2.1.3 金属类堵漏材料

        金属类堵漏材料是由高强度金属、纤维材料、高温粘结剂等组成的堵漏材料，包括铝、铁、锌等金属颗粒，这些金属颗粒在井底液体环境中与水或钻井液发生反应，其反应产生的气体或固体产物在漏失点形成气泡或固体封堵层，物理上阻止了液体的渗透，有效地应对井底漏失问题。如铝粉与水反应生成氢气，而铁粉与水反应会生成氢气和氢氧化亚铁，原理如图11所示。对于水性环境下的井底漏失，金属类堵漏材料能够提供一定的封堵效果，适用于一些裂缝、孔隙或其他漏失通道较大的漏失情况。金属类堵漏材料常用于高温、高压和腐蚀环境下的井漏，艾正青等为了满足堵漏材料在油相分散、刚性高和酸溶率高等方面的一系列要求，引入了GYD堵漏材料，外观呈多面锯齿状，它由泡沫态铝合金材料加工而成，承压强度高达25 MPa，酸溶率达到65%，稳定性良好，外观如图12所示。

2.2 常规化堵漏材料

        常规化堵漏材料通常称作LCMs（Lost Circulation Materials），包括合成石墨、碳酸钙、核桃壳、云母片、沥青和纤维等，主要是通过填充、堵塞等物理方式解决漏失问题。常规化堵漏材料可按照其物理状态、使用方法和封堵效果细分为颗粒堵漏材料和纤维堵漏材料。

2.2.1 颗粒LCMs堵漏材料

        颗粒堵漏材料一般都是在钻井现场混配，然后泵送到井下漏失层位并封堵漏失通道。若颗粒堵漏材料满足形成有效的架桥和封堵要求，则一旦进入漏失通道就可以在滤失作用下快速形成封堵带，如图13所示。颗粒（包括粒状和片状，如图14所示）和纤维配合堵漏的情况也比较常见。国外学者还提出了三颗粒相接和四颗粒相接的架桥模型理论（图15），其中模型中的圆球代表颗粒，颗粒堵漏材料粒径通常为250~600μm，一些纳米级的颗粒堵漏材料也被研发出来，如常见纳米二氧化硅、纳米氢氧化铁和纳米硫酸钡等。根据国外学者做的实验测试和现场试验，得出粒度范围广的颗粒堵漏材料比单一规格的颗粒堵漏材料堵漏效果更好，Ghazali等针对水基泥浆（WBM）中油棕空果冲剂（OPEFB）的粒径和浓度对LCMs堵漏材料的影响进行了研究，再次验证了粒径大小对堵漏效果的好坏有着较大影响。

2.2.2  纤维堵漏材料

        纤维堵漏材料的堵漏原理主要是利用其纤维状结构和化学特性进行填充、粘结和膨胀，进而达到堵漏目的，纤维材料的堵漏过程如图16所示。许多材料都可用于制备纤维材料（包括纤维素、尼龙、聚丙烯、碎纸屑 等），可酸溶的纤维已经在堵漏中有所应用。刘瑞等通过电加热或质量配比的方式形成矿物纤维材料。钻井液中的纤维浓度满足形成网架构即可，如果纤维浓度太高可能会导致钻井液黏度增大进而影响其泵注性能。当纤维堵漏材料进入管道或容器中的漏洞或裂缝时，它会快速吸收周围的液体，形成一种具有高黏度和强粘附力的胶状物质，堵住漏洞或裂缝，达到封堵的目的。

        目前石油和天然气行业最常见的纤维堵漏材料有4种。

        1）纤维素纤维。纤维素纤维由木浆制成，是最常用的一类纤维基钻孔材料，广泛应用于循环漏失控制、井眼加固和滤失控制等漏失情况，如图17（a）所示。

        2）合成纤维。合成纤维由尼龙、聚酯或聚丙烯等材料制成，聚丙烯纤维通常由聚丙烯切片通过纺丝和拉伸工艺制成，具备卓越的抗高温性能、耐酸碱性和高抗拉强度等特性，常用于井底温度较高的漏失情况，有些学者将聚酯纤维加入到沥青混凝土中，提高沥青混凝土的柔韧性、抗高温性和抗疲劳性能，增强沥青混凝土的综合性能。合成纤维通常用于滤失控制和井眼加固等漏失情况，如图17（b）所示。

