摘要
温敏形状记忆聚合物是形状记忆材料的一种，其结构中存在记忆起始形状的固定相和随温度变化能可逆地固化和软化的可逆相。本文将这种材料性能应用于石油工程的固井领域，利用温敏聚合物温敏形变的特点，在井下温度升高时激发粒子形变形成大形变体，为封堵漏失层提供架桥结构，解决固井水泥浆防漏堵漏效果差、水泥车不能泵送较大尺寸颗粒的难题。研制的温敏堵漏材料初始粒径1 mm，达到温敏点后体积形变膨胀，应用温度60~140 ℃，加量0~2% BWOC；据此构建的温敏堵漏水泥浆体系，能有效封堵2 mm的缝隙板，承压7 MPa。温敏堵漏水泥浆先后在东北分公司北209井、北8井、北213-1井等的尾管或油层固井中进行了现场应用，尤其在北213-1井的固井堵漏过程中有效解决了固井漏失难题。
目前，固井漏失现象普遍，严重影响固井质
针对固井漏失问题，现有解决方法主要有：
（1）固井前承压堵
（2）固井采用低密度水泥
（3）固井采用堵漏水泥浆，如斯伦贝谢CemNET纤维水泥浆、中石油BCE-200S纤维水泥浆。国内外主要采用在水泥浆中加入纤维和极小颗粒物进行固井防漏堵
从上面的分析可以看出，固井漏失现象普遍存在，目前固井过程中水泥浆堵漏的手段单一，效果有限，不能保证易漏井的固井质量。采用新的技术措施，开发有效的堵漏水泥浆体系非常必要。
本文利用温敏形变材
温敏堵漏水泥浆体系的设计思路是：常温下小颗粒的温敏形状记忆材料（便于混配、泵送）；井下升温到达材料温敏点后体积变大（大骨架、长纤维等结构），实现架桥，结合水泥浆封
温敏形变材料为合成的形状记忆聚氨酯（SMPU
图1 温敏形状记忆材料工作原理
Fig.1 Working principle of temperature sensitive shape memory material
基于上述原理开发了3种温敏材料，分别是SCQ-1、SCQ-2、SCQ-3和支撑材料SCQ-4（如
图2 温敏堵漏材料常温及温敏点以上的状态
Fig.2 State of temperature sensitive plugging material at
ambient temperature and temperature above the sensitive point
采用上述4种材料与其他材料搭配在固井水泥浆中使用，形成温敏堵漏水泥浆体系。
堵漏试验方法：采用DLM-01型堵漏材料试验仪，按《钻井用桥接堵漏材料室内试验方法》（SY/T 5840—2007）标准，用1~2 mm的缝隙板评价堵漏剂对裂缝型地层的堵漏效果。
试验仪器：DLM-01型堵漏材料试验仪、高速搅拌器、常压稠化仪等。
聚丙烯纤维是固井水泥浆堵漏中用量最多的纤维之一，材料易得。试验选用丙纶材料，长为3 mm，加量为0.5%~2.0%。加有纤维的水泥浆在90 ℃下养护20 min后，观察聚丙烯纤维的分布情况，并进行1 mm缝隙板堵漏剂相应的堵漏试验，结果见
试验中，聚丙烯纤维在水泥浆中的加入量达极限时（2%，一般现场应用加量≤2‰），最大承压不足0.1 MPa，且此时加入到水泥浆中的纤维养护后极易结团。试验表明单纯的纤维水泥浆无法满足1 mm裂缝的堵漏需求，不能满足大缝隙的固井堵漏。
所选用的颗粒材料为约1 mm蛭石堵漏剂、珍珠岩堵漏剂（见
图3 蛭石堵漏剂
Fig.3 Vermiculite plugging agent
图4 珍珠岩堵漏剂
Fig.4 Perlite plugging agent
试验发现，单纯颗粒堵漏在加量达到水泥浆中上限时（此时水泥浆增稠，性能已无法满足施工需求），还是无法堵住1 mm缝隙板。且在配合加入纤维的情况下堵漏效果依然没有明显改善。
温敏形状记忆颗粒堵漏体系包括1 mm的温敏形状记忆堵漏粒子SCQ-1、SCQ-2、SCQ-3，支撑颗粒SCQ-4，温敏点80 ℃±3 ℃，在应用时混入水泥浆中使用。堵漏垫床类型采用1、2 mm缝隙板，水泥浆在90 ℃下养护20 min。评价试验结果
试验发现，单纯堵漏纤维颗粒SCQ-2在加量达到上限2% BWOC（BWOC为占水泥的质量比）时，还是无法堵住1 mm缝隙板，单纯堵漏颗粒SCQ-1在加量达到上限1.5%时，只能在承压1 MPa下勉强堵住1 mm缝隙板，但已不具备应用条件。将堵漏纤维颗粒SCQ-2和堵漏颗粒SCQ-1配合使用，能有效封堵1 mm缝隙板。SCQ-1、SCQ-2、SCQ-3和支撑颗粒SCQ-4配合使用，加量2% BWOC，能有效封堵2 mm的缝隙板，承压7 MPa。
