带压作业用封堵凝胶体系室内研究

汪小宇，王所良，李志航

（1.川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，陕西西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018）

我国部分油田开发进入中后期之后，由于压力递减而进入低压油田范畴。欠平衡钻完井技术尤其适合在该类低压油气藏及老油田开发中应用，可有效避免钻完井过程中流体对储层造成伤害，从而保护油气层。聚合物凝胶强度[1]大，且与金属套管间具有较强的粘附力，能很好地起到压井和密封作用，可将上部作业段与封堵层实现有效隔离，并且在大压差作用下封堵凝胶不进入储层，同时又能够阻止地层中的流体向外逸出，起到“隔离、密封、承压”作用，因此，在不采用带压装置和套管阀的条件下，即可实现对上部储层进行起下钻、下筛管、修井、压裂改造等完井作业，从而降低作业成本、节约施工时间、简化施工工艺[2-3]。

研究利用水溶性聚合物与交联剂反应，通过添加保湿剂和结构增强剂，制备出耐高温封堵凝胶，考察了影响封堵凝胶性能的因素，评价了封堵凝胶的稳定性、粘弹性，并测定了凝胶的耐压强度[4]。

1 实验部分

1.1 实验药品与仪器

部分水解聚丙烯酰胺HPAM3、HPAM6、HPAM7，工业品，相对分子质量700 万，水解度25 %；交联剂JLJ1，工业品；结构增强剂ZQJ，工业品；保湿剂BO，工业品。

德国HAKKE RS600 模块化数字流变仪、DW-2型电动搅拌器、实验室自主研发的凝胶测压装置、FEI Quanta200F 场发射环境扫描电子显微镜。

1.2 凝胶体系制备方法

将自来水加到烧杯中，在搅拌器转速约为400 r/min下，依次将保湿剂、结构增强剂和聚合物加入到烧杯中，待聚合物溶解完全后，加入交联剂，混合均匀，置于耐温玻璃管和N80 管中待用。

1.3 凝胶强度评价方法

目测代码法：通过倒置盛有凝胶的试样瓶，观察凝胶的流动、悬挂及吐舌状态来评价凝胶的强度，按成胶强弱分为由A 到I 共9 个等级[5]。

1.4 黏度及粘弹性测定方法

黏度采用德国HAAKE 公司的RS600 型流变仪测定，实验过程采用同轴圆筒Z41Ti 转子在剪切速率1.5 s-1下持续测量400 s 后得凝胶的黏度曲线，曲线趋于稳定后即得凝胶的黏度。

采用齿板-板PP20 系统测定了成胶后凝胶的流变性质，进行频率扫描。在线性粘弹性区选定应力165 Pa，在频率为1 Hz～10 Hz 内对凝胶进行频率扫描[6]。测定温度均为30 ℃。

1.5 耐压强度及密封性能评价方法

通过实验室自主研发的测压装置测定凝胶在N80管中的耐压强度。测试装置主要由气源、缓冲装置、数据采集系统及控温系统组成（见图1）。

图1 凝胶耐压强度测定装置Fig.1 The measurement device of gel compression strength

实验过程首先将交联聚合物体系混匀后倒入盛凝胶容器（N80 管）中，100 ℃温度下放置成胶。凝胶完全成胶后，通过高压氮气瓶给体系提供压力，直至达到预设压力。接着打开2 号六通阀上与N80 管连接的旋钮向N80 管中凝胶输入压力。若在一段时间内体系的压力保持恒定，表明凝胶在此压力下对N80 管的密封性好。然后提高体系压力，继续测定凝胶的耐压能力。整个测定过程温度均保持在100 ℃。

1.6 环境扫描电镜（ESEM）观察方法

用液氮冷却圆柱体铜块使其温度降至-30 ℃，取1 mL～2 mL 凝胶样品置于铜块表面的中心凹槽内，凝胶接触铜块后发生凝华现象表面结冰，将载有样品的铜块置于Quanta 200F 场发射环境扫描电镜的样品室内，待样品表面的冰慢慢升华的过程中，观察凝胶的微观结构并拍照[7-8]。

2 结果与讨论

2.1 封堵凝胶配方优化

2.1.1 聚合物优选 分别制备浓度为0.8 %、1.0 %、1.1 %、1.2 %和1.5 %的聚合物HPAM3、HPAM6、HPAM7 溶液，30 ℃条件下测其黏度曲线（见图2）。

由图2 可知，随聚合物浓度增加，三种聚合物溶液的黏度均逐渐增大，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。

图2 聚合物溶液黏度与浓度的关系Fig.2 The viscosity of polymer solution vs its concentration

在聚合物HPAM3、HPAM6、HPAM7 溶液中按比例分别加入交联剂JLJ1 反应，将凝胶体系在100 ℃下放置20 d 后，测定凝胶的黏度，实验结果（见表1）。

表1 聚合物与交联剂成胶性能Table 1 The gelation properties of polymer and crosslinker

由表1 可知，聚合物HPAM3、HPAM6、HPAM7 均能与交联剂JLJ1 发生交联反应形成强凝胶，且凝胶在100 ℃下放置20 d 后仍具有较高的黏度，将盛放凝胶的安瓿瓶倒置后，凝胶紧紧地粘附在瓶壁表面，表现出良好的黏附性和热稳定性。按照凝胶基液的注入要求，成胶时间在24 h 左右较好。因此，初步选择浓度为1.0 %的聚合物HPAM6 与0.12 %的交联剂JLJ1 反应。2.1.2 保湿剂浓度优化 为了增加凝胶与N80 管壁的粘结性和稳定性，在聚合物交联溶液中加入不同浓度的保湿剂BO，将交联凝胶在100 ℃下静置20 d 后，观察其稳定性（见表2）。

