凝膠調堵劑性能評價方法進展

康傳宏,郭繼香，孫新，費東濤

(中國石油大學(北京) 非常規油氣科學技術研究院，北京 102249)

隨著石油開采的進行，我國已開發油田大多數已處于高含水和高采出程度的“雙高”階段，在此階段中，大量的注入水進入地層中反復沖刷，在地層高滲、中滲條帶中極易形成水流的優勢通道，注入水選擇性的流經優勢通道，會出現油田含水率急劇上升以及見水早等問題，嚴重時造成水竄現象，從而造成水驅效率低，注入水低效甚至無效循環，這將大大降低注水開發的原油采收率，極大的影響經濟效益。針對這些問題，目前在注水井中注入調剖堵劑是國內外油田封堵高滲透層的主要方法，其中凝膠類堵劑因種類繁多，抗剪切性能優異，強度高，封堵效果顯著，成為調剖堵劑的重要一類，但由于凝膠調剖劑沒有系統的理論評價方法，本文通過查閱文獻資料并結合現場實際應用，對凝膠調剖劑評價方法進行了系統的闡述并寫出了其適用條件。

1 成膠時間

成膠時間是一個評價凝膠性能的重要指標。特別是凝膠作為深部調剖劑使用時，成膠時間更是關鍵因素,它會直接影響現場深部調剖的效果[1-2]。目前對凝膠成膠時間的評價較多，歸結起來主要有目測法、黏度曲線法、壓力曲線法。

1.1 目測法

目測法又可以分為角度目測法和強度目測法，角度目測法即將裝有凝膠的比色管傾斜45°，記下液面出現不平整的時間，即可初步判斷初凝時間[3]；強度目測法是根據凝膠強度標準代碼表，通過等級對應強度描述確定凝膠強度級別，選取一定的強度等級為成膠時間臨界對應等級，冀欣宇等[4]認為當凝膠強度為D級的時間為成膠時間，凝膠強度代碼見表1。

表1 凝膠強度代碼Table 1 Gel strength code

目測法常常作為室內成膠時間的簡單評價，應用較為廣泛，但此方法僅可初步粗略的評價凝膠成膠時間。

1.2 黏度曲線法

黏度曲線法：通過測定不同時間下凝膠體系黏度，繪制黏度-時間曲線，作兩線切線交點確定成膠時間，對于不同成膠時間可使用不同類型的粘度計測量黏度變化。成膠較短的黏度測量可使用布氏粘度計，可將黏度信號采集輸出到電腦，作出凝膠黏度與時間的關系曲線來確定成膠時間。對于成膠時間較長的聚合物體系，可以用馬氏漏斗粘度計測量體系的黏度，將聚合物體系裝入漏斗中，通過測量體系在漏斗中流出所需時間，將凝膠在反應條件下的靜置時間對流出時間作圖以確定其凝膠時間[5]。

此方法在現場施工應用時，是衡量凝膠成膠時間的常用并且較為準確的方法，廣泛應用于現場實時監測。

1.3 壓力曲線法

馬寶岐等[6]根據聚合物體系成膠機理，提出了壓力曲線法，將適量聚合物體系裝入反應釜中，在相應成膠溫度條件下，聚合物體系部分液體受熱汽化，反應釜內壓力不斷升高，同時體系發生交聯反應，聚合物體系完全交聯后，反應釜內壓力開始下降，下降時間即為成膠時間。整個過程由計算機全程監控，并實時記錄反應時間和壓力，得到壓力-時間曲線。

此方法精確描述了凝膠的成膠時間，在現場施工中，壓力是最常見的數據收集指標，因此對于現場施工而言，此方法應用更為方便廣泛且準確度較高，但是這種方法評價的凝膠成膠時間往往比真實初始成膠時間更長，因為當壓力下降的時間作為成膠時間，聚合物體系已經完全交聯，并不能得到聚合物體系的初始交聯時間。

2 成膠強度

通過評價凝膠的強度，可以推斷聚合物凝膠體系是否完全成膠或部分交聯，凝膠成膠的強度直接影響后續在地層中的封堵效果，強度較弱的凝膠并不適合封堵地層水流高滲通道，適用于驅油，因此凝膠強度判斷決定了其主要用途，目前凝膠強度評價方法有目測代碼法、黏度法和粘彈性法。

(1)目測代碼法：Sydansk等[7]通過實驗總結出直接目測評價凝膠強度的代碼法，待凝膠成膠后，將安瓿瓶倒置，根據凝膠體系的不同形態將凝膠強度分為10個等級，見表1。但10個等級之間分隔并不明顯，為了較為快速直觀的判斷凝膠強度，所以有人將凝膠強度分為5個等級的，并用5個字母標號 (A～E) 定性地表示:A表示與聚合物黏度無差別；B表示黏度明顯大于聚合物溶液；C表示將安瓿瓶倒置時凝膠不能流到瓶口；D表示將安瓿瓶倒置時凝膠只有表面發生形變，具有一定的剛性；E表示將安瓿瓶倒放時凝膠表面不發生形變，整體緊貼瓶底，搖晃安瓿瓶凝膠不發生變化[8]。在用目測代碼法評價凝膠強度時，應保證將相同體積的凝膠基液裝入完全相同的安瓿瓶中，因為凝膠基液體積和容器大小會對凝膠在瓶中狀態有所影響[9]。

