钻井封漏凝胶功能
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钻井恶性漏失处理不及时将严重伤害油气层、降低油气井产能乃至绝产，还可能诱发卡钻、井喷、井塌等一系列井下复杂情况甚至井眼报废，遇有高压高含硫气田将危及人身安全和污染环境，造成重大经济损失和严重的社会影响。过去，现场处理恶性漏失时，往往凭经验靠累积效应几十次甚至上百次的堵漏（如金鸡1井堵漏103次才取得成功，漏失钻井液73 415．5 m3），堵漏成功率极低，其根源在于常用的堵漏浆为水基流体，易与漏失空间的水或漏入的钻井液自然相混而被冲稀，难以滞留堆集在漏层内的入口附近和支撑漏失压差的破坏作用［1－2］。基于“隔断式凝胶段塞”堵漏理念，借助“结构流体流变学”理论和“超分子化学”最新理论及实际研究成果，自行研制出的一种专用堵漏剂，即特种凝胶ZND堵漏和封堵效果很好，2004—2010年间，在吐哈油田、长庆油田、川东北地区等成功处理了30多口井／次的恶性漏失，且在负安全密度窗口的高压双庙1井、高含H2S罗家2井、高含CO2徐深8－平1井喷漏同存的成功压井中发挥了重要作用，其社会与经济效益显著［2－4］。特种凝胶ZND作业取得成功的关键在于其具有常规堵漏浆（桥塞、水泥浆、聚丙烯酰胺）不具备的强抗冲稀能力。因此，探索特种凝胶ZND抗冲稀能力的评价方法及其抗冲稀能力的影响因素，对有效堵住恶性漏失和对付喷漏同层的安全隐患将具有重要意义。需要说明的是，文中提及的“冲稀”是指该凝胶与其他流体接触或相混历经稀释而导致的浓度降低或结构减弱的过程，该过程有别于稀释所指的添加溶剂而使溶液的浓度降低［5－11］。
1 溶解热与稀释热实验通过量热法测定凝胶ZND的溶解热和稀释热。热力学理论通常约定吸热为正，放热为负［12］。在一定温度、压力、时间及特定条件下，首先标定量热系统的热容，然后测定单位质量凝胶ZND干粉溶解过程的热效应，视为凝胶ZND的溶解热。待聚合物充分溶解形成凝胶体系后，将凝胶ZND视为溶质并用水稀释，测定单位体积凝胶ZND（凝胶ZND密度为0．99～1．01g／cm3）的热量变化，视为凝胶ZND的稀释热。
1．1 凝胶ZND的溶解热常压下，氯化钾标定的量热系统热容：18℃时为7．335 3kJ／℃；17℃时为6．033 8kJ／℃。凝胶ZND的溶解热测量结果见图1。
由图1可见，凝胶ZND溶解为放热过程，这是由于ZND的亲水基团溶剂化形成氢键释放的能量大于克服分子间作用力所需的能量所致。随着ZND浓度增加，聚合物在水溶液中疏水缔合作用增强，部分能量用于了大分子间的疏水缔合，溶解热减小。凝胶浓越高，疏水缔合作用越强，消耗的能量越多，从而导致溶解热随凝胶ZND的浓度增加而减小。
1．2 凝胶ZND的稀释热实验以油田首选的聚合物堵漏剂HPAM（相对分子质量为2 500×104）为参照样品，考察了聚合物ZND的稀释热。将HPAM和ZND干粉按一定浓度（均指溶质质量浓度）配成溶液，静置16h后，再将溶液与清水按体积比1∶1混合盛入量热系统中，以10rad／min的低转速搅拌使之稀释，常压下，测量搅拌1h时的积分稀释热，其结果见表1。式中：V1为冲稀前凝胶体积，mL；V2为冲稀后筛余的凝胶体积，mL。将不同浓度的凝胶ZND静置16 h后，将凝胶与清水按体积比1∶5冲稀混合，在20℃、40℃和60℃下，分别测量它在特定搅拌速度下搅拌不同时间（分别为10 min、30 min和60 min）后过20目筛的筛余体积，然后再根据式（1）计算ΔD，其结果见表2。 由表2数据可知，凝胶ZND在一定温度和转速下搅拌60 min的过程中，ΔD呈现出由正转负的变化趋势。如在温度40℃、转速120rad／min时，1．5％ZND凝胶搅拌10 min后，部分水以亲和的方式进入凝胶ZND内部结为一体，水净体积减小，凝胶体积增加，凝胶结构未受严重破坏，仍保留有较强的结构和弹性，此时ΔD＞0；搅拌30 min后，凝胶在水中开始溶胀，极少量结构削弱而溶解，筛余体积与原凝胶体积相同，此时ΔD＝0；搅拌60 min后，凝胶的三维网状结构遭受破坏，此时ΔD＜0。其形态和筛余情况如图2所示。
