凝胶调堵剂性能评价方法进展
2022-11-21康传宏郭继香孙新费东涛
康传宏,郭继香，孙新，费东涛
(中国石油大学(北京) 非常规油气科学技术研究院，北京 102249)
随着石油开采的进行，我国已开发油田大多数已处于高含水和高采出程度的“双高”阶段，在此阶段中，大量的注入水进入地层中反复冲刷，在地层高渗、中渗条带中极易形成水流的优势通道，注入水选择性的流经优势通道，会出现油田含水率急剧上升以及见水早等问题，严重时造成水窜现象，从而造成水驱效率低，注入水低效甚至无效循环，这将大大降低注水开发的原油采收率，极大的影响经济效益。针对这些问题，目前在注水井中注入调剖堵剂是国内外油田封堵高渗透层的主要方法，其中凝胶类堵剂因种类繁多，抗剪切性能优异，强度高，封堵效果显著，成为调剖堵剂的重要一类，但由于凝胶调剖剂没有系统的理论评价方法，本文通过查阅文献资料并结合现场实际应用，对凝胶调剖剂评价方法进行了系统的阐述并写出了其适用条件。
1 成胶时间
成胶时间是一个评价凝胶性能的重要指标。特别是凝胶作为深部调剖剂使用时，成胶时间更是关键因素,它会直接影响现场深部调剖的效果[1-2]。目前对凝胶成胶时间的评价较多，归结起来主要有目测法、黏度曲线法、压力曲线法。
1.1 目测法
目测法又可以分为角度目测法和强度目测法，角度目测法即将装有凝胶的比色管倾斜45°，记下液面出现不平整的时间，即可初步判断初凝时间[3]；强度目测法是根据凝胶强度标准代码表，通过等级对应强度描述确定凝胶强度级别，选取一定的强度等级为成胶时间临界对应等级，冀欣宇等[4]认为当凝胶强度为D级的时间为成胶时间，凝胶强度代码见表1。
表1 凝胶强度代码Table 1 Gel strength code
目测法常常作为室内成胶时间的简单评价，应用较为广泛，但此方法仅可初步粗略的评价凝胶成胶时间。
1.2 黏度曲线法
黏度曲线法：通过测定不同时间下凝胶体系黏度，绘制黏度-时间曲线，作两线切线交点确定成胶时间，对于不同成胶时间可使用不同类型的粘度计测量黏度变化。成胶较短的黏度测量可使用布氏粘度计，可将黏度信号采集输出到电脑，作出凝胶黏度与时间的关系曲线来确定成胶时间。对于成胶时间较长的聚合物体系，可以用马氏漏斗粘度计测量体系的黏度，将聚合物体系装入漏斗中，通过测量体系在漏斗中流出所需时间，将凝胶在反应条件下的静置时间对流出时间作图以确定其凝胶时间[5]。
此方法在现场施工应用时，是衡量凝胶成胶时间的常用并且较为准确的方法，广泛应用于现场实时监测。
1.3 压力曲线法
马宝岐等[6]根据聚合物体系成胶机理，提出了压力曲线法，将适量聚合物体系装入反应釜中，在相应成胶温度条件下，聚合物体系部分液体受热汽化，反应釜内压力不断升高，同时体系发生交联反应，聚合物体系完全交联后，反应釜内压力开始下降，下降时间即为成胶时间。整个过程由计算机全程监控，并实时记录反应时间和压力，得到压力-时间曲线。
此方法精确描述了凝胶的成胶时间，在现场施工中，压力是最常见的数据收集指标，因此对于现场施工而言，此方法应用更为方便广泛且准确度较高，但是这种方法评价的凝胶成胶时间往往比真实初始成胶时间更长，因为当压力下降的时间作为成胶时间，聚合物体系已经完全交联，并不能得到聚合物体系的初始交联时间。
2 成胶强度
通过评价凝胶的强度，可以推断聚合物凝胶体系是否完全成胶或部分交联，凝胶成胶的强度直接影响后续在地层中的封堵效果，强度较弱的凝胶并不适合封堵地层水流高渗通道，适用于驱油，因此凝胶强度判断决定了其主要用途，目前凝胶强度评价方法有目测代码法、黏度法和粘弹性法。
