解思维，唐国旺，王贵和

（中国地质大学（北京）工程技术学院，北京 100083）

0 引言

钻井中经常遇到各种复杂问题，如井喷、卡钻、井漏和掉块，给钻井带来了诸多问题［1-7］。其中井漏问题体现的尤为突出，不仅增加了钻井成本，同时会导致整口井的报废，带来的损失巨大［8-13］。水泥作为一种工业材料，被广泛地应用到钻井堵漏中，其效果也是十分显著。由于水泥高效廉价，受到了相关研究人员的青睐，然而，水泥原材料不仅在开采的时候会产生巨大的环境污染，而且在生产过程中还会产生大量的温室气体；因此，寻找可以部分替代水泥的新材料降低水泥的消耗显得至关重要。

膨润土是一种层状铝硅酸盐，具有良好的离子交换性、黏结性以及吸水性。将其掺入水泥中，可以改善水泥的抗渗性能，提高水泥在施工过程中的流动性，同时缩短凝固时间，在国内外防渗工程中被广泛应用。但研究发现，随着膨润土的掺入，水泥试件的抗压强度有所下降。因此，寻找一种合适的工艺方法对提高改性水泥的力学性能具有重要意义。生物水泥是近年来发现的一种基于生物矿化的微生物诱导碳酸钙沉淀新技术，广泛用于提高水泥的力学性能［14］。该技术不仅可以改善水泥的力学性能，同时还可以减少二氧化碳的排放。生物水泥已经发展为一种可持续的新材料。

本文通过将微生物诱导碳酸钙沉淀技术应用到膨润土改性水泥中，研究了微生物诱导碳酸钙沉淀对膨润土改性水泥的作用效果。除了研究菌悬液单独作用时对膨润土改性水泥的增强效果外，本文还研究了菌悬液和胶结液同时存在时的作用效果。室内研究发现随着膨润土的增加，膨润土改性水泥的抗压强度显著降低。本研究希望通过微生物诱导碳酸钙沉淀提高膨润土改性水泥的强度，弥补膨润土加入时对水泥强度的降低，以有效地降低水泥的加量，减少生产水泥产生的二氧化碳污染。同时，通过SEM-EDS研究了微生物诱导碳酸钙在膨润土改性水泥中的作用机理。

1 实验材料与方法

1.1 微生物的培养与配制

本实验中巴氏芽孢杆菌（ATCC11859）被用来研制生物水泥。选择该细菌是因为它们会产生脲酶，并具有结晶碳酸钙的能力。首先，在1 L的去离子水中加入酪蛋白（15 g/L），大豆蛋白（5 g/L），氯化钠（5 g/L）和尿素（20 g/L）来制备细菌培养基，调节培养基的pH值为7.3；然后，将培养基在121℃下灭菌并冷却至室温后接种细菌，接种细菌后的培养基在30℃的恒温振荡箱中以120 r/min的转速培养48 h；最后，通过离心机分离细菌和培养基，分离后的细菌悬浮在1 L去离子水中，菌悬液被释至 OD600=0.5，1.0，1.5，2.0，备用。

1.2 材料

所用膨润土平均粒径为13.89 μm，水泥符合IS 12269—1987《53级普通硅酸盐水泥规范》，平均粒径为 17.04 μm。

1.3 抗压强度测试

研究膨润土改性水泥的抗压强度所使用的材料为离子水、菌悬液和胶结液。胶结液（0.5 mol/L）由1 mol/L氯化钙溶液和1 mol/L尿素溶液混合组成，液体与固体的比例为1.5∶1.0（质量比）。675 mL胶结液和225 mL菌悬液作为水溶液进行膨润土改性水泥固化实验，菌浓度分别为OD600=0.5，1.0，1.5，2.0。采用去离子水替换胶结液来进行相同的实验。当675 mL胶结液和225 mL菌悬液（OD600=1.0）作为水溶液，膨润土替换水泥的比例分别为10%，20%，30%，40%，50%时，进行膨润土改性水泥的固化实验。去离子水替换胶结液和菌悬液来进行相同的实验。根据IS 4031—1988《水凝水泥的物理试验方法》，使用边长70.6 mm立方体模具。脱模后，将所有样品放置在25℃的养护箱中，3，7，28 d后分别进行抗压强度的测试。

