现有技术中常用的堵漏方法有桥浆堵漏和注水泥堵漏[1-3]，但是由于堵漏剂的黏性和交联时间难以控制，使得堵漏剂泵入困难[4-7]。另外，常规聚合物凝胶稠化时间长[8-11]，形成不可动凝胶或刚性凝胶时间长，在目标封堵位置站不住，在压差作用下易流走[12-14]。鉴于此，本实验利用自制二元共聚物AM/AANa与自制有机碱式铬交联剂制备了一种新型堵漏凝胶，该凝胶具有优异的注入性和可控的交联速率、成胶时间和成胶强度，成胶过程可实现“直角稠化”，堵剂进入漏失通道后迅速固化，形成有效封堵，显著提高了凝胶封堵效率。
1) 主要实验材料：乳酸，分析纯，成都市科龙化学试剂厂；有机碱式铬OACrC-1、AM/AANa共聚物(分子量400×104，水解度7.5%)自制；模拟地层水：ρ(Na+)=1 143 mg/L、ρ(K+)=647 mg/L、ρ(Ca2+)=2 350 mg/L、ρ(Mg2+)=209 mg/L、ρ(Cl-)=7 515 mg/L和ρ(HCO3-)=55 mg/L，总矿化度为11 919 mg/L，水型为CaCl2型。
2) 主要仪器：扫描电子显微镜，ZEISS EV0 MA15，卡尔蔡司显微图像有限公司；综合热分析仪，TGA/SDTA85/e，瑞士梅特勒-托利多；六速旋转黏度计，ZNN-D8，青岛海通达专用仪器有限公司；多功能岩心驱替装置，XSY-2，江苏海安石油科研仪器厂；增压稠化仪，BSRD & 8041C，辽宁贝斯瑞德石油装备制造有限公司。
使用络合能力强的配位体和增大配位体的含量，可以减缓Cr2+释放速率，有效地延迟Cr3+/AM/AANa体系的成胶时间，满足长时间的注入要求，以适应不同现场的要求。
凝胶封堵剂的配比(质量分数)为：4.0% AM/AANa二元共聚物+0.4% OACrC-1交联剂+0.5% 缓凝剂。
配制步骤为：①取4.0 g AM/AANa二元共聚物，将其配制成质量分数为4.0%的100 mL水溶液备用；②称取0.4 g OACrC-1制备有机碱式铬OACrC-1作为交联剂，并量取0.5 g乳酸作为缓凝剂备用；③向聚合物溶液中同时加入交联剂和缓凝剂，配制成交联反应溶液，充分搅拌后置于一定温度下进行交联反应，得到凝胶封堵剂。
采用六速旋转黏度计在常温常压下测试凝胶封堵剂成胶前的表观黏度和动切力，以表征其流变性。
凝胶封堵剂注入地层后，在一定温度下形成凝胶，进而形成封堵层。但由于地层复杂的环境，凝胶封堵剂的稳定性常常受到地层水与地层温度的影响。
为测试凝胶封堵剂在水环境下的热稳定性，首先将完全成胶的凝胶封堵剂放入聚四氟乙烯内衬中，之后在内衬中装入50 mL提前配制的模拟地层水。然后将聚四氟乙烯内衬放置在不锈钢老化罐中，密封后置于烘箱进行老化。老化时间为96 h，老化温度分别为120 ℃、150 ℃。老化后取出观察凝胶封堵剂状态，并用镊子挤压定性分析凝胶封堵剂弹性。
凝胶封堵剂在一定温度下成胶，形成空间网状结构，稠度急剧增大。如果未泵送至目的位置发生稠度激增现象，将导致泵注压力激增，甚至发生憋泵事故。因此，需要采用稠化实验来测试凝胶封堵剂的稠化时间，考查其稠化性能。实验测试了凝胶封堵剂在30 MPa、从室温升温至120 ℃，并持续保温条件下的稠化曲线。
采用岩心剖缝的方式模拟现场漏失裂缝，并用多功能岩心驱替装置对凝胶封堵剂的注入性和封堵性进行评价。图 1所示为低渗透率岩心剖缝模拟漏失裂缝图。
先将岩心沿轴向剖为两半，并在其间用环氧树脂填充固定不同粒度的石英砂以支撑裂缝来模拟不同宽度裂缝，然后用生胶带将两半岩心缠紧来模拟漏失裂缝，岩心基本参数见表 1。
凝胶封堵剂成胶前的流变性会影响现场施工的泵注作业，也是一个重要的性能指标。表 2是凝胶封堵剂成胶前的流变性能。
由表 2可知，凝胶封堵剂成胶前的表观黏度较低(121.5 mP·s)，易于泵送，而动切力较大(54.5 Pa)，说明凝胶封堵剂在发生层流流动时，黏土颗粒与凝胶封堵剂之间相互作用力较大，即形成空间网架结构能力较强。