        3）矿物纤维。矿物纤维由玻璃纤维或玄武岩等材料制成，其特点是强度高和化学性稳定，是具有极高的弹性模量、抗拉强度和抗弯强度的无机非金属材料，但其具有性脆、不耐磨的缺点，如图17（c）所示。

       4）金属纤维。采用钢、铝或铜等材料制成的金属纤维，常用于解决传统堵漏材料无法应对油相分散、酸溶和高承压等漏失问题，如图17（d）所示。

2.3 可固化和LCMs混合堵漏材料

         可固化和LCMs混合堵漏材料既具有可固化堵漏材料的固化特性，又具有颗粒堵漏材料较好的填充和堵漏特点，该混合堵漏材料通过水化反应形成坚固的凝胶，同时细小颗粒状成分填充漏失通道，实现双重封堵效果（图18），是一种有效的混合堵漏材料。

        在钻井作业中，可固化和LCMs混合体中常见的组合就是凝胶和LCMs混合的堵漏材料。凝胶和LCMs混合体一般是将凝胶和LCMs按一定比例混合，在钻井液中形成一种胶状混合物，这种胶状混合物在钻井过程中被泵入漏失通道，通过固化或胶结的方式形成堵塞物，从而控制漏失情况。在堵漏的处理过程中，Caughro等强调挤注结束时逐渐降低泵速的重要性，该类混合体系被成功应用到墨西哥湾深水井诱导裂缝型漏失中，此外该混合体系已经成为应对页岩地层失返性漏失（没有钻井液返回井口）的一个重要体系。该混合体系堵漏材料还可以与淡水、盐水或者海水混配，同时也可以与钻井液、油基钻井液或者合成基钻井液一起使用。值得一提的是Ali等利用可固化和LCMs混合堵漏材料在多个严重枯竭和疏松砂岩的储层中取得堵漏成功。

3.堵漏材料应用效果

        本文结合近十多年来国内外相关文献，在认为文献中各井互相不重叠的前提下，针对全球2 000多口井的堵漏数据，详细探讨了可固化堵漏材料、常规堵漏材料以及可固化和LCMs混合堵漏材料在高渗透性基质型漏失、溶洞型漏失、天然裂缝型漏失和诱导裂缝型漏失情况下的堵漏效果。

3.1在高渗透性基质型漏失中的应用效果

        高渗透性基质型漏失一般发生于疏松砂岩或浅层砾岩中，岩石基质中发育的大孔隙使得这类储层拥有较高的渗透率（10-100D），这些孔隙会导致孔隙型漏失的发生，孔隙型漏失还可能造成地层被过度冲刷而引起井壁失稳等问题。根据岩石渗透率大小和钻井液性质，孔隙型漏失的严重程度可以在渗漏和失返性漏失之间变化。针对高渗透性基质型漏失，堵漏材料粒径必须保证孔喉能被有效封堵，堵漏材料中90%的颗粒尺寸必须小于主流孔喉尺寸，这样才能使堵漏材料有效地封堵漏层。通过对近十多年来国内外相关文献的调研，在统计钻井现场中控制和消除高渗透性基质型漏失时，发现堵漏材料的使用频次由大到小依次为水泥堵漏材料、可固化和LCMs混合堵漏材料、颗粒LCMs堵漏材料、交联体系类堵漏材料、纤维类堵漏材料和金属类堵漏材料，其成功率分别为91%、85%、87%、73%、71%和52%，具体统计数据如图19所示。基于堵漏成功率和成本考虑，颗粒LCMs、可固化和LCMs混合堵漏材料是目前处理高渗透性基质型漏失效果最好的堵漏材料。

3.2 在溶洞型漏失中的应用效果

         溶洞型漏失是相对难解决的漏失问题，强行钻进或许是解决溶洞型漏失问题有效方法之一，但是需要地面储备大量的钻井液，也可以使用一些特殊的钻井办法，如欠平衡钻井、套管钻井和压力泥浆帽钻井等方法。Kumar等认为在堵漏材料中加入纤维会有助于这类地层的漏失控制；其次是利用交联体系堵漏材料形成的结构性凝胶来封堵溶洞型漏失，但是该类材料因不具备酸溶性，利用这类堵漏材料封堵可能会导致产层无法投入生产。通过对近十多年来国内外相关文献的调研统计，在统计钻井现场中控制和消除溶洞型漏失时，发现堵漏材料的使用频次由大到小依次为可固化和LCMs混合体、颗粒LCMs、交联体系类、水泥、纤维和金属类堵漏材料，其堵漏成功率分别为89%、82%、78%、75%、73%和61%，具体统计数据如图20所示。基于堵漏成功率和成本考虑，颗粒LCMs和水泥堵漏材料是目前处理溶洞型漏失较为经济实用的堵漏材料。

