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一种具有响应性能的凝胶封堵材料

2024-11-13 34 上传者：管理员

摘要：本研究以丙烯酰胺（AM）、甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）合成了一种新型响应型凝胶PAPD。利用红外光谱对凝胶进行了结构表征，证明成功合成了目标产物。通过热分析测试得到凝胶的分解温度为250℃,耐温性能较好。制备的PAPD凝胶在酸性条件下的溶胀性能是中性条件下的6.23倍，在酸性条件下有较好的溶胀响应性能。利用多功能岩心驱替装置对凝胶的注入性能和封堵性能进行评价，制备的PAPD凝胶胶液的注入压力约为0.4 MPa,有较好的注入性能。PAPD响应型凝胶对CO2的气相封堵率和水相封堵率分别为85.61%和90.91%,表明凝胶有较好的封堵性能。

关键词：
CO2封堵
凝胶封堵材料
响应性
填充裂缝
溶胀性能
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凝胶封堵材料以其卓越的渗透性和适宜的黏度，能够迅速填充裂缝和地层孔隙。通过化学反应，这些材料能转化为凝胶，形成坚固的封堵层，从而实现高效的封堵效果[1]。这些材料的配方可以根据油藏的具体特性和施工需求进行定制，以适应不同的地质条件并执行针对性的封堵作业。值得一提的是，某些凝胶封堵剂还展现出良好的生物相容性，对环境友好[2]。鉴于此，响应型凝胶在油气田领域受到了极大的关注[3]。本研究成功制备了一种具有响应性能的凝胶封堵剂，旨在为中高渗透油藏中CO2驱裂缝的封堵提供有效的解决方案。

1、PAPD响应型凝胶的合成

首先称取12 g丙烯酰胺(AM)和8 g甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)加入80 g去离子水中，加入一定量的丙烯酸(AA)将混合溶液的pH调节至7.0,在室温下溶解1 h。将溶液升温至60℃,加入0.1 g引发剂偶氮二咪唑啉基丙烷二盐酸盐(AIBI),反应3 h。将产物用乙醇洗涤后烘干粉碎得到预聚物P(AM-DMAEMA)。称取0.24 g烘干后的P(AM-DMAEMA)预聚物加入20 g去离子水中，再加入0.06 g交联剂支化聚乙烯亚胺(PEI),在80℃下反应12 h,制得PAPD响应型凝胶。

2、性能测试与表征

红外光谱分析：利用Nicolet 6700型红外分析光谱对制备的PAPD凝胶进行表征测试。将冷冻干燥完成后的凝胶与纯净溴化钾在玛瑙研钵中研磨至粉末状，将混合粉末在压片机中压片制备。扫描频率为10 cm-1,测试范围在500～4000 cm-1。

热重测试分析：将制备的PAPD响应型凝胶样品于真空烘箱中干燥直至质量恒定，使用TGA/SDTA851e型热分析仪进行热失重实验。实验采用氮气流保护，升温速率控制在20℃/min,升温至600℃。观察凝胶样品质量分数随温度变化的曲线。

微观形貌表征：使用EVO MA15型扫描电子显微镜对制备的PAPD凝胶进行微观形貌表征测试。将冷冻干燥完成后的凝胶样品放入液氮中脆化处理，在脆化状态下掰断，产生脆断截面，观察样品的内部结构，防止样品表面对结构观察的影响，将脆断后的样品直接贴在导电胶上，进行60 s的持续喷金处理。在真空环境下进行扫描测试。

吸水性能测试：采用称重法测定凝胶的溶胀率来评价PAPD响应型凝胶的溶胀行为。称取一定质量的反应完全的凝胶，记录其初始质量。为验证制备的PAPD响应型凝胶的溶胀响应性能，将凝胶分别放入温度为25℃的500 mL去离子水和500 mL酸性缓冲溶液(pH=4)中进行溶胀，直至达到溶胀平衡，期间不断取出凝胶，多次称重，测试得到不同溶胀时间下的凝胶吸水溶胀曲线。

注入性测试：利用XSY-2型多功能岩心驱替装置进行注入性测试。为探究制备的PAPD响应型凝胶在成胶前的注入性能，将岩心置于真空烘箱中干燥至恒重后取出并置于岩心夹持器中，利用环压泵将夹持器的环压加至2 MPa,再开启平流泵，将制备的未成胶的PAPD响应型凝胶胶液以0.2 mL/min的速率注入到岩心中，持续监测岩心夹持器中的注入压力。获得PAPD响应性凝胶胶液的注入压力曲线图。

模拟堵漏实验：利用XSY-2型多功能岩心驱替装置进行模拟堵漏实验。根据Darcy定律计算CO2气驱和地层水水驱后的渗透率，通过计算驱替前后的渗透率变化率来表明封堵率的大小。将岩心进行饱和水处理计算水测渗透率和孔隙度，再通入CO2引发气窜测得CO2气测渗透率，通入制备的凝胶胶液在80℃进行交联反应6 h。完全成胶后向岩心通入CO2计算后续气测渗透率，再向岩心中通入地层水，测得水相渗透率，最终计算封堵率。