1.4 能谱仪与扫描电镜

能谱仪（EDS）用来对材料微区成分元素种类与含量进行分析，配合扫描电镜使用。本实验中使用的是HORIBA7593-H型号的能谱仪。扫描电镜（SEM）是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观形貌观察手段，可直接利用样品表面材料的物质性质、性能进行微观成像。将收集的水泥样品喷涂在物镜桌上，通过扫描电镜观察水泥样品的形态和微观结构，使用25 kV的加速电压进行扫描。将材料置于能谱仪中，分析其化学组成。

2 实验结果与讨论

2.1 膨润土改性水泥抗压强度的影响条件

2.1.1 无胶结液时的菌浓度

如图1所示，20%膨润土改性水泥养护3 d时，加入菌悬液对抗压强度有显著的提升，但是没有明显的线性关系。当膨润土改性水泥养护7 d和28 d，菌浓度为OD600=1.0时，膨润土改性水泥的抗压强度在养护7 d和28 d后分别提高了35%和39%。在其他菌悬液浓度下，膨润土改性水泥的抗压强度没有显著提高。由上述结果可知，在细菌单独存在时也可以提高膨润土改性水泥的抗压强度。出现上述现象的主要原因可能是蒙脱土和水泥中含有一定量的氧化钙，溶入水中形成钙离子，同时空气中的二氧化碳溶入水中易形成碳酸根；在细菌的作用下形成了少量的碳酸钙。导致了膨润土改性水泥强度的增加。然而，随着菌悬液浓度的进一步升高，膨润土改性水泥的抗压强度没有持续增加，这可能是因为过多的细菌作为核点，无法形成较大的碳酸钙导致的。

图1 抗压强度与菌浓度的关系

2.1.2 胶结液浓度0.5 mol/L时的菌浓度

如图2所示，当菌悬液和胶结液的混合液作为水溶液时，20%膨润土改性水泥养护3 d时，试块的抗压强度没有显著的提升。膨润土改性水泥养护7 d和28 d，菌悬液 OD600值为 1.0，1.5，2.0 时，膨润土改性水泥的抗压强度分别提高了46%，42%，61%和57%，59%，67%；菌悬液OD600值为0.5时，膨润土改性水泥的抗压强度没有显著提高。由实验数据可知，菌悬液和胶结液的混合液作为水溶液时，膨润土改性水泥的抗压强度得到了显著的提高。并且，养护时间越久，提升的效果越显著。养护3 d时膨润土改性水泥的抗压强度没有显著提高，主要原因是微生物诱导碳酸钙沉淀封堵住了水泥中的空隙，导致水泥里面含有大量的水分，养护7 d和28 d时，水分和水泥进一步水化分散，微生物诱导碳酸钙沉淀进一步生成，使得抗压强度的得到显著提升。

图2 抗压强度与胶结液和菌浓度的关系

2.1.3 膨润土加量

在不同的养护时间下，随着膨润土的增加，膨润土改性水泥试块抗压强度逐渐降低。当膨润土加量为20%时，抗压强度下降最显著（见图3）。当菌悬液和胶结液作为水溶液时，水泥立方块的抗压强度相对于对照样品（去离子水作为水溶液）有了显著的提高（见图4）。

图3 去离子水作水溶液时，抗压强度与膨润土加量的关系

图4 菌悬液和胶结液作水溶液时，抗压强度与膨润土加量的关系

由相关数据计算得出：不加膨润土，水泥试块养护7 d和28 d后，抗压强度分别提高了15%和12%；加10%膨润土，水泥试块养护7 d和28 d后，抗压强度分别提高了9%和6%；加20%膨润土，水泥试块养护7 d和28 d后，抗压强度分别提高了约76%和74%；加30%膨润土，水泥试块养护7 d和28 d后，抗压强度分别提高了100%和54%；加40%膨润土，水泥试块养护7 d和28 d后，水泥试块的抗压强度分别提高了62%和26%。通过上述数据，发现虽然微生物诱导碳酸钙沉淀可以提高膨润土改性水泥的抗压强度，但是过多的引入膨润土会严重降低水泥的强度，因此建议采用合适的配比进行使用。

2.2 生物矿化水泥的SEM-EDS分析

膨润土改性水泥的EDS分析表明，去离子水作为水溶液时，膨润土改性的水泥中没有发现C元素（见图5a），这表明没有或只有少量的碳酸钙产生。在膨润土改性水泥中以菌悬液和胶结液作为水溶液时，明显有C元素存在（见图5b），证明水泥中有微生物诱导碳酸钙沉淀，可显著提高膨润土改性水泥的强度。

