雙交聯(lián)型泡沫凝膠的制備及其暫堵壓井防漏機(jī)理

賈虎，楊欣雨，李三喜，黃發(fā)大

（1.油氣藏地質(zhì)與開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，成都 610500；2.中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司，上海200335；3.中國(guó)石油新疆油田公司百口泉采油廠，新疆克拉瑪依834000）

0 引言

目前，我國(guó)不少油田已進(jìn)入開(kāi)發(fā)中后期，許多老油井帶病生產(chǎn)，修井作業(yè)頻繁，由于地層壓力大幅衰減，甚至低于清水柱壓力，常常導(dǎo)致壓井液大量漏失。近來(lái)，凝膠防漏暫堵技術(shù)報(bào)道頗多[1-4]，俗稱“polymer gel pills”，凝膠暫堵劑中的水以束縛水狀態(tài)存在，可有效降低工作液漏失。2013年，Pubudu等[5]使用一種聚合物與交聯(lián)劑生成的低濾失無(wú)固相凝膠對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行暫堵，取得了較好應(yīng)用效果；2015年，Julio等[6]研發(fā)了一種丙烯酰胺與丙烯酸共聚物與PEI交聯(lián)制備的暫堵體系，并已在Cerro Dragon油田應(yīng)用；2015年，張忠亮等[7]開(kāi)發(fā)了一種由固態(tài)交聯(lián)劑、固態(tài)促進(jìn)劑、膠體穩(wěn)定劑制成的交聯(lián)暫堵體系，且在渤海油田成功應(yīng)用；2016年，Abdullah等[8]針對(duì)Saudi Arabia氣田高溫高壓的特點(diǎn)，研發(fā)了一種有機(jī)交聯(lián)的凝膠膠塞對(duì)其漏失層進(jìn)行暫堵封隔；2016年，劉強(qiáng)等[9]研發(fā)了一種含固相的耐高溫高強(qiáng)度凝膠暫堵劑，已在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施35井次且效果良好；2016年，劉少克[10]研究了一種耐溫180 ℃的可降解凍膠暫堵劑。眾所周知，凝膠一般具有選擇性堵水特性，常用于高含水油井堵水作業(yè)[11-13]。2005年，Asghari等[14]使用2種起泡劑、聚丙烯酰胺與單一鉻交聯(lián)劑成功制備出了新型堵水劑；2007年，Laura等[15]研究表明泡沫凝膠對(duì)油濕巖心堵水效果顯著；2012年，薛杰等[16]研發(fā)了一種由起泡劑氯化十六烷基砒啶、聚丙烯酰胺與單一鉻交聯(lián)劑制備的泡沫凝膠堵水劑；2015年，戴彩麗等[17]使用起泡劑CAB-35、聚合物L(fēng)F、REL&MNE交聯(lián)劑凍膠穩(wěn)泡劑復(fù)配了一種耐高溫凍膠泡沫選擇性堵水劑；2015年，Zhao等[18]使用梳形聚合物、酚醛樹(shù)脂交聯(lián)劑、耐高溫表面活性劑HN-1制備了一種泡沫凝膠調(diào)剖堵水劑；2016年，杜亞軍等[19]在高速攪拌下制備出了一種耐鹽型泡沫凝膠堵水劑；2016年，劉建升等[20]使用了一種由聚丙烯酰胺、交聯(lián)劑、pH調(diào)節(jié)劑、促交劑、橋聯(lián)劑制成的凍膠堵劑用于水淹井治理。