3、结果与讨论

3.1 PAPD响应型凝胶的结构表征

3.1.1 PAPD响应型凝胶的红外光谱分析

合成PAPD凝胶的红外光谱如图1所示。其中3 459 cm-1处为-NH-的伸缩振动，1 589 cm-1处为酰胺基团上的C=O的伸缩振动，在1 350 cm-1的吸收峰代表C-O的伸缩振动，归属于叔胺基团中C-N的伸缩振动的1 045 cm-1的吸收峰证实凝胶中响应部分的存在。在605 cm-1处的吸收峰代表酰胺基团中的-NH-面外弯曲振动。在1 680～1 620 cm-1上未见峰，说明C=C的完全反应，可以说明合成的凝胶为目标产物。

图1 PAPD响应型凝胶的红外分析光谱

3.1.2 PAPD响应型凝胶的热重测试分析

制备的PAPD响应型凝胶的热失重曲线如图2所示。其中，主要存在两个失重区。在40～250℃之间，失重率小于5%。当温度达到250～320℃之间，此时重量损失主要来源于凝胶本身侧基的分解，损失大约30%的质量。当温度逐渐升高超过320℃时，此时还有部分侧基未完全分解或是聚合物还未完全裂解成为小分子。当温度达到451℃左右时，凝胶完全分解，重量基本保持不变，大约失重48.5%,最终凝胶剩余初始质量的16.5%。表明凝胶的分解温度为250℃。有较好的耐温性能。

图2 PAPD响应型凝胶的热重测试

Fig.2 TG test of PAPD responsive gel

3.1.3 PAPD响应型凝胶的微观形貌表征

制备的PAPD响应性凝胶的微观形貌图如图3所示，从图3可以看出，凝胶展现出较好的交联结构，内部的孔洞结构代表凝胶有充足的储水空间，表明凝胶有较好的力学强度和溶胀性能。

图3 PAPD响应型凝胶微观形貌表征

3.2 PAPD响应型凝胶的性能评价

3.2.1 PAPD响应型凝胶的溶胀测试分析

PAPD响应型凝胶在不同pH下的溶胀性能测试如图4所示。制备的PAPD响应型凝胶在去离子水中溶胀48 h后，溶胀倍率达到7.59 g/g,在40 h左右基本已经达到溶胀平衡。而PAPD响应性凝胶在pH=4的稀盐酸溶液中溶胀倍率较在去离子水的溶胀倍率有较大提高，在酸性条件下溶胀48 h后，溶胀倍率达到了47.31 g/g,是在去离子水中溶胀倍率的6.23倍。测试表明PAPD响应型凝胶在酸性条件下具有更好的溶胀响应性能。

图4 PAPD响应型凝胶在不同pH下的溶胀性能测试

3.2.2成胶前PAPD聚合物溶液的注入性测试实验

未成胶PAPD响应型凝胶胶液的岩心注入性能测试如图5所示。随着未成胶PAPD响应型凝胶胶液的注入，体系内的压力逐渐上升，在注入初期，制备的未成胶PAPD响应型凝胶胶液在孔隙中的滞留量小，岩心中存在优势通道，随着注入量的增加，孔隙逐渐被凝胶胶液占据，最终PAPD响应型凝胶胶液的注入压力稳定在0.4 MPa左右，注入压力较小，有较好的注入性能。

图5未成胶PAPD响应型凝胶胶液的岩心注入性能测试

3.2.3 PAPD凝胶形成后的模拟堵漏实验

岩心封堵基本实验参数(注入未成胶PAPD响应型凝胶)如表1所示。从表1可以看出，制备的PAPD响应型凝胶可对CO2气相进行封堵防窜，后续CO2气相测定气相封堵率为85.61%,接着注地层水测定水相渗透率，水相的封堵率为90.91%。表明PAPD响应型凝胶在岩心中可以有效封堵。

表1岩心封堵基本实验参数(注入未成胶PAPD响应型凝胶)

4、结语

(1)以AM和DMAEMA作为单体，AIBI作为引发剂制备P(AM-DMAEMA)预聚物，再将预聚物溶解于水中加入PEI交联剂进行交联，合成了一种具有响应性能的凝胶封堵剂PAPD。

(2)PAPD响应型凝胶在酸性条件下有较中性条件下更好的溶胀响应性能，在酸性条件下的溶胀倍率是中性条件下的6.23倍。

(3)利用多功能岩心驱替装置进行注入性能和封堵性能测试。测试得到PAPD响应型凝胶胶液注入压力较小，有较好的注入性能，在模拟堵漏实验中，凝胶对CO2的气相封堵率为85.61%,对水相的封堵率为90.91%。有较好的封堵性能。

参考文献:

[1]汤龙皓,王彦玲,张传保,等.基于形状记忆聚合物的温敏型堵漏材料制备与评价[J].石油钻探技术,2022,50(5):70-75.

[2]张博研,李婷,曲作明.环保型糠醛树脂凝胶体系研制与应用[J].油气田环境保护,2017,27(1):35-36,39,61.

[3]杨丽丽,武昀朋,蒋官澄,等.自修复凝胶堵漏技术研究[J].钻井液与完井液,2023,40(1):47-53.