帶壓作業用封堵凝膠體系室內研究

汪小宇，王所良，李志航

（1.川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安 710018）

我國部分油田開發進入中后期之后，由于壓力遞減而進入低壓油田范疇。欠平衡鉆完井技術尤其適合在該類低壓油氣藏及老油田開發中應用，可有效避免鉆完井過程中流體對儲層造成傷害，從而保護油氣層。聚合物凝膠強度[1]大，且與金屬套管間具有較強的粘附力，能很好地起到壓井和密封作用，可將上部作業段與封堵層實現有效隔離，并且在大壓差作用下封堵凝膠不進入儲層，同時又能夠阻止地層中的流體向外逸出，起到“隔離、密封、承壓”作用，因此，在不采用帶壓裝置和套管閥的條件下，即可實現對上部儲層進行起下鉆、下篩管、修井、壓裂改造等完井作業，從而降低作業成本、節約施工時間、簡化施工工藝[2-3]。

研究利用水溶性聚合物與交聯劑反應，通過添加保濕劑和結構增強劑，制備出耐高溫封堵凝膠，考察了影響封堵凝膠性能的因素，評價了封堵凝膠的穩定性、粘彈性，并測定了凝膠的耐壓強度[4]。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品與儀器

部分水解聚丙烯酰胺HPAM3、HPAM6、HPAM7，工業品，相對分子質量700 萬，水解度25 %；交聯劑JLJ1，工業品；結構增強劑ZQJ，工業品；保濕劑BO，工業品。

德國HAKKE RS600 模塊化數字流變儀、DW-2型電動攪拌器、實驗室自主研發的凝膠測壓裝置、FEI Quanta200F 場發射環境掃描電子顯微鏡。

1.2 凝膠體系制備方法

將自來水加到燒杯中，在攪拌器轉速約為400 r/min下，依次將保濕劑、結構增強劑和聚合物加入到燒杯中，待聚合物溶解完全后，加入交聯劑，混合均勻，置于耐溫玻璃管和N80 管中待用。

1.3 凝膠強度評價方法

目測代碼法：通過倒置盛有凝膠的試樣瓶，觀察凝膠的流動、懸掛及吐舌狀態來評價凝膠的強度，按成膠強弱分為由A 到I 共9 個等級[5]。

1.4 黏度及粘彈性測定方法

黏度采用德國HAAKE 公司的RS600 型流變儀測定，實驗過程采用同軸圓筒Z41Ti 轉子在剪切速率1.5 s-1下持續測量400 s 后得凝膠的黏度曲線，曲線趨于穩定后即得凝膠的黏度。

采用齒板-板PP20 系統測定了成膠后凝膠的流變性質，進行頻率掃描。在線性粘彈性區選定應力165 Pa，在頻率為1 Hz～10 Hz 內對凝膠進行頻率掃描[6]。測定溫度均為30 ℃。

1.5 耐壓強度及密封性能評價方法

通過實驗室自主研發的測壓裝置測定凝膠在N80管中的耐壓強度。測試裝置主要由氣源、緩沖裝置、數據采集系統及控溫系統組成（見圖1）。

圖1 凝膠耐壓強度測定裝置Fig.1 The measurement device of gel compression strength

實驗過程首先將交聯聚合物體系混勻后倒入盛凝膠容器（N80 管）中，100 ℃溫度下放置成膠。凝膠完全成膠后，通過高壓氮氣瓶給體系提供壓力，直至達到預設壓力。接著打開2 號六通閥上與N80 管連接的旋鈕向N80 管中凝膠輸入壓力。若在一段時間內體系的壓力保持恒定，表明凝膠在此壓力下對N80 管的密封性好。然后提高體系壓力，繼續測定凝膠的耐壓能力。整個測定過程溫度均保持在100 ℃。

1.6 環境掃描電鏡（ESEM）觀察方法

用液氮冷卻圓柱體銅塊使其溫度降至-30 ℃，取1 mL～2 mL 凝膠樣品置于銅塊表面的中心凹槽內，凝膠接觸銅塊后發生凝華現象表面結冰，將載有樣品的銅塊置于Quanta 200F 場發射環境掃描電鏡的樣品室內，待樣品表面的冰慢慢升華的過程中，觀察凝膠的微觀結構并拍照[7-8]。

