环空气窜是指油气井完井后,地下油气沿胶结较差的固井界面和固井水泥石微裂缝通道所发生的窜流现象。它的存在严重破坏井筒完整性,影响固井质量和后期油气开发效率,是建井过程急需解决的重要技术问题。同时,地下油气伴生的有毒气体（CO₂、H₂S、CO等）通过气窜通道发生窜流,对完井及钻采施工安全具有巨大威胁,严重时可能发生极为恶劣的安全事故。利用凝胶材料对地下油或水的响应特性实现对窜流通道的封堵是油田工程中较为普遍的技术方法,但是现有凝胶体系依然存在明显的技术缺陷:（1）材料对天然气缺少良好的响应特性,无法实现对裂缝进行指向性的自修复;（2）地下存在的小分子盐类对材料机械性能和响应特性具有严重损害,影响封堵效果;（3）材料对于地下伴生的毒害性气体缺少特异响应性,毒害性气体窜流易于导致高危事故发生。因此,本文设计和制备对CO₂具有良好敏感性的高强度智能凝胶材料作为窜流微通道的封堵材料,利用CO₂的智能响应特性,将单一离子型凝胶转变为两性聚电解质凝胶。在利用两性聚电解质凝胶抗盐耐盐特性的同时,实现在CO₂触发下对固井微裂缝进行修复。研究内容如下:1.研究采用丙烯酰胺（AM）,丙烯酸（AA）和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）作为单体,以N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（NMBA）为交联剂通过溶液聚合制备化学交联的水凝胶（PMAD）。通过Cu²⁺与水凝胶网络中的羧基络合交联,显著改善水凝胶（Cu-PMAD）的机械强度。凝胶拉伸强度可达0.65 MPa,断裂应变可达420%。2.Cu-PMAD凝胶在CO₂存在或酸性条件下,凝胶结构中DMAEMA单元的叔胺基被质子化形成带正电荷的季胺盐,凝胶相应的从阴离子型凝胶转变为两性聚电解质凝胶。两性聚电解质的反聚电解质作用赋予凝胶良好的耐盐特性。凝胶在饱和CO₂存在的高浓度Na Cl溶液内表现出明显的溶胀特性,同时凝胶拉伸强度仍然可达0.3MPa,断裂应变可达360%。3.将Cu-PM₆A₂D₂凝胶粉末和固井水泥混合制备CO₂触发的自修复水泥浆。凝胶材料的加入略微降低水泥石的刚性,但是提升了水泥石的韧性。水泥浆的稠化及滤失性能均可以满足现场应用要求。CO₂诱导的水泥石微裂缝封堵修复实验表明:含有凝胶材料的水泥石在CO₂触发下可以实现对微裂缝的良好修复,修复后水泥石最大防窜压力可达1.94 MPa;而利用N₂触发的自愈合水泥浆则不具有修复能力,其最大防窜压力仅为0.32 MPa。CO₂触发的自修复性能主要原因是在CO₂诱发下形成的两性聚电解质结构赋予Cu-PMAD水凝胶的耐盐性能和自身良好的机械性能。