但對(duì)于低壓油井的暫堵壓井作業(yè)，當(dāng)前應(yīng)用較多的仍只是泡沫壓井液或類似泡沫的絨囊壓井液。2006年，楊順貴等[21]研發(fā)了一種由多種發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑復(fù)配的泡沫壓井液體系，由于其密度低，有效解決了在低壓氣層作業(yè)時(shí)的井漏問(wèn)題；2018年，劉磊[22]使用聚合物大分子、表面活性劑等配制了一種絨囊工作液用于SZ36-1修井作業(yè)，減小了作業(yè)過(guò)程中的漏失；2018年，李治等[23]使用絨囊流體進(jìn)行不降壓壓井，較好地解決了常規(guī)降壓過(guò)程導(dǎo)致安全性差、產(chǎn)能浪費(fèi)等問(wèn)題，縮短了氣井壓井作業(yè)周期。因此，鑒于泡沫凝膠在堵水領(lǐng)域的應(yīng)用，有必要探索其用于低壓油井暫堵壓井適應(yīng)性。當(dāng)前泡沫凝膠的制備方法多為高速攪拌或充入氣體，一方面提高了作業(yè)成本，同時(shí)也增加了現(xiàn)場(chǎng)配制復(fù)雜性；此外，目前報(bào)道的泡沫凝膠多由聚合物與單一交聯(lián)劑交聯(lián)制備，其強(qiáng)度及穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高?；谝陨涎芯楷F(xiàn)狀，本文旨在研發(fā)出一種制備工藝簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的雙交聯(lián)型泡沫凝膠，并探索其用于低壓油井暫堵壓井機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

實(shí)驗(yàn)用巖心基本物性參數(shù)如表1所示，實(shí)驗(yàn)溫度 30 ℃。

表1 實(shí)驗(yàn)巖心基本參數(shù)

儀器：Leica DM2700P透反射偏光顯微鏡、精密電子天秤、攪拌器、HAAKE RS 600 Rotational Rheometer。

實(shí)驗(yàn)藥品：聚丙烯酰胺（分子量500×104g/mol，水解度25%～30%）、交聯(lián)劑A（主要成分為含胺基團(tuán)化合物）、交聯(lián)劑B（主要成分為醋酸鉻）、起泡劑（主要成分為新型非離子表面活性劑）、原油（實(shí)驗(yàn)室配制，常溫下黏度15.54 mPa·s）。

1.2 雙交聯(lián)型泡沫凝膠壓井液體系的制備

先在清水中加入2%起泡劑，用玻璃棒攪拌至一定量泡沫；然后加入用清水配制的質(zhì)量濃度為3%的聚合物溶液，用玻璃棒攪拌，待泡沫在聚合物中均勻分布后，分別加入0.1%交聯(lián)劑B、1.5%交聯(lián)劑A，攪拌均勻，在25 ℃下待其交聯(lián)。首先交聯(lián)劑B中三價(jià)鉻離子與聚丙烯酰胺分子羧酸基團(tuán)在常溫下以離子鍵方式快速交聯(lián)；同時(shí)，交聯(lián)劑A與聚丙烯酰胺分子酰胺基團(tuán)發(fā)生親核取代而交聯(lián)，進(jìn)一步增強(qiáng)凝膠結(jié)構(gòu)。當(dāng)泡沫凝膠強(qiáng)度達(dá)到D～E級(jí)（強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參照Sydansk等人提出的堵劑凝膠強(qiáng)度十級(jí)：D級(jí)為翻轉(zhuǎn)玻璃瓶時(shí)，少部分凝膠（＜15%）不能流到另一端，常以舌型存在，E級(jí)為幾乎不流動(dòng)凝膠，翻轉(zhuǎn)時(shí)少量凝膠能緩慢流到另一端，大部分（＞15%）不具流動(dòng)性，即配制完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌觀察

2.1.1 宏觀形態(tài)

配制好的單一交聯(lián)型及雙交聯(lián)型泡沫凝膠初始狀態(tài)如圖1所示。

圖1 不同交聯(lián)方式的泡沫凝膠體系初始狀態(tài)

3種體系均為以氣相為分散相，凝膠體系為連續(xù)相的氣液分散系統(tǒng)，其中含一定量的泡沫，且均勻地分布在凝膠基質(zhì)中。3種體系的泡沫量相差不大，但雙交聯(lián)體系的泡沫明顯更細(xì)密、均勻，這是由于使用雙交聯(lián)的制備方法可加快體系成膠速度，因此在相同時(shí)間下，雙交聯(lián)體系成膠性能更好，在相同攪拌速度下，更易產(chǎn)生細(xì)密的泡沫，密度在0.78～1.00 g/cm3之間可調(diào)。

