酸化用膠凝劑技術現狀及發展方向探討

郭淑芬 李建鈞 羅 斌 黃 霞 付 波

(1.中石化西南石油工程有限公司井下作業分公司，四川德陽 618000；2.中國石油吐哈油田公司吐魯番采油管理區，新疆吐哈 838200)

1.酸液膠凝劑研究進展

首次提出將膠凝劑應用于酸化壓裂是在上世紀70 年代。酸液膠凝劑大規模使用是在上世紀80 年代，由美國Halliburton 公司研制的SGA-HT 膠凝劑和Phillips 石油公司研制的DSGA 產品成功應用。而耐高溫酸液膠凝劑首次在1988 年被美國公司研制出，其耐溫達120℃。此后，以提升耐溫性能為主的膠凝劑成為發展主流。2018 年，Adraza 等[1]設計了一種可應用于130℃的儲層且具有良好的增黏性能的膠凝劑，使現場的用酸量比原體系減少30%以上。針對墨西哥灣177℃油田儲層，設計了一種基于有機酸的膠凝酸體系，該體系具有良好的耐溫性能和轉向性能，在該區域成功施工30 次以上，施工后的產量提升3 倍以上。近些年，國外對膠凝酸的減阻性、轉向性、破膠性等展開了大量研究。2020 年，Sarmah 等[2]利用AM 和DMA3Q 制備了一種陽離子型酸液膠凝劑，設計了一種受溫度和pH 調控的智能原位交聯酸，當酸液體系溫度達到120℃以上時，膠凝劑開始交聯，酸液黏度增大并且在pH=4 時最大，pH ＞4 交聯膠凝劑會自動破膠。

國內酸液膠凝劑的相關研究起步較晚。近年來，石偉等[3]制備了一種陽離子疏水締合酸液膠凝劑，該膠凝劑在酸液中的加量遠低于常規加量，在膠凝劑為0.6%時，酸液黏度可達30mPa.s，在90℃酸液黏度保留率可達76.67%。2018 年，王旭等[4]制備了一種乳液膠凝劑，膠凝劑加量為0.5%、120℃條件下，酸液黏度可達40mPa.s。2019年，穆代峰等[5]制備了一種疏水締合聚合物型酸液膠凝劑，基于該酸液膠凝劑得到交聯酸體系，可適用160℃以上地層。目前，國內能滿足160℃現場作業的膠凝劑較少，且生產成本較高，很難滿足現場需求。因此，提升膠凝劑的性能不僅是膠凝劑制備方法的創新，更重要的是膠凝劑分子結構設計的創新。

2.酸液膠凝劑耐溫增黏機理

2.1 增黏機理

通常，酸液膠凝劑主要是以碳鏈為主的線型高分子聚合物，這類聚合物分子鏈較長且柔順性較好，在酸液中以無規線團狀存在，在熱運動及熵增原理作用下，分子內或分子間均發生不同程度的纏繞和摩擦，從而形成空間立體網狀結構，束縛了體系內水分子和水合氫離子的自由運動，宏觀上表現為酸液流動緩慢、黏度增大。

此外，當膠凝劑為兩性離子型時，在酸液中陽離子基團被釋放，膠凝劑分子內和分子間相互斥力増加，形成松散無規線團結構，増黏性能提高。而當膠凝劑具有疏水結構時，酸液中的極性使膠凝劑分子間或分子內疏水締合作用增強，形成三維空間立體網狀結構，從而提高了酸液黏度。

2.2 耐溫機理

通常，在高溫條件下，膠凝劑中的酰胺基團會發生水解作用，導致酸液黏度下降；另一方面，酸液中的分子運動隨溫度上升而加快，膠凝劑與水分子之間的氫鍵作用減弱，膠凝劑分子不能有效舒展，在熵驅動下分子鏈卷曲，從而導致酸液黏度降低。因此，提高聚合物的耐溫性能，一是防止酰胺基團的水解，二是增強膠凝劑與水分子間的氫鍵作用。而提高酸液膠凝劑的耐溫性能主要通過以下手段來實現。

（1）在膠凝劑分子側鏈上引入可增強高分子鏈剛性結構的基團；

（2）在膠凝劑分子主鏈或側基中引入強極性基團；

（3）在膠凝劑分子主鏈上引入耐水解結構；

（4）通過膠凝劑交聯形成分子鏈間的化學鍵，降低酸液體系分子鏈及水分子的自由運動，從而來增強酸液的耐溫性。

3.酸液膠凝劑的技術現狀

對膠凝劑分子結構設計主要是在聚丙烯酰胺（PAM）上引入其他單體，引入單體類型的不同，得到的膠凝劑分子結構也不同，大致可分為四類：陽離子型酸液膠凝劑分子結構、兩性離子酸液膠凝劑分子結構、疏水締合膠凝劑分子結構和交聯膠凝劑分子結構。

