三維裂縫中聚合物凍膠運(yùn)移形態(tài)及成膠封堵機(jī)制

尚校森， 董長(zhǎng)銀， 皇凡生， 熊春明， 魏發(fā)林

(1．中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580； 3．中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院,北京 100083)

聚合物凍膠是一種對(duì)水竄或鉆井液漏失通道形態(tài)具有強(qiáng)自主適應(yīng)性的材料，是裂縫性地層最常用的堵水和堵漏材料之一[1]。凍膠在裂縫中的成膠效果將直接影響到封堵措施的成敗，而凍膠的成膠效果受其在裂縫中的運(yùn)移分布形態(tài)及組分濾失程度影響。在三維裂縫中凍膠堵劑組分濾失對(duì)成膠效果影響方面，Seright等[2-3]認(rèn)為堵劑在裂縫中的水組分少量濾失會(huì)導(dǎo)致堵劑脫水而使得其成膠效果變差，但濾失量較高時(shí)堵劑組分質(zhì)量濃度增高，從而可提高堵劑成膠強(qiáng)度而對(duì)裂縫進(jìn)行封堵。Ganguly等[4-5]認(rèn)為凍膠堵劑運(yùn)移過(guò)程中交聯(lián)劑也會(huì)發(fā)生濾失，且一定程度的濾失有助于凝膠在裂縫壁面滯留能力的增強(qiáng)。在三維裂縫中凍膠堵劑運(yùn)移封堵方面，白英睿等[6]發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)聚合物凍膠對(duì)裂縫成功封堵的前提是“聚合物凍膠壩”自身內(nèi)聚力及其與裂縫壁面的黏滯力之和大于“膠壩”封隔前后地層的流體壓差。筆者利用三維裂縫巖心模型開(kāi)展裂縫中凍膠堵劑的運(yùn)移及成膠封堵模擬，建立裂縫中凍膠組分濾失測(cè)定方法和凍膠堵劑封堵效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合凍膠濾失深度微觀可視化方法，探究三維裂縫中聚合物凍膠堵劑的運(yùn)移分布形態(tài)、不均衡濾失規(guī)律以及成膠封堵機(jī)制。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

聚合物為部分水解的聚丙烯酰胺(HPAM)，相對(duì)分子質(zhì)量為1 200×104，水解度為25%。交聯(lián)劑為自行合成有機(jī)鉻交聯(lián)劑，Cr3+有效質(zhì)量濃度為5.5 g/L。聚合物凍膠堵劑體系的基本組成為3 g/L HPAM+0.357 5 g/L Cr3+。實(shí)驗(yàn)用水為室內(nèi)配制的模擬地層水，總礦化度1.2 g/L。

實(shí)驗(yàn)用巖心包括立方體裂縫巖心模型和柱狀裂縫巖心模型。根據(jù)壓裂設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)結(jié)果，低滲砂巖油藏壓裂施工后主裂縫的閉合寬度平均為毫米至厘米級(jí)。因此室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)所用裂縫巖心的裂縫寬度也定為毫米級(jí)；對(duì)于分段壓裂，實(shí)際壓裂產(chǎn)生的裂縫為“樹(shù)”型縫網(wǎng)，即裂縫由主裂縫、次級(jí)分支縫、微裂縫等組成，而物理模擬實(shí)驗(yàn)制作的裂縫巖心均為單裂縫巖心，為使得實(shí)驗(yàn)巖心更加接近地層實(shí)際情況，將巖心基質(zhì)滲透率相應(yīng)提高，即提高低滲巖心基質(zhì)滲透率來(lái)模擬主裂縫周圍的分支縫及微裂縫的高導(dǎo)流能力。設(shè)計(jì)柱狀裂縫巖心模型的直徑為2.54 cm、巖心長(zhǎng)度為10 cm；立方體裂縫巖心的尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為40 cm×4.5 cm×4.5 cm，裂縫和基質(zhì)沿程均勻安裝3個(gè)取樣口。兩類巖心中裂縫均為均勻貫穿縫，裂縫寬度為1、2和5 mm，基質(zhì)滲透率為5×10-3、10×10-3和50×10-3μm2。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

