聚合物凝胶堵漏剂的研究及应用

聚合物凝胶堵漏剂的研究及应用
曹晓春;李倍任;秦义;杨航
【摘要】With the exploitation of new unconventional oil and gas resources, the problems caused by the circulation loss are becoming more and more frequent. In this paper, hydroxypropyl guar was determined as polymer, and poly titanium siloxane was determined as crosslinking agent through different polymer systems’ gelation time tests, viscosity tests and gel temperature resistance tests, and polymer gel plugging agent formula was determined. At the same time, performance of the formula was evaluated. The practical application shows that the polymer gel plugging agent can achieve the plugging for severe circulation loss in special strata, and has good value.%随着新型非常规油气资源的开采，钻井过程中井漏所引起的问题也越来越频繁。

主要通过不同聚合物体系成胶时间及粘度分析实验和凝胶抗温性评价实验确定了以羟丙基瓜尔胶为聚合物和以聚钛氧烷为交联剂的凝胶堵漏剂配方，并对所研制体系的性能进行评价，最后，现场实际应用表明所研制的聚合物凝胶堵漏剂可以实现对特殊地层的恶性漏失进行封堵，具有良好的应用价值。

【期刊名称】《当代化工》
【年(卷),期】2015(000)011
【总页数】4页(P2572-2574,2577)
【关键词】聚合物;凝胶;堵漏剂
【作者】曹晓春;李倍任;秦义;杨航
【作者单位】东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318;东北石油大学石
油工程学院，黑龙江大庆 163318;大庆职业技术学院，黑龙江大庆 163255;东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆 163318
【正文语种】中文
【中图分类】TQ325
随着复杂地层及不稳定地层的增多，传统的堵漏材料和方法有一定的局限性，如桥塞堵漏在遇到漏层裂缝较大而且较多的情况下，井筒之上的封堵层形成的质量较差，假堵现象也会频繁发生，当封堵完毕之后，之前的假堵层段会因为井下各种复杂钻进情况等也很容易发生二次漏失。

目前应用的一些特殊水泥浆的堵漏成功率有所提高，但是遇到复杂地层如含水量较多的异常压力地层时，堵漏剂则容易与地层内的液体发生反应，形成其他混合物，导致堵漏剂不能正常成胶从而致使堵漏效果不明显甚至失败，而若将已调制好的聚合物凝胶配方提前注入到漏失地层，以上问题则可得到较好的解决，所以，聚合物凝胶堵漏剂的研究显得十分必要[1,2]。

1 堵漏剂凝胶堵漏及成胶机理
当聚合物内部分子与水分子相遇后，彼此相互融合，其内部主链接段和侧链接段可以在化学键的联合作用下同高价的金属离子结合，进而组合为一种特殊的立体网状结构，即凝胶体，该结构往往具有很高的粘弹性，其空间形状及性能由组成的化学分子键链接的数量决定。

若聚合物分子之间的分子键链接数量多、强度高，则会严重影响各链的运动情况，链段只可以在某一个平行空间内伸缩，如若去掉外力因素，链段仍然可以恢复至最初的状态[3]。

具体的凝胶立体网状结构如图1：
图1 凝胶立体网状结构Fig.1 Gel-dimensional network structure
聚合物凝胶堵漏剂的堵漏原理主要是以聚合物为体系内主材料，经水溶解后，向所得混合物中添加交联剂，经成胶后的堵漏剂各性能十分良好，尤其会具有较高的粘弹性，增大裂缝在运移过程中产生的阻力，从而对漏层进行封堵。

所研制的凝胶堵漏剂的成胶时间是可调整的，大多是根据实际发生的渗漏问题决定，不同漏速或者漏层深度所需的成胶时间不同，堵漏剂一定要在凝胶剂发生凝固之前以液体形态进入漏失通道，同时要将漏失地层填满凝胶体系。

凝胶堵漏的主要特性是它以液态形式出现，所以无需考虑漏失通道大小及形态，凝胶都能够完成普通堵漏剂无法完成的任务，进入通道，实现封堵。

在注入泵停止之后，凝胶便在井筒和漏失通道中停止，最初成胶时，粘滞力明显增大，漏失速度和内外压力差随之变小，胶体彻底凝固后，胶体之间化学键的强度可以彻底阻止漏失地层进一步发生漏失时，意味着堵漏成功。