(2)黏度法：恒定速率定溫條件下，凝膠黏度可用布氏粘度計進行測量，當布氏粘度計示數穩定時即為所測凝膠黏度值，這種方法在油田現場適用廣泛，常用此方法表征凝膠強弱。

(3)粘彈性法：聚合物體系普遍具有受外來應力發生應變行為，受外來應力發生應變行為往往滯后于施加的應變變化，應力和應變的比值即動態模量，動態模量又可以分為兩部分:損耗模量G″和儲能模量G′。損耗模量代表樣品發生形變所需能力或變形消耗的能量，它可以用來表征樣品的粘性大小。儲能模量代表樣品變形時儲備的能量，一旦撤去施加的外來應力，這部分能量就會被釋放出來，可以表征樣品的彈性大小[10]。測定凝膠的粘彈性通常分為定頻率和定應力兩種，定頻率變應力掃描[11]一般用來確定凝膠的線性粘彈區間；定應力變頻率掃描通常用來測量凝膠的粘彈性模量[12]。因此可以根據彈性模量的大小表征凝膠的強度，唐孝芬等[13]在掃描頻率為0.05 Hz條件下根據彈性模量大小將凝膠強度分為5類：G′<0.1 Pa時認為體系不成膠；0.1 Pa10 Pa時為強凝膠。

3 長期熱穩定性

凝膠的長期熱穩定性能測試目前主要有三種方法：目測法、脫水率計算、黏度法和熱重分析。

(1)目測法：在高溫條件下，由于凝膠結構被破壞，凝膠易發生降解和脫水現象，通過目測觀察凝膠強度可以直觀反映其在高溫條件下的耐溫性能，冀欣宇等[4]認為當凝膠強度低于D級指標即為破膠，表明其不能適應當前溫度，強度代碼見表1。

(2)脫水率計算：聚合物交聯成膠體系中,凝膠不穩定的主要原因聚合物降解發生脫水。

脫水率計算的方法為：將配制好的凝膠基液置于安瓿瓶中，然后放入高溫烘箱中，待體系成膠后，記錄凝膠的初始質量m1，間隔一定時間觀察脫水情況并記錄凝膠脫水后質量m2，根據下式計算脫水率T[4]：

(1)

(3)黏度法：當凝膠在高溫條件下并不脫水，但其強度發生明顯的減弱[9]。在這種情況下，可以間隔一定時間測定凝膠黏度，繪制黏度與時間的關系曲線。

(4)熱重分析：首先需要將少量凝膠進行干燥，取干燥后的凝膠放于樣品盤內，將樣品盤放于爐內，設置升溫范圍和升溫速率，繪制樣品質量隨溫度變化曲線，從而觀察凝膠脫水和熱分解的過程[14]。

4 抗剪切性

評價凝膠的抗剪切性評價通常分為定剪切速率和定剪切時間兩種。

王杠杠等[15]在定剪切速率170 s-1的條件下，將凝膠基液分別剪切10,20,30,40,50,60 min，放置于高溫烘箱中，觀察在不同剪切時間下凝膠的成膠情況。王桂珠等[16]在定剪切時間1 h下，以不同轉速對凝膠基液進行剪切，測定了凝膠基液黏度保留率。黏度保留率(L)計算公式如下：

(2)

5 凝膠耐鹽性評價

凝膠的耐鹽性評價通常可分為內置法和外置法，用于油田現場的凝膠常常將兩種方法結合起來進行耐鹽性評價。

內置法：在聚合物配制基液及在配制凝膠基液過程中所用水均為模擬地層水，聚合物體系配制完成后，將凝膠基液裝入安瓿瓶中，放入高溫烘箱等待成膠，將安瓿瓶倒置，觀測凝膠體系的狀態及脫水情況，評價體系抗鹽性。外置法：整個凝膠基液配制過程中所用水均為蒸餾水，將凝膠基液裝入反應釜中，然后放入高溫烘箱，待其成膠后，取出少量成膠后的凝膠，放入裝有不同礦化度模擬地層水的燒杯中，放置一段時間，觀察凝膠是否破膠或有其他狀態變化。

