高壓注水井帶壓作業凝膠封堵體系性能評價*

汪萬飛，付 紅

（1.中國石油長慶油田分公司第九采油廠，寧夏銀川 750006；2.中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006）

0 前言

隨著我國油氣資源勘探開發戰略的逐步推進，完井修井技術的應用越來越廣泛［1-5］。針對國內部分油井帶壓修井作業中無法使用機械封隔裝置、作業井工況復雜、機械封隔裝置適應性差、容易存在安全隱患的情況，提出了凝膠暫堵技術進行壓力封隔，以滿足復雜多變的作業井井況。帶壓修井作業能保護儲層、提高油氣采收率［6-11］。高壓注水井帶壓作業能縮短修井作業時間，降低對其周圍油井正常生產的不利影響，提高油井生產能力［12］?；瘜W暫堵體系主要存在3個方面的問題：（1）成膠反應時間長，注入性差，很難達到帶壓作業所需的凝膠強度［13］；（2）耐溫耐鹽性能差，長期穩定性較差；（3）不耐油性物質，剪切會極大地降低體系的強度，導致凝膠黏彈性變差，難以發揮有效的封堵作用［5］。長慶三疊系油藏溫度為60 ℃，注水井注水壓力高達14.5 MPa，井下工況復雜且存在安全隱患。采用高強度的化學封堵技術實現帶壓作業是一種安全可靠的封堵技術，能保證注水井檢修作業順利開展，且作業完成后進行破膠能及時恢復正常生產。

國內油田普遍采用部分水解聚丙烯酰胺作為主劑合成化學堵劑。然而，在地層水和地層溫度條件下，酰胺基水解后易與二價陽離子形成沉淀，降低其封堵效能。在聚丙烯酰胺鏈上引入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）鏈節，可極大地避免鈣鎂離子與其生成沉淀［14-15］。丙烯酰胺（AM）/AMPS二元共聚物單體體積較大，分子空間位阻較大，可保護聚合物主鏈及抑制酰胺基的水解［15-16］。為實現封堵油層、抑制地層水返排井筒，優選了AM/AMPS二元共聚物作為聚合物體系，并采用三羥甲基化合物（Smel30）作為交聯劑形成高強度的凝膠封堵體系。AM/AMPS 與Smel30 交聯反應后能形成錯綜復雜的網狀結構，增強在高溫高鹽下的穩定性。研究了溫度、無機鹽、模擬油含量、剪切時間以及長期老化對凝膠體系成膠時間和凝膠強度的影響，同時研究了過硫酸鈉對凝膠體系破膠效果的影響。通過室內實驗評價高強度凝膠封堵體系的性能，為帶壓作業的實際應用提供可行性方案。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

丙烯酰胺（AM）/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）二元共聚物，相對分子質量300×104～500×104，水解度15%～20%，自制；過硫酸鈉、氯化鈉、氯化鈣、六水氯化鎂，分析純，成都科隆化學品有限公司；三羥甲基化合物（Smel30），自制；模擬油（白油），中淼石油化工有限公司；清水礦化度為944.01 mg/L，離子組成（單位mg/L）為：Na++K+170.60、Ca2+46.55、Mg2+49.10、HCO32-230.70、SO42-23.88、Cl-213.04。

Haake MARS III 型模塊化高級旋轉流變儀，德國Haake 公司；LC-101-1B 型恒溫箱，上海力辰邦西儀器科技有限公司；LC-FA1004型分析天平，常州稱重設備系統有限責任公司；DF-101型數顯恒溫磁力攪拌器，上海力辰邦西儀器科技有限公司。

1.2 實驗方法

（1）凝膠彈性模量及表觀黏度的測定

采用高級旋轉流變儀測量凝膠封堵體系（1%AM/AMPS+0.5% Smel30）的彈性模量和表觀黏度。依據中國石化集團勝利石油管理局企業標準Q/SH1020 1493—2014《凍膠類堵水調剖劑性能指標及試驗方法》，在應力為0.1 Pa、振蕩頻率為0.2 Hz時，測定凝膠體系的彈性模量值；在常溫下測定凝膠體系的凝膠強度，錐板型號選擇006-1195，轉子型號選擇C60/1°TiL。在60 ℃下測定凝膠的表觀黏度，轉子型號選用Z41，轉筒型號選用Z43。

