雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠堵漏劑的制備及其性能評(píng)價(jià)

白英睿， 張啟濤， 孫金聲,， 呂開河， 王 韌，許成元， 郝惠軍， 劉鋒報(bào)， 王金堂

(1．中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院，山東青島 266580； 2．中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；3．西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都 637001； 4．中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆庫(kù)爾勒 841000)

井漏是鉆井過程中常見的復(fù)雜事故之一[1]，化學(xué)凝膠是常用的堵漏材料，與其他類型材料相比，凝膠材料具有良好的彈性和變形特征，不受限于如剛性材料的尺度級(jí)配，可以適應(yīng)不同尺度漏失通道的堵漏。但與剛性材料相比，常規(guī)化學(xué)凝膠力學(xué)強(qiáng)度較低、耐溫性不佳，通常需要與增韌材料如碳酸鈣、纖維等復(fù)配使用。李輝等[2]以部分水解丙烯酰胺、六亞甲基四胺、對(duì)羥基苯甲酸甲酯為主劑，與細(xì)纖維復(fù)配研制出了抗溫140 ℃的凝膠堵漏劑，但凝膠的長(zhǎng)期承壓穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。除纖維之外，納米SiO2顆粒也通常作為物理增韌劑引入到凝膠網(wǎng)絡(luò)中，但是SiO2顆粒直接加入后，由于其與凝膠體系的相容性差，分散性不佳，導(dǎo)致SiO2顆粒與凝膠骨架相互作用程度弱，合成的凝膠材料韌性偏低[3]。Lin等[4]發(fā)現(xiàn)如果直接將SiO2分散至聚丙烯酰胺凝膠體系中，SiO2通常只起到骨架填料作用，而與聚合物大分子鏈間無(wú)相互作用，但合成凝膠的抗溫性能有所提升。鋰皂石(Laponite)亦是常用的凝膠增韌劑，其片層結(jié)構(gòu)在水中剝離分散后與聚合單體混合，通過引發(fā)劑在片層結(jié)構(gòu)表面形成自由基，進(jìn)而誘發(fā)單體的自由基聚合反應(yīng)，形成納米復(fù)合水凝膠[5-6]。鋰皂石基納米復(fù)合凝膠一般具有優(yōu)良的韌性，但單純以Laponite為增韌劑無(wú)法顯著提升水凝膠的剛性[7]。筆者以有機(jī)硅烷為硅源，以鋰皂土為增韌劑和無(wú)機(jī)交聯(lián)劑，以自制反應(yīng)性微凝膠為有機(jī)交聯(lián)劑，與單體聚合反應(yīng)制備一種雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠堵漏劑，探究其合成原理，分析其流變性能、堵漏性能和堵漏機(jī)制。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料與儀器

實(shí)驗(yàn)原料：丙烯酰胺(AM)，純度大于99.0%，上海麥克林生化科技有限公司；鋰皂土(Laponite RD)，工業(yè)級(jí)，純度為99.9%，BYK公司；α-甲基丙烯酸(MAA)，純度大于99.0%，上海麥克林生化科技有限公司；γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)，純度大于99.0%，江蘇晨光偶聯(lián)劑有限公司；反應(yīng)性微凝膠交聯(lián)劑(BWL)，純度大于98%，實(shí)驗(yàn)室自制；過硫酸鉀(KPS)，純度為99.5%，上海麥克林生化科技有限公司；氯化鈉(NaCl)、氯化鈣(CaCl2)、去離子水。

實(shí)驗(yàn)儀器：HAAKE MARS III型高端流變儀，賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司；CMT4000型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，深圳新三思材料檢測(cè)公司；JSM-7900F型超高分辨熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，日本電子株式會(huì)社；LDK型高溫高壓動(dòng)靜態(tài)堵漏儀，青島同春石油儀器有限公司；高溫高壓裂縫堵漏物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，江蘇海安石油科技有限公司。