图 2和图 3分别是凝胶封堵剂在120 ℃和150 ℃下老化96 h前后的照片对比。
观察图 2和图 3可知，凝胶封堵剂在120 ℃老化96 h后略有变形，但整体保持凝胶状态，而在150 ℃下老化96 h后已破胶为流体。分析认为这是由于交联剂与聚合物大分子长链是以配位键结合在一起，在高温下配位键逐渐断裂，导致Cr3+释放溶于水溶液中呈浅绿色，且凝胶微观结构被破坏，宏观强度降低，随着老化时间的延长，凝胶逐渐由固相变为液相。同时，在实验过程中，人工用镊子挤压在120 ℃老化96 h后的凝胶封堵剂，其仍具有较好的弹性。综上所述，该凝胶封堵剂在120 ℃具有良好的热稳定性。
图 4是凝胶封堵剂在30 MPa、从室温升温至120 ℃时的稠化曲线。
从图 4可看出：凝胶封堵剂成胶前的初始稠度小于110 mPa·s，说明其具有较好的泵注性；从室温升高至120 ℃过程中，凝胶封堵剂稠度未发生明显变化，保持低稠度状态，在120 ℃下恒温约18 min后，其稠度急剧上升，几分钟内上升至10 000 mPa·s以上，说明凝胶封堵剂在120 ℃下具有直角稠化性能，即在该条件下可以快速成胶封堵。
图 5是凝胶封堵剂的注入量与注入压力的变化曲线。实验采用缝宽为0.05~0.20 cm的4块人工剖缝岩心Y01(0.05 cm)、Y07(0.10 cm)、Y11(0.15 cm)和Y15(0.20 cm)进行注入性测试。
由图 5可知，随着注入量的增加，压力逐渐上升，当到达一定值后趋于稳定，且随着岩心裂缝宽度的增加，注入压力逐渐减小。注入量较小时，凝胶封堵剂在裂缝中的滞留量较小，存在优势通道，故注入压力较小；随着注入量的增加，通道被凝胶封堵剂充满，压力逐渐稳定；由于裂缝宽度越小，凝胶封堵剂所受到来自岩心的正应力越大，增大了凝胶封堵剂与岩壁的摩擦阻力，导致岩心裂缝的宽度越大，注入压力越小。
为测试凝胶封堵剂对裂缝岩心的封堵性能，选用了4块缝宽不同的岩心Y03(0.05 cm)、Y05(0.10 cm)、Y09(0.15 cm)、Y13(0.20 cm)对凝胶封堵剂封堵性进行测试。设置实验温度为60 ℃，在注入5 PV凝胶封堵剂后，恒温12 h后完全成胶，然后在注入速率为0.5 mL/min下进行封堵率测试。
由表 3测试结果可知，随着裂缝宽度从0.05 cm增加到0.20 cm，相应的突破压力从6.1 MPa降至3.9 MPa，封堵率也从92.3%逐渐下降到85.9%。在充填凝胶封堵剂的岩心中，随着缝宽增加，其凝胶封堵剂在单位面积上所承受的压力增加，凝胶封堵剂变形加大；当注入凝胶封堵剂所受的压力大于其变形的极限压力时，凝胶易被突破。凝胶封堵剂与岩层的吸附作用不足以使其克服驱替压力，在相同的驱替压力下，宽裂缝处更容易被驱替液突破，故裂缝的宽度越大封堵率越低。在实验范围内，凝胶封堵剂对不同缝宽的岩心进行了有效封堵且封堵率均在85.9%及以上，表现出了较好的封堵能力。
以AM/AANa二元共聚物为凝胶封堵剂基液，采用有机碱式铬OACrC-1作为交联剂，乳酸作为缓凝剂，制备了具有直角稠化特性的有机碱式铬OACrC-1交联AM/AANa二元共聚物凝胶封堵剂，并对封堵剂进行了性能测试。
1) 该凝胶封堵剂成胶前的表观黏度较低，易于泵送，而动切力较大，有利于形成较强的空间网架结构，提高封堵强度，在120 ℃下具有良好的热稳定性。
2) 稠化实验结果显示，该凝胶封堵剂成胶前稠度小于110 mPa·s，利于泵送，稠化过渡期较短，表现出直角稠化性质。
3) 室内模拟堵漏实验表明，该凝胶封堵剂注入效果随缝宽的增加变好，岩心突破压力梯度及封堵性表明凝胶封堵剂对缝宽不同的岩心均具有较好的封堵性能，封堵率可达85.9%以上。
2024, Vol. 53 Issue (2): 107-111 2024, Vol. 53 Issue (2): 107-111