(1)目测代码法：Sydansk等[7]通过实验总结出直接目测评价凝胶强度的代码法，待凝胶成胶后，将安瓿瓶倒置，根据凝胶体系的不同形态将凝胶强度分为10个等级，见表1。但10个等级之间分隔并不明显，为了较为快速直观的判断凝胶强度，所以有人将凝胶强度分为5个等级的，并用5个字母标号 (A～E) 定性地表示:A表示与聚合物黏度无差别；B表示黏度明显大于聚合物溶液；C表示将安瓿瓶倒置时凝胶不能流到瓶口；D表示将安瓿瓶倒置时凝胶只有表面发生形变，具有一定的刚性；E表示将安瓿瓶倒放时凝胶表面不发生形变，整体紧贴瓶底，摇晃安瓿瓶凝胶不发生变化[8]。在用目测代码法评价凝胶强度时，应保证将相同体积的凝胶基液装入完全相同的安瓿瓶中，因为凝胶基液体积和容器大小会对凝胶在瓶中状态有所影响[9]。
(2)黏度法：恒定速率定温条件下，凝胶黏度可用布氏粘度计进行测量，当布氏粘度计示数稳定时即为所测凝胶黏度值，这种方法在油田现场适用广泛，常用此方法表征凝胶强弱。
(3)粘弹性法：聚合物体系普遍具有受外来应力发生应变行为，受外来应力发生应变行为往往滞后于施加的应变变化，应力和应变的比值即动态模量，动态模量又可以分为两部分:损耗模量G″和储能模量G′。损耗模量代表样品发生形变所需能力或变形消耗的能量，它可以用来表征样品的粘性大小。储能模量代表样品变形时储备的能量，一旦撤去施加的外来应力，这部分能量就会被释放出来，可以表征样品的弹性大小[10]。测定凝胶的粘弹性通常分为定频率和定应力两种，定频率变应力扫描[11]一般用来确定凝胶的线性粘弹区间；定应力变频率扫描通常用来测量凝胶的粘弹性模量[12]。因此可以根据弹性模量的大小表征凝胶的强度，唐孝芬等[13]在扫描频率为0.05 Hz条件下根据弹性模量大小将凝胶强度分为5类：G′<0.1 Pa时认为体系不成胶；0.1 Pa
3 长期热稳定性
凝胶的长期热稳定性能测试目前主要有三种方法：目测法、脱水率计算、黏度法和热重分析。
(1)目测法：在高温条件下，由于凝胶结构被破坏，凝胶易发生降解和脱水现象，通过目测观察凝胶强度可以直观反映其在高温条件下的耐温性能，冀欣宇等[4]认为当凝胶强度低于D级指标即为破胶，表明其不能适应当前温度，强度代码见表1。
(2)脱水率计算：聚合物交联成胶体系中,凝胶不稳定的主要原因聚合物降解发生脱水。
脱水率计算的方法为：将配制好的凝胶基液置于安瓿瓶中，然后放入高温烘箱中，待体系成胶后，记录凝胶的初始质量m1，间隔一定时间观察脱水情况并记录凝胶脱水后质量m2，根据下式计算脱水率T[4]：
(1)
(3)黏度法：当凝胶在高温条件下并不脱水，但其强度发生明显的减弱[9]。在这种情况下，可以间隔一定时间测定凝胶黏度，绘制黏度与时间的关系曲线。
(4)热重分析：首先需要将少量凝胶进行干燥，取干燥后的凝胶放于样品盘内，将样品盘放于炉内，设置升温范围和升温速率，绘制样品质量随温度变化曲线，从而观察凝胶脱水和热分解的过程[14]。
4 抗剪切性
评价凝胶的抗剪切性评价通常分为定剪切速率和定剪切时间两种。
王杠杠等[15]在定剪切速率170 s-1的条件下，将凝胶基液分别剪切10,20,30,40,50,60 min，放置于高温烘箱中，观察在不同剪切时间下凝胶的成胶情况。王桂珠等[16]在定剪切时间1 h下，以不同转速对凝胶基液进行剪切，测定了凝胶基液黏度保留率。黏度保留率(L)计算公式如下：
(2)
5 凝胶耐盐性评价
凝胶的耐盐性评价通常可分为内置法和外置法，用于油田现场的凝胶常常将两种方法结合起来进行耐盐性评价。
内置法：在聚合物配制基液及在配制凝胶基液过程中所用水均为模拟地层水，聚合物体系配制完成后，将凝胶基液装入安瓿瓶中，放入高温烘箱等待成胶，将安瓿瓶倒置，观测凝胶体系的状态及脱水情况，评价体系抗盐性。外置法：整个凝胶基液配制过程中所用水均为蒸馏水，将凝胶基液装入反应釜中，然后放入高温烘箱，待其成胶后，取出少量成胶后的凝胶，放入装有不同矿化度模拟地层水的烧杯中，放置一段时间，观察凝胶是否破胶或有其他状态变化。
6 凝胶抗酸碱性评价
凝胶的抗酸碱性评价通常可分为内置法和外置法，油田中的地层水往往不是中性，需结合两种方法进行凝胶抗酸碱性评价。
