凝膠調(diào)堵劑性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)展

康傳宏,郭繼香，孫新，費(fèi)東濤

(中國石油大學(xué)(北京) 非常規(guī)油氣科學(xué)技術(shù)研究院，北京 102249)

隨著石油開采的進(jìn)行，我國已開發(fā)油田大多數(shù)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(jìn)入地層中反復(fù)沖刷，在地層高滲、中滲條帶中極易形成水流的優(yōu)勢(shì)通道，注入水選擇性的流經(jīng)優(yōu)勢(shì)通道，會(huì)出現(xiàn)油田含水率急劇上升以及見水早等問題，嚴(yán)重時(shí)造成水竄現(xiàn)象，從而造成水驅(qū)效率低，注入水低效甚至無效循環(huán)，這將大大降低注水開發(fā)的原油采收率，極大的影響經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)這些問題，目前在注水井中注入調(diào)剖堵劑是國內(nèi)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(yōu)異，強(qiáng)度高，封堵效果顯著，成為調(diào)剖堵劑的重要一類，但由于凝膠調(diào)剖劑沒有系統(tǒng)的理論評(píng)價(jià)方法，本文通過查閱文獻(xiàn)資料并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，對(duì)凝膠調(diào)剖劑評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述并寫出了其適用條件。

1 成膠時(shí)間

成膠時(shí)間是一個(gè)評(píng)價(jià)凝膠性能的重要指標(biāo)。特別是凝膠作為深部調(diào)剖劑使用時(shí)，成膠時(shí)間更是關(guān)鍵因素,它會(huì)直接影響現(xiàn)場深部調(diào)剖的效果[1-2]。目前對(duì)凝膠成膠時(shí)間的評(píng)價(jià)較多，歸結(jié)起來主要有目測(cè)法、黏度曲線法、壓力曲線法。

1.1 目測(cè)法

目測(cè)法又可以分為角度目測(cè)法和強(qiáng)度目測(cè)法，角度目測(cè)法即將裝有凝膠的比色管傾斜45°，記下液面出現(xiàn)不平整的時(shí)間，即可初步判斷初凝時(shí)間[3]；強(qiáng)度目測(cè)法是根據(jù)凝膠強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)代碼表，通過等級(jí)對(duì)應(yīng)強(qiáng)度描述確定凝膠強(qiáng)度級(jí)別，選取一定的強(qiáng)度等級(jí)為成膠時(shí)間臨界對(duì)應(yīng)等級(jí)，冀欣宇等[4]認(rèn)為當(dāng)凝膠強(qiáng)度為D級(jí)的時(shí)間為成膠時(shí)間，凝膠強(qiáng)度代碼見表1。

表1 凝膠強(qiáng)度代碼Table 1 Gel strength code

目測(cè)法常常作為室內(nèi)成膠時(shí)間的簡單評(píng)價(jià)，應(yīng)用較為廣泛，但此方法僅可初步粗略的評(píng)價(jià)凝膠成膠時(shí)間。

1.2 黏度曲線法

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

此方法在現(xiàn)場施工應(yīng)用時(shí)，是衡量凝膠成膠時(shí)間的常用并且較為準(zhǔn)確的方法，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.3 壓力曲線法

馬寶岐等[6]根據(jù)聚合物體系成膠機(jī)理，提出了壓力曲線法，將適量聚合物體系裝入反應(yīng)釜中，在相應(yīng)成膠溫度條件下，聚合物體系部分液體受熱汽化，反應(yīng)釜內(nèi)壓力不斷升高，同時(shí)體系發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，聚合物體系完全交聯(lián)后，反應(yīng)釜內(nèi)壓力開始下降，下降時(shí)間即為成膠時(shí)間。整個(gè)過程由計(jì)算機(jī)全程監(jiān)控，并實(shí)時(shí)記錄反應(yīng)時(shí)間和壓力，得到壓力-時(shí)間曲線。

此方法精確描述了凝膠的成膠時(shí)間，在現(xiàn)場施工中，壓力是最常見的數(shù)據(jù)收集指標(biāo)，因此對(duì)于現(xiàn)場施工而言，此方法應(yīng)用更為方便廣泛且準(zhǔn)確度較高，但是這種方法評(píng)價(jià)的凝膠成膠時(shí)間往往比真實(shí)初始成膠時(shí)間更長，因?yàn)楫?dāng)壓力下降的時(shí)間作為成膠時(shí)間，聚合物體系已經(jīng)完全交聯(lián)，并不能得到聚合物體系的初始交聯(lián)時(shí)間。

