随着我国化学工业的发展，作为地质钻探护壁堵漏用的化学浆液，从其类型、品种以及应用上都有了新的进展。目前就其浆液成分，可分为无机的、有机高分子的；就其性能可分为固化的、非固化的。常用的水玻璃就是无机类的代表；常用的脲醛树脂、丙烯酰胺是高分子类的代表；常用的水泥则是固化的化学浆液，而粘土、沥青等则为非固化的化学浆液。近年来，从化学浆液的发展趋向看，无机与高分子化合物复合使用，已成为品种繁多、应用广泛的化学浆液。

          非固化化学浆液作为注浆材料，不足之处在于向孔内灌注后，易被水稀释而流失。对能固化的化学浆液——水泥浆液作为注浆材料，它的材料来源广、成本较低、固结性好、强度高，是目前普遍应用的一种注浆材料。其缺点是在没有固化前易被水稀释，固化时间慢且难以控制等。我国 20 世纪 70 年代期间，采用高分子化合物、合成树脂等化学浆液，在地质钻探上用于护壁堵漏，取得了一定的成效。其主要优点是：凝结时间可调，可实现瞬间固化，渗透能力和流动性好，能利用专用的灌注器注入到封堵部位，提高了成功率。应当指出这类化学浆液，有一些如氰凝、聚脂等材料来源缺，成本高，且有一定的毒性，故在使用上受到了限制，不便推广用于地质钻探；对于一些高分子化合物，如聚丙烯酰胺、脲醛树脂等，用于地质钻探护壁堵漏上有积极的作用和推广价值。

           本节重点介绍在钻井护壁堵漏中具有代表性的化学浆液和惰性材料，包括脲醛树脂浆液、水玻璃浆液、聚丙烯酰胺浆液、脲醛树脂水泥球、干性堵漏材料和沥青材料。此外，还有许多品种的化学浆液，如铬木素浆液、木铵浆液、丙凝浆液、丙强浆液以及 301 聚脂浆液等等，也可以用作钻井护壁堵漏浆液。它们的详细情况可参阅第八章。

一、脲醛树脂浆液

            脲醛树脂是一种水溶性树脂，它在酸性条件下能迅速凝固成有一定机械强度的固结体，是适合于钻孔护壁堵漏的注浆材料。由于脲醛树脂是由原料易得的尿素和甲醛水溶液合成的一种聚合物，故其性能可调，可人为地控制固化时间，成本较低，配制简单，且是低毒的化学注浆材料。近十多年来，用它在钻孔护壁堵漏方面，开展了生产工艺、性能改性、注浆工具等的研究。目前已生产出适合地质钻探用的粉末脲醛，其灌注工具也得到进一步改进，可实现钻孔“快速堵漏”的效果。

            尿素与甲醛的反应是一个复杂的化学反应过程，整个反应可分为三个阶段，即加成反应阶段、缩聚反应阶段和固化阶段。开始阶段为尿素与甲醛在弱碱性或弱酸性介质中发生加成反应，生成脲的羟甲基（— CH 2 OH ）衍生物；同时进行缩合反应，从而得到缩聚的初产物（即脲醛树脂），在实际使用时，以酸作催化剂（一般用盐酸）使树脂固化生成不溶的体型网状结构的固结体。

             脲醛树脂的固化过程，可分为初凝（胶化）和终凝（硬化）两个阶段。所谓“初凝”是加催化剂后至失去流动性这段时间（称初凝时间）。所谓“终凝”是加催化剂后至失去弹性所需的时间（称终凝时间）。然而，失去弹性并不立即具有一定强度，所以终凝实际上是一个缓慢的过程，一般凝固后还需在水中养护 16 ～ 24h 后，才具有较高的机械强度。

             脲醛树脂的固化过程与酸催化剂的种类和用量有直接有关。一般强酸、弱酸以及强酸、弱酸中和生成的盐类均可作催化剂。常用的有盐酸、硫酸、草酸、氯化铵、三氯化铁等。试验表明，强酸的浓度增加，凝固时间缩短；若酸的浓度一定时，随加量增加而凝结时间缩短。目前常用的是工业纯盐酸和硫酸，一般使用浓度为 3% ～ 36% ，用量为树脂液体的 1/10 ～ 1/5 ，初凝时间可在几秒至数十分钟的范围内控制。在使用时，应注意环境温度的影响，温度高，则固化速度快；温度低，则固化速度慢。在灌注时，一定要做地表试验，并应考虑到孔内的温度。

              为了提高脲醛树脂的强度，增加韧性，在提高其物理力学性质方面，常采取在脲醛生产过程中加苯酚、苯酚—聚乙烯醇等进行改性，来改变反应生成物的化学结构，增大树脂的分子量和内聚力。目前，在合成脲醛树脂的同时，常加入苯酚，使羟甲基苯酚参与羟甲基脲的混合接枝与镶嵌，使树脂的机械强度和粘结力得到一定的改善。表 7-2 为苯酚改性后树脂物理机械强度性能。