2.1.2 微觀結(jié)構(gòu)

單一交聯(lián)型及雙交聯(lián)型泡沫凝膠微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。交聯(lián)劑A單一交聯(lián)型泡沫凝膠的泡沫量極少，稀疏分布在凝膠基質(zhì)中，直徑為86.29～305.88 μm不等；交聯(lián)劑B單一交聯(lián)型泡沫凝膠中泡沫量同樣稀疏，且不規(guī)則分布，泡沫直徑為132.87～1018.72 μm，分布極不均勻；而雙交聯(lián)型泡沫凝膠的泡沫呈規(guī)則圓球形，較密集地分布在凝膠基質(zhì)中，直徑為70.92～1031.94 μm不等，分選較好。因此，雙交聯(lián)型泡沫凝膠作為壓井液時(shí)，可自適應(yīng)對(duì)不同孔尺寸通道進(jìn)行暫堵。

圖2 泡沫凝膠微觀圖

為進(jìn)一步探究不同類型泡沫凝膠微觀特征，對(duì)單一交聯(lián)型及雙交聯(lián)型泡沫凝膠單元進(jìn)行顯微觀察，見(jiàn)圖3所示。3類泡沫凝膠均具有雙層膜結(jié)構(gòu)，即在普通水膜外，還有一層由聚合物與交聯(lián)劑反應(yīng)生成的具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠，并作為增強(qiáng)膜覆蓋在泡沫最外層，最外層凝膠增強(qiáng)膜的厚度越大、包裹在氣體表面的膜總厚度越大，則“鎖氣”效果越好，泡沫凝膠的穩(wěn)定性能更好。圖3中，使用Nano Measurer軟件測(cè)得交聯(lián)劑A單一交聯(lián)泡沫凝膠、交聯(lián)劑B單一交聯(lián)泡沫凝膠及雙交聯(lián)型泡沫凝膠氣核最外層凝膠膜厚度最大分別為20.22、56.17、77.35 μm，氣核外層液膜總厚度分別為52.71、132.65、188.48 μm，因此，雙交聯(lián)型泡沫凝膠的穩(wěn)定性及強(qiáng)度比單一交聯(lián)型泡沫凝膠更好。文獻(xiàn)[24]報(bào)道的絨囊防漏工作液絨囊壁厚為3～10 μm，本文研發(fā)的雙交聯(lián)泡沫凝膠因其增厚液膜特征能顯著提高抗壓強(qiáng)度。泡沫最外層的凝膠增強(qiáng)膜不僅具有更大的吉布斯彈性，還可減緩泡沫表面液膜的排液速度，降低馬朗格尼效應(yīng)的影響，進(jìn)而延長(zhǎng)泡沫的穩(wěn)定時(shí)間，提高其工作穩(wěn)定性。

圖3 單個(gè)泡沫凝膠微觀結(jié)構(gòu)圖

2.2 穩(wěn)定性

單一交聯(lián)型及雙交聯(lián)型泡沫凝膠的穩(wěn)定性特征如圖4所示。3種體系的初始狀態(tài)均為含泡沫豐富的凝膠體系；24 h時(shí)，交聯(lián)劑B單一交聯(lián)體系中泡沫量已經(jīng)極少，僅有極細(xì)小的泡沫稀疏分布在凝膠基質(zhì)的中上部，交聯(lián)劑A單一交聯(lián)體系的凝膠基質(zhì)中幾乎已完全不含泡沫，體系表面邊緣有少部分大小不均的泡沫，而雙交聯(lián)型體系中泡沫量仍十分豐富、且均勻分布；10 d時(shí)，2種單一交聯(lián)體系幾乎都已成為不含泡沫的純凝膠，而雙交聯(lián)型體系仍充滿泡沫，且泡沫量及泡沫大小較初始狀態(tài)無(wú)明顯變化，表明采取雙交聯(lián)方式可有效提高泡沫凝膠體系的穩(wěn)定性。

