聚合物凝膠堵漏劑的研究及應用

曹曉春，李倍任，秦 義，楊 航

（1. 東北石油大學石油工程學院， 黑龍江 大慶 163318； 2. 大慶職業技術學院， 黑龍江 大慶 163255）

隨著復雜地層及不穩定地層的增多，傳統的堵漏材料和方法有一定的局限性，如橋塞堵漏在遇到漏層裂縫較大而且較多的情況下，井筒之上的封堵層形成的質量較差，假堵現象也會頻繁發生，當封堵完畢之后，之前的假堵層段會因為井下各種復雜鉆進情況等也很容易發生二次漏失。目前應用的一些特殊水泥漿的堵漏成功率有所提高，但是遇到復雜地層如含水量較多的異常壓力地層時，堵漏劑則容易與地層內的液體發生反應，形成其他混合物，導致堵漏劑不能正常成膠從而致使堵漏效果不明顯甚至失敗，而若將已調制好的聚合物凝膠配方提前注入到漏失地層，以上問題則可得到較好的解決，所以，聚合物凝膠堵漏劑的研究顯得十分必要[1,2]。

1 堵漏劑凝膠堵漏及成膠機理

當聚合物內部分子與水分子相遇后，彼此相互融合，其內部主鏈接段和側鏈接段可以在化學鍵的聯合作用下同高價的金屬離子結合，進而組合為一種特殊的立體網狀結構，即凝膠體，該結構往往具有很高的粘彈性，其空間形狀及性能由組成的化學分子鍵鏈接的數量決定。若聚合物分子之間的分子鍵鏈接數量多、強度高，則會嚴重影響各鏈的運動情況，鏈段只可以在某一個平行空間內伸縮，如若去掉外力因素，鏈段仍然可以恢復至最初的狀態[3]。具體的凝膠立體網狀結構如圖1：

圖1 凝膠立體網狀結構Fig.1 Gel-dimensional network structure

聚合物凝膠堵漏劑的堵漏原理主要是以聚合物為體系內主材料，經水溶解后，向所得混合物中添加交聯劑，經成膠后的堵漏劑各性能十分良好，尤其會具有較高的粘彈性，增大裂縫在運移過程中產生的阻力，從而對漏層進行封堵。

所研制的凝膠堵漏劑的成膠時間是可調整的，大多是根據實際發生的滲漏問題決定，不同漏速或者漏層深度所需的成膠時間不同，堵漏劑一定要在凝膠劑發生凝固之前以液體形態進入漏失通道，同時要將漏失地層填滿凝膠體系。凝膠堵漏的主要特性是它以液態形式出現，所以無需考慮漏失通道大小及形態，凝膠都能夠完成普通堵漏劑無法完成的任務，進入通道，實現封堵。在注入泵停止之后，凝膠便在井筒和漏失通道中停止，最初成膠時，粘滯力明顯增大，漏失速度和內外壓力差隨之變小，膠體徹底凝固后，膠體之間化學鍵的強度可以徹底阻止漏失地層進一步發生漏失時，意味著堵漏成功。

聚合物凝膠后的膠體，很難與水發生反應，同時對井下氣體也有較強的抵抗力，同時凝膠的在運移過程中對水或氣都有很好的推動作用，因此聚合物凝膠堵漏劑常常用于特殊的易漏氣層或水層[4]。

2 聚合物凝膠堵漏劑的研制

凝膠堵漏劑研制的關鍵因素主要是控制成膠時間在合理范圍內，若堵漏劑成膠較快，導致堵漏劑在井筒內便凝固則無法進入漏失地層，成膠時間過長則耽誤施工，從而延長建井周期，最好的成膠時間在1.5～4 h，通過對堵漏劑相關技術的調研[5]，同時對不同聚合物和凝膠劑成膠情況進行分析，根據成膠時間選出三種體系進行研究：①聚丙烯酰胺+紅礬鈉+ Na2S2O3+SDS②羥丙基瓜爾膠+復合有機硼③羥丙基瓜爾膠+聚鈦氧烷。

凝膠堵漏劑配方的確定:

（1）聚丙烯酰胺+紅礬鈉+ Na2S2O3+SDS體系成膠效果

①聚丙烯酰胺與不同量交聯劑所形成堵漏劑的粘度以及成膠時間

在以配好的聚合物基液中加入不同量的交聯劑，然后測試成膠時間和粘度。成膠效果如表1：

表1 0.8%聚丙烯酰胺配方體系在45 ℃下的成膠特性Table 1 0.8% Polyacrylamide system’s gelling properties at 45 ℃

由表 1可以看出聚丙烯酰胺(0.8%)+紅礬鈉(0.35%)+ Na2S2O3(1.2%)+木質磺酸鈉(1.0%)成膠時間為4 h，粘度為18 000 mPa×s，符合實驗要求。

②配方體系抗溫特性評價

將不同配方體系置入老化罐內，同時控制滾子爐內溫度為75 ℃，老化15 h后，觀察該配方體系粘度特性，同時對比老化前后的體系粘度，如表2所示：

表2 不同配方凝膠在75 ℃下熱滾15 h前后的粘度對比Table 2 Comparision of different systems’ viscosity for 15 h’s heating at 75 ℃

由表2可以看出，以上配方中只有兩種配方在75 ℃老化后粘度仍在10 000 mPa×s以上，主要是因為凝膠立體網狀結構內的化學鍵受到高溫發生破損，導致粘度變低。

（2）羥丙基瓜爾膠與復合有機硼、聚鈦氧烷成膠效果

羥丙基瓜爾膠與復合有機硼在常溫下成膠速度非?？?，如表3所示：

表3 羥丙基瓜爾膠與不同量的有機硼配方體系成膠特性Table 3 The gelling properties of Hydroxypropyl guar and different amounts of organoboron system