表 7-2 苯酚改性后的树脂物理机械性能

             使用脲醛树脂浆液，其灌注方式是采用专用的灌注器。它应能满足脲醛树脂与一定酸混合后，在很短时间内能凝固。且能准确地将已充分混合、但尚未凝固的浆液注射到预定的孔段上。近几年来，我国为解决小口径金刚石钻探中严重漏失层的快速堵漏问题，基于射流泵原理，设计了一种新型的、用于脲醛浆液的孔内双液注浆工具—— ZJ 型速凝注浆堵漏工具，它与其他注浆堵漏器相比，有以下特点： ① 双液在孔内定量地连续均匀混合，可灌注数秒凝固的浆液； ② 借用现场钻杆盛堵漏浆液，大大简化了工具的结构和操作，并可实现大剂量注浆； ③ 孔底动作过程的报信，由地面水泵压力表读数显示，信号明显，操作者可据此灵活调整操作 工艺；注浆后可不提钻通水扫孔，实现注浆、透孔、清孔一个回次完成。其工具结构如图 7-16 所示。

http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/kcgcjys/image/%E7%AC%AC%E4%B8%83%E7%AB%A0/img250.jpg

图 7-16 ZJ 型注浆堵漏工具结构图

ZJ 型液浆堵漏工具，现有 ф 54 、 ф 73 两种规格，其主要技术性能如表 7-3 所示。

二、水玻璃浆液

            水玻璃是化学浆液中无机类的一种注浆材料。由于它的价格低廉，货源较广，适于各种工程的需要以及配制简便等优点，故目前仍然是一种大量使用的行之有效的化学浆液。我国所用的水玻璃浆液类型，除了有单一使用的外，大多使用的是水玻璃复合浆液，如水玻璃—氧化钙、水玻璃—铝酸钠、水玻璃—水泥，水玻璃—稀磷酸等。

             水玻璃是一种能溶于水的硅酸盐。它是由不同比例的碱金属和二氧化硅所组成。最常用的是硅酸钠水玻璃 Na2O · n SiO2 ，还有硅酸钾 K2O · n SiO2 。

              通常把水玻璃组成中的二氧化硅和氧化钠（或氧化钾）的克分子摩尔数之比，称为模数 M 。

http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/kcgcjys/image/%E7%AC%AC%E4%B8%83%E7%AB%A0/30.jpg

               一般水玻璃的模数从 1 到 4 之间，模数为 0.5 的水玻璃（相当于原硅酸钠）没有实用价值，而实用价值最大的水玻璃其 M 在 2.0 ～ 3.5 。模数是影响水玻璃的重要因素，水玻璃在水中溶解的难易程度随模数而定， M 为 1 时能溶于常温水中； M 加大，则只能溶于热水中；当 M 大于 3 ，要在 4 × 10 5 Pa 以上蒸气中才能溶解。低模数的水玻璃晶体组分较多，粘结能力较差。模数高时，胶体组合相对增多，粘结能力也大。我国目前生产的水玻璃模数在 1 ～ 3.6 之间都有，一般生产的浓度品种有： 35 ° B 、 40 ° B 、 45 ° B 、 56 ° 波美度等。

              除液体水玻璃外，还有不同形状（块状、粒状、粉状）的固体水玻璃。液体水玻璃呈青灰色或黄绿色，以无色透明为好。它与水可按任意比例混合成不同浓度（比重）的溶液。同模数的水玻璃溶液，其浓度越高，则比重越大，粘结力越强。常用的固体水玻璃模数为 2.6 ～ 2.8 ，比重为 1.36 ～ 1.50 。其浓度常用波美比重计来测定，以波美度（ Be ）表示。

              工厂生产的水玻璃浓度为 50 ～ 56 波美度，而一般注浆则多采用 35 ～ 40 波美度，故使用时需加水稀释。

              水玻璃的粘度与模数、浓度和温度关系密切。通常粘度随温度降低，模数随浓度的增加而加大。温度为 - 2 ℃ 时，水玻璃会开始冻结。液体水玻璃吸收空气中的 CO 2 ，形成无定形硅酸，并逐渐干燥而硬化。反应式为：

http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/kcgcjys/image/%E7%AC%AC%E4%B8%83%E7%AB%A0/31.jpg

               为加速水玻璃的硬化，常加入硅氟酸钠 Na2SiF6 或氟化钙，水玻璃中加入硅氟酸钠会发生以下反应，能促使硅酸凝胶加速析出：

http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/kcgcjys/image/%E7%AC%AC%E4%B8%83%E7%AB%A0/32.jpg

               硅氟酸钠的适当加量为水玻璃重量的 12% ～ 15% ，加量越多，凝结越快。

               作为地基灌浆材料使用时，常将水玻璃溶液与氯化钙溶液交替地灌入基础中，其反应式如下：

http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/kcgcjys/image/%E7%AC%AC%E4%B8%83%E7%AB%A0/33.jpg

              反应生成的硅胶起胶结作用，能包裹上粒并充填于孔隙中，而 Ca(OH)2 又与加入的 CaCl2 反应生成氢氧化钙，也起胶结与充填孔隙的作用，故既使基础提高强度，又能增强其不透水性。

              当水玻璃与水泥水化时所析出的活性很强的氢氧化钙作用时，可生成具有一定强度的硅酸钙胶体，使水泥石的强度相应增大，其反应式为：

http://jpkc.cug.edu.cn/08jpkc/kcgcjys/image/%E7%AC%AC%E4%B8%83%E7%AB%A0/34.jpg

              因而将水玻璃加入水泥浆中，可使水泥浆急骤硬化，因而可用于堵水堵漏。