料協同封堵實驗結果

基于上述實驗結果，采取“形狀記憶顆粒+剛性架橋顆粒+彈性填充顆粒+纖維”的技術思路，通過合理的濃度控制及粒度級配，結合承壓堵漏實驗，構建出一套具有較強自適應性的堵漏體系配方。采用自制裂縫封堵模擬實驗裝置評價其裂縫封堵性能及自適應性，結果如表7所示。由表7可知，在高溫下采用一套溫敏形狀記憶堵漏工作液配方便可對3～5 mm不同開度裂縫實現封堵，承壓能力大于9 MPa且漏失量較小，實現了自適應協同封堵。

表7 自適應協同堵漏體系的封堵性能

4 結論

1.研制的溫敏形狀記憶堵漏劑具有良好的力學及形狀記憶性能，其形狀回復率大于95%，形狀回復溫度范圍可調，形狀回復時間范圍較寬。

2.達到激活溫度前，溫敏形狀記憶堵漏劑顆粒不發生膨脹；進入漏層達到激活溫度后，隨溫度升高粒徑增長率逐漸增大，完全膨脹后粒徑增長率超過55%，確保在井下高溫環境中發揮架橋封堵作用。

3.溫敏形狀記憶堵漏劑達到激活溫度后裂縫封堵效果顯著提升，且高溫激活后封堵效果優于傳統橋接堵漏材料，協同其他類型橋接堵漏材料，構建出一套溫敏形狀記憶堵漏工作液配方，具有較強自適應性，實現采用一套配方可成功封堵3～5 mm不同開度的裂縫。