高温延迟交联聚丙烯酰胺凝胶堵漏剂的研究

颜帮川，蒋官澄，胡文军 向雄，邓正强

（1.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057；2.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102200）

在钻井过程中，井漏问题一直是困扰现场工程师的难题，特别是在钻遇裂缝、洞穴发育地层的过程中，经常遭遇钻井液失返现象，延误钻井时间，增加了钻井成本[1-5]。目前，针对恶性漏失问题，凝胶堵漏（如特种凝胶、新型抗高温可控凝胶堵漏剂、抗高温化学凝胶等）取得了良好的应用效果，但也存在高温下凝胶时间可控性差、凝胶可泵性难的问题[6-7]。对于高温地层，凝胶抗温性较差，易高温降解，破坏凝胶结构，导致堵漏失效，出现复漏现象。针对上述问题，研发了一种高温延迟交联聚丙烯酰胺凝胶堵漏剂，使用自制延迟引发剂，在高温下成胶时间为1～4 h可调，保证现场堵漏施工的顺利进行。此外，成胶后凝胶抗拉强度大，可有效封堵裂缝型恶性漏失。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

部分水解聚丙烯酰胺（分子量为8000 kDa）交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，乙酸铬，聚乙烯亚胺（PEI），丙烯酰胺，偶氮二异丁脒盐酸盐，分析纯级；热熔胶，工业级。

电子万能试验机，高温高压流变仪，HAKKE流变仪，滚子加热炉，高温高压堵漏仪（自制）。

1.2 延迟引发剂的制备

延迟引发剂的制备参照相关文献报道[8-10]。取20 g热熔胶，加入三口烧瓶中，加热至150 ℃，待热熔胶完全熔化成液体后，加入2 g偶氮二异丁脒盐酸盐，搅拌5 min，将混合物倒入冷水中，过滤、烘干后，粉碎得到延迟引发剂。

1.3 凝胶堵漏剂的制备

量取300 mL的去离子水，加入21 g丙烯酰胺，0.1 g N，N’-亚甲基双丙烯酰胺，高速搅拌20 min，加入6 g部分水解的聚丙烯酰胺，高速搅拌30 min，待聚合物充分溶解后，加入0.1 g延迟引发剂，低速搅拌20 min后得到凝胶堵漏剂。

2 结果与讨论

2.1 延迟引发剂的表征

2.1.1 红外光谱分析

将制备的延迟引发剂、引发剂以及热熔胶粉末分别制成KBr压片进行红外光谱测试，结果见图1。

图1 延迟引发剂的红外光谱分析

由图1可知，在延迟引发剂中出现热熔胶和引发剂的所有峰，且未出现其他峰，说明在延迟引发剂中存在引发剂和热熔胶。

2.1.2 扫描电镜分析

使用扫描电镜分析仪对热熔胶和延迟引发剂进行微观结构分析，结果见图2。可知，在热熔胶中未混合引发剂时，不会出现引发剂颗粒，而延迟引发剂中由于引发剂的加入，明显可以看到热熔胶中出现晶体状颗粒，说明了延迟引发剂中引发剂被热熔胶包裹起来。

图2 引发剂和延迟引发剂扫描电镜分析

2.2 凝胶成胶性能评价

2.2.1 温度对成胶时间的影响

将制备好的凝胶堵漏剂置于高温高压流变仪中，设置好成胶温度，测试其黏度随时间的变化关系（见图3）。当黏度急剧上升时，为成胶时间点。由图3可知，该凝胶体系在90 ℃下，成胶时间在3.5 h左右；在120 ℃下，成胶时间在3 h左右；在150 ℃下，成胶时间在1 h左右。随着温度的增加，成胶时间有所下降，主要原因是温度越高，延迟引发剂释放速率越快，从而降低成胶时间。

图3 不同温度下凝胶堵漏剂的黏度随时间的变化关系

2.2.2 延迟引发剂对成胶时间的影响

以清水为空白样，对比过硫酸铵和延迟引发剂对成胶时间的影响，胶液体系成胶温度为150 ℃，测试胶液体系黏度随时间的变化见图4。由图4可知，对于空白样清水，在150 ℃下，随着成胶时间的增加，体系不会成胶；对于引发剂过硫酸铵，成胶时间仅10 min左右；对于自制延迟引发剂，成胶时间延长至1 h左右；成胶前胶液黏度仅50 mPa·s左右，保证了该凝胶注入漏层的可泵性；成胶后黏度达10 000 mPa·s，保证其良好的封堵性。

图4 不同类型引发剂对成胶时间的影响

2.3 凝胶抗拉强度

配制不同交联剂交联的凝胶体系，参照GB/T 528—2009标准，测试了凝胶的拉伸强度，结果见图5。相比铬交联凝胶体系和PEI交联凝胶体系，延迟引发交联凝胶体系具有更好的抗拉伸强度，可有效封堵漏层。

图5 不同交联体系凝胶抗拉强度的测试

2.4 凝胶抗温能力

高温交联凝胶堵漏剂具有良好的抗温性。将100 g凝胶置于150 ℃滚子加热炉中热滚不同时间后，其破胶情况见表1。

表1 100 g凝胶在150 ℃下热滚不同时间后的破胶情况

由表1可知，该凝胶堵漏剂在150 ℃下热滚96 h后破胶率仅5%，热稳定性良好，可防止凝胶堵漏后出现凝胶降解导致复漏。说明该凝胶体系具有良好的可泵性和封堵性。

2.5 凝胶黏弹性

测试凝胶堵漏剂在150 ℃下，不同成胶时间的储能模量和损耗模量，结果见图6。可知，随着成胶时间的增加，储能模量（G′）和损耗模量（G″）均增加，说明凝胶堵漏剂在高温下发生交联，随着成胶时间的增加，凝胶交联密度增加，凝胶黏弹性越来越强，进一步说明了高温下该凝胶可延迟交联。

图6 不同成胶时间下凝胶堵漏剂的黏弹性测试（150 ℃）

2.6 凝胶封堵能力

使用2～5 mm宽的缝板模拟漏层，考察高温凝胶堵漏浆的承压堵漏实验[11-13]，结果见图7。

图7 不同缝宽下凝胶堵漏剂的承压堵漏实验

由图7可知，高温凝胶堵漏封堵4 mm以下缝宽缝板，承压4.83 MPa以上，具有较好的高温封堵承压能力。

3 结论

1.自制的延迟引发剂可控制150 ℃以下，凝胶成胶时间为1～3 h左右，满足现场施工要求。

2.高温凝胶堵漏剂适合150 ℃漏层封堵，可封堵4 mm宽裂缝漏层，承压700 psi以上。

3.高温凝胶堵漏剂具有良好的抗温能力，150℃下热滚96 h，破胶率仅5%，热稳定性良好，可长期封堵漏层。