根据
注： （1）配方为阿克苏G级水泥+100%铁矿+30%硅粉+5%微硅+10%胶乳+1.5%稳定剂+8%降失水剂+1.5%分散剂+0.8%缓凝剂+46%水+2%温敏堵漏材料SCQ；（2）流变数据为旋转六速流变仪6个转速下的读数
注： （1）配方为阿克苏G级水泥+35%硅粉+4%降失水剂+0.2%分散剂+3%缓凝剂+43%H2O+2%温敏堵漏材料SCQ；（2）流变数据为旋转六速流变仪6个转速下的读数
注： （1）配方为阿克苏G级水泥+140%粉煤灰+6%膨胀剂+2%悬浮剂+22%降失水剂+3%H+4%氯化钠+3.5%缓凝剂+195%H2O +2%温敏堵漏材料SCQ；（2）流变数据为旋转六速流变仪6个转速下的读数
图5 1.88 g/c
Fig.5 Thickening curve of the SCQ cement system with 1.88g/c
试验发现，加入2% SCQ堵漏体系的水泥浆和未加入的水泥浆前后性能没有明显差距，满足固井施工需求。将表
利用温敏形状记忆聚合物温敏形变的特点，在井下温度升高时激发粒子形变，形成大形变体，为封堵漏失层提供架桥结构，解决固井水泥浆防漏堵漏效果差、水泥车不能泵送较大尺寸颗粒的难题。试验结果表明，温敏形状记忆堵漏粒子制备的堵漏水泥浆主要特点在于其掺量小（2.0% BWOC），模拟堵漏效果显著，能有效封堵2 mm的缝隙板，且承压7 MPa。形成的防漏堵漏水泥浆体系，其滤失量小、流变性能好、综合性能优良。
温敏堵漏水泥浆堵漏防漏作用机理：温敏形状记忆堵漏粒子制备的堵漏水泥浆一开始由于温度低未引发变形，材料易混、易泵送，水泥浆注入井中后，随着地层温度升高，当到达形变温度点时，材料发生形变，形成堵漏水泥浆体系。其中立体网状颗粒材料SCQ-1提供骨架结构，为封堵漏失层提供架桥基础结构；纤维材料SCQ-2和其他材料具有搭桥成网和填充特性。当温敏形状记忆堵漏材料与水泥浆体进入漏层时，可相互形成“滤网结构”，增加水泥浆体的流动阻力，借助于水泥浆的水化胶凝作用和未水化水泥颗粒的填充作用，达到堵漏和提高易漏地层承压能力的目的（如
图6 水泥浆堵漏试验（2 mm的缝隙板，承压7 MPa）
Fig.6 Cement slurry plugging test
(2mm-slotted plate at 7MPa)
温敏堵漏水泥浆先后在东北分公司北209井、北8井、北213-1井等的尾管或油层固井中进行了现场应用，尤其在北213-1井的固井堵漏过程中解决了现场漏失难题。
东北区块的北213-1井，三开钻进过程，在2300~4000 m的6个层位发生漏失，期间进行了6次停钻堵漏，1次随钻堵漏，泥浆总漏失量1000余立方米。
三开固井封固段多层漏失，承压堵漏难以满足1.38 g/cm³的固井要求（1.35 g/cm³领浆+1.40 g/cm³尾浆），水泥浆引起的静液柱压力高等可发生井漏导致水泥浆低返，下套管及固井过程中容易发生漏失。
为了达到固井施工要求。2018年8月28日-9月4日，井队循环提密度配堵漏材料承压堵漏，期间进行了4次承压堵漏，泥浆密度1.23 g/cm³提至1.26 g/cm³，期间累计漏失117 m³，常规堵漏无法有效提高承压能力。井队请示批复后聘请专业公司进行承压堵漏，9月5日开始，按照专家的方案逐步加入堵漏材料分段承压，逐步提高钻井液密度，到9月10日1：00密度提高至1.33 g/cm³时，发现漏失，且漏速逐渐增大，密度1.32 g/cm³时循环不漏。至此，决定不再进行承压堵漏，采用温敏堵漏水泥浆体系固井。设计漂珠微硅水泥浆体系：领浆1.35 g/c
9月15日进行固井施工，水泥浆顺利返出井口，测井结果显示固井质量优质，温敏水泥浆封固段无漏失。
（1）针对普遍存在的固井漏失现象，提出了利用温敏形状记忆材料，解决固井过程中不能泵送大的堵漏颗粒材料，无法形成有效架桥和支撑结构，堵漏效果差的问题。
（2）设计并研制了温敏材料，粒径1 mm；达到温敏点后体积膨胀3~15倍；温敏点60~110 ℃可调；材料应用温度60~140 ℃；加量2%BWOC，能有效封堵2 mm的缝隙板，承压7 MPa。
（3）形成的温敏堵漏水泥浆成功进行了现场应用，在北213-1井的固井过程中解决了现场漏失难题。
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