(1)凍膠中Cr3+質(zhì)量濃度測(cè)定方法。通過(guò)對(duì)凍膠堵劑的預(yù)處理，并以分光光度法為基礎(chǔ)，根據(jù)參照文獻(xiàn)[7]中推薦的方法和步驟測(cè)定凍膠堵劑中Cr3+質(zhì)量濃度測(cè)。

(2)裂縫中凍膠組分濾失測(cè)定方法。立方體裂縫巖心的裂縫及基質(zhì)沿程出口編號(hào)如圖1所示。驅(qū)替前關(guān)閉裂縫沿程出口(1、2和3號(hào)口)，按照實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定裂縫出口端不同回壓值；向裂縫巖心中恒速(0.5 mL/min)注入聚合物凍膠溶液，采集基質(zhì)沿程出口(4、5和6號(hào)口)的產(chǎn)出液。測(cè)定產(chǎn)出液的黏度，判斷聚合物的濾失質(zhì)量濃度；測(cè)定產(chǎn)出液中Cr3+的質(zhì)量濃度并進(jìn)行歸一化處理(記為c歸一，即產(chǎn)出液中Cr3+質(zhì)量濃度與原溶液中Cr3+質(zhì)量濃度的比值)，判斷Cr3+由裂縫向基質(zhì)中的濾失擴(kuò)散程度；測(cè)定裂縫出口端產(chǎn)出液中Cr3+的質(zhì)量濃度并進(jìn)行歸一化處理，判斷裂縫中Cr3+的損耗狀況；進(jìn)而分析凍膠堵劑組分(聚合物分子和交聯(lián)劑離子)的不均衡濾失程度。

圖1 立方體巖心裂縫及基質(zhì)出口編號(hào)示意圖

(3)裂縫中凍膠堵劑封堵效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。交聯(lián)劑濃度對(duì)聚合物凍膠成膠效果影響顯著。根據(jù)凍膠溶液在裂縫中運(yùn)移過(guò)程中交聯(lián)劑(有機(jī)鉻)的損耗值以及對(duì)裂縫封堵影響，建立聚合物凍膠堵劑中鉻離子損耗及凍膠封堵裂縫的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

Cr3+損耗量評(píng)價(jià)指標(biāo)：測(cè)定裂縫及基質(zhì)采集液樣中的Cr3+質(zhì)量濃度，并除以注入溶液中的Cr3+質(zhì)量濃度(0.357 5 g/L)，即得到注入過(guò)程中被驅(qū)出液樣中Cr3+的歸一化質(zhì)量濃度c歸一，Cr3+的損耗程度評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。

表1 聚合物凍膠堵劑鉻離子損耗評(píng)價(jià)指標(biāo)

凍膠堵劑封堵裂縫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)：定義pr為不同c歸一(濾失程度)時(shí)凍膠成膠后的反向水驅(qū)壓差與c歸一等于1(Cr3+零損耗)時(shí)的反向水驅(qū)壓差比值，即pr為存在Cr3+損耗時(shí)凍膠堵劑封堵裂縫的反向水驅(qū)歸一化壓力梯度，可用以評(píng)價(jià)Cr3+損耗程度對(duì)凍膠封堵裂縫效果的影響，評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2所示。

表2 聚合物凍膠堵劑封堵裂縫評(píng)價(jià)指標(biāo)

(4)凍膠濾失深度微觀可視化方法。使用亞甲基藍(lán)對(duì)聚合物凍膠溶液進(jìn)行染色處理，亞甲基藍(lán)的使用質(zhì)量濃度為5 mg/L。將聚合物凍膠溶液以0.2 mL/min的速率恒速注入到柱狀裂縫巖心中，裂縫出口回壓和注入體積根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求而定。待溶液注入完畢后，將巖心取出，沿橫向(圓截面，垂直于裂縫方向)剖開(kāi)巖心。使用手持顯微鏡(Anyty)觀測(cè)巖心裂縫壁面及附近基質(zhì)被亞甲基藍(lán)染色狀況以及凍膠溶液的分布狀況，并取得微觀圖片(放大倍數(shù)分別為75、150和500倍)。使用Anyty處理軟件(測(cè)量范圍0～12 mm，測(cè)量精度10 μm)測(cè)量?jī)瞿z溶液由裂縫向基質(zhì)中的濾失深度(亞甲基藍(lán)對(duì)基質(zhì)的染色深度)。