1.2 雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠的制備

以配制的凝膠溶液總質(zhì)量為基準(zhǔn)，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%的Laponite加入到去離子水中并攪拌均勻，得到Laponite分散液；將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的AM加入到Laponite分散液中并攪拌均勻，得到Laponite/AM分散液；將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的MPTMS和10%的MAA依此加入到上述分散液中并攪拌均勻；將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的BWL加入到上述分散液中并攪拌均勻；加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的KPS引發(fā)劑并攪拌均勻，即得到雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠溶液；通入氮?dú)?0 min除氧；將上述凝膠溶液轉(zhuǎn)移至老化罐中密封，置于60 ℃條件下反應(yīng)48 h，得到雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠；將凝膠體取出后，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件粉碎、烘干制備成不同粒徑的顆粒，即得到雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠顆粒堵漏劑。

1.3 測(cè)試方法

(1)微觀形貌測(cè)試：將凝膠樣品放置于液氮環(huán)境下冷凍，使用凍干機(jī)將樣品真空凍干，對(duì)凍干樣品進(jìn)行脆斷和噴金處理，采用超高分辨熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)。

(2)黏彈性能測(cè)試：使用高端流變儀對(duì)凝膠樣品進(jìn)行頻率掃描測(cè)試，剪切應(yīng)變固定為0.5%，在0.1～100 rad/s角頻率范圍內(nèi)測(cè)試樣品的儲(chǔ)能模量G′和損耗模量G″變化。

(3)抗拉伸性能測(cè)試：將凝膠制成長(zhǎng)度7 mm、寬度6 mm、高度6 mm的細(xì)長(zhǎng)條形，采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凝膠拉伸力學(xué)性能測(cè)試，拉伸速度設(shè)定為100 mm/min，記錄凝膠樣品受拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

(4)抗壓縮性能測(cè)試：將凝膠制成底面直徑20 mm、高5 mm的圓柱體，采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行凝膠壓縮力學(xué)性能測(cè)試，壓縮速度設(shè)定為3 mm/min，記錄凝膠樣品受壓縮時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

(5)高溫高壓堵漏性能測(cè)試：向鉆井液基漿(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的鈉基膨潤(rùn)土漿)中加入含有一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堵漏劑，待其溶脹完畢后，采用高溫高壓動(dòng)靜態(tài)堵漏儀，測(cè)試施加不同壓力時(shí)基漿在砂床和不同尺度裂縫模塊中的漏失狀況，評(píng)價(jià)堵漏劑對(duì)多孔介質(zhì)和裂縫的承壓封堵能力。使用粒徑范圍分別為0.25～0.38 mm、0.38～0.83 mm和0.83～1.70 mm石英砂填制具有不同孔徑的多孔介質(zhì)砂床，砂床厚度為150 mm；使用鋼制裂縫模塊模擬裂縫性漏失地層，裂縫模塊為單一楔形裂縫，入口縫寬分別為1、3和5 mm，出口縫寬分別為0.5、1.5和2.5 mm，裂縫長(zhǎng)度150 mm。

2 雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠合成原理

圖1 反應(yīng)性微凝膠BWL以及凝膠內(nèi)部交聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖

肅南裕固族傳統(tǒng)體育項(xiàng)目的推廣受到當(dāng)?shù)氐匦?、文化傳統(tǒng)、風(fēng)俗習(xí)慣以及裕固人“逐水草而居”的游牧生活影響，加之當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展情況和現(xiàn)代體育的沖擊，使肅南裕固族傳統(tǒng)體育項(xiàng)目的推廣和普及面臨瓶頸。

圖2 雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠的紅外光譜圖

基于上述分析可得，不同于傳統(tǒng)的化學(xué)交聯(lián)凝膠，合成的雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠具有三重交聯(lián)結(jié)構(gòu)：①反應(yīng)性微凝膠BWL作為有機(jī)交聯(lián)劑與AM、MAA、MPTMS單體發(fā)生聚合交聯(lián)反應(yīng)，生成高密度的聚合物分子鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；②以MAA為硅烷水解催化劑，MPTMS為硅源水解產(chǎn)生硅羥基，部分硅羥基相互之間縮合形成Si—O—Si結(jié)構(gòu)(SiO2納米粒子)，通過共價(jià)鍵嵌入到聚合物分子網(wǎng)絡(luò)骨架；③作為物理交聯(lián)劑，Laponite黏土片通過其表面的氫鍵與聚合物分子鏈反應(yīng)，亦可與SiO2粒子發(fā)生縮合反應(yīng)產(chǎn)生共價(jià)鍵鏈接。

