《Gels》：Evaluation of the Water-Blocking Performance of Polyurethane Plugging System and Urea-Formaldehyde Plugging System in Xinjiang Oilfield
针对新疆低渗透油藏中高developed阶段注水开发过程中出现的水窜问题，研究人员系统研究了两种化学封堵体系——聚氨酯（Polyurethane, PU）封堵体系与脲醛（Urea-Formaldehyde, UF）封堵体系在模拟新疆油藏条件下的性能表现。通过控制变量实验优化了PU封堵体系配方，并系统评价了两种体系的流变特性、固化行为、力学强度、耐盐耐温适应性以及砂填管驱替实验中的封堵性能。优化后的PU封堵体系在80 °C下固化1 h，可实现最高96%的封堵率和4.2 MPa·m?1的击穿压力梯度。UF封堵体系表现出显著的温度触发凝胶化特征，在60 °C以上粘度呈指数级上升，提供70%的封堵率和1.0–2.0 MPa·m?1的击穿压力梯度，适用于深部液流改向。PU封堵体系提供高强度近井封堵，而UF封堵体系实现可控深部液流改向；二者互补特性为新疆油田不同低渗透、高温油藏的水窜治理提供了综合性技术策略。
低渗透油藏作为油气增储上产的重要领域，其开发效益直接关系到国家能源安全。新疆地区低渗透油藏具有低孔隙度、细孔喉、强非均质性等特征，天然能量不足导致中late开发阶段产量递减快、采收率低。为此，压力辅助注水技术被广泛应用，通过高压注水补充地层能量、形成微裂缝网络降低油水渗流阻力。然而，该技术在实际应用中存在严峻挑战：储层强非均质性与密集连通的天然裂缝系统导致注入水优先沿高渗通道"短路"窜流，完全绕过富油低渗区，造成生产井过早见水、含水率急剧上升、产油量大幅下降。据新疆油田2024年开发年报，该窜流问题年经济损失超过10亿元人民币，单井水驱突破周期常不足三个月，无效注水占比高达35%。
传统控窜技术在该类储层应用效果有限。水泥基封堵剂粒径大，无法匹配细孔喉；超细水泥虽尺寸适配，但水化快、初凝时间短，深井高温条件下安全性差。颗粒型封堵剂依赖机械堵塞，悬浮稳定性差，封堵强度不足、有效期短。传统凝胶系统耐温耐盐性不足，凝胶动力学难以精确控制。在此背景下，树脂基化学体系因其优异的耐热耐盐性、低粘度注入特性及加热后形成致密三维交联网络的能力，成为advanced封堵应用的研究热点。
本研究以新疆油田克拉玛依油区J6区块（以下简称"研究区块"）为研究对象，地层温度18 °C，注汽/实验后储层温度80 °C，总矿化度5113.96 mg/L，系统优化并对比评价了PU与UF两种封堵体系的性能，旨在为新疆油田及类似复杂油藏提高采收率提供可靠技术支撑。
在技术方法层面，研究人员主要采用以下关键技术：基于KBr压片法的傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）分析体系固化前后官能团变化；利用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）观察固化后微观形貌；通过旋转粘度计测定不同温度下的粘度演化曲线，定义凝胶时间为等温条件下粘度达10,000 mPa·s所需时间，并以2500 mPa·s为上限界定"可泵注窗口"；采用数字测力仪测试抗压强度；最后通过砂填管驱替装置（规格25 × 150 mm）进行封堵性能评价，正向注入1倍孔隙体积（Pore Volume, PV）封堵体系、85 °C老化2 h后反向驱替，测定封堵率与击穿压力梯度。
2.1 FTIR表征结果
红外光谱分析直接证实了两种体系的交联固化机制。PU封堵体系固化前2270 cm
?1处异氰酸酯基团（—NCO）强特征吸收峰在固化后完全消失，同时3363 cm
?1处出现氢键化羟基与氨基的宽伸缩振动峰，1730 cm
?1处出现氨基甲酸酯键中羰基特征峰，1135 cm
?1处有C—O—C伸缩振动峰，表明—NCO基团消耗与交联键形成。UF封堵体系固化后1685 cm
?1处酰胺羰基特征吸收峰强度显著增强，3200~3400 cm
?1范围内N—H伸缩振动峰变窄且强度降低，1050 cm