2 成膠強(qiáng)度

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

(1)目測(cè)代碼法：Sydansk等[7]通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出直接目測(cè)評(píng)價(jià)凝膠強(qiáng)度的代碼法，待凝膠成膠后，將安瓿瓶倒置，根據(jù)凝膠體系的不同形態(tài)將凝膠強(qiáng)度分為10個(gè)等級(jí)，見表1。但10個(gè)等級(jí)之間分隔并不明顯，為了較為快速直觀的判斷凝膠強(qiáng)度，所以有人將凝膠強(qiáng)度分為5個(gè)等級(jí)的，并用5個(gè)字母標(biāo)號(hào) (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(shí)凝膠不能流到瓶口；D表示將安瓿瓶倒置時(shí)凝膠只有表面發(fā)生形變，具有一定的剛性；E表示將安瓿瓶倒放時(shí)凝膠表面不發(fā)生形變，整體緊貼瓶底，搖晃安瓿瓶凝膠不發(fā)生變化[8]。在用目測(cè)代碼法評(píng)價(jià)凝膠強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)保證將相同體積的凝膠基液裝入完全相同的安瓿瓶中，因?yàn)槟z基液體積和容器大小會(huì)對(duì)凝膠在瓶中狀態(tài)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(jì)進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)布氏粘度計(jì)示數(shù)穩(wěn)定時(shí)即為所測(cè)凝膠黏度值，這種方法在油田現(xiàn)場適用廣泛，常用此方法表征凝膠強(qiáng)弱。

(3)粘彈性法：聚合物體系普遍具有受外來應(yīng)力發(fā)生應(yīng)變行為，受外來應(yīng)力發(fā)生應(yīng)變行為往往滯后于施加的應(yīng)變變化，應(yīng)力和應(yīng)變的比值即動(dòng)態(tài)模量，動(dòng)態(tài)模量又可以分為兩部分:損耗模量G″和儲(chǔ)能模量G′。損耗模量代表樣品發(fā)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(chǔ)能模量代表樣品變形時(shí)儲(chǔ)備的能量，一旦撤去施加的外來應(yīng)力，這部分能量就會(huì)被釋放出來，可以表征樣品的彈性大小[10]。測(cè)定凝膠的粘彈性通常分為定頻率和定應(yīng)力兩種，定頻率變應(yīng)力掃描[11]一般用來確定凝膠的線性粘彈區(qū)間；定應(yīng)力變頻率掃描通常用來測(cè)量凝膠的粘彈性模量[12]。因此可以根據(jù)彈性模量的大小表征凝膠的強(qiáng)度，唐孝芬等[13]在掃描頻率為0.05 Hz條件下根據(jù)彈性模量大小將凝膠強(qiáng)度分為5類：G′<0.1 Pa時(shí)認(rèn)為體系不成膠；0.1 Pa10 Pa時(shí)為強(qiáng)凝膠。

3 長期熱穩(wěn)定性

凝膠的長期熱穩(wěn)定性能測(cè)試目前主要有三種方法：目測(cè)法、脫水率計(jì)算、黏度法和熱重分析。

(1)目測(cè)法：在高溫條件下，由于凝膠結(jié)構(gòu)被破壞，凝膠易發(fā)生降解和脫水現(xiàn)象，通過目測(cè)觀察凝膠強(qiáng)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(rèn)為當(dāng)凝膠強(qiáng)度低于D級(jí)指標(biāo)即為破膠，表明其不能適應(yīng)當(dāng)前溫度，強(qiáng)度代碼見表1。

(2)脫水率計(jì)算：聚合物交聯(lián)成膠體系中,凝膠不穩(wěn)定的主要原因聚合物降解發(fā)生脫水。

脫水率計(jì)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(zhì)量m1，間隔一定時(shí)間觀察脫水情況并記錄凝膠脫水后質(zhì)量m2，根據(jù)下式計(jì)算脫水率T[4]：

(1)

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

(4)熱重分析：首先需要將少量凝膠進(jìn)行干燥，取干燥后的凝膠放于樣品盤內(nèi)，將樣品盤放于爐內(nèi)，設(shè)置升溫范圍和升溫速率，繪制樣品質(zhì)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(píng)價(jià)凝膠的抗剪切性評(píng)價(jià)通常分為定剪切速率和定剪切時(shí)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(shí)間下凝膠的成膠情況。王桂珠等[16]在定剪切時(shí)間1 h下，以不同轉(zhuǎn)速對(duì)凝膠基液進(jìn)行剪切，測(cè)定了凝膠基液黏度保留率。黏度保留率(L)計(jì)算公式如下：

(2)

5 凝膠耐鹽性評(píng)價(jià)

凝膠的耐鹽性評(píng)價(jià)通?？煞譃閮?nèi)置法和外置法，用于油田現(xiàn)場的凝膠常常將兩種方法結(jié)合起來進(jìn)行耐鹽性評(píng)價(jià)。