與傳統(tǒng)的化學(xué)交聯(lián)凝膠相比，基于上述多重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理合成的雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠可集成單體聚合凝膠黏彈性好、SiO2強(qiáng)化凝膠抗溫能力強(qiáng)、Laponite凝膠力學(xué)性質(zhì)優(yōu)異等特點(diǎn)。將合成的雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠樣品冷凍干燥后使用SEM觀測(cè)其微觀形貌，結(jié)果如圖3(a)所示。整體觀測(cè)而言，雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠呈現(xiàn)出蜂窩狀的多孔結(jié)構(gòu)，孔洞直徑約為200～500 nm。由圖3(b)可以看出，單獨(dú)使用BWL作為交聯(lián)劑與AM、MAA聚合生成的凝膠微觀結(jié)構(gòu)亦呈現(xiàn)蜂窩狀，但是蜂窩孔洞數(shù)量明顯較多，直徑較大(大于1 μm)。在三重交聯(lián)結(jié)構(gòu)作用下，雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠的交聯(lián)程度相顯著較高，結(jié)構(gòu)骨架更為硬朗，因而具有更好的力學(xué)和耐溫性能。

圖3 不同交聯(lián)特性凝膠SEM微觀形貌

為探究雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成，使用透射電鏡顯微鏡對(duì)制備的凝膠樣品進(jìn)行TEM表征，微觀結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，結(jié)果顯示凝膠體內(nèi)部存在明顯的“內(nèi)核”結(jié)構(gòu)，但是內(nèi)核尺度不均勻，粒徑范圍30～100 nm。根據(jù)凝膠組分以及反應(yīng)原理可知，制備凝膠時(shí)加入的Laponite和MPTMS水解生成的SiO2均可以作為內(nèi)核存在。Yang[10]和Chen[11]等研究表明，當(dāng)水溶液中Laponite質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(小于1%)時(shí)，充分?jǐn)嚢韬退驦aponite可形成均勻的分散液而不會(huì)形成明顯聚集結(jié)構(gòu)，AM、AMPS等分子的加入會(huì)增強(qiáng)Laponite的分散程度；當(dāng)Laponite質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(大于2%)時(shí)，Laponite粒子帶負(fù)電的片層表面和帶正電的片層邊緣之間會(huì)通過靜電吸引作用形成“卡片屋”聚集結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使分散溶液凝膠化，由于此時(shí)Laponite聚集結(jié)構(gòu)數(shù)量眾多，凝膠化溶液的TEM微觀形貌會(huì)呈現(xiàn)出連片狀聚集形態(tài)。由于雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠TEM微觀形貌中的內(nèi)核結(jié)構(gòu)呈分散狀，且凝膠組分中Laponite質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.8%，因而凝膠內(nèi)核結(jié)構(gòu)并非Laponite聚集體。基于此，凝膠內(nèi)核結(jié)構(gòu)應(yīng)該為MPTMS水解生成的SiO2粒子聚集體，說明SiO2納米粒子在凝膠彼此之間緊密連接，嵌入到凝膠骨架中，進(jìn)而增強(qiáng)凝膠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

圖4 雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠TEM微觀形貌及內(nèi)核結(jié)構(gòu)

3 雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠流變性能

凝膠堵漏劑的流變性能(黏彈性、抗拉伸性、抗壓縮性)決定其適用范圍。凝膠黏彈性隨溫度的變化程度可反映其抗溫性能，抗拉伸和抗壓縮性能可反映其在高壓條件下受到壓縮、拉伸時(shí)候的穩(wěn)定性[12]。鑒于目前深層高溫地層井漏風(fēng)險(xiǎn)大，對(duì)堵漏劑性能要求高，本文中主要研究了溫度對(duì)雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠黏彈性、抗拉伸和抗壓縮性能的影響。需要說明的是，測(cè)試過程所用凝膠樣品制備成固定形狀，其性能與凝膠顆粒性質(zhì)相同，可表征凝膠顆粒在漏失通道中的性能。

將雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠分別靜置于40～140 ℃條件下老化48 h，分別測(cè)試其黏彈性能、抗拉伸性能和抗壓縮性能。不同溫度條件下雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠的G′和G″測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同溫度條件下雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠黏彈性變化

由雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠合成原理分析可知，MPTMS水解生成的SiO2和Laponite的加入使凝膠存在三重交聯(lián)結(jié)構(gòu)(BWL交聯(lián)結(jié)構(gòu)、SiO2交聯(lián)結(jié)構(gòu)、Laponite交聯(lián)結(jié)構(gòu))。當(dāng)溫度較低時(shí)，三重結(jié)構(gòu)均受溫度影響較??；隨著溫度升高(60～100 ℃)，分子運(yùn)動(dòng)加劇，Laponite與聚合物高分子鏈所形成的氫鍵受溫度影響開始破壞，凝膠的儲(chǔ)能模量和損耗模量大幅度下降[13]；當(dāng)溫度繼續(xù)升高(大于140 ℃)時(shí)，SiO2、Laponite與聚合物分子鏈之間的共價(jià)鍵受溫度影響而破壞，因而高溫條件下凝膠的黏彈性亦會(huì)繼續(xù)降低。

不同溫度條件下成膠老化48 h后，雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠的抗拉伸和抗壓縮強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分別如圖6和圖7所示。由圖6可知，隨著應(yīng)變的增加，凝膠所受拉伸應(yīng)力快速增加直至凝膠樣品斷裂；凝膠拉伸強(qiáng)度在40～60 ℃變化不明顯，在60～100 ℃下降幅度較大，在100～140 ℃變化幅度較小。主要是由于MPTMS水解生成的SiO2和Laponite的加入使凝膠以氫鍵和共價(jià)鍵為交聯(lián)點(diǎn)，提高了凝膠拉伸強(qiáng)度。凝膠結(jié)構(gòu)在40～60 ℃下具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，在60～100 ℃，分子鏈間氫鍵作用減弱，分子運(yùn)動(dòng)加劇，凝膠應(yīng)變?cè)黾?，?qiáng)度降幅較大；在100～140 ℃, SiO2和Laponite、聚合物高分子鏈之間的共價(jià)鍵受溫度影響較小，因而凝膠拉伸強(qiáng)度變化不大。

圖6 不同溫度條件下雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠的抗拉伸強(qiáng)度變化

圖7 不同溫度條件下雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠的抗壓縮強(qiáng)度變化

由圖7可知，不同溫度條件下雜化交聯(lián)復(fù)合抗壓縮強(qiáng)度隨著應(yīng)變的增加先緩慢增加后增速變快直至斷裂；凝膠拉伸強(qiáng)度在40～60 ℃基本不變化，在60～100 ℃下降較快，在100～140 ℃下降較小。MPTMS水解生成的SiO2和Laponite的加入提高了復(fù)合凝膠的壓縮強(qiáng)度；壓縮強(qiáng)度在40～60 ℃具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性；在60～100 ℃分子鏈之間的氫鍵作用減弱，運(yùn)動(dòng)加劇，凝膠的承壓強(qiáng)度降低，形變?cè)龃?；?00～140 ℃凝膠中由共價(jià)鍵反應(yīng)形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)仍然較穩(wěn)定，因而復(fù)合凝膠壓縮強(qiáng)度變化較小。