2 凍膠堵劑在裂縫中的運(yùn)移分布形態(tài)

將聚合物凍膠溶液注入到裂縫中后，由于裂縫和基質(zhì)之間巨大的流動(dòng)阻力差異，凍膠溶液優(yōu)先沿裂縫向前運(yùn)移。但在實(shí)際注入過(guò)程中，裂縫和基質(zhì)之間會(huì)存在一個(gè)壓力差，且在組分質(zhì)量濃度差的作用下，裂縫中的溶液也會(huì)有向基質(zhì)中運(yùn)移的趨勢(shì)，即存在凍膠溶液的濾失行為。因此凍膠溶液在裂縫中的運(yùn)移行為(圖2)可分為3部分：①凍膠溶液在裂縫中的裂縫流，這是主要流動(dòng)組成；②在壓差和濃度差的影響下凍膠溶液由裂縫向基質(zhì)中發(fā)生的濾失流，這是堵劑組分發(fā)生濾失時(shí)的主要流動(dòng)；③濾失的組分在基質(zhì)中發(fā)生的與裂縫流平行的流動(dòng)，即基質(zhì)流，由于基質(zhì)多孔介質(zhì)與裂縫內(nèi)流動(dòng)阻力的差異，基質(zhì)流一般較弱。

圖2 裂縫及基質(zhì)中凍膠溶液的運(yùn)移流動(dòng)示意圖

不同的堵劑運(yùn)移行為會(huì)顯著影響裂縫及臨近基質(zhì)中凍膠溶液的分布狀態(tài)。與上述3種流動(dòng)運(yùn)移行為相對(duì)應(yīng)，裂縫中凍膠成膠后主要有3種分布狀態(tài)，分別為裂縫中的凍膠團(tuán)、裂縫壁面的凍膠層和基質(zhì)孔道中的分散凍膠塊，如圖3所示。

圖3 凍膠成膠后在裂縫及基質(zhì)中的賦存狀態(tài)

(1)凍膠溶液成膠后，發(fā)生裂縫流的部分駐留在裂縫中形成了凍膠團(tuán)，這是凍膠封堵裂縫的主要貢獻(xiàn)部分，因而凍膠團(tuán)的成膠效果直接影響凍膠堵劑對(duì)裂縫的封堵效果。

(2)凍膠層是由凍膠溶液發(fā)生濾失時(shí)在裂縫壁面和鄰近基質(zhì)構(gòu)建的聚合物吸附和聚集層轉(zhuǎn)化而來(lái)的。聚合物吸附聚集層中的聚合物分子排列緊密，相互纏繞并且吸附在巖石表面上，由于濾失層中會(huì)束縛部分鉻離子，因此也會(huì)發(fā)生部分交聯(lián)反應(yīng)，從而生成凍膠層。凍膠層的主要作用是提高裂縫中的凍膠團(tuán)與裂縫壁面膠結(jié)力，增強(qiáng)其在裂縫中的駐留能力；此外凍膠層還可起到減緩注入水和地層水由基質(zhì)向裂縫中繞流的作用。

(3)分散在基質(zhì)孔喉中的凍膠分散體是由少量運(yùn)移到基質(zhì)孔隙中的聚合物分子和鉻離子反應(yīng)生成的。由于進(jìn)入到基質(zhì)中的聚合物分子主要集中在高滲孔隙中，因此基質(zhì)中的分散凍膠體主要起到阻塞高滲孔喉的作用。

