影響丙烯酰胺堵水劑成膠因素的研究

姚文鴻，錢志鴻

(1.中國石油大學(華東)，山東青島 266555;2.江蘇油田檔案館，江蘇揚州 225009;3.江蘇油田工程技術研究院，江蘇揚州 225009)

油井過多產水是油田開發進入中后期面對的一項重要問題 ，其危害很大［1］。控水穩油是油田開發過程中的重要課題，控水穩油技術有水井調剖和油井堵水。化學堵水技術始于20世紀50年代，經歷了不斷的發展，出現了無機材料、有機材料、生物材料、復合材料和新型材料等5大類堵水劑［2－5］。其中，丙烯酰胺(AM)類堵水劑是應用最廣的堵水劑，其特點是配制方便、注入性好、成膠強度大，缺點是成膠時間較短，室內靜態成膠時間在3 h內，因而增加了現場施工的難度。筆者以江蘇油田常用AM類堵劑配方為例，通過對AM類堵劑各主要組分對成膠的影響分析，優化了AM類堵劑的基本配方;同時，考察溫度、pH、剪切等影響因素對成膠的影響。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

丙烯酰胺，工業級;引發劑Y，過硫酸鹽，工業級;交聯劑J，室內自制，主要成分有含亞甲基雙丙烯酰胺、甲醛等。

恒溫烘箱;流變儀MCR－301，安東帕公司。

1.2 實驗方法

靜態成膠實驗:按照一定比例配制的AM溶液放在廣口瓶中，置于65℃的烘箱，定期觀察成膠情況，采用目測強度代碼法評價凍膠的強度。

動態振蕩掃描:配制系列AM溶液，通過流變儀考察不同溫度下，AM成膠過程的強度變化。通過文獻查閱和前期實驗，實驗條件確定為控制應力 0.5 Pa，頻率為 1 Hz。

2 結果與討論

2.1 AM凍膠體系配方各組份對成膠的影響

2.1.1 主劑用量對成膠的影響

基本配方為1%～6%AM+0.03%引發劑Y+0.03%交聯劑J。固定交聯劑和引發劑的用量，改變主劑用量配制系列AM溶液放在廣口瓶中，置于65℃的烘箱，觀察成膠情況，采用目測強度代碼法評價凍膠的強度，結果見表1。

表1 單體用量對成膠時間、成膠強度的影響

由表1可知，AM用量在3%以上均能成膠。在3%～6%時，成膠時間逐漸加快和成膠強度逐漸加強，大于5%時，成膠時間基本控制在2～3 h，最終成膠強度能達到H級。考慮堵水劑的經濟性和注入地層的稀釋，AM用量應選擇在4%～5%比較合適。

2.1.2 引發劑用量對成膠的影響

固定主劑和交聯劑的用量，改變引發劑用量配制系列AM溶液放在廣口瓶中，置于65℃的烘箱，定期觀察成膠情況，按目測強度代碼法評價凍膠的強度，基本配方為 4%AM+0.005%～0.05%引發劑Y+0.03%交聯劑J。實驗結果見表2。

表2 引發用量對成膠時間、成膠強度的影響

由表2可知，引發劑用量大于0.005%時都能成膠，隨著用量的增加，成膠時間加快，成膠強度反而降低，通過分析認為，引發劑用量高，產生的自由基也相對較多，加聚反應加快，分子鏈反而變短，響應凍膠最終強度也變差。可見引發劑用量有較寬的范圍，考慮經濟性、成膠時間等多方面因素，推薦引發劑用量以0.01%～0.03%較合理。

2.1.3 交聯劑用量對成膠的影響

固定主劑和引發劑的用量，改變交聯劑用量配制系列AM溶液放在廣口瓶中，置于65℃烘箱，定期觀察成膠情況，按目測強度代碼法評價凍膠的強度。基本配方為:4%AM+0.03%引發劑Y+0.005%～0.05%交聯劑J。實驗結果見表3。

表3 交聯劑用量對成膠時間、成膠強度的影響

由表3可知，交聯劑用量與成交時間、成膠強度成正比，當交聯劑用量大于0.02%時，都能較好地成膠，強度在G級左右;當交聯劑用量小于0.02%時，溶液能夠增稠，但強度達不到凍膠級別，同時，凍膠黏度會隨時間產生先增加后又降低的現象，分析認為，交聯劑用量較低，生成的凍膠交聯度不夠，且該凍膠穩定性也低，最終黏度會隨時間降低。