内置法：用不同pH值(pH值从2～11)的水溶液配制聚合物基液，同时配制凝胶基液过程中所用水均为相应pH值的水溶液，将凝胶基液放入高温烘箱中，观察凝胶在不同pH值条件下是否成胶及脱水情况，评价其抗酸碱性。外置法：整个凝胶基液配制过程中所用水均为蒸馏水，将凝胶基液装入反应釜中，然后放入高温烘箱，待其成胶后，取出少量成胶后的凝胶，放入装有不同pH值水溶液的烧杯中，放置一段时间，观察凝胶是否破胶或有其它状态变化。
7 封堵效果评价
在凝胶注入地层成胶后，封堵率是衡量凝胶封堵效果的直接体现，能够封堵水流高渗通道，扩大水驱波及体积、改善水驱效果是凝胶的主要作用。通常将水相残余阻力系数、封堵率作为凝胶调剖堵水剂的封堵评价指标。在凝胶进行封堵效果评价时，主要有岩心驱替法和填砂管法。岩心驱替即用人造岩心进行实验，填砂管法即在填砂管中装入石英砂，以下封堵效果评价均以填砂管法为例进行阐述。
王杠杠等[15]首先通过水驱压力计算填砂管封堵前渗透率，然后注入2 PV的凝胶(确保凝胶完全占据填砂管的孔隙)，将填砂管密封放入高温烘箱中，待凝胶完全成胶后，后续水驱10 PV，待压力稳定后计算封堵后渗透率，利用公式(3)计算残余阻力系数,利用公式(4)计算封堵率。
(3)
(4)
式中,F为残余阻力系数；E为封堵率；Kw0为封堵前水测渗透率；Kw1为封堵后水测渗透率。
8 注入动态评价
在凝胶注入地层成胶后，封堵率评价了凝胶的封堵性能，而突破压力、反向耐冲刷性则可以表征在后续水驱中凝胶在地层中可以承受的最大水驱压力及在注入水的冲刷状态下凝胶的驻留能力。
8.1 突破压力
柳博莹等[17]在岩心夹持器中装入人工岩心，加上环压(环压的压力应一直大于注入压力)，随着水驱过程的进行，驱替压力逐渐增大，当岩心流出第一滴液体时，记录此时的压力即为突破压力。突破压力梯度为在单位长度下的突破压力。为了能够模拟地层中真实凝胶被突破的情况，故提出将凝胶注入装有石英砂的铁套管中，待凝胶完全成胶后，水驱进行突破，当注入压力升到最大值时即为突破压力。
8.2 反向耐冲刷性
当水驱注入压力大于凝胶的突破压力时，凝胶将被注入水突破，保持前期测定渗透率的注入速度，继续水驱，任强[18]通过记录注入模拟地层水PV数及注入压力，计算相应的封堵后渗透率，从而得到对应的封堵率并绘制封堵率随注入模拟地层水PV数的关系曲线，即为凝胶的反向耐冲刷曲线。
9 凝胶微观结构的表征方法
9.1 红外光谱仪表征
聚合物凝胶会选择性的吸收部分红外线，从而引起分子不同能级之间的跃迁，通过吸收峰的变化分析官能团变化，可用来分析聚合物凝胶是否成功交联[19]。在使用红外光谱分析时，最好先对聚合物凝胶进行冷冻干燥，从而避免水分子影响红外光谱的分析，出现杂峰。
9.2 扫描电镜表征
环境扫描电镜能够直接观察凝胶的表面微观结构。取少量成胶样品放于样品盘中，然后向样品盘中浇入液氮，然后进行真空干燥。将冷冻干燥后的凝胶样品切割成较为平整的薄片状，然后用导电胶粘贴于测试铜板的表面，在样品表面喷射金粉后进行观察分析。
扫描电镜能够直观观测聚合物凝胶外貌特征，是一种较为常用的微尺度评价手段，通过扫描电镜观测，可以直观看到聚合物凝胶的交联结构，并且此方法具备放大倍数高、视野范围广、图像直观、形貌清晰等特点[19]。
9.3 核磁共振表征
采用核磁共振仪，测定5 mm玻璃比色槽中的待测样品，通过核磁共振碳谱图，分析碳谱图上的碳信号，确定其归属，信号是否与预测结构一致从而判断聚合物凝胶是否成功交联。
10 结束语
通过评价以上凝胶的各项性能指标，可以较为全面的评估凝胶调剖剂的整体性能，为前期凝胶的研制以及后期的性能评价提供理论指导，但目前的凝胶性能评价往往脱离油田现场实际应用，未来的凝胶性能评价应该要紧密结合施工现场，提出更多适用于现场的评价方法。能够在现场方便、快捷、易于操作的评价是将来凝胶评价的探讨方向。