3 裂縫中凍膠堵劑的成膠及封堵機(jī)制

聚合物凍膠對(duì)裂縫實(shí)現(xiàn)有效封堵的關(guān)鍵前提之一就是要在裂縫中具有較高的成膠強(qiáng)度，而影響成膠強(qiáng)度的最關(guān)鍵因素就是組分即聚合物和交聯(lián)劑的質(zhì)量濃度[8]。聚合物凍膠溶液在裂縫中會(huì)發(fā)生組分不均衡濾失，在一定條件下，鉻離子會(huì)向基質(zhì)中發(fā)生嚴(yán)重的濾失擴(kuò)散，而聚合物分子則會(huì)在裂縫壁面和基質(zhì)淺部形成聚合物濾失層，從而導(dǎo)致繼續(xù)留存在裂縫中的聚合物凍膠溶液的組分質(zhì)量濃度，尤其是交聯(lián)劑質(zhì)量濃度發(fā)生變化，影響成膠效果。眾所周知，提高聚合物及交聯(lián)劑質(zhì)量濃度可使聚合物凍膠溶液成膠后具有較高的強(qiáng)度，但聚合物及交聯(lián)劑質(zhì)量濃度必須維持在合理的范圍內(nèi)。如果凍膠組分中聚合物質(zhì)量濃度過(guò)高，交聯(lián)后聚合物過(guò)剩，生成的凍膠與游離態(tài)聚合物分子共存，會(huì)導(dǎo)致凍膠對(duì)裂縫封堵強(qiáng)度不足；而當(dāng)交聯(lián)劑質(zhì)量濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)使生成的凍膠發(fā)生“脫水縮合”，凍膠內(nèi)部產(chǎn)生大量“蚯蚓洞”，其脆性也大幅增加，導(dǎo)致封堵強(qiáng)度下降[9]。

3.1 不同濾失程度時(shí)凍膠堵劑的成膠機(jī)制

由于組分不均衡濾失會(huì)導(dǎo)致駐留在裂縫中的凍膠溶液的交聯(lián)劑質(zhì)量損耗，從而影響成膠效果，因此實(shí)驗(yàn)研究了裂縫空間中可確保凍膠成膠的鉻離子合理質(zhì)量濃度范圍。配制了聚合物質(zhì)量濃度均為3 g/L的一系列凍膠溶液，其中鉻離子濃度由50 mg/L逐漸升高到400 mg/L，混合均勻后同時(shí)放于60 ℃恒溫烘箱中，靜置24 h后取出測(cè)試了每組凍膠溶液的表觀黏度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 聚合物凍膠成膠后黏度與鉻離子質(zhì)量濃度的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)鉻離子質(zhì)量濃度低于150 mg/L時(shí)，隨著質(zhì)量濃度增加凍膠成膠后黏度也逐漸升高，但是總體而言黏度較低，增幅較緩。這主要是由鉻離子質(zhì)量濃度不足導(dǎo)致其與聚丙烯酰胺分子的交聯(lián)反應(yīng)不完全所致。當(dāng)鉻離子質(zhì)量濃度超過(guò)150 mg/L后，隨著鉻離子質(zhì)量濃度的升高，凍膠成膠后的黏度迅速上升。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究以及現(xiàn)場(chǎng)凍膠堵水實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，凍膠成膠后的黏度若低于5 Pa·s，則難以起到良好封堵效果。因此將5 Pa·s作為凍膠成膠強(qiáng)弱的分界點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，只有當(dāng)鉻離子質(zhì)量濃度達(dá)到245 mg/L后才能保證成膠強(qiáng)度較高。圖5表示的聚合物濃度為3 g/L，鉻離子質(zhì)量濃度分別為0.357 5 g/L(圖5(a))和200 mg/L(圖5(b)，染成紅色)時(shí)成膠后的凍膠實(shí)物圖。根據(jù)其倒置時(shí)的“吐舌”現(xiàn)象可以看出，鉻離子質(zhì)量濃度過(guò)低時(shí)凍膠溶液成膠強(qiáng)度會(huì)大幅下降。因此必須要防控裂縫中鉻離子的濾失擴(kuò)散過(guò)于嚴(yán)重，使其質(zhì)量濃度處于合理范圍內(nèi)以保證成膠效果。