聚合物凝胶后的胶体，很难与水发生反应，同时对井下气体也有较强的抵抗力，同时凝胶的在运移过程中对水或气都有很好的推动作用，因此聚合物凝胶堵漏剂常常用于特殊的易漏气层或水层[4]。

2 聚合物凝胶堵漏剂的研制
凝胶堵漏剂研制的关键因素主要是控制成胶时间在合理范围内，若堵漏剂成胶较快，导致堵漏剂在井筒内便凝固则无法进入漏失地层，成胶时间过长则耽误施工，从而延长建井周期，最好的成胶时间在1.5～4 h，通过对堵漏剂相关技术的调研[5]，
同时对不同聚合物和凝胶剂成胶情况进行分析，根据成胶时间选出三种体系进行研究：①聚丙烯酰胺+红矾钠+ Na2S2O3+SDS②羟丙基瓜尔胶+复合有机硼③羟丙基瓜尔胶+聚钛氧烷。

凝胶堵漏剂配方的确定:
（1）聚丙烯酰胺+红矾钠+ Na2S2O3+SDS体系成胶效果
①聚丙烯酰胺与不同量交联剂所形成堵漏剂的粘度以及成胶时间
在以配好的聚合物基液中加入不同量的交联剂，然后测试成胶时间和粘度。

成胶效果如表1：
表1 0.8%聚丙烯酰胺配方体系在45 ℃下的成胶特性Table 1 0.8% Polyacrylamide system’s gelling properties at 45 ℃配方成胶时间/h粘度/(mPa×s)聚丙烯酰胺(0.8%)+红矾钠(0.35%)+Na2S2O3(0.8%)+SDS(1.0%) 3 8 000聚丙烯酰胺(0.8%)+红矾钠(0.35%)+Na2S2O3 (0.8%)+SDS(1.5%) 3 4 000聚丙烯酰胺(0.8%)+红矾钠(0.35%)+Na2S2O3 (0.8%)+SDS(2.0%) … 未成胶聚丙烯酰胺(0.8%)+红矾钠(0.35%)+Na2S2O3 (1.0%)+SDS(1.0%) 14 5 500聚丙烯酰胺(0.8%)+红矾钠(0.35%)+Na2S2O3 (1.0%)+SDS(1.5-2.0%) … 未成胶聚丙烯酰胺(0.8%)+红矾钠(0.35%)+Na2S2O3 (1.2%)+SDS(1.0%) 4 18 000聚丙烯酰胺(0.8%)+红矾钠(0.35%)+Na2S2O3 (1.2%)+SDS(1.5%) 8 11 000聚丙烯酰胺(0.8%)+红矾钠(0.35%)+Na2S2O3 (1.2%)+SDS(2.0%) … 未成胶聚丙烯酰胺(0.8%)+红矾钠(0.35%)+Na2S2O3(1.5%)+SDS(1.0-2.0%) … 未成胶
由表 1可以看出聚丙烯酰胺(0.8%)+红矾钠(0.35%)+ Na2S2O3(1.2%)+木质磺酸钠(1.0%)成胶时间为4 h，粘度为18 000 mPa×s，符合实验要求。

②配方体系抗温特性评价
将不同配方体系置入老化罐内，同时控制滚子炉内温度为75 ℃，老化15 h后，观察该配方体系粘度特性，同时对比老化前后的体系粘度，如表2所示：
表2 不同配方凝胶在75 ℃下热滚15 h前后的粘度对比Table 2 Comparision of different systems’ viscosity for 15 h’s heating at 75 ℃配方热滚前粘度
/(mPa×s)75 ℃热滚后粘度/(mPa×s))聚丙烯酰胺(0.8%)+红矾钠
(0.35%)+Na2S2O3 (0.9%)+SDS(1.0%) 9 000 8 000聚丙烯酰胺(0.8%)+红矾钠(0.35%)+Na2S2O3 (0.9%)+SDS(1.5%) 4 500 2 000聚丙烯酰胺(0.8%)+红
矾钠(0.35%)+Na2S2O3 (1.0%)+SDS(1.0%) 34 000 14 000聚丙烯酰胺
(0.8%)+红矾钠(0.35%)+Na2S2O3 (1.0%)+SDS(1.5%) 5 800 300聚丙烯酰胺(0.8%)+红矾钠(0.35%)+Na2S2O3 (1.1%)+SDS(1.0%) 8 500 5 000聚丙烯酰
胺(0.8%)+红矾钠(0.35%)+Na2S2O3 (1.1%)+SDS(1.5%) 7 500 16 000聚丙烯酰胺(0.8%)+红矾钠(0.35%)+Na2S2O3 (1.2%)+SDS(1.0%) 18 000 7 000聚丙烯酰胺(0.8%)+红矾钠(0.35%)+Na2S2O3 (1.2%)+SDS(1.5%) 15 000 8 000
由表2可以看出，以上配方中只有两种配方在75 ℃老化后粘度仍在10 000
mPa×s以上，主要是因为凝胶立体网状结构内的化学键受到高温发生破损，导致粘度变低。