圖4 不同泡沫凝膠體系的穩(wěn)定性

2.3 流變及黏彈性能

使用哈克流變儀在25 ℃下對(duì)剛配制好的泡沫凝膠體系測(cè)試不同剪切速率下的表觀黏度，測(cè)試流變曲線；將配制好的體系室溫下放置24 h充分交聯(lián)后，使用哈克流變儀在定頻率0.5 Hz、定應(yīng)力0.5 Pa下測(cè)定體系的彈性模量G’、黏性模量G”隨時(shí)間變化值。

如圖5所示，交聯(lián)劑A單一交聯(lián)型、交聯(lián)劑B單一交聯(lián)型及雙交聯(lián)型泡沫凝膠初始狀態(tài)的表觀黏度分別為4141、3750、5030 mPa·s，隨著剪切速率的增大而急劇下降，當(dāng)剪切速率大于200 s-1時(shí)，黏度受剪切速率的影響明顯減小，交聯(lián)劑B單一交聯(lián)型泡沫凝膠的剪切黏度最小，雙交聯(lián)型泡沫凝膠的黏度最高，反映出雙交聯(lián)型泡沫凝膠具有較好的抗剪切性能。

圖5 不同體系初始狀態(tài)黏度隨剪切速率變化

如圖6和圖7所示，初始狀態(tài)下，雙交聯(lián)型泡沫凝膠的彈性模量約為25 Pa，遠(yuǎn)高于兩種單一交聯(lián)體系，這是因?yàn)榻宦?lián)劑A與交聯(lián)劑B的聯(lián)合使用能發(fā)揮協(xié)同交聯(lián)效應(yīng)，提高泡沫凝膠強(qiáng)度；雙交聯(lián)型泡沫凝膠的黏性模量約為13.6 Pa，3種體系的黏性模量相差不大。但經(jīng)24 h充分交聯(lián)后，交聯(lián)劑B單一交聯(lián)體系的彈性模量和黏性模量都最高，分別約為6660 Pa和145 Pa，交聯(lián)劑A單一交聯(lián)體系彈性模量和黏性模量均最低，分別約為16 Pa和12.8 Pa，而雙交聯(lián)泡沫凝膠體系彈性模量約為35 Pa，黏性模量約13.1 Pa。彈性模量越高表明體系變形能力越大，宏觀可表現(xiàn)為高強(qiáng)度特征，但對(duì)于交聯(lián)劑B單一交聯(lián)體系，由于放置24 h后體系中泡沫量已極少（圖7），導(dǎo)致整個(gè)體系幾乎為半固形凝膠基質(zhì)，測(cè)定的彈性模量實(shí)質(zhì)為本體凝膠屬性，因此遠(yuǎn)高于含豐富泡沫的雙交聯(lián)體系。從施工角度考慮，體系黏性模量越大，越難于泵送及后期返排解堵，且易造成吸附滯留地層損害，高彈性模量利于返排解堵[25]。綜合考慮體系的黏性和彈性特征，雙交聯(lián)型泡沫凝膠壓井液更具優(yōu)勢(shì)。

圖6 各體系初始狀態(tài)彈性模量與黏性模量隨測(cè)試時(shí)間變化

圖7 24 h后各體系彈性模量與黏性模量隨測(cè)試時(shí)間的變化

2.4 暫堵防漏性能

考察該壓井液的防漏承壓性能，參照石油與天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《低固相壓井液性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)定方法》和文獻(xiàn)已公開(kāi)的防漏實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)相關(guān)方法開(kāi)展壓井修井室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)。首先，在恒流量0.5 mL/min下使巖心飽和油，然后在恒流量0.5 mL/min下用水驅(qū)替巖心至較高含水率（＞90%），模擬開(kāi)采后期老油井高含水現(xiàn)象；然后，將高含水巖心放入承壓實(shí)驗(yàn)裝置中，建立2 MPa正壓差，觀察60 min內(nèi)壓井液漏失情況。