圖5 不同鉻離子質(zhì)量濃度時(shí)凍膠成膠效果

為更直觀地研究裂縫中凍膠組分不均衡濾失對(duì)成膠強(qiáng)度的影響，將相同組分濃度(3 g/L HPAM+0.357 5 g/L Cr3+)的聚合物凍膠溶液使用亞甲基藍(lán)染色后注入到縫寬為2 mm、基質(zhì)滲透率為50×10-3μm2的柱狀裂縫巖心中。為使凍膠溶液發(fā)生不同程度的濾失，裂縫出口端回壓依次設(shè)置為0、50和200 kPa。注入完畢后60 ℃下密封靜置24 h待其成膠。成膠完畢后首先觀察裂縫入口端凍膠的濾失狀況如圖6所示。

圖6 不同鉻離子濾失程度時(shí)凍膠成膠效果

當(dāng)裂縫出口端回壓為0 kPa時(shí)，在裂縫壁面及其附近的基質(zhì)中沒(méi)有觀察到明顯的亞甲基藍(lán)染色現(xiàn)象，說(shuō)明此時(shí)聚合物凍膠溶液向基質(zhì)中的濾失較弱，為微量濾失；當(dāng)回壓為50 kPa時(shí)，亞甲基藍(lán)將裂縫壁面染色顯著，基質(zhì)淺部也有染色現(xiàn)象，此時(shí)凍膠溶液向基質(zhì)中發(fā)生中等濾失；當(dāng)回壓為200 kPa時(shí)，裂縫壁面及基質(zhì)深部均被亞甲基藍(lán)染成藍(lán)色，此時(shí)凍膠溶液發(fā)生嚴(yán)重濾失。

將裂縫中不同濾失程度成膠后的凍膠取出，使用哈克流變儀測(cè)試其膠體黏度，同時(shí)根據(jù)凍膠中Cr3+質(zhì)量濃度測(cè)定方法測(cè)試其中的鉻離子質(zhì)量濃度，分析不同濾失程度時(shí)鉻離子質(zhì)量濃度與凍膠成膠強(qiáng)度(黏度)之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 凍膠溶液濾失程度與成膠強(qiáng)度(黏度)及鉻離子質(zhì)量濃度的關(guān)系

由圖7中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)凍膠溶液在裂縫中發(fā)生微量濾失時(shí)，成膠后凍膠黏度達(dá)到9.425 Pa·s，鉻離子質(zhì)量濃度為328.4 mg/L，即只有約30 mg/L的鉻離子發(fā)生了損耗，對(duì)凍膠的最終成膠強(qiáng)度影響不大；當(dāng)凍膠溶液向基質(zhì)中發(fā)生中等濾失時(shí)，鉻離子質(zhì)量濃度只有265.3 mg/L，因而成膠后凍膠黏度降至6.186 Pa·s；而當(dāng)凍膠溶液發(fā)生嚴(yán)重濾失時(shí)鉻離子濃度只有167.8 mg/L，凍膠黏度只有3.025 Pa·s。這也驗(yàn)證了鉻離子向基質(zhì)中濾失擴(kuò)散過(guò)量后會(huì)影響裂縫中凍膠成膠效果的結(jié)論，因此在凍膠溶液的注入過(guò)程中必須對(duì)交聯(lián)劑離子的濾失擴(kuò)散予以控制。

3.2 不同濾失程度時(shí)凍膠堵劑的封堵機(jī)制

凍膠溶液在裂縫中運(yùn)移時(shí)，向基質(zhì)中發(fā)生濾失的主要成分是水組分，水濾失的同時(shí)會(huì)濾失的主要組分是交聯(lián)劑離子，因此可以使用交聯(lián)劑的濾失量表示凍膠溶液的濾失程度。選用縫寬2 mm、基質(zhì)滲透率50×10-3μm2的立方體裂縫巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先向裂縫巖心中飽和模擬地層水，而后注入不同體積的聚合物凍膠溶液(組成為3 g/L HPAM + 0.357 5 g/L Cr3+)，注入速率為0.5 mL/min，裂縫出口設(shè)置回壓200 kPa。注入過(guò)程中，每隔10 min在裂縫出口端采集產(chǎn)出液，測(cè)試其中鉻離子質(zhì)量濃度并進(jìn)行歸一化處理。鉻離子歸一化質(zhì)量濃度(c歸一)隨凍膠溶液注入體積(Vf，裂縫體積)倍數(shù)的關(guān)系如圖8所示。