2 結果與討論

2.1 封堵凝膠配方優化

2.1.1 聚合物優選 分別制備濃度為0.8 %、1.0 %、1.1 %、1.2 %和1.5 %的聚合物HPAM3、HPAM6、HPAM7 溶液，30 ℃條件下測其黏度曲線（見圖2）。

由圖2 可知，隨聚合物濃度增加，三種聚合物溶液的黏度均逐漸增大，其中聚合物HPAM6 的黏度均高于HPAM3 和HPAM7，溶液黏度最高，增粘性能最好。

圖2 聚合物溶液黏度與濃度的關系Fig.2 The viscosity of polymer solution vs its concentration

在聚合物HPAM3、HPAM6、HPAM7 溶液中按比例分別加入交聯劑JLJ1 反應，將凝膠體系在100 ℃下放置20 d 后，測定凝膠的黏度，實驗結果（見表1）。

表1 聚合物與交聯劑成膠性能Table 1 The gelation properties of polymer and crosslinker

由表1 可知，聚合物HPAM3、HPAM6、HPAM7 均能與交聯劑JLJ1 發生交聯反應形成強凝膠，且凝膠在100 ℃下放置20 d 后仍具有較高的黏度，將盛放凝膠的安瓿瓶倒置后，凝膠緊緊地粘附在瓶壁表面，表現出良好的黏附性和熱穩定性。按照凝膠基液的注入要求，成膠時間在24 h 左右較好。因此，初步選擇濃度為1.0 %的聚合物HPAM6 與0.12 %的交聯劑JLJ1 反應。2.1.2 保濕劑濃度優化 為了增加凝膠與N80 管壁的粘結性和穩定性，在聚合物交聯溶液中加入不同濃度的保濕劑BO，將交聯凝膠在100 ℃下靜置20 d 后，觀察其穩定性（見表2）。

表2 保濕劑含量對凝膠成膠性能的影響Table 2 The effect of moisturizer content on gel performance

實驗結果表明，保濕劑含量為0.5 %時，聚合物交聯凝膠在24 h 成膠，且放置20 d 后，凝膠性能穩定，無脫水或降解現象。

2.1.3 結構增強劑的添加對凝膠結構的影響 將1 %聚合物HPAM6、0.12 %交聯劑JLJ1 和0.5 %保濕劑BO 混合反應成膠，作為對比，同時將2.5 %結構增強劑ZOJ 加入上述交聯體系配方，兩種交聯體系均放置100 ℃下成膠，之后通過環境掃描電鏡觀察其微觀結構（見圖3）。

圖3 封堵凝膠的微觀結構Fig.3 The microstructure of polymer gel

由圖3 可知，添加結構增強劑反應后，凝膠的微觀三維網絡結構的孔徑明顯小于未添加結構增強劑，結構增強劑分布于聚合物鏈周圍，部分填充于交聯網格內，使得凝膠的微觀網絡結構更加致密，網絡中的孔洞相對較小，宏觀上添加增強劑的凝膠的強度明顯高于未添加結構增強劑的強度。因此，結構增強劑的添加能夠改變凝膠的微觀結構從而增強凝膠的宏觀性能[9]。

2.2 封堵凝膠性能評價

2.2.1 封堵凝膠的熱穩定性 將1.0 %聚合物HPAM6、2.5 %結構增強劑ZOJ 和0.5 %保濕劑BO 配制聚合物溶液，添加不同含量的交聯劑JLJ1，100 ℃條件下考察交聯體系的成膠性能及熱穩定性，結果（見表3）。

表3 封堵凝膠成膠性能及熱穩定性Table 3 The gelation properties thermal stability of plugging gel

由表3 可知，交聯劑含量為0.08 %、0.12 %時，交聯體系在100 ℃條件下放置24 h 均能達到等級I 的強度，且在100 ℃下放置20 d 后，凝膠的強度無明顯變化，仍然保持I 等級，具有較好的熱穩定性

2.2.2 封堵凝膠的黏度和粘彈性 取2.2.1 中交聯劑JLJ1 含量分別為0.08 %和0.12 %編號為GEL1 和GEL2 的封堵凝膠，測定其黏度及粘彈性，結果（見圖4、圖5、圖6）。

