摘要
裂隙性地层存在的裂缝型漏失通道通常具有多尺度特性和不确定性，钻井液漏失问题在裂隙性地层进行地质钻探施工中尤为突出。剪切增稠流体（Shear Thickening Fluid， STF）作为一种新型智能材料，具备自感知、自适应和自修复等优良特性，目前已在多领域得到广泛应用。本研究将剪切增稠流体作为一种堵漏材料，通过API堵漏仪单缝管封堵试验，探究了剪切增稠流体在不同分散相浓度（56.9vol%、59.2vol%和61.7vol%）、缝宽（1、2、3、4、5 mm）和压力条件下对裂缝的封堵特性。封堵试验结果表明：漏失量会随着缝宽和时间的增加而增加；纳米SiO2浓度在56.9%~61.7%范围内增加时，会降低漏失速率并减弱缝宽对漏失速率的影响程度；当漏失压力为0 MPa时，剪切增稠流体不产生增稠效应，以液态形式从缝内漏失，压力小幅度增加时会激发其增稠效应，产生团聚状颗粒对缝管进行封堵降低漏失速率；当压力进一步增大超过封堵层承压能力时，剪切增稠流体以板状形态被挤出裂缝。研究剪切增稠流体在堵漏领域的应用，有望为裂隙性地层堵漏提供创新解决方案。
钻孔坍塌、漏失是裂隙性地层中常见的问题，处理不当往往容易导致井喷、卡钻、埋钻等钻孔事故，极大影响钻探施工的正常进
智能材料的研发与应用是当今国际前沿学科领域之一，其具备自感知、自适应和自修复等优良特
剪切增稠流体（Shear Thickening Fluid，简称STF）是典型的非牛顿流
基于此，本研究对纳米SiO2-聚乙二醇体系STF在裂隙性地层的封堵特性进行研究，通过API堵漏仪开展了单缝管封堵试验，探究了STF在不同纳米SiO2浓度、裂缝宽度以及封堵压力条件下的封堵特性。研究STF在堵漏领域的应用，有望为裂隙性地层堵漏提供创新解决方案。
试验材料：凝胶法纳米SiO2（粒径300 nm）、聚乙二醇PEG200（化学纯，CP）、无水乙醇（分析纯，AR）、硅烷偶联剂KH-550。
试验装置：D-7401-90型电动搅拌机、AK-040SD型超声波清洗机、RM-1A型真空泵、DL-2型API静态堵漏试验仪和配套的缝管。为研究STF在不同缝宽中的封堵特性，准备了缝宽为1、2、3、4、5 mm的缝管，API堵漏仪和缝管如
图1 API堵漏仪和缝管
Fig.1 API plugging device, seam pipes with a seam width of 1, 2, 3, 4 and 5mm
为探究STF的分散相（纳米SiO2）浓度对裂缝封堵效果的影响规律，设置了3个浓度梯度，具体样品制备参数如
| 名称 | SiO2粒径/nm | KH550/wt% | SiO2含量/vol% | 试验温度/℃ |
|---|---|---|---|---|
| STF-T1 | 300 | 1.5 | 56.9 | 25 |
| STF-T2 | 300 | 1.5 | 59.2 | 25 |
| STF-T3 | 300 | 1.5 | 61.7 | 25 |
制备剪切增稠流体时，先将纳米SiO2在105 ℃下烘干24 h，用搅拌机将纳米SiO2分散在聚乙二醇中。纳米SiO2的高表面能及表面丰富的硅羟基，导致其易发生团聚，因此在搅拌过程中加入适量的无水乙醇，并使用水浴超声来辅助纳米SiO2均匀分散，持续搅拌4~5 h。纳米SiO2均匀分散后再加入1.5wt%的硅烷偶联剂搅拌1 h，以此来改善纳米SiO2因表面硅羟基发生的团聚现象。将得到的混合液加热至90 ℃并持续搅拌，使混合液中的无水乙醇蒸发，最后用真空泵进行消泡处理得到STF-T1、STF-T2和STF-T3样品。制备样品流程如
图2 制备剪切增稠流体流程
Fig.2 Process for preparing shear‑thickening fluid
API静态堵漏试验仪通过漏失量来评价堵漏效率，其评价原理为在压力作用下，堵漏材料从缝管中被挤出试验装置，如果堵漏材料在当前试验压力、模拟地层裂缝条件下能够实现封堵时，则漏失量很小甚至不发生出漏；如果不能实现封堵则漏失量很大甚至完全漏失。