为了研究微生物诱导碳酸钙沉淀的作用机理，将养护28 d的没有经过微生物诱导碳酸钙沉淀作用的膨润土改性水泥样品（见图5c）和经过微生物诱导碳酸钙沉淀作用的膨润土改性水泥样品（见图5d）进行SEM分析。SEM照片显示，经过微生物诱导碳酸钙沉淀作用处理过的膨润土改性水泥的水化膜出现了明显的破裂。前人研究认为水化膜的破裂可以导致膨润土改性水泥的孔隙度显著降低，进而提高膨润土改性水泥的抗压强度。因此，微生物诱导碳酸钙沉淀在增强膨润土改性水泥的强度方面起着重要作用。

图5 膨润土改性水泥的SEM-EDS分析

3 现场应用

3.1 JPH-399井漏基本情况

JPH-399井完钻井深为3 335 m，目的层是盒3段，造斜点位于2 672 m，侧钻点位于2 745 m，刘家沟组井段地层位置是2 476～2 654 m。在通井短起下钻到井底循环2 h后发生井漏，循环井深为3 335 m，排量为30 L/s，初始漏速为3 m3/h，后期钻井液逐渐失返。于是起钻进行堵漏，前期堵漏施工共计使用水泥堵漏2次，常规堵漏5次，共耗时12.64 d。综合考虑水泥堵漏对钻井液性能影响较大，上下地层液柱压力不能进行有效的传递，导致下部地层泥岩失稳等问题，同时，考虑常规堵漏易出现反复漏失的情况，决定使用生物水泥堵漏技术。

3.2 生物水泥堵漏施工程序

根据前期堵漏施工经验，将光钻杆下钻到2 100，2 450，2 550 m循环钻井液，排量控制在18～25 L/s，测得漏速为 6～12 m3/h。

开始进行堵漏程序：1）将钻杆水眼放置到2 550 m处。2）将钻井液进行一个周期的循环，然后注入10 m3膨润土浆。目的是冲洗井壁上前期残留的堵漏材料，同时将生物水泥与井内钻井液分隔开。3）在膨润土浆后紧接着注入19 m3的生物水泥，然后再注入5 m3膨润土浆，最后注入 5 m3重浆（密度 1.3 g/cm3），重浆的主要作用是控制井筒压力平衡，防止喷浆。4）使用井筒内的钻井液进行替浆，替浆量为10.6 m3，目的是将生物水泥顶至环空2 100～2 550 m处，使内外环空生物水泥的液面达到同一高度。5）候凝24 h后，开始组合常规钻具下钻扫生物水泥塞。

3.3 扫生物水泥塞情况

分段循环下钻至2 320 m处，钻头遇阻，接方钻杆、开泵、下放单根，确定塞面在2 320 m处，与前期预测时的理论塞面相吻合。

扫塞到2 540 m后，在未开泵的情况下继续下钻，钻杆显示无压力。初步判断井内生物水泥已扫塞完成。在2 570 m处循环1周后下钻至3 057 m砂岩处循环钻井液，排量逐步提高至30 L/s，循环3 h不漏。对比水泥堵漏，生物水泥中引入膨润土，具有较好的滞留性。生物成矿的引入增加了水泥的强度，抵消了因为膨润土引入损失的抗压强度。

4 结论

1）本研究证明生物矿化对膨润土改性水泥抗压强度具有显著影响。当膨润土加入的比例小于40%时，微生物诱导碳酸钙沉淀可以使膨润土改性水泥的强度显著提高。推荐膨润土加量为10%～20%，过多的膨润土，会导致水泥强度显著降低。

2）SEM-EDS分析很好地确认了碳酸钙的存在，表明微生物诱导碳酸钙沉淀在增强膨润土改性水泥的强度方面起着重要作用。同时在微生物诱导碳酸钙沉淀的作用下，水泥的水化膜出现了明显的裂痕，也是水泥强度提高的一个重要因素。若将这种经微生物处理过后的材料用于防渗工程，相比于化学灌浆材料，它不产生任何污染物，具有环境友好性。

3）水泥中加入膨润土，不仅降低了水泥的用量；同时提高了水泥的滞留性，有利于提高堵漏成功的概率。虽然有一定的强度损失，但是生物成矿的引入，提升了水泥的抗压强度。生物水泥现场应用非常成功，水泥加量的降低具有环保意义。