王杠杠，任晓娟

（西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065）

凝胶是线性聚合物在交联剂作用下，形成空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的液体，这种分散体系称作凝胶。凝胶是目前最为常用的封堵材料，一般凝胶性能从成胶时间、黏度、黏弹性、抗剪切性能、强度、屈服应力、蠕变回复性和封堵性能进行评价。关于凝胶性能测定一直没有统一的标准，本文总结对比了目前主要的凝胶性能测定方法。

1 凝胶性能测定方法及评价

1.1 成胶时间

1.1.1 电阻率法[1]将与万用电表连接的电极插入耐高温高压反应釜内；将待测凝胶原液加入到耐高温高压反应釜内，加入的待测溶液量要使电极浸没到溶液中部；通过增压装置向反应釜内充入增压介质至地层压力，然后恒温至油藏温度，升温过程中保持反应釜内压力恒定；打开万用电表，进行电阻测量，根据待测液体的电阻值调整万用电表的档位，每隔一定时间记录待测液体的电阻值；通过电阻值变化可以得出凝胶体系的初凝时间和终凝时间。

1.1.2 核磁共振法[2]采用Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）序列测定在特定温度下加热不同时间的凝胶的核磁共振衰减曲线，并采用多指数方程进行拟合，获得T2分布曲线；计算每个时间点凝胶内部水对应的T2分布峰的加权平均值,绘制T2值随时间t 变化的曲线；使用双线型回归模型对T2-t 曲线进行拟合,确定体系的溶液-凝胶转变点，并得到凝胶成胶时间。

1.1.3 黏度-时间曲线法[3]黏度-时间曲线法用二条直线延长线的交点确定成胶时间，短时间成胶使用布氏黏度计，长时间成胶使用落球黏度计，连续采集凝胶黏度变化，做出黏度-时间曲线图，确定凝胶成胶时间。

1.1.4 压力-时间曲线法[3]把一定量的溶胶溶液装入恒温高温高压反应器中，高温将反应器一部分液体汽化，反应器内压力不断升高。反应开始生成凝胶时，压力达到最大值，然后趋于平稳：反应全部生成凝胶时，压力开始下降。反应过程中计算机进行数据输出，绘制压力-时间曲线图。

1.1.5 比色管法[3]配制溶胶溶液，装入比色管密封，然后放入恒温水浴箱内，恒温水浴箱温度为凝胶正交实验确定的最佳成胶温度。间隔一定时间观察一次，比色管倾斜45°液面不平整为初凝，比色管平放30 s 凝胶不流动为终凝。

1.1.6 目测代码法[4]采用目测代码法（见表1），凝胶成胶时间一般指体系由溶液A 变成流动的凝胶C 所对应的时间。

1.1.7 手动法[5]测定两个平行样，测试温度为100 ℃、130 ℃或150 ℃；将反口试管固定于已恒定好温度的恒温调节浴中预热5 min，试管口距离浴液面不得高于25 mm；用一次性注射器将0.5 mL 试样注入反口试管底部，注意避免试样黏附在试管壁上，启动秒表开始计时；立即放入不锈钢棒并按顺时针方向搅拌，连续搅拌1 min，然后改为每隔10 s 搅拌；当黏度明显变大时，连续搅拌，并随时将不锈钢棒向上提起观察，直至凝胶从不锈钢棒上脱落或将不锈钢棒迅速提离反口试管时不会有凝胶细丝被带出管外，若观察到这两种现象之一时，即停止计时，并记录时间，此时间即为试样的凝胶时间。取两个平行测试值为测定结果，若两个平行测试值之差的绝对值大于其平均值的8 %，则应重新测试。

1.1.8 方法对比分析 电阻率法和压力-时间曲线法可以测定高温、高压下的成胶时间，但电阻率法测定成胶时间过程中会发生电解水反应，压力-时间曲线法成胶体系在反应过程中不产生气体或产生少量气体，则很难测到实验结果。黏度-时间曲线法可以测定成胶时间从短到长各种成胶体系，但测量过程中会对凝胶结构造成破坏。比色管法测定成胶时间，方法简单，但实验结果随观察频率变化而变化，误差较大。目测代码法和手动法测量简单直观，但测量精度低，适合工作量大且时间不充裕条件下的成胶时间测量。低聚核磁共振法是一种简单快速无损的测定凝胶胶化时间的新方法。

