毛细管自吸水作用引起凝胶脱水现象研究

王 健，吴丰豆，张 庆

(西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610500)

由于地层非均质性及油水流度差异等原因的客观存在，地层中会形成水流优势通道，导致大多数油田在开采过程中都出现着油井产水，有些油井产水率甚至高达90%以上［1］。调剖堵水技术是油田降低油井产水，实现稳油控水、提高原油采收率的有效手段［2］，聚合物凝胶在调堵作业中应用较为广泛，但凝胶存在脱水现象，即凝胶体积收缩，影响封堵施工作业效果［3］。

凝胶在地层孔隙介质中长期存在，引起其脱水的因素多种多样。目前，有关凝胶脱水原因的文献报道集中在pH值、交联剂浓度、聚合物浓度、温度、矿化度、压力梯度等因素上［4－5］。

众所周知，毛细管现象在生活当中普遍存在。凝胶与岩石基质孔道接触后，微小的孔吼通道类似于毛细管玻璃，在毛管力的作用下无需施加压力梯度就会引起凝胶发生脱水现象，类似于毛细管自吸水现象［6］。在测试凝胶性能及预测施工效率的时候，应充分考虑岩石基质通过自吸水作用对凝胶脱水的影响，而已有的文献对这方面的研究甚少，笔者现从孔隙结构的角度入手，研究其对凝胶脱水的影响作用。

1 试验条件及试验方法

1.1 试验药品和仪器

部分水解聚丙烯酰胺HPAM，相对分子质量量为25×106，水解度25%;交联剂C，自制;促凝剂CN，自制;除氧剂LN，自制;氯化钠NaCl，分析纯，成都市科龙化工试剂厂;毛细管玻璃(内径分别为:0.1，0.2，0.3，0.5，0.9 mm，长度均为 100 mm)，华西医科大学仪器厂;电子天平，上海精科天美贸易有限公司;岩心，自制。

1.2 试验方法

1.2.1 凝胶配制

HPAM质量浓度为1 000 mg/L，交联剂C、促凝剂CN、除氧剂LN质量浓度均为100 mg/L，氯化钠NaCl质量浓度为5.0 g/L(盐水)的100 mL基液，在65℃下反应2 d形成凝胶，凝胶含水率在99%以上，按照sydansk凝胶强度等级划分标准为C级［7］，65℃的试验温度下，30 d后强度仍能维持在C级别，未出现水解现象，稳定性良好。

1.2.2 毛细试验测试模拟

在实际工作中，通常把由多个毛细管组成的复杂孔隙结构称为多孔介质。试验采用毛细管玻璃可视化模拟测试岩石基质孔道自吸水现象，内径分别为 0.1、0.2、0.3 mm 的毛细管玻璃模拟毛细管孔隙，0.6、0.9 mm的毛细管玻璃模拟超毛细管孔隙［8］，受试验条件限制不能模拟微毛细管孔隙。室内条件下采用图1所示试验装置，吸水平衡后，测量毛细管内径与凝胶脱水量之间的关系，并与0.3 mm毛细管玻璃在普通盐水中的吸水量比较。

图1 毛细管玻璃引起凝胶脱水试验装置示意

1.2.3 人造岩心模拟

利用不同目数的砂样制作岩心，水测岩心孔隙度［9］，不同岩心参数见表1。烘干岩心利用图2所示试验装置，烧杯中凝胶体积400 mL，称量吸水前后岩心的质量，测量岩心孔隙度与凝胶脱水量之间的关系，其中凝胶的脱水量为岩心的质量增量与凝胶密度(含水率＞99%，视为1 g/mL)的比值。

表1 岩心参数

图2 岩心引起凝胶脱水试验装置示意

2 结果及讨论

2.1 毛细管自吸水测试

毛细管自吸水测试结果见表2，失水率与毛细管内径的关系见图3。

表2 毛细管自吸水测试数据

图3 毛细管内径与凝胶失水率关系

从图3可以看出，凝胶失水率随毛细管内径的增大而减小，且递减幅度随内径的增大整体呈现逐渐减小的趋势。从试验现象中目测观察内径越小，毛细管中液柱上升速度越快，凝胶失水速率越快。相同内径下，毛细管自吸水现象在盐水中引起的失水量远大于在凝胶体系中的失水量。

2.2 岩心自吸水测试

岩心自吸水测试数据见表3，测得的岩心孔隙度与凝胶脱水量之间的关系见图4。

表3 岩心自吸水测试数据

图4 岩心孔隙度与岩心含水饱和度关系

岩心的直径相等，与凝胶的接触面积相同，排除了接触面积不同引起的吸水量差异;长度接近，体积近似相等，岩心制作过程中均匀受压，因此岩心的孔隙度对各岩心的孔隙结构具有很好的代表性，孔隙度越低说明岩心的平均孔吼直径越小，岩心越致密。从图4可以看出，岩心自吸水作用引起的含水饱和度变化随岩心孔隙度的增大而减小，说明岩心越致密，平均孔吼直径越小，自吸水作用越剧烈，引起凝胶发生脱水现象越严重。

通过模拟毛细管和岩心试验都观测到了盐水从凝胶中因自吸水作用而析出，试验结果表明，毛管力足够引起凝胶发生脱水作用，这表明凝胶注入封堵层位后会受到孔隙结构性质的影响，如孔吼直径、润湿性、接触角、界面张力等。因此在预测储层中的凝胶性质时，孔隙结构也是必要的参考因素。

3 结论

1)毛细管自吸水现象能够引起凝胶失水率超过20%，毛细管力对凝胶具有明显的脱水作用;毛细管自吸水现象对凝胶的脱水作用较盐水明显减小，凝胶具有很好的保水作用。

2)凝胶的脱水作用受周围岩石基质孔道大小的影响，岩石越致密引起凝胶的脱水现象越严重。

3)利用凝胶进行调堵施工作业时，应充分考察地层孔隙结构这一影响因素，它对凝胶的脱水过程是在施工作业后瞬时完成的。

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