海相地层地质情况复杂,存在断层发育、地层破碎严重、压力窗口窄等特点。在钻完井过程中,当钻井液和水泥浆的密度大、黏度高时,时常发生井漏。目前堵漏剂种类较为单一,存在桥塞堵漏剂与漏层不匹配、高失水堵漏剂稳定性差、化学堵漏剂昂贵和膨胀时间难控制、水泥浆堵漏与钻井液相容性差,且存在施工不便等问题。本文旨在开发一种适用于裂缝发育地层高效堵漏技术,探寻堵漏液水化与硬化机理,为其工程应用设计奠定理论基础,主要从以下几方面进行研究:(1)固化剂选用冶金工业废料粒化高炉矿渣,利用其潜在凝胶特性实现堵漏液的硬化。矿渣组分、结构是研究水化反应的基础,综合运用X射线衍射、核磁共振、高清透射电镜、光电子能谱等分析手段,对其组分与结构进行分析表征。研究表明:矿渣组分是以非晶相为主,夹杂着一定量的微晶,同时含有少量CaO、SiO2及各种硅铝酸盐晶体的混合物;矿渣中的Si主要以硅氧四面体的形式存在,在空间结构上以正硅酸、焦硅酸为主及少量的架状结构形式存在;一部分Al以四配位的形式存在,一部分Al以五配位的形式存在,更多的Al以六配位的形式存在;O大部分以桥氧形式存在,少部分O以非桥氧的形式存在。(2)堵漏液的流变性直接影响其在漏层中流动阻力,本文通过测试基浆流动性与组分对流变参数影响,研究激发剂对流变性的作用机理。研究表明:浆体中固相粒子的浓度、膨润土加量、高分子材料加量改变,可导致浆体流动性能变化,依据其影响特征可实现对浆体的流变性调节。(3)堵漏成功的关键是形成一个段塞,有效阻止井内压力向裂缝尖端传递。矿渣材料的硬化需要碱金属化合物的激发,由于不同碱性介质对矿渣材料的激发效能不同,须通过水化硬化机理研究;弄清矿渣材料矿物组分、结构与激发剂之间的物理化学作用特性,评价出影响因素和反应特征,才能为固化体应用性能设计提供技术途径与理论指导依据。研究表明:Na2SiO3·9H2O、NaOH、Na2CO3激发效果由高到低;碱激发矿渣本质是使一部分焦硅酸的Si-O键断裂,转变为正硅酸,矿渣中[SiO4]4-聚合度越低的结构比例越多,固化体强度越高;Na2CO3、Na2SiO3·9H2O由于水解产生的OH-浓度较低,除使Si-O键断裂,还会使聚合度增加;养护温度升高,碱激发矿渣水化产物的结构,未发现明显的变化。(4)使用单一碱性化合物对矿渣进行激发时,存在低温条件下激发效果不好、固化体早期强度低的问题。依托水化反应热力学特征讨论了激发剂对硬化体水化特性的影响,以确定激发剂复配原则。研究结果表明:要实现堵漏液体系在3℃养护强度较好发展,激发剂中OH-浓度在整个反应过程中维持在一定水平,且当激发剂可提供[SiO4]4-时,激发效果更好。(5)矿渣固化体高温养护容易开裂,阻碍了其作为结构材料的广泛应用性。为研究矿渣固化体的结构和受力,借助Micro-CT无损检测等手段,深入探讨矿物组分微观结构、水化反应过程、水化产物微观结构,对固化体开裂原因进行了分析。研究发现:矿渣水化产物中易开裂的矿物组分和交变热应力可诱导固化体产生微裂缝;在浆体配制过程中引入的空气,促使了裂缝进一步的延伸。(6)为使该体系适应不同井深的需要,研究了不同密度堵漏液强度发展规律。结果表明:采用三种激发剂复配的方式进行激发,可使低密度体系在低温条件下有较好的早期强度;体系中胶凝相含量较高、温度较高时,采用单一激发剂进行激发效果较好。(7)研究成果在川东北重庆气矿等严重漏失井中成功进行了工业试验,提高了堵漏效能、减少了作业次数、节约了钻井液与水泥浆消耗量,降低了堵漏作业成本,形成了一项堵漏新技术。矿渣作为建材辅料主要用于生产建筑用高强特殊水泥,配制低水化热大坝水泥防止硬化开裂,对废弃钻井液进行地面固化处理,但都属于低温应用环境。国内外在上世纪九十年代曾尝试过MTC固井技术,但由于1.3g/cm3体系强度不足、高温养护固化体容易开裂、难以替代水泥材料,导致该新技术“昙花一现”。本文研究内容将为矿渣材料自凝结、钻井液凝结、环空泥饼和顶替窜槽混合物一体化凝结技术的研发,展现出广阔的应用前景。