由表3得到，羥丙基瓜爾膠與復合有機硼成膠后體系粘度性能滿足要求但是凝固速度過快，不滿足要求。

羥丙基瓜爾膠與不同加量的聚鈦氧烷在常溫下成膠時間及粘度如表4所示：

由表4可以看出，不同濃度的聚鈦氧烷與羥丙基瓜爾膠成膠時間在 0.5～4 h,且粘度較高，符合實驗要求。

表4 羥丙基瓜爾膠與不同量的聚鈦氧烷體系成膠特性Table 4 The gelling properties of Hydroxypropyl guar and different amounts of Poly titanium siloxane system

②配方體系抗溫評價

將不同配方體系置入到老化罐中，同時將滾子輪內溫度為 75 ℃老化15 h之后，觀察該配方體系粘度特性，同時對比老化前后的體系粘度，如表5所示。

表5 不同配方凝膠在75 ℃下熱滾15 h前后的粘度對比Table 5 Comparision of different systems’ viscosity for 15 h’s heating at 75 ℃

由表5可以看出羥丙基瓜爾膠與聚鈦氧烷配方體系具有較強抗溫能力。

考慮所需配方成膠凝固時間、抵抗高溫能力、粘度，確定了聚合物凝膠堵漏劑為基本配方為：羥丙基瓜爾膠為主聚合物，聚鈦氧烷為交聯劑。

3 聚合物凝膠堵漏劑各性能評價

3.1 堵漏劑凝固成膠時間研究

堵漏劑配方的 pH值和交聯劑量決定著聚合物堵漏劑配方的成膠時間，實驗主要在調節交聯劑量和整體配方pH值來控制成膠凝固時間，將交聯劑加入不同pH值的基液，測試體系的成膠時間及粘度。

當基液pH值為9時，成膠速度過快，未進行進一步實驗。

由表6可以看出，通過控制pH值在7～8之間、交聯劑加量在0.15%～0.25%時，效果理想，成膠時間1～4 h。

表6 不同pH基液加入不同交聯劑后的成膠時間及粘度Table 6 Gel time and Viscosity of different pH base fluid adding different crosslinking agent

3.2 溫度對堵漏劑體系成膠時間的影響

調節水溫 30，45，60，75 ℃，在基液溫度不變時加入不同量交聯劑測試成膠時間。如表7：

表7 羥丙基瓜爾膠與不同加量聚鈦氧烷在不同溫度下的成膠時間Table 7 Gel time of Hydroxypropyl guar and different Poly titanium siloxane in different temperature

通過實驗，由表7可以看出，溫度對成膠時間有很大影響，溫度升高交聯速度加快，成膠速度加快。

在以上實驗的基礎上，還相應進行了聚合物凝膠堵漏劑抗污染性評價實驗，實驗結果表明：所研制的聚合物凝膠堵漏劑受到水、油、鉆井液、水泥漿的影響較小，能夠滿足堵漏要求。

4 現場實際應用分析

根據研制的聚合物凝膠堵漏劑在大慶油田徐深區塊二開易漏井段進行了現場試驗，通過與傳統水泥漿配合使用，成功完成了漏失層的封堵。

4.1 漏失情況

徐深區塊某井，二開鉆進至井深607 m時，發現鉆井液池體積明顯減少，當時鉆井液密度為 1.1 g/cm3，失水12 mL; 鉆壓4 t，泵壓5 MPa左右，轉速達到75 r/min，機械鉆速17 m/h.鉆進30 min后發生漏失，漏速達到65 m3/h，總漏失鉆井液60 m3，停止鉆進，注入清水30 min后，注入聚合物凝膠堵漏劑。

4.2 堵漏具體措施

在備用罐中打入50 m3淡水備用，加入主聚合物羥丙基瓜爾膠 260 kg(1.0%)，經水潤濕攪拌后加入聚鈦氧烷交聯劑 120 kg(0.4%)，再加入傳統的復合堵漏劑，充分攪拌后向井筒注入凝膠堵漏劑后，開泵試漏，鉆井液正常反出，凝膠堵漏成功。

所研制的凝膠堵漏劑配合復合堵漏劑使用可以提高堵漏成功率，凝膠可以把地層水和水泥漿分開，并起到一定的保護作用，實現平衡堵漏，現場試驗表明，所研制的聚合物凝膠堵漏劑對惡性漏失等緊急情況具有較好解決效果。

5 結 論

（1）在以聚合物為主體系，加入交聯劑形成配方的實驗確定以羥丙基瓜爾膠主聚合物，交聯劑為聚鈦氧烷，該堵漏劑抗溫75 ℃，成膠時間1.5～4 h可控。

（2）對聚合物凝膠堵漏劑的性能進行評價實驗，得到聚合物體系成膠時間受pH值及溫度影響較大，且所研制配方體系的抗污染性較強。

（3）經實際使用可以看出，該聚合物凝膠堵漏配方使用時加入傳統的堵漏劑會大大提高堵漏成功率。

［1］王中華.聚合物凝膠堵漏劑的研究與應用進展[J].精細與專用化學品,2011(04):16-20.

［2］呂開河,劉陽,喬偉剛,喬冠龍,劉玉霞.高強度預交聯凝膠堵漏劑研究[J].油田化學,2011(04):359-362.

［3］張雪峰.堵漏凝膠的研究與應用[D].長春:吉林大學,2013.

［4］賈佳,郭建華,趙雄虎,朱翠英.聚合物凝膠堵漏劑在鹽水中吸水膨脹性能評價[J].精細石油化工進展,2012(04):16-18.

［5］聶勛勇,王平全,張新民.聚合物凝膠堵漏技術研究進展[J].鉆井液與完井液,2007(01):82-84+94+103.