圖8 裂縫出口產(chǎn)出液中鉻離子質(zhì)量濃度隨凍膠堵劑注入體積的變化

根據(jù)鉻離子歸一化質(zhì)量濃度隨凍膠堵劑溶液注入體積的變化關(guān)系，統(tǒng)計(jì)裂縫出口鉻離子歸一化質(zhì)量濃度c歸一為設(shè)定值時(shí)對(duì)應(yīng)的凍膠溶液注入孔隙體積倍數(shù)見(jiàn)表3。

表3 交聯(lián)劑不同濾失程度時(shí)的凍膠溶液注入孔隙體積倍數(shù)

按照表中鉻離子歸一化質(zhì)量濃度c歸一與堵劑注入孔隙體積倍數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分別向5組立方體裂縫巖心(wf=2 mm、km=50×10-3μm2)中注入對(duì)應(yīng)體積的聚合物凍膠溶液，密封成膠后進(jìn)行反向水驅(qū)(v水=0.5 mL/min)，實(shí)時(shí)記錄水驅(qū)壓力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 交聯(lián)劑不同濾失程度時(shí)凍膠堵劑反向水驅(qū)壓差

由圖中壓力數(shù)據(jù)可知，隨著鉻離子歸一化質(zhì)量濃度的升高，反向水驅(qū)穩(wěn)定注水壓差也逐漸提高。當(dāng)c歸一=0.4時(shí)，穩(wěn)定注水壓差只有40.6 kPa，其封堵效果較差；當(dāng)c歸一升高至0.8時(shí)，穩(wěn)定注水壓差為204.5 kPa，封堵效果明顯增強(qiáng)；當(dāng)c歸一=1.0即裂縫中駐留的凍膠鉻離子無(wú)損耗時(shí)，穩(wěn)定注水壓差達(dá)到375.4 kPa。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，凍膠組分中交聯(lián)劑的濾失會(huì)顯著影響凍膠對(duì)裂縫的封堵效果，這與先前研究的交聯(lián)劑濾失會(huì)降低凍膠堵劑的成膠強(qiáng)度結(jié)論相一致。

根據(jù)凍膠堵劑封堵裂縫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算得到縫寬2 mm、基質(zhì)滲透率50 ×10-3μm2的巖心中不同鉻離子濾失程度時(shí)凍膠封堵的pr。此外，還分別對(duì)縫寬1和5 mm時(shí)凍膠堵劑對(duì)裂縫的封堵效果pr進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4～6。

表4 wf=1 mm時(shí)凍膠封堵裂縫性能

表5 wf=2 mm時(shí)凍膠封堵裂縫性能

由表4～6看出，當(dāng)裂縫寬度為1mm，縫中c歸一為0.9和0.8時(shí)，鉻離子損耗對(duì)凍膠成膠后裂縫封堵效果的影響程度分別為弱影響和中影響。但是當(dāng)縫寬為2和5mm時(shí)影響程度分別達(dá)到中影響和強(qiáng)影響的程度。這說(shuō)明相同的注入條件下，凍膠堵劑更易封堵窄縫，寬縫難堵。結(jié)合凍膠堵劑的裂縫中的分布及封堵機(jī)制的分析，這主要是由于相同注入條件下，窄縫中單位體積凍膠溶液與裂縫壁面接觸面大，凍膠溶液濾失成膠后在裂縫壁面形成的凍膠層致密，可進(jìn)一步增強(qiáng)凍膠在裂縫中的駐留能力[10]。研究表明，當(dāng)c歸一為0.6或更低時(shí)，凍膠成膠后對(duì)裂縫的封堵效果很差，此時(shí)為超強(qiáng)影響程度。因此控制裂縫中交聯(lián)劑的濾失并保證其成膠有效質(zhì)量濃度是使用凍膠堵劑封堵裂縫時(shí)重要的考量指標(biāo)。