在實(shí)施暫堵壓井模擬過(guò)程中，2 MPa正壓差下，作用于3組巖心的壓力在60 min內(nèi)下降分別為0.02、0.05、0.03 MPa，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8。

由圖8可知，在實(shí)驗(yàn)5～20 min內(nèi)，壓力下降明顯，體現(xiàn)了泡沫凝膠壓井液在受擠壓發(fā)生形變的物理過(guò)程；實(shí)驗(yàn)20～60 min內(nèi)壓力趨于穩(wěn)定，表明泡沫凝膠壓井液在被進(jìn)一步壓實(shí)以形成致密濾餅。實(shí)驗(yàn)60 min內(nèi)，壓井液濾失量幾乎零，說(shuō)明該壓井液具有低濾失的特性，體現(xiàn)了一定的抗壓能力。以上實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明了以氣為內(nèi)核、外圍由增厚液膜包裹的特殊微觀結(jié)構(gòu)是該泡沫凝膠強(qiáng)度與彈性增強(qiáng)的基礎(chǔ)，因而宏觀表現(xiàn)為良好的抗壓暫堵性能。圖9為壓井液在巖心端面形成凝膠狀濾餅。

圖8 巖心防漏與承壓能力測(cè)試

圖9 壓井液在巖心端面形成凝膠狀濾餅（左起巖心編號(hào)：1#～3#）

暫堵壓井模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，各組巖心端面都有凝膠狀濾餅，該濾餅致密，有一定彈性，且形貌完整，緊密黏附在巖心端面，縱向上侵入巖心較淺。在2 MPa正壓差下，泡沫凝膠受到擠壓向巖心端面堆積，形成有效暫堵。文獻(xiàn)[26]報(bào)道的封堵低壓漏失地層的含絨囊結(jié)構(gòu)鉆井液，對(duì)滲透率248 mD巖心的侵入深度約為5 cm，而本文研發(fā)的雙交聯(lián)型泡沫凝膠壓井液對(duì)滲透率208.97 mD的2#巖心的侵入深度約為2.5 cm，體現(xiàn)了其優(yōu)異的暫堵效果。后續(xù)返排實(shí)驗(yàn)表明，巖心滲透率恢復(fù)率在85%以上，進(jìn)一步說(shuō)明具有高彈性特征的雙交聯(lián)型泡沫凝膠能有效減輕吸附滯留損害，從而保護(hù)儲(chǔ)層。

3 結(jié)論

1.雙交聯(lián)型泡沫凝膠可通過(guò)低速攪拌制備，配制工藝簡(jiǎn)單，密度在0.78～1.00 g/cm3可調(diào)，具有明顯雙膜結(jié)構(gòu)，氣核外液膜總厚度為188.48 μm，最外層凝膠增強(qiáng)膜厚度可達(dá)77.35 μm，明顯高于單一交聯(lián)體系的液膜厚度，有利于提高地層承壓能力。

2.單一交聯(lián)型泡沫凝膠體系穩(wěn)定時(shí)間僅為1 d，而雙交聯(lián)型泡沫凝膠穩(wěn)定時(shí)間可達(dá)10 d以上。雙交聯(lián)型泡沫凝膠抗剪切性更好，且具有高彈性和低黏度特征，有利于泵入和后期返排解堵。

3.雙交聯(lián)型泡沫凝膠能顯著提高低壓儲(chǔ)層承壓能力，在中高滲巖心具有低濾失特性，能有效暫堵儲(chǔ)層。以氣為內(nèi)核、外圍由增厚液膜包裹的特殊微觀結(jié)構(gòu)是該泡沫凝膠強(qiáng)度與彈性增強(qiáng)的基礎(chǔ)。