（2）羟丙基瓜尔胶与复合有机硼、聚钛氧烷成胶效果
羟丙基瓜尔胶与复合有机硼在常温下成胶速度非常快，如表3所示：
表3 羟丙基瓜尔胶与不同量的有机硼配方体系成胶特性Table 3 The gelling properties of Hydroxypropyl guar and different amounts of organoboron system配方成胶时间/min最大粘度/(mPa×s)羟丙基瓜尔胶(1.0%)+复合有机
硼(0.10%) 2 3 000羟丙基瓜尔胶(1.0%)+复合有机硼(0.20%) 1 45 000羟丙基瓜尔胶(1.0%)+复合有机硼(0.30%) 0.7 60 000
由表3得到，羟丙基瓜尔胶与复合有机硼成胶后体系粘度性能满足要求但是凝固
速度过快，不满足要求。

羟丙基瓜尔胶与不同加量的聚钛氧烷在常温下成胶时间及粘度如表4所示：
由表4可以看出，不同浓度的聚钛氧烷与羟丙基瓜尔胶成胶时间在 0.5～4 h,且粘度较高，符合实验要求。

表4 羟丙基瓜尔胶与不同量的聚钛氧烷体系成胶特性Table 4 The gelling properties of Hydroxypropyl guar and different amounts of Poly titanium siloxane system配方成胶时间最大粘度mPa×s))羟丙基瓜尔胶(1.0%)+0.20%
聚钛氧烷(0.20%) 4 h 27 000羟丙基瓜尔胶(1.0%)+0.25%聚钛氧烷(0.25%) 3 h 15 min 32 000羟丙基瓜尔胶(1.0%)+0.30%聚钛氧烷(0.30%) 1 h 5 min 58
000羟丙基瓜尔胶(1.0%)+0.35%聚钛氧烷(0.35%) 48 min 71 000羟丙基瓜尔
胶(1.0%)+0.40%聚钛氧烷(0.40%) 27 min >120 000
②配方体系抗温评价
将不同配方体系置入到老化罐中，同时将滚子轮内温度为75 ℃老化15 h之后，
观察该配方体系粘度特性，同时对比老化前后的体系粘度，如表5所示。

表5 不同配方凝胶在75 ℃下热滚15 h前后的粘度对比Table 5 Comparision of different systems’ viscosity for 15 h’s heating at 75 ℃配方热滚前粘度
/(mPa·s)75 ℃热滚后粘度/(mPa·s)羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.20%) 27 000 16 000羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.25%) 33 000 20 000羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.30%) 55 000 34 000羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.35%) 85 000 43 000
由表5可以看出羟丙基瓜尔胶与聚钛氧烷配方体系具有较强抗温能力。

考虑所需配方成胶凝固时间、抵抗高温能力、粘度，确定了聚合物凝胶堵漏剂为基本配方为：羟丙基瓜尔胶为主聚合物，聚钛氧烷为交联剂。

3 聚合物凝胶堵漏剂各性能评价
3.1 堵漏剂凝固成胶时间研究
堵漏剂配方的 pH值和交联剂量决定着聚合物堵漏剂配方的成胶时间，实验主要在调节交联剂量和整体配方pH值来控制成胶凝固时间，将交联剂加入不同pH值的基液，测试体系的成胶时间及粘度。