圖4 封堵凝膠黏度曲線 Fig.4 The viscosity curve of plugging gel

圖5 封堵凝膠GEL1 粘彈性曲線Fig.5 The viscoelasticity curve of GEL1 plugging gel

圖6 封堵凝膠GEL2 粘彈性曲線 Fig.6 The viscoelasticity curve of GEL2 plugging gel

圖7 封堵凝膠耐壓強度隨時間變化Fig.7 The compression strength of plugging gel

由圖4、圖5、圖6 可知，交聯劑JLJ1 含量分別為0.08 %和0.12 %的封堵凝膠的黏度均為500×103mPa·s，表明兩者成膠強度均較大。GEL1 和GEL2 兩者的彈性模量均大于粘性模量，占主導地位，說明此類凝膠是以彈性為主的剛性凝膠，按照凍膠強度劃分標準[6]，GEL1和GEL2 均屬于強凍膠。

2.2.3 封堵凝膠的耐壓強度 按配方1.0 %聚合物HPAM6+0.5 %保濕劑BO+2.5 %增強劑ZOJ+0.12 %交聯劑JLJ1 制成的凝膠攪拌均勻后，倒入1 m 長的N80管中置于100 ℃條件下成膠，在此溫度下穩定24 h，采用實驗室自助研發的耐壓裝置測其耐壓強度，結果（見圖7）。

由圖7 可知，交聯體系在100 ℃下成膠后，通過氮氣瓶從凝膠底部通入氮氣施加壓力，保持整個實驗裝置的密封性，當壓力增至31 kPa 時，23 min 內壓力保持不變；繼續升高壓力至46 kPa，壓力仍然維持不變，表明該封堵凝膠本體強度較大，且與N80 管壁之間的粘附性良好；而將壓力升至51 kPa，2 min 后壓力突降至12 kPa，凝膠體內部鼓泡，氮氣體從凝膠中間部位逸出，此時凝膠體被氮氣壓力突破，因此該配方凝膠的突破壓力為51 kPa，而凝膠體與管壁之間并無氣體通過，具有良好的粘附性。

3 結論

（1）通過篩選聚合物，優化保濕劑含量，增加結構增強劑，研制出一種適用于油氣井帶壓作業的聚合物凝膠封堵體系，最佳配方為1.0 %聚合物HPAM6+0.5 %保濕劑BO+2.5 %增強劑ZOJ+0.12 %交聯劑JLJ1。

（2）成膠時間為24 h 的封堵凝膠體系，在100 ℃條件下具有良好的熱穩定性，較高的強度及韌性，黏度為500×103mPa·s，彈性模量G＇＞200 Pa，屬于強凍膠；凝膠的耐壓強度可達57 kPa·m-1，且與N80 管壁粘附性好，可有效的防止氣體溢出，實現隔離密封井筒、平衡地層壓力及保護儲層的目的。

［1］ 秦緒平，趙芳，馮圣玉.高力學強度水凝膠的研究進展［J］.高分子材料科學與工程，2006，20（5）：174-178.

［2］ 樊獎平，張高峰，王學佳，等.帶壓作業裝置現狀與發展［J］.石油礦場機械，2008，（12）：82-84.

［3］ 高莎莎.氣體鉆井反向承壓封堵出水層研究［D］.青島：中國石油大學（華東），2009：1-5.

［4］ 趙福麟.油田化學［M］.東營：中國石油大學出版社，2010：143-158.

［5］ 戴彩麗，趙娟，姜漢橋，等.延緩交聯體系深部調剖性能的影響因素［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2010，34（1）：149-153.

［6］ 中華人民共和國石油天然氣行業標準.SY/T 6296-1997 采油用聚合物凍膠強度的測定［S］.北京：石油工業出版社，1997.

［7］ 干蜀毅.常規掃描電子顯微鏡的特點和發展［J］.分析儀器，2000，（1）：51-53.

［8］ 盛克平，丁聽生，王虎，等.環境掃描電子顯微鏡的特性及應用概況［J］.理化檢驗-物理分冊，2003，39（9）：470-473.

［9］ Borst，R.L.，Shell，F.J. The effect of thinners on the fabric of clay muds and gels ［J］.Journal of Petroleum Technology，1971，23（10）：1193-1201.