?1附近出现甲醚键特征峰，证实缩聚反应发生与交联结构形成。
2.2 凝胶体系凝胶时间
控制变量实验揭示了树脂浓度与固化剂浓度对凝胶时间的影响规律。PU树脂凝胶时间主要受树脂浓度控制：20%浓度时稳定于4.5 h，30%~40%时缩短至1 h，50%~60%时较前值增加0.5 h；固化剂浓度在0.5%~3%范围内影响不显著。UF树脂则随树脂浓度增加凝胶时间显著缩短，20%浓度时固化剂浓度从2%升至3%可使凝胶时间从3.5 h降至3 h；50%或60%高浓度下固化剂浓度变化不影响凝胶时间，稳定于1.5 h。对比而言，PU凝胶时间对树脂浓度更敏感，UF在高浓度下凝胶速率更快。
粘度—时间曲线显示，PU体系粘度先缓慢增长后急剧上升，温度越高诱导期越短；80 °C时30% + 2%配方约18 min达10,000 mPa·s，40% + 2%配方约12 min。UF体系凝胶更为渐进，80 °C时约35 min达标，50 °C时2 h以上仍低于10,000 mPa·s，表明温度是关键触发因素。
可泵注窗口分析具有重要工程意义。80 °C时40% + 2% PU体系可泵注窗口不足4 min，随后粘度迅速突破10,000 mPa·s，快速转变使其极适合近井封堵，快速凝胶防止冲稀。而40% + 2% UF体系60 °C时可维持10 min、50 °C时超过30 min的低粘度期，允许更深部地层穿透后再因温度触发凝胶化，适用于深部液流改向与剖面控制。
UF体系温度响应性泵注窗口与研究区块白垩系油藏实际温度梯度高度兼容。准噶尔盆地现今平均地温梯度约21 °C/km，属于低地温梯度盆地；长期注入常温地表水在近井区域形成低温冷却带，温度一般低于60 °C，而随深度增加温度稳步上升，2000 m附近可达60 °C。60 °C既是该区"近井冷却带"与"原始地层温度带"的边界温度，也是UF体系由可注入态向封堵态转变的临界温度，无需额外延时剂即可实现"近井可注、深部封堵"的靶向调控。这与PU体系的近井快速封堵功能形成互补，为综合治理提供温度响应机制与技术基础。
2.3 PU与UF封堵体系耐盐性
两种体系对矿化度呈现截然相反的响应。PU体系随矿化度升高凝胶化显著加速：5 g/L与10 g/L时不凝胶，20~40 g/L时1 h内完成凝胶，60 g/L时缩短至0.5 h。UF体系则随矿化度升高凝胶延迟：≤30 g/L时为1 h，40~60 g/L时延长至1.5 h。
该差异源于不同交联机制。高矿化度降低水介质极性，有效降低介电常数，从而减少异氰酸酯—水反应的活化能；盐离子破坏氢键水网络，使水分子更易亲核攻击—NCO基团。此外，盐离子置换吸附于聚氨酯预聚体与多元醇表面的水分子，破坏水化膜，降低溶解度导致析出；同时中和胶体粒子表面电荷，减少静电斥力，促进反应物聚集形成局部高浓度微区，增加—NCO与—OH碰撞频率，加速凝胶。
UF体系固化依赖酸性条件下氢离子催化。高矿化度增加离子强度，降低有效氢离子活度，减弱催化效应；高浓度氯离子与铵盐固化剂中氯离子产生同离子效应，抑制氯化铵水解产氢；UF固化本质是脱水缩聚反应，盐离子大量束缚自由水、降低水活度，阻碍正向反应；盐离子还可吸附于UF胶粒表面，屏蔽活性位点，增厚水化层阻碍粒子聚集。
2.4 流变特性
两种体系均表现剪切稀化行为。PU体系30% + 2%与40% + 2%配方粘度随剪切率增加先快速下降后逐渐平缓，低剪切率下高树脂含量配方初始粘度显著更高，100 s
?1以上差异减小，超过200 s
?1后粘度稳定，表现良好剪切适应性。UF体系趋势类似，温度升高降低粘度，确保易注入性与放置后快速结构恢复。
幂律模型定量表征显示，30% + 2% PU体系75 °C时一致性系数K = 717.6，流变行为指数n = 0.0015（R
2 = 1），极低的n值表明极强的剪切稀化特性，与高剪切下极低粘度、优异可注性一致。40% + 2% UF体系35 °C时K = 0.1038、n = 0.9647（R
2 = 0.997），接近牛顿流体行为；55 °C时K = 50.311、n = 0.166（R
2 = 0.979），表现更明显的剪切稀化与温度触发增稠特征，对深部液流改向至关重要。
2.5 抗压强度