1.2 黏度

1.2.1 毛细管黏度计[6]实验室测定凝胶黏度，用毛细管黏度计最为方便。毛细管黏度计基本公式是Poiseuille 公式：

式中：η-黏度；r-毛细管的半径；l-毛细管长度；v-t秒内凝胶流过毛细管的体积；p-毛细管两端的压力差。

根据Poiseuille 公式可以测凝胶黏度，但黏度绝对值不易测量，一般用已知黏度的标准液体测出黏度计的毛细管常数，然后将凝胶在相同条件下流过同一支毛细管。可根据下式测量凝胶黏度：

表1 凝胶强度代码标准

式中：η0-标准液体黏度；ρ0-标准液体密度；t0-标准液流过一定体积毛细管所经过的时间；η-凝胶黏度；ρ-凝胶密度；t-凝胶流过同一体积毛细管所经过的时间。

1.2.2 旋转黏度计[7]由一台同步微型电动机带动转筒以一定的速率在凝胶中旋转，由于受到黏滞力的作用，转筒产生滞后，与转筒连接的弹性元件会在旋转的反方向产生扭转，传感器测得扭转力的大小，得到凝胶黏度。

1.2.3 落球法黏度计[7]将一个球体放入一定温度的凝胶中，在重力和浮力的共同作用下，有向下的加速度，随着速度增加，球体受到凝胶的阻力也增加，受力达到平衡，球体会匀速下落。由斯托克斯定律，得到黏度表达式：

式中：η-凝胶黏度；d-球体直径；ρ-凝胶密度；ρ0-球体密度；g-重力加速度；l-球体匀速下落的某段距离；t-球体在距离l 的下落时间；fw-管壁的修正系数。

1.2.4 震动法[7]将一根震片插入凝胶中，由于凝胶黏性阻尼变化，震动幅度会衰减，衰减速率作为凝胶黏滞力的量度。电路补充由于黏性阻尼所损失的能量，使震动维持在共振频率和恒定的振幅下，确定凝胶黏度。

1.2.5 超声波法[8]将凝胶装入测量管密封，利用多普勒技术测量诱导波通过凝胶的速度。传输的声音频率为10.4 兆赫，通过改变实验液体的温度，引起流体黏度的变化。流速与声强成正比，与液体黏度成反比。该方法适用于评估密封容器中液体的黏度。

1.2.6 方法对比 超声波法和落球黏度计法可以测定高温高压下的凝胶黏度，超声波法测定黏度精度高，费用相对昂贵，适合测量密封容器中液体的黏度，落球黏度计法测量范围有限，只能测量低剪切速率的流体黏度，测量结果受球体下落轨迹、试管均匀程度的影响。震动黏度计只可以测定牛顿流体的黏度，不能测定非牛顿流体黏度，且测量范围较小，毛细管黏度计对牛顿流体和非牛顿流体都适用，测量精度高，适合测量高剪切速率的流体，不适合低黏流体的测量，且受温度影响较大。旋转黏度计抗干扰性比较好，但会破坏凝胶结构，测量过程中凝胶会出现爬杆现象，爬杆越严重，测量误差越大。

1.3 黏弹性[3，9]

固定应变为30 %、测试温度为45 ℃、角频率范围为0.5 rad/s～10 rad/s。采用流变仪通过振动模式测定凝胶体系的储能模量G'和耗能模量G''，应力、应变之比为动态模量，动态模量分为储能模量G'和耗能模量G''。损耗模量G''表示凝胶黏性大小，储能模量G'表示凝胶弹性大小。通过如下公式计算动态复合黏度：

1.4 抗剪切性能[10]

在25 ℃和170 s-1的条件下，将凝胶成胶液分别剪切10 min、20 min、30 min、40 min、50 min 和60 min，放置于80 ℃恒温水浴中，观察凝胶的胶凝情况。