3.1 陽離子型酸液膠凝劑

陽離子型膠凝劑是丙烯酰胺（AM）與不同陽離子單體進行共聚得到的聚合物膠凝劑。最早的陽離子有丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DAC）、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC）和二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC），這些陽離子早已被證實具有良好的增黏性能，廣泛應用于油田上。2014 年，徐杏娟[6]等利用AM 和DMC，合成了高分子量的耐溫酸液膠凝劑，在150℃下，黏度保留率在70%以上；2018 年，孫玉海[7]等利用AM 分別與DAC、DMC 和甲基丙烯酰胺丙基三甲基氯化銨（MAPTAC）三種陽離子單體合成了三種耐高溫酸液膠凝劑，結果表明P（AM-co-MAPTAC）的耐溫增黏性能優于另外兩種。

陽離子單體具有優越的增黏耐溫性能，因其側鏈基團過大，制約了膠凝劑分子結構設計和性能優化。因此，對于陽離子型酸液膠凝劑聚焦于以下兩點：一是提升陽離子單體比例；二是開發新的陽離子單體。

3.2 兩性離子酸液膠凝劑

兩性離子酸液膠凝劑是近年來發展最為迅速的一類膠凝劑，是為了解決陽離子膠凝劑溶解性、耐鹽性差的問題，從而進一步提高膠凝劑的耐溫性能。早在2010年，崔文娟[8]等在P（AM-co-DMC）以及P（AM-co-DMDAAC）基礎上引入第三單體AMPS，形成三元共聚膠凝劑，結果表明膠凝劑的酸溶時間短，增黏效果好，150℃下的黏度保留率在80%以上。2012 年，申貝貝[9]等選擇AM、DMDAAC 和AMPS 為原料，分別采用水溶液聚合和反相乳液聚合方法，合成兩種兩性離子膠凝劑CHJSP 和CHJIEP，CHJSP 的增黏效果強，CHJIEP 的溶解時間短，兩種膠凝劑在90℃下熱穩定性達70%以上。

兩性離子酸液膠凝劑的綜合性能較好，但由于陽離子和陰離子的側基較大，不利于與AM 進行共聚。因此，該類膠凝劑在未來的發展重點在于改進合成工藝，精確調整膠凝劑分子結構，提升膠凝劑的相對分子質量。

3.3 疏水締合膠凝劑

基于羅平亞院士提出并建立的“分子締合作用形成超分子聚集體結構溶液來滿足壓裂液對流變性特殊要求”的理論[10]，以疏水締合為主的聚合物得到了極大的關注，并廣泛應用于酸化壓裂中。與化學交聯不同，疏水締合膠凝劑通過調節疏水基團的類型、膠凝劑的微觀結構（包括單體類型、疏水單體基團間隔和鍵接方式）等因素，增強疏水基團在溶液中的超分子作用，提升膠凝劑網絡結構強度，達到增黏、耐溫、耐鹽的目的。2021年，李朋[11]等在P（AM-co-DMC）的基礎上，考慮是否引入疏水單體SMA，考察引入前后膠凝劑的增黏和耐溫性能，與引入前相比，引入后在酸液中的黏度可達105mPa.s，在180℃下，黏度保留率達40%左右。然而疏水締合膠凝劑存在最大一個問題是溶解時間過長，一般是對疏水單體繼續改性，引入部分親水基團，或在膠凝劑分子上繼續引入陰離子基團。早在2019 年，焦文超[12]等合成了一種陽離子型的疏水單體，與AM 和AMPS 共聚，得到的膠凝劑在滿足增黏耐溫性能后，其酸溶時間約為90min，低于其余類型的疏水締合膠凝劑。此外也通過反向乳液聚合的方法來改善疏水締合膠凝劑溶解難的問題。

3.4 交聯的酸液膠凝劑

相比于以上三種酸液膠凝劑，交聯的膠凝劑具有更好的耐溫增黏性能。郝偉[13]等合成一種新型有機交聯劑，膠凝劑交聯后的初始黏度可達427mPa.s，在140℃，170-1s 持續剪切70min，黏度保留率仍保持在90mPa.s 以上。但交聯酸存在破膠難、對地層傷害大的問題，不利于現場施工。因此，該類體系的研究重點是可控的交聯和快速破膠。

4.結論

膠凝劑作為膠凝酸體系的核心試劑，受到了酸化壓裂增產領域的廣泛關注，特別是耐溫、增黏和溶解性能優異的膠凝劑。本文通過總結近年來膠凝劑的技術現狀，結合膠凝劑耐溫增黏作用機理，歸納了膠凝劑的研究難點及研究者們開辟的新創新點，探討了不同類型膠凝劑分子設計思路，對未來的膠凝劑研究提出一些建議。

（1）借助分子結構模擬技術實現分子結構設計。采用多尺度研究手段，剖析分子中各結構單元間或與環境間的深層次規律的分子結構模擬技術，建立基礎科學研究與實際現場需求之間的橋梁，實現高質量、低成本和規模化研發，是未來研制高性能膠凝劑的重要手段。

（2）加強膠凝劑體系研究是實現性能改變的有效手段。改善膠凝劑的性能不僅是對膠凝劑分子結構的改性，膠凝劑與膠凝劑、膠凝劑與溶劑以及膠凝劑與離子之間的相互作用也是重要的影響因素，這種作用形成的超分子膠凝劑體系（兩性離子體系和疏水締合體系）受到了研究人員的青睞，如何做到深入開發各類超分子體系的優勢、合理結合不同體系的優勢、提升酸液的綜合性能，將成為今后主流的研究方法。