4 雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠堵漏性能

為滿足鉆井液隨鉆堵漏技術(shù)要求，將雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠粉碎制備成不同粒徑的凝膠顆粒干粉。將凝膠顆粒干粉在水基溶液中分散溶脹后按照粒徑標(biāo)記為不同類型， 0.25～0.38 mm凝膠顆粒標(biāo)記為A型，0.38～0.83 mm凝膠顆粒標(biāo)記為B型，0.83～1.70 mm凝膠顆粒標(biāo)記為C型(圖8)。按照3種粒徑凝膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)各占1/3的原則向含4%膨潤(rùn)土的水化鉆井液基漿中加入不同組合的凝膠顆粒，配制成1 000 mL隨鉆堵漏鉆井液并置于140 ℃條件滾動(dòng)老化16 h后，采用高溫高壓動(dòng)靜態(tài)堵漏儀測(cè)試雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠顆粒對(duì)多孔介質(zhì)和裂縫的堵漏效果。

圖8 不同類型雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠顆粒實(shí)物圖

雜化復(fù)合凝膠顆粒對(duì)不同目數(shù)砂床的堵漏效果如圖9所示。

圖9 不同組合雜化交聯(lián)凝膠顆粒的砂床堵漏效果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)雜化交聯(lián)凝膠顆粒堵漏劑組合為1.0% A型+1.0% B型+1.0% C型時(shí)(圖9(a))，對(duì)0.83～1.70 mm砂床砂床的封堵效果最差，施壓1 MPa時(shí)的鉆井液漏失量已達(dá)820 mL，施壓2 MPa時(shí)完全漏失；對(duì)0.38～0.83 mm砂床施壓3 MPa時(shí)完全漏失；對(duì)0.25～0.38 mm砂床的低壓封堵效果，施壓1 MPa時(shí)的漏失量達(dá)到342 mL，壓力達(dá)到4 MPa時(shí)發(fā)生完全漏失。當(dāng)雜化交聯(lián)凝膠顆粒堵漏劑組合為1.5% A型+1.5% B型+1.5% C型時(shí)(圖9(b))，對(duì)不同目數(shù)砂床的承壓封堵效果有所增強(qiáng)，尤其是對(duì)于0.25～0.38 mm砂床施壓7 MPa時(shí)仍未發(fā)生完全漏失。當(dāng)不同目數(shù)雜化交聯(lián)凝膠顆粒堵漏劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合均為2.0%和2.5%時(shí)(圖9(c)、(d))，鉆井液漏失量與施加壓力關(guān)系曲線呈現(xiàn)先平緩上升后快速增加的趨勢(shì)，與低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)相比鉆井液漏失量大幅降低。圖9(c)中數(shù)據(jù)顯示，0.25～0.38 mm砂床施壓3 MPa時(shí)僅發(fā)生15 mL漏失量。圖8(c)中數(shù)據(jù)顯示，0.38～0.83 mm砂床砂床施壓4 MPa時(shí)僅產(chǎn)生35 mL漏失量，0.25～0.38 mm砂床施壓5 MPa時(shí)未發(fā)生漏失，施壓6 MPa時(shí)產(chǎn)生79 mL漏失量。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合達(dá)到2.0% A型+2.0% B型+2.0% C型及更高時(shí)，可以滿足高滲透性漏失地層的堵漏需求。

雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠顆粒對(duì)不同縫寬裂縫的堵漏效果如圖10所示。當(dāng)不同目數(shù)雜化交聯(lián)凝膠顆粒堵漏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合均為1.0%時(shí)，對(duì)1 mm寬裂縫封堵后承壓3 MPa時(shí)未發(fā)生漏失，對(duì)3、5 mm寬裂縫封堵后承壓2和1 MPa時(shí)未發(fā)生漏失。當(dāng)凝膠顆粒堵漏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合均為1.5%時(shí)，對(duì)裂縫的承壓封堵能力有所提高，對(duì)1 mm寬裂縫封堵后承壓4 MPa時(shí)未發(fā)生漏失，施壓5 MPa時(shí)漏失量?jī)H為49 mL；對(duì)3 mm寬裂縫封堵后承壓2 MPa時(shí)未發(fā)生漏失；對(duì)5 mm寬裂縫封堵后承壓1 MPa時(shí)未發(fā)生漏失，施壓2 MPa時(shí)漏失量?jī)H為26 mL。當(dāng)堵漏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合為2.0% A型+2.0% B型+2.0% C型時(shí)，堵漏劑對(duì)裂縫的承壓封堵能力明顯提高，對(duì)1 mm寬裂縫封堵后承壓4 MPa時(shí)未發(fā)生漏失，承壓5 MPa時(shí)漏失量?jī)H為10 mL；對(duì)3 mm裂縫封堵后承壓3 MPa時(shí)未發(fā)生漏失，承壓4 MPa時(shí)漏失量為45 mL；對(duì)5 mm裂縫封堵后承壓3 MPa時(shí)漏失量為20 mL。當(dāng)不同目數(shù)堵漏劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合均升高至2.5%時(shí)，對(duì)1 mm裂縫的承壓封堵能力可達(dá)5 MPa，對(duì)3 mm裂縫封堵后承壓4 MPa時(shí)漏失量?jī)H為18 mL，對(duì)5 mm裂縫封堵后承壓3 MPa時(shí)漏失量?jī)H為5 mL。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合達(dá)到2.0% A型+2.0% B型+2.0% C型及更高時(shí)，可以滿足裂縫性漏失地層的隨鉆堵漏需求。

圖10 不同組合雜化交聯(lián)凝膠顆粒的裂縫堵漏結(jié)果

上述研究結(jié)果可證明，制備的雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠顆粒堵漏劑集成了單體聚合凝膠黏彈性好、SiO2強(qiáng)化凝膠抗溫能力強(qiáng)、Laponite凝膠力學(xué)性質(zhì)優(yōu)異等特點(diǎn)，承壓封堵性能良好，適用于高滲透地層和裂縫性地層的隨鉆堵漏。

5 雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠堵漏機(jī)制

雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠顆粒堵漏劑對(duì)多孔介質(zhì)和裂縫的堵漏機(jī)制相似。結(jié)合凝膠流變學(xué)研究結(jié)果可知，雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠顆粒具備良好的柔韌性，受壓力作用可變形，與剛性顆粒相比，可以進(jìn)入尺度較小的漏失通道并在壓差作用下持續(xù)變形運(yùn)移，因而對(duì)漏失通道的尺寸具有較寬的匹配范圍[14]。與純凝膠顆粒相比，該凝膠堵漏劑顆粒具備“核殼”結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部SiO2的剛性堆積導(dǎo)致其在壓差作用下變形范圍變小(圖11)，因而相同粒徑等條件下其在漏失通道內(nèi)運(yùn)移過程中易在狹窄地方形成架橋，進(jìn)而聚集堆積并壓實(shí)充填漏失空間(圖12)，封堵漏失通道，提高地層承壓能力。

圖11 雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠顆粒變形前后SiO2剛性堆積作用示意圖

圖12 雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠顆粒堵漏機(jī)制示意圖

6 結(jié) 論

(1)以γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)為硅源，以Laponite為增韌劑和無(wú)機(jī)交聯(lián)劑，以自制的反應(yīng)性微凝膠BWL作為有機(jī)交聯(lián)劑，與丙烯酰胺(AM)、甲基丙烯酸(MAA)等聚合，設(shè)計(jì)并合成出一種集成單體聚合凝膠黏彈性好、SiO2強(qiáng)化凝膠抗溫能力強(qiáng)、Laponite強(qiáng)化凝膠力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)的三重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠。

(2)雜化交聯(lián)復(fù)合本體凝膠的流變力學(xué)性能優(yōu)異，在140 ℃條件下老化48 h后的儲(chǔ)能模量高于4 kPa、損耗模量高于1 kPa，且保持良好的抗拉伸和抗壓縮能力，適用于高溫漏失地層的堵漏作業(yè)。

(3)使用雜化交聯(lián)復(fù)合凝膠制備了不同粒徑的雜化凝膠顆粒堵漏劑，當(dāng)凝膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)組合達(dá)到2.0% A型+2.0% B型+2.0% C型及更高時(shí)，可以滿足高滲透性和開度低于5 mm的裂縫性漏失地層的隨鉆堵漏需求。