水解聚丙烯酰胺加固碳酸盐岩：温度、压力、盐度及纳米颗粒交联的影响

针对碳酸盐岩储层固结差、易变形问题，研究人员开展 HPAM 加固 CaCO3研究。发现 HPAM 通过吸附和桥接作用提升固结强度，盐度和温度会削弱效果，而 SiONP 交联可增强稳定性。为储层加固提供新策略。

　　

在油气资源开发与地质工程领域，碳酸盐岩储层因地质年龄较轻、成岩作用不足，普遍存在颗粒固结不良的问题，易引发岩石颗粒不可逆变形为细粒，导致储层渗透率下降、流体流动受阻，甚至引发井壁稳定性等安全隐患。传统化学加固方法中，聚丙烯酰胺（PAM）因其成本较低被广泛关注，但其在高盐、高温的储层环境中易发生分子链卷曲、水解降解，导致加固效果显著下降，限制了实际应用。因此，如何提升 PAM 类聚合物在复杂储层条件下的稳定性与加固效能，成为亟待解决的关键科学问题。

为攻克这一难题，来自国外研究机构的研究人员开展了系列实验，探究水解聚丙烯酰胺（HPAM）对碳酸钙（CaCO₃）的固结性能，相关成果发表在《JCIS Open》。研究通过多维度实验，系统分析了 HPAM 在不同环境条件下的作用机制，并创新性引入二氧化硅纳米颗粒（SiONP）交联技术，旨在解决 HPAM 在储层条件下的稳定性瓶颈。

研究采用的关键技术方法包括：

• 紫外 - 可见吸收光谱（UV–Vis）：测定 HPAM 在 CaCO₃表面的吸附量，分析吸附平衡特性。
• 原子力显微镜（AFM）：通过力 mapping 技术表征 HPAM 与方解石晶体表面的相互作用能及吸附层厚度。
• 振荡流变学：测量储能模量（G′）和损耗模量（G″），评估固结体系的黏弹性和机械强度。
• 无侧限压缩应力（UCS）测试：量化固结 CaCO₃样品的力学强度。

3.1 室温条件下 HPAM 对 CaCO₃的固结作用

通过 UV–Vis 和 AFM 分析发现，HPAM 通过羧基（COO^?）与方解石表面的静电作用吸附，形成厚度约 15–35 nm 的吸附层。振荡流变结果显示，当 HPAM 浓度为 3 mgpol/gCaCO₃时，储能模量（G′）达到峰值，表明此时颗粒间桥接作用最佳，形成稳定的弹性网络结构。

3.2 储层条件（盐度、温度）对 HPAM 性能的影响

盐度实验表明，高盐环境中阳离子屏蔽 HPAM 电荷，导致分子链卷曲，需更高浓度 HPAM 才能维持最佳固结效果。温度实验显示，95℃加热使 HPAM 分子链热断裂，机械强度峰值显著降低。进一步研究发现，盐与热的作用顺序影响结果：先盐后热时，HPAM 因预卷曲减少热损伤，而先热后盐则导致更严重的性能衰退。

3.3 SiONP 交联对 HPAM 性能的提升

引入 SiONP 与 HPAM 通过氢键交联形成三维凝胶网络，经 95℃加热 3 天及高盐处理后，交联体系黏度显著高于未交联 HPAM，且储能模量（G′）提升至 0.9 MPa。SiONP 浓度超过 1.5–2 wt% 时，体系形成稳定网络，避免了传统铬交联体系常见的脱水收缩（syneresis）现象，展现出更强的抗盐、抗热稳定性。

结论与意义

本研究揭示了 HPAM 在 CaCO₃固结中的吸附 - 桥接机制，阐明了盐度和温度对其性能的影响规律，并通过 SiONP 交联技术显著提升了 HPAM 在恶劣储层条件下的稳定性。研究成果为碳酸盐岩储层加固提供了新型化学解决方案，有望减少开采过程中的细粒迁移问题，对油气开发、二氧化碳封存等领域具有重要应用价值。未来需进一步探索交联体系对储层渗透率的影响及经济可行性，推动该技术从实验室向现场应用转化。