3.3 在天然裂缝型漏失中的应用效果

        天然裂缝型漏失在碳酸盐岩、含气页岩和地热井中较为常见，宽度较大的天然裂缝型漏失往往很难解决，沉积岩中发育的裂缝网格为钻井液提供了一个高渗透率的漏失通道，最大的难题是无法准确测定天然裂缝的宽度，它与诱导裂缝型漏失不同的是，诱导裂缝可以根据近十年来水力压裂研究粗略估计裂缝的宽度，而天然裂缝的水力学宽度取决于裂缝方位、原始地应力大小及方向和裂缝中的成矿特征。Lietard等建议在这类地层中应避免使用堵漏材料，更多的应对是通过适当控制钻井液流变性来控制储层漏失，这样比使用堵漏材料堵漏更有利于储层保护。通过对近十多年来国内外相关文献的调研，在统计钻井现场中控制和消除天然裂缝型漏失时，发现堵漏材料的使用频次由大到小依次为水泥、颗粒LCMs、可固化和LCMs混合体、纤维、交联体系类和金属类堵漏材料，其堵漏成功率分别为89%、85%、81%、75%、72%和63%，具体统计数据如图21所示。从堵漏成功率和成本考虑，水泥和纤维堵漏材料是目前处理天然裂缝型漏失经济实用且堵漏效果较好的堵漏材料。

3.4 在诱导裂缝型漏失中的应用效果

        诱导裂缝不同于天然裂缝，天然裂缝可以在地质历史时期的任何时间产生，它们的性质取决于当时的地质环境，具有不稳定性。诱导裂缝是在钻井过程中产生的，性质变化较小，因为大部分影响裂缝长度和宽度的参数（如井底压力等）是已知的，通常使用PKN和KGD两种经典的诱导裂缝模型来估算钻井诱导裂缝的参数。通过对近十多年来国内外相关文献的调研，在统计钻井现场中控制和消除诱导裂缝型漏失时，发现堵漏材料的使用频次由大到小依次为颗粒LCMs、水泥、可固化和LCMs混合体、纤维、交联体系类和金属类堵漏材料，其堵漏成功率分别为92%、86%、82%、78%、75%和54%，具体统计数据如图22所示。根据堵漏成功率和成本考虑，颗粒LCMs和水泥堵漏材料为目前处理诱导裂缝型漏失较好的堵漏材料。

4.结论

        1）根据漏失通道类型，漏失通常归因于以下四种漏失机理：高渗透性基质型漏失、溶洞型漏失、天然裂缝型漏失和诱导裂缝型漏失。将现有的钻井堵漏材料根据其物理封堵和化学固化的堵漏方式大体分为可固化堵漏材料、常规化堵漏材料以及可固化和LCMs混合堵漏材料三大类。

        2）可固化堵漏材料最先应用到钻井堵漏中，封堵效果和稳定性表现出色，多应用于高渗透性基质型漏失，堵漏成功率达到91%，但缺点也十分明显。施工复杂，通常需要井下注入并进行化学反应后才能固化；时间成本高，固化的过程需要一定的时间；可逆性差，一旦固化完成后通常很难逆转和移除。

       3）为解决可固化堵漏材料施工复杂、时间成本高和可逆性差的问题，常规化堵漏材料作为另一类堵漏材料得到应用，其具有使用方便、成本较低、快速封堵、化学稳定性高和适用性广的特点，多应用于天然裂缝型漏失和诱导裂缝型漏失，堵漏成功率分别达到75%和92%。但常规化堵漏材料的缺点也十分明显，填充范围受限，不均匀填充、不可逆性，受温度和化学限制。

       4）为了解决可固化堵漏材料和常规化堵漏材料无法应对的一些极端环境下或特殊情况下的堵漏难题，研制出可固化和LCMs的混合堵漏材料，这种新型混合堵漏材料结合了可固化堵漏材料的固化特性和LCMs的流动性，具备更广泛的适应性和更好的封堵效果，一般应用于溶洞型漏失，堵漏成功率高达89%。