內(nèi)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(cè)凝膠體系的狀態(tài)及脫水情況，評(píng)價(jià)體系抗鹽性。外置法：整個(gè)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(yīng)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(shí)間，觀察凝膠是否破膠或有其他狀態(tài)變化。

6 凝膠抗酸堿性評(píng)價(jià)

凝膠的抗酸堿性評(píng)價(jià)通?？煞譃閮?nèi)置法和外置法，油田中的地層水往往不是中性，需結(jié)合兩種方法進(jìn)行凝膠抗酸堿性評(píng)價(jià)。

內(nèi)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(shí)配制凝膠基液過程中所用水均為相應(yīng)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(píng)價(jià)其抗酸堿性。外置法：整個(gè)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(yīng)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(shí)間，觀察凝膠是否破膠或有其它狀態(tài)變化。

7 封堵效果評(píng)價(jià)

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(xiàn)，能夠封堵水流高滲通道，擴(kuò)大水驅(qū)波及體積、改善水驅(qū)效果是凝膠的主要作用。通常將水相殘余阻力系數(shù)、封堵率作為凝膠調(diào)剖堵水劑的封堵評(píng)價(jià)指標(biāo)。在凝膠進(jìn)行封堵效果評(píng)價(jià)時(shí)，主要有巖心驅(qū)替法和填砂管法。巖心驅(qū)替即用人造巖心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，填砂管法即在填砂管中裝入石英砂，以下封堵效果評(píng)價(jià)均以填砂管法為例進(jìn)行闡述。

王杠杠等[15]首先通過水驅(qū)壓力計(jì)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(jù)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(xù)水驅(qū)10 PV，待壓力穩(wěn)定后計(jì)算封堵后滲透率，利用公式(3)計(jì)算殘余阻力系數(shù),利用公式(4)計(jì)算封堵率。

(3)

(4)

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

8 注入動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

在凝膠注入地層成膠后，封堵率評(píng)價(jià)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(xù)水驅(qū)中凝膠在地層中可以承受的最大水驅(qū)壓力及在注入水的沖刷狀態(tài)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(huán)壓(環(huán)壓的壓力應(yīng)一直大于注入壓力)，隨著水驅(qū)過程的進(jìn)行，驅(qū)替壓力逐漸增大，當(dāng)巖心流出第一滴液體時(shí)，記錄此時(shí)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(shí)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(qū)進(jìn)行突破，當(dāng)注入壓力升到最大值時(shí)即為突破壓力。

8.2 反向耐沖刷性

當(dāng)水驅(qū)注入壓力大于凝膠的突破壓力時(shí)，凝膠將被注入水突破，保持前期測(cè)定滲透率的注入速度，繼續(xù)水驅(qū)，任強(qiáng)[18]通過記錄注入模擬地層水PV數(shù)及注入壓力，計(jì)算相應(yīng)的封堵后滲透率，從而得到對(duì)應(yīng)的封堵率并繪制封堵率隨注入模擬地層水PV數(shù)的關(guān)系曲線，即為凝膠的反向耐沖刷曲線。

9 凝膠微觀結(jié)構(gòu)的表征方法

9.1 紅外光譜儀表征

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

9.2 掃描電鏡表征

環(huán)境掃描電鏡能夠直接觀察凝膠的表面微觀結(jié)構(gòu)。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(jìn)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(dǎo)電膠粘貼于測(cè)試銅板的表面，在樣品表面噴射金粉后進(jìn)行觀察分析。

掃描電鏡能夠直觀觀測(cè)聚合物凝膠外貌特征，是一種較為常用的微尺度評(píng)價(jià)手段，通過掃描電鏡觀測(cè)，可以直觀看到聚合物凝膠的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，并且此方法具備放大倍數(shù)高、視野范圍廣、圖像直觀、形貌清晰等特點(diǎn)[19]。

9.3 核磁共振表征

采用核磁共振儀，測(cè)定5 mm玻璃比色槽中的待測(cè)樣品，通過核磁共振碳譜圖，分析碳譜圖上的碳信號(hào)，確定其歸屬，信號(hào)是否與預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)一致從而判斷聚合物凝膠是否成功交聯(lián)。

10 結(jié)束語

通過評(píng)價(jià)以上凝膠的各項(xiàng)性能指標(biāo)，可以較為全面的評(píng)估凝膠調(diào)剖劑的整體性能，為前期凝膠的研制以及后期的性能評(píng)價(jià)提供理論指導(dǎo)，但目前的凝膠性能評(píng)價(jià)往往脫離油田現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，未來的凝膠性能評(píng)價(jià)應(yīng)該要緊密結(jié)合施工現(xiàn)場，提出更多適用于現(xiàn)場的評(píng)價(jià)方法。能夠在現(xiàn)場方便、快捷、易于操作的評(píng)價(jià)是將來凝膠評(píng)價(jià)的探討方向。