表6 wf=5 mm時(shí)凍膠封堵裂縫性能

3.3 不同成膠方式時(shí)凍膠堵劑的封堵機(jī)制

聚合物凍膠堵劑的成膠方式通常分為就地交聯(lián)和地面預(yù)交聯(lián)。就地交聯(lián)是指將聚合物和交聯(lián)劑按配比混合注入到地層中，在地層溫度壓力條件下聚合物和交聯(lián)劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)生成凍膠，這是目前油田常用的成膠方式；地面預(yù)交聯(lián)是指將聚合物和交聯(lián)劑按配比混合后在地面靜置一定時(shí)間待其成膠，而后以分散凍膠顆粒的形式注入到地層中[11]。與就地交聯(lián)方式相比，地面預(yù)交聯(lián)凍膠已完成成膠反應(yīng)，可以防止凍膠組分向基質(zhì)中的濾失擴(kuò)散，但相對(duì)于凍膠溶液，凍膠顆粒的強(qiáng)度高、粒徑大，其可注入性能會(huì)大幅降低。此外注入過(guò)程中預(yù)交聯(lián)凍膠的結(jié)構(gòu)容易受到不可逆轉(zhuǎn)的剪切降解，進(jìn)而影響其封堵強(qiáng)度。就地交聯(lián)方式時(shí)凍膠溶液可注入性高、剪切降解程度較輕，但不可避免的是凍膠組分的濾失損耗。

為驗(yàn)證凍膠溶液就地交聯(lián)的效果，實(shí)驗(yàn)配制2組相同組分質(zhì)量濃度組成的聚合物凍膠溶液：一組密封靜置于60 ℃條件下24h，待其完全成交后注入到立方體裂縫巖心(縫寬2mm，基質(zhì)滲透率50×10-3μm2)中；另一組在室溫(25 ℃)條件下低速攪拌(模擬凍膠溶液在井筒中尚未抵達(dá)目的地層的流動(dòng)過(guò)程)2h后注入到具有相同參數(shù)的裂縫巖心中。2組實(shí)驗(yàn)中凍膠注入體積均為2.5Vf。兩組實(shí)驗(yàn)中采集注入過(guò)程中的壓差見(jiàn)圖10。

由圖10可知，注入就地交聯(lián)凍膠溶液時(shí)，雖然隨著注入體積的增加注入壓力也在持續(xù)上升，但增幅較低，注入體積達(dá)到2.5Vf時(shí)壓力才僅有21.8 kPa，顯示就地交聯(lián)凍膠溶液的高可注入性。與之相比，預(yù)交聯(lián)凍膠由于其良好的黏度而導(dǎo)致其初始注入階段壓力迅速升高，直至注入體積超過(guò)1.5Vf后壓力才逐漸平緩，最終穩(wěn)定在約359 kPa，平穩(wěn)注入壓力為就地交聯(lián)時(shí)的15倍以上。

圖10 就地交聯(lián)和預(yù)交聯(lián)成膠方式時(shí)凍膠溶液的注入壓差

注入完畢后，將兩組巖心密封靜置于60 ℃條件下24 h，待就地交聯(lián)凍膠完全成膠，而后取出進(jìn)行反向水驅(qū)，反向水驅(qū)壓差見(jiàn)圖11。