1.5 强度

1.5.1 质构仪法[11]将所制备的环形测试杯置于测试探头正下方，按照程序运行物性测试仪，得到凝胶特性测试谱图，压力第一次出现尖峰的点为凝胶体破裂点，压力感应器记录凝胶破裂的力，表示凝胶强度，单位为g。

1.5.2 真空突破度法[12]将凝胶蓝瓶盖与突破真空度装置连接起来，将1 mL 的吸量管尖嘴部分插入凝胶液面下1 cm 处，开动真空泵，并慢慢调节旋钮增大体系真空度，待空气突破凝胶时，真空表上真空度的最大示数即为凝胶的突破真空度，简称BV，BV 值越大，强度越大；BV 值越小，强度越小。

1.5.3 穿透计法[3]用200 g 的尖型岩心测定凝胶的穿透阻力，岩心在凝胶的穿透深度表示凝胶结构的强弱，岩心穿的越深，强度越小，穿的越浅，强度越大。

1.5.4 弹性模量法[3]通过测量震荡频率0.05 Hz 下弹性模量G'，G'＜0.1 Pa 时为溶液，G'在0.1 Pa～1 Pa 时为弱凝胶，G'在1 Pa～10 Pa 时为较强凝胶，G'＞10 Pa 时为强凝胶。

1.5.5 目测代码法[4]通过观测成胶情况，对应强度代码确定凝胶强度。

1.5.6 方法对比 穿透计法和目测代码法只是定性的测量，不准确，但方法简单，适合工作量大且时间不充裕的凝胶强度测量，穿透计法会破坏凝胶结构。质地分析法、弹性模量法和真空突破度法可以定量的测定凝胶的强度。

1.6 屈服应力[13]

1.6.1 范式旋转黏度计法 范氏旋转黏度计测试凝胶的流变数据，采用带屈服值的假塑性流变模式回归得到的相关系数高，回归计算得到屈服值。

1.6.2 流变仪应力幅度扫描法 使用RS6000 型流变仪，采用锥板C60/1 转子系统，固定频率1 Hz，应力幅度扫描0～60 Pa，样品加热到待测温度后恒温10 min，线性黏弹区和非线性黏弹区的界限为样品的屈服值。

1.6.3 流变仪CR 模式测量 在低剪切速率区域得到的应力、应变和黏度数据比CS 模式在低应力区域得到的稳定，黏度先增加，表现出一个较为稳定的平台，然后黏度急剧下降，黏度开始陡降处所对应的剪切应力即为屈服值。

1.6.4 流变仪CS 模式测量 在低剪切应力下，当施加的应力接近屈服值时，黏度下降加快，一般认为，在对数坐标下黏度曲线的陡然下降时，认为此时黏度所对应的剪切应力为屈服应力。

1.6.5 方法对比 范式旋转黏度计测量受到量程限制，不能测量高黏度凝胶；流变仪测量，低剪切速率下，CR 模式测量的数据比CS 模式测量的数据更稳定，很低的剪切速率下，CS 模式测量的不稳定，容易出现波动。

1.7 蠕变回复性[9]

固定应力1 Pa、蠕变时间90 s、回复时间180 s、测试温度45 ℃，通过对凝胶样品施加恒定切应力或恒定应变，测定不同凝胶体系在不同成胶时间下的蠕变率和回复率。

1.8 封堵性能

通常将水相残余阻力系数、堵水率和突破压力作为调剖堵水剂评价指标，水相残余阻力系数即堵水前后水相渗透率的比值；堵水率即堵剂降低岩心渗透率的比值；突破压力即注水突破堵塞的临界压力。

1.8.1 岩心驱替法[14]水驱岩心，稳定后计算封堵前渗透率，注入2 PV 的凝胶，在45 ℃下等10 d，再水驱10 PV，稳定后计算封堵后渗透率，计算残余阻力系数。

式中：Frrw-残余阻力系数；KW0-堵水前水测渗透率；KW1-堵水后水测渗透率。

1.8.2 填砂管法[10]将成胶液注入填砂管，放入80 ℃恒温水浴锅中达到胶凝时间，测定封堵后的水测渗透率，其计算式为：

式中：E-封堵率。