当基液pH值为9时，成胶速度过快，未进行进一步实验。

由表6可以看出，通过控制pH值在7～8之间、交联剂加量在0.15%～0.25%时，效果理想，成胶时间1～4 h。

表6 不同pH基液加入不同交联剂后的成胶时间及粘度Table 6 Gel time and Viscosity of different pH base fluid adding different crosslinking agent配方 pH 成胶时间最大粘度/(mPa×s)羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.25%)
6 >8 h <1 000羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.30%) 6 >8 h <1 000羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.25%)
7 3 h 40 min 32 000羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.30%) 7 1 h 15 min 55 000羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.25%)
8 3 h 28 000羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.30%) 8 1 h 37 000
3.2 温度对堵漏剂体系成胶时间的影响
调节水温 30，45，60，75 ℃，在基液温度不变时加入不同量交联剂测试成胶时间。

如表7：
表7 羟丙基瓜尔胶与不同加量聚钛氧烷在不同温度下的成胶时间Table 7 Gel time of Hydroxypropyl guar and different Poly titanium siloxane in different temperature配方温度/℃ 成胶时间羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.25%) 30 2 h 30 min羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.30%) 30 55 min羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.25%) 45 38 min羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.30%) 45 18 min羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.25%) 60 33 min羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.30%) 60 13 min羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.25%) 75 30 min羟丙基瓜尔胶(1.0%)+聚钛氧烷(0.30%) 75 12 min
通过实验，由表7可以看出，温度对成胶时间有很大影响，温度升高交联速度加快，成胶速度加快。

在以上实验的基础上，还相应进行了聚合物凝胶堵漏剂抗污染性评价实验，实验结果表明：所研制的聚合物凝胶堵漏剂受到水、油、钻井液、水泥浆的影响较小，能够满足堵漏要求。

4 现场实际应用分析
根据研制的聚合物凝胶堵漏剂在大庆油田徐深区块二开易漏井段进行了现场试验，通过与传统水泥浆配合使用，成功完成了漏失层的封堵。

4.1 漏失情况
徐深区块某井，二开钻进至井深607 m时，发现钻井液池体积明显减少，当时钻井液密度为 1.1 g/cm3，失水12 mL; 钻压4 t，泵压5 MPa左右，转速达到75 r/min，机械钻速17 m/h.钻进30 min后发生漏失，漏速达到65 m3/h，总漏失钻井液60 m3，停止钻进，注入清水30 min后，注入聚合物凝胶堵漏剂。

4.2 堵漏具体措施
在备用罐中打入50 m3淡水备用，加入主聚合物羟丙基瓜尔胶 260 kg(1.0%)，经水润湿搅拌后加入聚钛氧烷交联剂 120 kg(0.4%)，再加入传统的复合堵漏剂，充分搅拌后向井筒注入凝胶堵漏剂后，开泵试漏，钻井液正常反出，凝胶堵漏成功。

所研制的凝胶堵漏剂配合复合堵漏剂使用可以提高堵漏成功率，凝胶可以把地层水和水泥浆分开，并起到一定的保护作用，实现平衡堵漏，现场试验表明，所研制的聚合物凝胶堵漏剂对恶性漏失等紧急情况具有较好解决效果。

5 结论
（1）在以聚合物为主体系，加入交联剂形成配方的实验确定以羟丙基瓜尔胶主聚合物，交联剂为聚钛氧烷，该堵漏剂抗温75 ℃，成胶时间1.5～4 h可控。

（2）对聚合物凝胶堵漏剂的性能进行评价实验，得到聚合物体系成胶时间受pH 值及温度影响较大，且所研制配方体系的抗污染性较强。

（3）经实际使用可以看出，该聚合物凝胶堵漏配方使用时加入传统的堵漏剂会大大提高堵漏成功率。

【相关文献】
［1］王中华.聚合物凝胶堵漏剂的研究与应用进展[J].精细与专用化学品,2011(04):16-20.
［2］吕开河,刘阳,乔伟刚,乔冠龙,刘玉霞.高强度预交联凝胶堵漏剂研究[J].油田化学,2011(04):359-362.
［3］张雪峰.堵漏凝胶的研究与应用[D].长春:吉林大学,2013.
［4］贾佳,郭建华,赵雄虎,朱翠英.聚合物凝胶堵漏剂在盐水中吸水膨胀性能评价[J].精细石油化工进展,2012(04):16-18.
［5］聂勋勇,王平全,张新民.聚合物凝胶堵漏技术研究进展[J].钻井液与完井液,2007(01):82-
84+94+103.。