数字测力仪测试显示PU体系抗压强度随树脂与固化剂浓度升高而持续增加，60%体系约为50%体系的10倍；60% + 6%配方12 mm应变下达272 N（854 Pa），而60% + 2%仅10.2 N（32 Pa）。PU通过柔性氨基甲酸酯键构建交联网络，分子链自由弯曲伸展，韧性与变形能力良好，但骨架刚性不足导致整体硬度与抗压性能显著弱于UF体系。
UF体系不同配方力学性能差异显著。50% + 3%配方最优，8 mm应变下达1852 N（5815 Pa），峰值近2000 N（6280 Pa）；40% + 6%配方7.25 mm应变下达1533 N（4813 Pa），远高于同浓度40% + 4%配方的171 N（537 Pa），充分体现固化剂用量对力学性能的调控作用。UF固化后形成稳定刚性的三嗪环三维网络，固定环结构使分子链难以扭滑，故抗压强度高、结构稳定性优异。
微观结构差异定量验证于前文。UF适用于近井高应力封堵，但施工窗口窄、需精确控制配方与混拌时间。PU因强度适中、韧性好、对固化剂浓度波动不敏感，适用于深部储层驱替调整，防止深部迁移中过早脆断失效。二者力学性能互补：UF超高强度但施工窗口窄，PU韧性良好且作业窗口宽，实际应根据封堵位置与压力等级选择或组合。
2.6 微观结构
SEM图像揭示显著结构差异。PU体系固化后呈致密连续无孔形貌，低倍下（比例尺1 μm）整体为均匀块状连续相，无明显孔隙或裂纹；高倍下（比例尺500 nm）显示紧密交联内部结构，分子链均匀缠结形成致密三维网络。该高度交联无孔结构直接赋予体系优异力学强度与封堵性能，是实现近井高强度封堵的关键结构基础。
UF体系固化后呈均匀分布多孔网络。低倍下（比例尺2 μm）可见大量均匀分布、尺寸适中的孔隙；高倍下（比例尺500 nm）显示树脂基质与孔隙交替构成的三维连通网络。该多孔结构提供流体流动通道，使体系具备良好的渗透性适应能力，为实现深部可控液流改向提供必要结构条件。
2.7 封堵性能
正向反向驱替法测试表明，PU在研究区块储层孔隙结构中封堵性能优于UF，且随树脂浓度增加而增强。30% + 2% PU体系最高封堵效率92.5%，40% + 2%达96.0%，体现高树脂浓度对封堵稳定性的强化作用。UF体系最高仅73%，且随穿透率增加效率下降更显著，表明其与该区块储层孔隙结构兼容性较低。高渗地层孔道宽、流动阻力小，UF更难滞留在孔隙中交联凝胶化；PU因高树脂浓度和更致密交联网络，更能适应孔隙变化，保持更稳定封堵效率，更适合高渗地层通道封堵需求。
击穿压力与穿透率关系显示，随穿透率增加，30% + 2% PU体系击穿压力梯度降低约0.9 MPa·m
?1，40% + 2% PU降低约0.7 MPa·m
?1；40% + 2%整体水平显著高于30% + 2%体系，最高参数达4.2 MPa·m
?1（对应渗透率4500 μm
2），体现高树脂浓度对抗突破性能的强化。UF体系抗突破能力低于PU，其击穿压力梯度随穿透率增加降低约0.22 MPa·m
?1，降幅显著大于PU体系，且初始击穿压力梯度更低、随穿透率增加下降趋势更缓，表明UF在孔隙内交联较弱，流体更易突破封堵层，进一步证实PU更适合该油田区块封堵。
3 结论
本研究针对新疆油田低渗透、高温、强非均质性储层严重水窜问题，系统研究了PU封堵体系与UF封堵体系两种advanced化学封堵体系。在模拟储层条件下优化并评价了两种体系，为挑战性环境下的调剖控水提供技术解决方案。
研究全面分析了两种体系的凝胶机制、流变特性、抗压强度、耐盐性与微观结构特征。数据表明，PU体系树脂浓度控制快速凝胶，实现96%封堵率和4.2 MPa·m
?1击穿压力梯度，是近井高强度封堵的理想选择。UF体系表现显著的温度触发凝胶化行为（60 °C以上激活），抗压强度优异（最高1852 N），多孔微观结构促进深部液流改向。尤为重要的是，两种体系对盐度响应相反：高矿化度加速PU凝胶但延迟UF凝胶。
上述实验发现对准噶尔盆地开发具有重要实践价值，提供了发挥PU与UF树脂互补优势的双体系策略。展望未来，研究将聚焦于两种体系的协同应用，以实现"深部调剖结合近井封窜"。未来现场试验旨在验证该组合方法在高温高盐储层中的长期稳定性与经济可行性，从而为类似复杂地层提高采收率提供坚实的技术基础。