表2 保湿剂含量对凝胶成胶性能的影响Table 2 The effect of moisturizer content on gel performance

实验结果表明，保湿剂含量为0.5 %时，聚合物交联凝胶在24 h 成胶，且放置20 d 后，凝胶性能稳定，无脱水或降解现象。

2.1.3 结构增强剂的添加对凝胶结构的影响 将1 %聚合物HPAM6、0.12 %交联剂JLJ1 和0.5 %保湿剂BO 混合反应成胶，作为对比，同时将2.5 %结构增强剂ZOJ 加入上述交联体系配方，两种交联体系均放置100 ℃下成胶，之后通过环境扫描电镜观察其微观结构（见图3）。

图3 封堵凝胶的微观结构Fig.3 The microstructure of polymer gel

由图3 可知，添加结构增强剂反应后，凝胶的微观三维网络结构的孔径明显小于未添加结构增强剂，结构增强剂分布于聚合物链周围，部分填充于交联网格内，使得凝胶的微观网络结构更加致密，网络中的孔洞相对较小，宏观上添加增强剂的凝胶的强度明显高于未添加结构增强剂的强度。因此，结构增强剂的添加能够改变凝胶的微观结构从而增强凝胶的宏观性能[9]。

2.2 封堵凝胶性能评价

2.2.1 封堵凝胶的热稳定性 将1.0 %聚合物HPAM6、2.5 %结构增强剂ZOJ 和0.5 %保湿剂BO 配制聚合物溶液，添加不同含量的交联剂JLJ1，100 ℃条件下考察交联体系的成胶性能及热稳定性，结果（见表3）。

表3 封堵凝胶成胶性能及热稳定性Table 3 The gelation properties thermal stability of plugging gel

由表3 可知，交联剂含量为0.08 %、0.12 %时，交联体系在100 ℃条件下放置24 h 均能达到等级I 的强度，且在100 ℃下放置20 d 后，凝胶的强度无明显变化，仍然保持I 等级，具有较好的热稳定性

2.2.2 封堵凝胶的黏度和粘弹性 取2.2.1 中交联剂JLJ1 含量分别为0.08 %和0.12 %编号为GEL1 和GEL2 的封堵凝胶，测定其黏度及粘弹性，结果（见图4、图5、图6）。

图4 封堵凝胶黏度曲线 Fig.4 The viscosity curve of plugging gel

图5 封堵凝胶GEL1 粘弹性曲线Fig.5 The viscoelasticity curve of GEL1 plugging gel

图6 封堵凝胶GEL2 粘弹性曲线 Fig.6 The viscoelasticity curve of GEL2 plugging gel

图7 封堵凝胶耐压强度随时间变化Fig.7 The compression strength of plugging gel

由图4、图5、图6 可知，交联剂JLJ1 含量分别为0.08 %和0.12 %的封堵凝胶的黏度均为500×103mPa·s，表明两者成胶强度均较大。GEL1 和GEL2 两者的弹性模量均大于粘性模量，占主导地位，说明此类凝胶是以弹性为主的刚性凝胶，按照冻胶强度划分标准[6]，GEL1和GEL2 均属于强冻胶。

2.2.3 封堵凝胶的耐压强度 按配方1.0 %聚合物HPAM6+0.5 %保湿剂BO+2.5 %增强剂ZOJ+0.12 %交联剂JLJ1 制成的凝胶搅拌均匀后，倒入1 m 长的N80管中置于100 ℃条件下成胶，在此温度下稳定24 h，采用实验室自助研发的耐压装置测其耐压强度，结果（见图7）。

由图7 可知，交联体系在100 ℃下成胶后，通过氮气瓶从凝胶底部通入氮气施加压力，保持整个实验装置的密封性，当压力增至31 kPa 时，23 min 内压力保持不变；继续升高压力至46 kPa，压力仍然维持不变，表明该封堵凝胶本体强度较大，且与N80 管壁之间的粘附性良好；而将压力升至51 kPa，2 min 后压力突降至12 kPa，凝胶体内部鼓泡，氮气体从凝胶中间部位逸出，此时凝胶体被氮气压力突破，因此该配方凝胶的突破压力为51 kPa，而凝胶体与管壁之间并无气体通过，具有良好的粘附性。

3 结论

（1）通过筛选聚合物，优化保湿剂含量，增加结构增强剂，研制出一种适用于油气井带压作业的聚合物凝胶封堵体系，最佳配方为1.0 %聚合物HPAM6+0.5 %保湿剂BO+2.5 %增强剂ZOJ+0.12 %交联剂JLJ1。

（2）成胶时间为24 h 的封堵凝胶体系，在100 ℃条件下具有良好的热稳定性，较高的强度及韧性，黏度为500×103mPa·s，弹性模量G＇＞200 Pa，属于强冻胶；凝胶的耐压强度可达57 kPa·m-1，且与N80 管壁粘附性好，可有效的防止气体溢出，实现隔离密封井筒、平衡地层压力及保护储层的目的。

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［2］ 樊奖平，张高峰，王学佳，等.带压作业装置现状与发展［J］.石油矿场机械，2008，（12）：82-84.

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［7］ 干蜀毅.常规扫描电子显微镜的特点和发展［J］.分析仪器，2000，（1）：51-53.

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