綜上所述，AM體系中主劑和交聯劑對成膠起正作用，即隨著用量的增加，成膠時間和強度都能隨著增加，引發劑對體系成膠的影響是反作用，即隨著時間的增加成膠時間變快，強度減弱;考慮施工成本經濟性、凍膠有效性及抗稀釋性等，得出AM系列堵劑的最佳配方在65℃下為4%～5%AM+0.01%～ 0.03% 引發劑 Y+0.02%～0.04% 交聯劑 J。

2.2 影響AM系列堵水劑成膠其他因素

2.2.1 AM體系凍膠溫度敏感性考察

設計配方為4%AM+0.02%引發劑 Y+0.03%交聯劑J的凍膠體系，通過動態振蕩掃描，考察其在不同溫度下的成膠行為和成膠強度，結果見圖1。

圖1 AM在各溫度下的成膠情況

由圖1可知，AM體系對溫度敏感，隨著溫度的升高，成膠時間明顯縮短，這是因為過硫酸鹽產生2個自由基會隨著溫度的升高而加快。一般認為，溫度高于55℃時，成膠時間過短，需要進行反應調節。

2.2.2 AM體系凍膠在不同pH值條件下的成膠能力

設計配方為4%AM+0.02%引發劑Y+0.03%交聯劑J的凍膠體系，考察其在不同pH下(4，7，9，11)的成膠行為和成膠強度，結果見表4。

表4 不同pH值對成膠時間、成膠強度的影響

由表4可知，該體系在酸性條件下，加快成膠反應，堿性條件下，則會降低成膠速率，這是因為酸性條件下，提高了自由基的活性，加速了其引發AM的聚合反應，影響成膠的時間。

2.2.3 AM體系凍膠在不同剪切情況下的成膠能力

設計配方為4%AM+0.02%引發劑 Y+0.03%交聯劑J的凍膠體系，考察其在不同轉速下的成膠行為和成膠強度，測試結果見圖2。

圖2 不同剪切下的成膠情況

由圖2可知，剪切影響AM體系的成膠速度，低剪切對成膠速度影響較小，高速剪切對成膠速度影響較大，剪切對成膠強度的影響較小。

3 結論

1)AM體系中主劑和交聯劑對成膠起正作用，即隨著用量的增加，成膠時間和強度都能隨著增加，引發劑對體系成膠的影響是反作用，即隨著用量的增加成膠時間變短，強度減弱。65℃下，AM系列堵劑基本配方以4%～5%AM+0.01%～0.03%Y 引發劑 +0.02%～0.04%交聯劑 J較為合理。

2)AM體系對溫度敏感，溫度升高，成膠時間明顯縮短，這是因為自由基引發AM聚合反應是放熱反應，溫度過高，產物PAM分子鏈越低，影響凍膠強度。

3)AM體系在酸性條件下，加快成膠反應，而在堿性條件下，則會降低成膠速率，這是因為酸性條件下，提高了自由基的活性，加速了其引發AM的聚合反應，延長了成膠的時間。

4)剪切能影響AM體系的成膠速度，低剪切對成膠影響較小，高速剪切對成膠的影響較大，剪切對成膠強度的影響較小，AM體系具有一定的抗低速剪切能力。

［1］高飛，李宜坤，王艷輝.國外選擇性堵水劑進展［J］.油田化學，2009，27(3):346 －349.

［2］余誠剛，張云秋.BD－861調剖劑的研究［J］.油氣采收率技術，1996，3(3):52 －59.

［3］張代森.丙烯酰胺地層聚合交聯凍膠堵調劑研究及應用［J］.油田化學，2002，19(4):337 －339.

［4］張建遠，蔣曉敏，戴明，等.適合新疆低滲透油田凝膠堵劑的制備［J］.精細石油化工，2010，27(4):15 －18.

［5］王建，董漢平，李培武，等.地下聚合交聯成膠的耐酸耐高溫凝膠堵劑［J］.油田化學，2004，21(4):313 －315.

［6］張潔，申明成，程麗敏，等.合成高分子聚丙烯酰胺參數的確定［J］.河南化工，2002(1):18 －19.