凝胶强度是衡量堵水调剖剂、封堵剂等凝胶材料性能的核心指标,其物理本质为凝胶在多孔介质中形成封堵层时所能承受的最大压力梯度值。该项指标通过岩心流动实验直接测定突破压力,形成等级评价法与相对强度评价法两大技术体系。实验数据显示,凝胶强度受聚合物浓度、剪切作用和环境温度等因素影响,优化配方可使突破压力值达到4MPa以上。在油田堵水、钻井护壁等领域,凝胶强度直接影响封堵效率,实测案例证明提升该参数可使水驱效率提升超过25%。
定义与原理
凝胶强度的物理本质是凝胶在岩心孔隙中形成三维网络结构后,抵御流体穿透所需的临界压力梯度。该参数通过突破真空度法或
岩心夹持器模拟地层条件进行量化测试,典型仪器量程≥9.8N、测试速度控制在0.50mm/s。在高温(90℃)、高矿化度(250000mg/L)环境下,含膦酸结构的凝胶体系仍能维持0.078MPa的突破压力,印证
交联密度与强度值的正相关关系。
评价方法体系
等级评价法
采用Sydansk GSC强度代码法划分强度等级,H级为最高强度等级。实验通过一维多点测压岩心模型,记录浓度0.2%-0.3%弱凝胶体系在55℃条件下的沿程衰减规律:注入端强度衰减率最高达25%,随注入深度增加趋于稳定。该方法的突破压力梯度数据可直接换算为封堵强度值。
相对强度评价法
基于压力-时间曲线构建动态评价模型,通过阻力系数沿程变化量化封堵能力。研究显示,剪切后凝胶体系的突破压力值较未剪切体系下降30%-40%,证明机械作用对三维网络结构的破坏效应。
关键影响因素
配方组分:成胶剂含量对强度影响权重最高(
正交试验主次关系:成胶剂>
增强剂>粘土>
交联剂)。优化后的堵漏凝胶配方(15%铬交联剂+5%成胶剂+8%增强剂+7.5%粘土)可使突破压力提升至0.078MPa。
环境参数:温度升高导致交联反应速率加快,但过量交联剂(>2%)会降低终凝强度。在90℃条件下,10%成胶剂配方较常规体系突破压力提升180%。
剪切效应:未剪切的U2 V346R体系突破压力值较剪切后体系高45%,聚合物浓度从基准值提升20%可使强度稳定性提升3倍。
工程应用验证
油田堵水:茨13块弱凝胶体系通过提升强度(1.6Pa→4.5Pa),实现高渗层深度封堵,水驱效率提高25%。蒙古林油田现场应用中,聚交比优化使突破压力值与稳定性达到最佳平衡。
钻井护壁:化学凝胶护壁技术通过正交实验确定最优组分(10%悬浮剂+2%交联剂+12%成胶剂+10%堵漏剂),在山东青岛矿区实现>80%返浆量的有效封堵。东胜气田TPH-399井应用显示,优化配方突破压力满足50MPa/m抗冲击载荷要求。
水泥环修复:针对20-25μm微裂缝的封堵剂体系,在50℃-90℃环境下突破压力可达4MPa,pH敏感增粘特性确保碱性环境中的高强度封堵。专利实施例10显示,带人工裂缝岩心测试中暂堵剂抗压强度与突破压力呈线性相关。
标准化检测
凝胶强度检测需遵循GB/T 6543标准,计算公式为:$ = rac{(X1+X2+…+Xn)}{n} - X0$$其中X0为空载运行值,测试距离固定为4.00mm。实验要求至少5个有效样本,最终强度值取算术平均值,量值溯源至国家牛顿基准。