图3所示为在120±5rad／min下，不同温度和不同浓度凝胶ZND的筛余体积变化率。
由图3可知，凝胶在被冲稀过程中先溶胀再溶解，且随着温度增加凝胶溶胀的时间缩短，继而向溶剂中分散、溶解。1．8％ZND在40℃、120±5rad／min下剪切作用30 min后仍保持体积增加的状态，凝胶结构未受到大的破坏，表现出较强的抗冲稀能力；1．80％ZND在60℃、120±5 rad／min条件下，搅拌至30 min和60 min的ΔD分别为－24．90％和－69．57％，30～60 min搅拌过程中凝胶体积减少仅为44．67％，表明1．8％ZND在该条件下具有较好的抗冲稀能力。
3 模拟堵漏
过程中的抗冲稀性能在大尺寸（内径200 mm×长700 mm）堵漏模拟装置中，充填不同质量比、不同粒径的砾石以模拟破碎性地层漏失，其中驱入和驱出管线内径均为20 mm，装置承压0～3 MPa（图4）。实验模拟的两种漏层类型组成见表3。
首先向漏层注满水，计量注入水的总体积，计算出漏层的孔隙度，然后采用1．5倍孔隙体积（1．5PV）的堵漏浆驱替孔隙中的水，计量排出水量（至排出口端出现堵漏浆为止），计算排出水的体积率（称为排水率）。实验选用凝胶ZND和HPAM进行驱替，其结果见表4。
由表4数据可知，在I型、II型漏层中，当浓度高于1．0％时（此浓度为凝胶ZND封堵和堵漏的最低浓度），凝胶ZND的排水率均在99．43％以上，且排水随浓度的增加而略有增加，几乎完全排驱了漏层中的水。虽HPAM在I型、II型漏层中的排驱效率也可达94．31％以上，但发现HPAM未能完全占据漏层通道空间，且出口端HPAM易与水相混形成“拉丝”一样的聚合物胶体，而凝胶ZND则是呈团块排出，在出口端能明显观察到ZND挤出长大现象。
当堵漏浆驱替漏层中的水结束后，对I型漏层，再用3PV的水驱替漏层中的堵漏浆，计算驱替出的堵漏浆体积率。分别记录1PV和3PV清水驱出的堵漏浆体积率，其结果见表5。 由表5结果可知，堵漏浆被驱替的体积率均随凝胶ZND和HPAM的浓度增加而降低。当1 PV清水驱替凝胶ZND时，被驱出的1．0％凝胶ZND体积率最高仅为15．83％，当驱替至3 PV时，凝胶ZND被驱替率提高小于2％，即2 PV清水驱替时凝胶ZND被冲稀的体积小于2％。而在驱替HPAM时，由于水与HPAM接触时易产生“拉丝”现象，不易判断，因此，实验采用HPAM黏度－质量分数曲线关系来标定驱出的HPAM有效含量［14－15］。驱替1 PV时，被驱出的1．2％HPAM体积率达到38．76％，当驱替至3 PV时，被驱替率达到56．12％，即驱替2 PV的过程中HAPM被冲稀的程度达到了17．36％。可见，凝胶ZND比HPAM具有更强的抗冲稀能力，即特种凝胶ZND可以抵抗地层中流体的冲稀破坏。由于钻井液稠度大于地层水，因此，特种凝胶ZND也无疑能抵抗钻井液的冲稀破坏作用，同时为抵抗气侵的穿破能力奠定了基础。
4 结 论
（1）特种凝胶ZND的溶解和稀释均为放热过程。且溶解热和稀释热均随浓度增大而减小。（2）用稀释热判断凝胶抗冲稀难易程度是可行的。稀释热越小，凝胶越难以被冲稀。特种凝胶ZND的稀释热远小于HPAM的稀释热，因此，特种凝胶ZND的抗冲稀能力强于HPAM。（3）筛余体积变化率评价方法可直观反映特种凝胶在剪切作用下的抗冲稀性能，凝胶的抗冲稀能力随温度升高、剪切速率增大和剪切时间延长而减小。