（2）破膠性能評價

配制質量分數為30%的過硫酸鈉溶液備用。用100 mL 量筒分別量取50～90 mL 的未成膠凝膠體系放入廣口瓶中，然后將廣口瓶密封后放置在60 ℃恒溫箱中成膠。待成膠后加入不同體積分數的破膠劑溶液至100 mL，然后將廣口瓶密封后放置在60 ℃恒溫箱中破膠，每隔一段時間觀察不同加量破膠劑溶液的破膠效果。在60 ℃、剪切速率為7.34 s-1的條件下，測定殘液的表觀黏度。

2 結果與討論

2.1 溫度對成膠性能的影響

在40～100 ℃下，凝膠封堵體系的凝膠強度和成膠時間如圖1所示。在60 ℃時，凝膠強度為73.5 Pa，成膠時間為7 h；當溫度升高到80 ℃，凝膠強度增至82.4 Pa，成膠時間縮短到2 h。溫度繼續升高，成膠時間基本不變，但凝膠強度進一步增大。當溫度升至100 ℃時，凝膠強度升高到88.6 Pa。凝膠強度隨著溫度的升高大幅增大。該體系通過共價鍵連接酰胺基和聚合物骨架，這種交聯方式可以顯著提高凝膠體系的抗溫能力和穩定性［17-19］。成膠時間隨著溫度升高而縮短。這是由于溫度升高，體系溶液中參加反應的分子運動速率加快，有效碰撞增加，交聯劑的反應基團活性增大，交聯速度也相應加快，從而成膠時間縮短。溫度升高加速了聚合物分子和交聯劑分子之間的熱運動，提高了分子纏繞反應的機會，形成的凝膠結構更復雜，從而形成更強的凝膠。該封堵體系耐溫性良好，能滿足高溫封堵的性能要求。

圖1 溫度對凝膠封堵體系成膠性能的影響

2.2 鹽濃度對成膠性能的影響

高強度凝膠封堵體系主要作用于井筒封堵，礦化度高低會對封堵體系的成膠性能產生極大的影響，主要與其中的鈉、鎂、鈣離子發生化學反應，影響其交聯程度，同時影響凝膠強度和成膠時間。用3 種無機鹽分別配制質量濃度為5～25 g/L 的鹽溶液，考察不同種類鹽對凝膠封堵體系凝膠強度和成膠時間的影響。由圖2 可見，成膠時間隨著鹽濃度的增加而縮短。金屬陽離子對封堵體系的成膠有促凝作用，體系成膠時間縮短。這可能由于金屬陽離子使得聚合物分子產生了靜電屏蔽，使得聚合物分子鏈的展開受到抑制，交聯反應更容易進行［16，20］，從而縮短了交聯反應時間，達到促凝的效果。聚合物分子中含有羥基，Na+、Mg2+和Ca2+都有得到電子的能力。Mg2+和Ca2+的電荷數高于Na+，得到電子的能力更強；相較于Ca2+，Mg2+與羥基結合的能力更強，成膠過程中對凝膠性能的影響小于Ca2+［21-24］。因此，3 種鹽對凝膠封堵體系成膠時間和凝膠強度的影響從小到大依次為NaCl＜MgCl2＜CaCl2。由于AMPS 具有較強的抗鹽能力，AM/AMPS 二元聚合物單體體積和分子空間位阻較大，能保護聚合物主鏈以及抑制酰胺基的水解［15-16］，同時AM/AMPS與Smel30 交聯形成的凝膠具有錯綜復雜的網狀結構，使得凝膠體系的耐鹽性得以提高。隨著鹽濃度的增大，凝膠強度略有增加。該凝膠封堵體系表現出良好的抗鹽性能，可以用油田污水進行配制，既經濟又環保。

圖2 不同鹽對凝膠封堵體系成膠性能的影響

2.3 抗油性能

在現場應用時，化學封堵劑注入井筒后會遇到井筒中的殘余油性物質。為探究油性物質對凝膠性能的影響，在基礎配方（1% AM/AMPS+0.5%Smel30）中加入質量分數為1%～10%的模擬油（白油），并與不加模擬油時的凝膠強度和成膠時間對比。含油量對凝膠體系成膠性能的影響如圖3 所示。在60 ℃下，加入不同量的模擬油后，凝膠體系并沒有發生分層現象，可能是由于凝膠分子的部分基團參與了乳化，充當了乳化劑的作用［5，25］。模擬油含量逐漸增大，越來越多的模擬油與凝膠基團之間發生乳化，使得與交聯劑分子的接觸幾率降低，候凝時間延長，從而表現出成膠時間逐漸增加。盡管加入模擬油后對成膠時間有所影響，但對凝膠強度的影響不明顯?？傮w來說，該凝膠封堵體系的抗油性能較強，對現場環境有較好的適用性。