6 凝膠抗酸堿性評價

凝膠的抗酸堿性評價通常可分為內置法和外置法，油田中的地層水往往不是中性，需結合兩種方法進行凝膠抗酸堿性評價。

內置法：用不同pH值(pH值從2～11)的水溶液配制聚合物基液，同時配制凝膠基液過程中所用水均為相應pH值的水溶液，將凝膠基液放入高溫烘箱中，觀察凝膠在不同pH值條件下是否成膠及脫水情況，評價其抗酸堿性。外置法：整個凝膠基液配制過程中所用水均為蒸餾水，將凝膠基液裝入反應釜中，然后放入高溫烘箱，待其成膠后，取出少量成膠后的凝膠，放入裝有不同pH值水溶液的燒杯中，放置一段時間，觀察凝膠是否破膠或有其它狀態變化。

7 封堵效果評價

在凝膠注入地層成膠后，封堵率是衡量凝膠封堵效果的直接體現，能夠封堵水流高滲通道，擴大水驅波及體積、改善水驅效果是凝膠的主要作用。通常將水相殘余阻力系數、封堵率作為凝膠調剖堵水劑的封堵評價指標。在凝膠進行封堵效果評價時，主要有巖心驅替法和填砂管法。巖心驅替即用人造巖心進行實驗，填砂管法即在填砂管中裝入石英砂，以下封堵效果評價均以填砂管法為例進行闡述。

王杠杠等[15]首先通過水驅壓力計算填砂管封堵前滲透率，然后注入2 PV的凝膠(確保凝膠完全占據填砂管的孔隙)，將填砂管密封放入高溫烘箱中，待凝膠完全成膠后，后續水驅10 PV，待壓力穩定后計算封堵后滲透率，利用公式(3)計算殘余阻力系數,利用公式(4)計算封堵率。

(3)

(4)

式中,F為殘余阻力系數；E為封堵率；Kw0為封堵前水測滲透率；Kw1為封堵后水測滲透率。

8 注入動態評價

在凝膠注入地層成膠后，封堵率評價了凝膠的封堵性能，而突破壓力、反向耐沖刷性則可以表征在后續水驅中凝膠在地層中可以承受的最大水驅壓力及在注入水的沖刷狀態下凝膠的駐留能力。

8.1 突破壓力

柳博瑩等[17]在巖心夾持器中裝入人工巖心，加上環壓(環壓的壓力應一直大于注入壓力)，隨著水驅過程的進行，驅替壓力逐漸增大，當巖心流出第一滴液體時，記錄此時的壓力即為突破壓力。突破壓力梯度為在單位長度下的突破壓力。為了能夠模擬地層中真實凝膠被突破的情況，故提出將凝膠注入裝有石英砂的鐵套管中，待凝膠完全成膠后，水驅進行突破，當注入壓力升到最大值時即為突破壓力。

8.2 反向耐沖刷性

當水驅注入壓力大于凝膠的突破壓力時，凝膠將被注入水突破，保持前期測定滲透率的注入速度，繼續水驅，任強[18]通過記錄注入模擬地層水PV數及注入壓力，計算相應的封堵后滲透率，從而得到對應的封堵率并繪制封堵率隨注入模擬地層水PV數的關系曲線，即為凝膠的反向耐沖刷曲線。

9 凝膠微觀結構的表征方法

9.1 紅外光譜儀表征

聚合物凝膠會選擇性的吸收部分紅外線，從而引起分子不同能級之間的躍遷，通過吸收峰的變化分析官能團變化，可用來分析聚合物凝膠是否成功交聯[19]。在使用紅外光譜分析時，最好先對聚合物凝膠進行冷凍干燥，從而避免水分子影響紅外光譜的分析，出現雜峰。

9.2 掃描電鏡表征

環境掃描電鏡能夠直接觀察凝膠的表面微觀結構。取少量成膠樣品放于樣品盤中，然后向樣品盤中澆入液氮，然后進行真空干燥。將冷凍干燥后的凝膠樣品切割成較為平整的薄片狀，然后用導電膠粘貼于測試銅板的表面，在樣品表面噴射金粉后進行觀察分析。

掃描電鏡能夠直觀觀測聚合物凝膠外貌特征，是一種較為常用的微尺度評價手段，通過掃描電鏡觀測，可以直觀看到聚合物凝膠的交聯結構，并且此方法具備放大倍數高、視野范圍廣、圖像直觀、形貌清晰等特點[19]。

9.3 核磁共振表征

采用核磁共振儀，測定5 mm玻璃比色槽中的待測樣品，通過核磁共振碳譜圖，分析碳譜圖上的碳信號，確定其歸屬，信號是否與預測結構一致從而判斷聚合物凝膠是否成功交聯。

10 結束語

通過評價以上凝膠的各項性能指標，可以較為全面的評估凝膠調剖劑的整體性能，為前期凝膠的研制以及后期的性能評價提供理論指導，但目前的凝膠性能評價往往脫離油田現場實際應用，未來的凝膠性能評價應該要緊密結合施工現場，提出更多適用于現場的評價方法。能夠在現場方便、快捷、易于操作的評價是將來凝膠評價的探討方向。