油田常用调剖堵水剂


      交联聚合物中普遍使用的是就地生成的凝胶体系,在高渗层注入线性聚合物和交联剂的混合溶液后,在一系列的激发条件下就地凝胶。
     用 Cr3+或 Al3+交联聚丙烯酰胺(HPAM)形成的凝胶体系使用较为普遍,对于高温油藏可加入配位体延缓剂如乳酸盐、丙酸盐、水杨酸盐等来延缓体系成胶时间,但该体系中因存在金属离子和HPAM 上带负电的羧基之间形成的离子键,其交联特征会使得凝胶热稳定性大为降低。凝胶体系中若采用有机交联剂,共价键交联的方式会显著提高凝胶抗温能力,这是因为共价键通常发生在酰胺基团与聚合物骨架之间,比离子键更为稳定。有报道指出苯酚/甲醛与丙烯酰胺共聚物形成的凝胶体系在 121 ℃下,经 13.3 a 仍可保持稳定性。另外,对于裂缝性油藏可采用多元酚(第一交联剂)+ 苯酚/甲醛(第二交联剂)的“二次交联”思路,使体系在常温下迅速发生弱交联,减轻在裂缝中的滤失,降低对岩石基质伤害,同时也保证了主剂的调剖效果。但由于重金属铬盐以及苯酚–甲醛具有毒性,这类凝胶体系的应用往往受到限制,尤其是在海上油田,但作为一项常规调堵体系,目前在中国仍得到广泛应用。
     低毒聚乙烯亚胺(PEI)凝胶体系由于环保需要,国外 20 世纪 90 年代就已开始了苯酚/甲醛类有机交联剂替代物的研究,Morgan J C 等首 次 报 道 了 有 机 交 联 剂 聚 烯亚胺(PEI)与丙烯酰胺、丙烯酸叔丁酯的共聚物(PAtBA)的凝胶体系,该体系可耐 156 ℃的高温。PEI 交联剂低毒,是一种食品可接触性物质。
     交联机理
    大多数含酰胺基团的聚合物均可与 PEI 发生交联反应,其机理为转氨基作用产生的亲核取代反应。这与传统的铬离子交联剂与羧基形成离子键的交联方式以及酚醛的缩合反应产生共价键的交联方式是截然不同的。HPAM 与 PEI 的交联机理为 PEI亚胺基中的氮原子通过转氨基作用撞击酰胺基团上的碳原子而产生(图 1)。图 1 转氨基作用产生的亲核取代反应在 PAtBA 与 PEI 的 交 联 机 理 研 究 方 面,起 初 的 研 究 认 为:PAtBA 共 聚 物 上 的 酯基(R—COO—R)提供了大量的潜在交联点,这些基团通过 pH 值和温度的变化会水解或热分解,在较低的 pH 值和温度下,PAtBA 可水解生成 HPAM和叔丁醇;而 PAtBA 在高温和高 pH 值下通过热分解会生成 HPAM 和气体异丁烷,酯基分解破坏后便形成了许多羧基。HardyM等指出低于100 ℃,反应小于 20 h 的交联机理为 PEI 中亚胺基中的氮(亲核体)与酯基链上的羧基碳发生的亲核取代而形成共价键(图 2;之后 Reddy B R 等人发现高于100 ℃有不同的成胶机理,此时为 PEI 亚胺基中的氮撞击酰胺基团上的羧基碳;Al-Muntasheri G A 等研究表明该热稳定凝胶体系在 150 ℃ 时成胶机理与 Hardy 等报道的结果也不一致。Al-Muntasheri G A 等通过13C NMR 核磁共振成像技术进一步研究了 PAtBA 与 PEI 的交联机理,研究表明:其成胶机理为图 1 所示的转氨基作用,而不是图 2 酯基结构中的羧基碳与 PEI 中的氮撞击发生的亲核反应。PAtBA 中的酯基为“虚拟”交联点,这些基团在 pH 值和温度变化时会水解或受热分解。对于另一个机理许多学者解释为:PEI 中的氮与 PAtBA 的分解产物丙烯酰胺上的羧基碳形成共价键而发生交联。事实上,两种交联机理本质都是亲核取代,离去基团靠 PEI亚胺基中的氮(亲核体)而取代。离去基团可以是
叔丁酯基(第一交联机理)或者酰胺基团(第二交联机理)。贾虎等系统研究了 PEI/HPAM 凝胶体系的成胶机理和封堵裂缝的效果,认为 PEI/HPAM 在40 ℃下的成胶时间可控制在 15 h∼9 d,远高于普遍使用的醋酸铬交联凝胶体系,另外他们的研究表明凝胶封堵强度主要依赖于聚合物浓度,而与交联剂类型相关性不大。