圖3 含油量對凝膠封堵體系成膠性能的影響

2.4 抗剪切性能

當凝膠溶液注入井筒或在地層中流動時會發生剪切降解，如果凝膠溶液對剪切敏感，將會導致成膠時間不受控制等不確定性因素。因此，通過攪拌的方法來模擬油田條件下的剪切。在60 ℃、剪切速率為500 r/min 的條件下分別剪切0～60 min，通過測定凝膠溶液的成膠時間和成膠后的強度，反映該凝膠封堵體系對剪切的敏感性。由圖4 可見，增加剪切時間使得成膠時間延長、凝膠強度降低。隨著剪切時間增至60 min，成膠時間從7 h延長到17 h。在成膠過程中，剪切作用對凝膠性能有負面影響。但在剪切60 min 后，凝膠強度仍能保持81%，表明該凝膠體系具有良好的抗剪切穩定性。在剪切過程中，凝膠的分子聚集體被剪切破壞；剪切結束后，被破壞的凝膠分子聚集體重新形成大塊的凝膠，所需要的時間增加，同時凝膠強度降低。

圖4 剪切對凝膠封堵體系成膠性能的影響

2.5 熱穩定性

為了滿足帶壓作業的時間要求，凝膠體系需要在一定的時間內保持較好的封堵效果。通過測量凝膠封堵體系在60 ℃下老化一段時間后的凝膠強度來評價該體系的穩定性。由圖5 可見，隨著老化時間的延長，凝膠強度逐漸降低，但凝膠體系外表只出現略微失水，外觀變化不大，即使老化15 d后，凝膠并未出現明顯的脫水現象。凝膠封堵體系老化3 d 后的凝膠強度為88 Pa，老化15 d 后的凝膠強度為67 Pa，凝膠強度雖然降低，但仍具有較好的封堵效果。

圖5 老化時間對凝膠封堵體系凝膠強度的影響

2.6 破膠性能

為了不影響后續的生產作業，帶壓作業結束后需加入破膠劑進行破膠。使用過硫酸鈉作為破膠劑，為了方便使用且與凝膠封堵體系充分接觸以提高作業效率，預先配制質量分數為30%的過硫酸鈉溶液作為破膠劑，然后按照體積分數為10%～50%的量向凝膠封堵體系中加入破膠劑，總體積為100 mL。將破膠劑和凝膠體系混合后，在60 ℃下破膠，每隔一段時間觀察破膠效果，測定殘液的表觀黏度，結果見表1。破膠劑的體積分數越大，破膠時間越短，殘液表觀黏度越低。過硫酸鈉可以分解產生自由基，自由基可以破壞聚合物主鏈與交聯劑分子之間的作用，從而瓦解凝膠體系的網狀結構，使得凝膠體系從三維網狀結構破膠成為二維線性結構，凝膠殘液的表觀黏度逐漸降低［13，26-31］。為了滿足現場施工和經濟效益的要求，破膠劑適宜的體積分數為30%，此時的破膠時間為20 h、殘液表觀黏度為64.4 mPa·s，可以通過氣體或清水將破膠殘液頂替至地面。

表1 破膠劑用量對凝膠封堵體系破膠效果的影響

3 結論

以丙烯酰胺（AM）/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、三羥甲基化合物（Smel30）為原料制得凝膠封堵體系。該凝膠體系具有良好的凝膠強度、耐溫耐鹽性、抗油性和熱穩定性，可以滿足快速封堵目的層的要求。凝膠體系強度高，溫度適應范圍廣，可用于不同地層條件的承壓封堵。

采用質量分數為30%的過硫酸鈉溶液作為破膠劑，向凝膠封堵體系中加入體積分數為30%的過硫酸鈉溶液，可以高效低成本的進行破膠。破膠時間為20 h、殘液表觀黏度為64.4 mPa·s，可以通過氣體或清水將破膠殘液頂替至地面，易于返排，滿足現場施工要求。