本研究用API堵漏仪来评价STF的封堵特性，讨论分散相浓度、缝宽和封堵压力对STF封堵的影响规律。
具体试验操作步骤如下：
（1）将当次试验用缝管安装在堵漏仪上，并检查装置内部及接口处，确保装置干燥清洁后关闭堵漏仪底部阀门。
（2）将制备好的STF样品保温至试验温度后倒入堵漏仪。
（3）密封堵漏仪上部端盖，检查并确认仪器密封性良好后打开出口端的漏失液阀门，用量筒在出口端收集漏失液。
（4）连接加压系统，设置氮气瓶的压力为试验所需压力，然后打开出口阀门同时开始计时并记录剪切增稠流体在开始漏失后15~30 min内的漏失量，每3 s记录一次STF样品的漏失量，总的记录时长由STF样品的出漏形态进行调整。
（5）记录完毕后，关闭出口阀门，打开进气阀泄压，卸下缝管，观察记录缝管封堵情况，清理堵漏仪。
（6）根据试验数据绘制漏失量随时间变化关系图，计算各压力下的平均漏失速率。
STF-T1在不同缝宽、不同压力下的漏失量随时间变化关系以及漏失速率随压力变化关系如
图3 不同压力下STF-T1在不同缝宽的漏失
Fig.3 Leakage of STF-T1 at 1mm (a), 2mm (b), 3mm (c) and 4mm (d) seam widths under different pressures
由
根据平均漏失速率与压力的关系图可知：除1 mm缝管以外，STF-T1的平均漏失速率随漏失压力增大，呈现先减小后增大的趋势，并且试验过程中可以明显观察到STF-T1的漏失速率与漏失形态存在一定关系。为进一步探究STF-T1的漏失速率与漏失形态的内在关系，具体分析3 mm缝管漏失试验。
不同压力下STF-T1在3 mm缝管中的漏失形态如
图4 不同压力下STF-T1在3 mm缝管漏失现象
Fig.4 STF-T1 leakage at 3mm seam under
different pressures
STF-T2在不同缝宽度、不同压力下的漏失量随时间变化关系以及漏失速率随压力变化关系如
图5 不同压力下STF-T2在不同缝宽的漏失
Fig.5 Leakage of STF-T2 at 2mm (a), 3 mm (b), 4 mm (c) and 5 mm (d) seam widths under different pressures
随漏失时间增大，STF-T2的漏失量呈近线性趋势的增大，与STF-T1的变化规律一致。STF-T2在2、3、4和5 mm缝宽对应的最小漏失速率分别为7.2、8.9、11.2和14.9 mL/min，最小漏失速率随着缝宽的增加而明显增加。STF-T2的最小漏失速率相比STF-T1有显著的减小，这是因为STF-T2的分散相纳米SiO2浓度增加，使得剪切增稠流体更加浓稠不易流动，压力增加时其增稠效应更明显，显著降低了漏失速率。
STF-T2的漏失速率随压力增加整体呈波动上升的趋势，与更低浓度的STF-T1的变化趋势一致。同样对不同压力下STF-T2在3 mm缝管中的漏失形态进行观察，其结果如
图6 不同压力下STF-T2在3 mm缝管漏失现象
Fig.6 STF-T2 leakage at 3 mm seam under
different pressures
压力为0 MPa时，STF-T2呈现液体流动状态漏失。压力逐渐增大后STF-T2出现增稠现象，并在0.1 MPa时达到漏失速率最小值8.9 mL/min，此时的压力能够激发STF-T2的增稠效应不至于破坏封堵层，实现了低漏失速率封堵。但压力增大到1.6 MPa时，会破坏已经形成的封堵层，并且STF-T2难以在压力作用下附着在光滑缝管壁面，故呈板块状被挤出缝管。
STF-T3在不同缝宽度、不同压力下的漏失量随时间变化关系以及漏失速率随压力变化关系如
图7 不同压力下STF-T3在不同缝宽的漏失
Fig.7 Leakage of STF-T3 at 2 mm (a), 3 mm (b), 4 mm (c) and 5 mm (d) seam widths under different pressures