圖11 就地交聯(lián)和預(yù)交聯(lián)時(shí)凍膠成膠后反向水驅(qū)壓差

在反向水驅(qū)初始階段，隨著水驅(qū)注入體積的增加，壓力迅速升高；當(dāng)注水體積超過(guò)一定體積后壓力降低并最終趨于平穩(wěn)。就地交聯(lián)凍膠反向水驅(qū)時(shí)存在一個(gè)壓力峰值，表明此時(shí)裂縫中的凍膠被注入水突破，而預(yù)交聯(lián)時(shí)壓力峰值不明顯。此外實(shí)驗(yàn)中觀察到當(dāng)就地交聯(lián)凍膠水驅(qū)壓力達(dá)到壓力峰值之前，裂縫出口端不產(chǎn)液；而預(yù)交聯(lián)方式時(shí)在壓力抵達(dá)峰值之前裂縫出口存在少量的膠、水同出現(xiàn)象，說(shuō)明此時(shí)部分凍膠已然被水突破。2組實(shí)驗(yàn)的反向水驅(qū)平穩(wěn)壓力值也證明了上述結(jié)論。當(dāng)反向水驅(qū)體積為5Vf時(shí)，就地交聯(lián)凍膠的平穩(wěn)水驅(qū)壓力為375.4 kPa，按照凍膠堵劑封堵裂縫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)pr計(jì)算值為1；而地面預(yù)交聯(lián)凍膠的平穩(wěn)水驅(qū)壓力僅為146.2 kPa，pr計(jì)算值為0.39。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明就裂縫封堵效果而言，相同條件下就地交聯(lián)方式優(yōu)于地面預(yù)交聯(lián)方式。

為進(jìn)一步分析就地交聯(lián)和預(yù)交聯(lián)2種注入方式的封堵效果。在相同注入條件下分別將就地交聯(lián)凍膠溶液和預(yù)交聯(lián)凍膠體系注入到透明中空?qǐng)A管(內(nèi)徑10 mm)中，密封候凝；而后反向水驅(qū)(使用亞甲基藍(lán)將注入水染成藍(lán)色)，觀察水流在凍膠中的突破流線(圖12)。由圖12(a)可看出，就地交聯(lián)凍膠成膠后與圓管壁面的膠結(jié)能力較強(qiáng)，注入壓力達(dá)到峰值后水流沿凍膠中心突破形成水流線。隨著水驅(qū)進(jìn)行，水流線會(huì)持續(xù)沖刷凍膠，使得水流線直徑擴(kuò)大，而預(yù)交聯(lián)凍膠的反向水驅(qū)水流線則不同，由圖12(b)可知，預(yù)交聯(lián)凍膠注入后在圓管中形成分散凍膠團(tuán)，與壁面膠結(jié)力弱，水驅(qū)作用下凍膠被均勻驅(qū)出，水流線沿整個(gè)圓管均勻向前推進(jìn)，導(dǎo)致封堵效果較差。上述現(xiàn)象也就解釋了與就地交聯(lián)方式相比，預(yù)交聯(lián)方式對(duì)裂縫的封堵效果差的原因。

圖12 不同凍膠注入方式時(shí)圓管的反向水驅(qū)

4 結(jié) 論

(1)聚合物凍膠溶液在裂縫中的運(yùn)移流動(dòng)行為可以分為在裂縫中的裂縫流、由裂縫向基質(zhì)中發(fā)生的濾失流以及在基質(zhì)中發(fā)生基質(zhì)流。由于濾失流的存在以及聚合物凍膠溶液組分差異，凍膠溶液在裂縫中運(yùn)移時(shí)存在明顯的組分不均衡濾失擴(kuò)散行為，聚合物分子濾失量很少，交聯(lián)劑離子濾失量顯著。交聯(lián)劑濾失擴(kuò)散后會(huì)顯著降低凍膠堵劑的成膠強(qiáng)度。

(2)凍膠組分的濾失程度直接影響其成膠后對(duì)裂縫的封堵效果。當(dāng)交聯(lián)劑濾失后歸一化質(zhì)量濃度高于0.8時(shí)，濾失對(duì)凍膠封堵裂縫效果影響不顯著；當(dāng)歸一化質(zhì)量濃度低于0.6時(shí)，凍膠成膠后不能對(duì)裂縫實(shí)現(xiàn)有效封堵。因此，必須要減少裂縫中交聯(lián)劑的濾失擴(kuò)散程度，保證其濃度處于合理范圍內(nèi)。

(4)與地面預(yù)交聯(lián)方式相比，采用就地交聯(lián)方式時(shí)聚合物凍膠溶液成膠后形成的凍膠層可使凍膠與裂縫壁面形成較好膠結(jié)，從而提高對(duì)裂縫的封堵效果。