STF-T3的漏失速率随着压力增加整体呈减小的趋势，与STF-T1和STF-T2的趋势相反，推测在STF-2和STF-T3之间存在一个临界纳米SiO2浓度，高于这个浓度时，压力增加带来的剪切增稠效应大于对封堵层的破坏作用，整体上表现漏失速率的降低；低于这个浓度时，STF的剪切增稠强度不够，当压力增加时，封堵层被破坏导致漏失速率加快。
在2、3、4和5 mm缝宽中，STF-T3的最小漏失速率分别为1.22、1.29、1.39和1.75 mL/min，是3个样品中最小漏失速率最低的一组。为了进一步讨论纳米SiO2浓度、缝宽与最小漏失速率之间的关系，绘制三者之间的关系如
图8 不同缝宽、纳米SiO2浓度下的最小漏失速率
Fig.8 Minimum leakage rate at different seam widths and concentrations of nano‑silica
3组样品的最小漏失速率均随着缝宽增加而增加，随纳米SiO2浓度的增加整体降低。当纳米SiO2浓度增加时，最小漏失速率受到缝宽影响程度迅速减小，即在不同缝宽中漏失速率的波动范围减小。这说明纳米SiO2浓度增加，能够加强STF对裂缝的封堵效果和对裂缝宽度变化的适应能力。
不同压力下STF-T3在4 mm缝管中的漏失形态如
图9 不同压力下STF-T3在4 mm缝管漏失现象
Fig.9 STF-T3 leakage in 4 mm seam under
different pressures
在单缝管封堵试验中还观察到剪切增稠流体在增稠后的粘度松弛现象。现有研究表明剪切增稠流体在软固体与液体转换的过程中并不是瞬时的：由增稠后的最大粘度降低到增稠前的最小粘度，其内部微粒需要一定的时间进行调整，具备时间特性，这就是粘度的松弛过
图10 STF-T2形成的封堵层
Fig.10 Sealing layer formed by STF-T2
剪切增稠流体因为具备增稠可逆性，理论上在封堵过程中无法长期完全封堵地层裂缝，但实际上因为存在粘度松弛现象，剪切增稠流体受外力增稠形成的封堵层在撤掉外力后依然能够存在一段时间。如果剪切增稠流体样品强度足够，并满足裂缝封堵要求时，软固体状态可以长期存在，这一现象对于实际地层裂隙封堵是有利的。
本研究将纳米SiO2剪切增稠流体作为新型智能堵漏材料，通过API堵漏仪单缝管封堵试验，探究了不同纳米SiO2浓度的剪切增稠流体在不同压力下对宽为1~5 mm的裂缝封堵特性，并得到如下结论：
（1）3种浓度的剪切增稠流体在裂缝封堵中的漏失量与时间整体呈线性相关，不存在漏失量增加缓慢并收敛的情况，认为更适合采用漏失速率来评价其封堵效果。缝宽从1 mm增加到5 mm时，剪切增稠流体的最小漏失速率增加；纳米SiO2浓度在56.9vol%~61.7vol%范围内增加时，封堵效果加强，最小漏失速率从6.7~40 mL/min范围内迅速降低至1.22~1.75 mL/min范围内，并且能削弱缝宽变化对最小漏失速率的影响程度。
（2）根据漏失速率变化曲线，推测在59.2vol%和61.7vol%纳米SiO2浓度之间存在一个临界浓度，低于临界浓度时，压力增加会破坏已形成的剪切增稠流体封堵层，导致漏失速率加大；高于临界浓度时，压力增加会强化剪切增稠效应，使漏失速率降低。由于缝管表面光滑，剪切增稠流体封堵层难以粘附在缝管表面，当压力超过封堵层承压能力时，会以板块状被挤出缝管。
（3）试验中观察到明显的剪切增稠流体粘度松弛效应，使得在外力作用后，形成的封堵层仍能够以软固体状态存留一段时间，实际工况中起下钻的周期压力会周期性激发剪切增稠流体的增稠效应，有利于裂裂隙性地层的封堵。
（4）剪切增稠流体在封堵中的研究还处于初步阶段，其在裂缝发育地层的封堵仍存在很多问题需要进一步研究，例如：试验中采用纯剪切增稠流体进行封堵试验，并未复配常用钻井液堵漏材料进行协同封堵，后续可进一步掺入常规惰性堵漏材料等，扩大剪切增稠智能堵漏材料应用体系。
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