摘要
聚合物凝胶是地下能源作业中不可或缺的功能性材料，在调剖控水、流体转向、水力压裂及防漏堵漏等方面发挥着关键作用。随着储层条件日趋复杂以及可持续能源需求的不断增长，聚合物凝胶技术的持续创新至关重要。本文编者按介绍了题为"聚合物凝胶在地下能源与储能领域的应用进展"的专题，该专题收录了七篇原创研究论文，探讨近年来在凝胶合成、表征及应用方面取得的最新进展。这些研究突出了聚合物凝胶的多功能性，包括纳米粒子增强复合凝胶、泡沫–凝胶复合体系、可再交联预成型颗粒凝胶以及新型压裂液。这些研究针对二氧化碳驱油、稠油开采、低渗透储层压裂及组合增产技术等领域的关键挑战提供了解决方案。研究成果表明，研究人员正在不断优化凝胶体系以适应恶劣的储层条件、提高波及效率并减少地层损害，从而推动更加高效和可持续的地下工程实践。本专题为致力于推动聚合物凝胶技术在能源与储能领域发展的研究人员和工程技术人员提供了宝贵的资源。
地下能源资源的勘探与高效开采，以及日益增长的地质封存需求，是全球向更可持续能源体系转型面临的关键挑战。聚合物凝胶因其广泛的应用范围——包括调剖控水、流体转向、压裂增产和防漏堵漏等——而成为重要的功能性材料1,2。聚合物凝胶具有独特的改变渗透性、耐严苛储层条件以及运输支撑剂或活性物质的能力，因此在地下能源与储能作业中得到广泛应用，包括油气生产（如提高石油采收率、调剖控水和钻井液）、地热能开发以及二氧化碳地质封存3,4。由于长期注水开发和低碳高效能源需求的不断增加，储层条件正变得日益复杂。聚合物凝胶系统的持续进步有望提高地下作业的效率与环保可持续性5。
图1简要概述了凝胶在油气开发中的应用6,7。凭借可调的流变性能、可控的凝胶化行为以及对不同储层条件的适应性，聚合物凝胶已被开发应用于多个领域，包括井筒建设、储层改造、生产优化、调剖控水、提高石油采收率，以及近年来新兴的碳储能与能源存储。不同的应用场景提出不同的功能性要求，推动了具有特定配方和结构的专用凝胶体系的开发，以满足具体的工程目标。
图1.凝胶在油气开发中的应用。
本专题题为"聚合物凝胶在地下能源与储能领域的应用进展"，收录了七篇研究论文，涵盖凝胶合成、流变学表征、结构–性能关系及工程应用等方面的最新进展。总体而言，这些研究展示了聚合物凝胶体系的多功能性——包括粘弹性聚合物溶液、交联凝胶、泡沫–凝胶复合体系和纳米粒子增强复合凝胶——并阐明了其在不同储层条件和作业要求下的广泛应用潜力。
在二氧化碳驱油（CO2-EOR）和稠油开采领域，两项研究分别针对聚合物凝胶体系，旨在改善恶劣储层条件下的波及效率。在"可再交联抗CO2微型预成型颗粒凝胶在超窜通道储层中提高CO2波及效率的实验评价"中，Alotibi等人（贡献1）评价了一种可再交联抗CO2分支预成型颗粒凝胶（CO2-BRPPG）在CO2注入过程中的调剖控水性能。通过砂柱实验，作者表明该凝胶的平衡溶胀比为76，在酸性和高盐条件下具有稳定的封堵性能，CO2突破压力为177 psi。再交联能力使凝胶颗粒在变形后仍能保持封堵性能，表明其在控制高渗透率/裂缝通道和提高CO2注入过程中波及效率方面具有应用潜力。在"面向稠油储层蒸汽封堵的Janus纳米石墨烯增强泡沫凝胶体系的构建与机理研究"中，Xu等人（贡献2）开发了一种Janus纳米石墨烯增强泡沫凝胶体系，用于稠油储层的蒸汽封堵。在250°C和5 MPa条件下，泡沫半衰期达到47.8分钟，约为常规泡沫体系的3.4倍。纳米石墨烯的添加提高了泡沫的稳定性与剪切粘度，使该体系能够有效控制渗透率差异高达9倍的储层中的蒸汽窜流。
在水力压裂领域，两项研究针对低渗透储层调查了新型聚合物凝胶基压裂液。在"CO2泡沫凝胶压裂液的制备与性能评价"中，Gao等人（贡献3）采用优化后的增稠剂和发泡剂开发了一种CO2泡沫凝胶压裂液，该体系具有较好的静态携砂能力，且在110°C条件下剪切90分钟后仍保持20 m·Pa·s以上的粘度。作者认为该体系可能适用于低渗透、水敏性储层，同时为CO2的利用与封存提供了机遇。在第二篇论文"基于功能改性纳米二氧化硅增强的羟丙基瓜尔胶凝胶新型压裂液"中，Huang等人（贡献4）开发了一种新型纳米二氧化硅增强凝胶体系，该体系具有改善的耐热性和耐剪切性，并因其假塑性强凝胶特性而减少了地层损害。与传统HPG凝胶相比，FNG体系的裂缝导流能力高出9.5个百分点，表明其在低渗透储层改造中具有应用潜力。此外，在"高渗透砂岩中硼酸盐交联HPG凝胶压裂液漏失早期突进损失的证据"中，Li等人（贡献5）研究了硼酸盐交联羟丙基瓜尔胶（HPG）凝胶在高渗透地层中的漏失行为，采用砂岩岩心而非传统的滤纸试验进行压裂液评价。其结果表明，在渗透率大于1.55–2.42 μm2的砂岩岩心中，早期突进损失占总液体侵入的相当大比例，而后期成壁贡献较小。作者建立了显式纳入渗透率和压力差的经验突进损失模型，并据此构建了用于工程评价的分区图。该研究为进一步理解超渗透地层中的流体损失行为提供了新见解，并有助于改善流体损失控制策略的设计。
在提高石油采收率领域，Raupov等人（贡献6）研究了水解聚丙烯酰胺（HPAM）溶液的粘弹性特征及其对俄罗斯非均质储层中驱替效率的影响。作者利用稳态剪切和振荡流变测量，评估了分子量、孔径、盐度和温度对聚合物粘弹性的影响。岩心驱替实验表明，采用不同分子量聚合物联合注入的策略可将石油采收率提高至原始地质储量的74–76%。尽管该研究关注的是聚合物溶液而非交联凝胶，但其发现为广泛运用于凝胶配制和地下流场控制中的聚合物基材料的流变行为提供了有用信息。
在组合提高石油采收率技术领域，Zhang等人（贡献7）研究了一种将聚合物、疏水缔合聚合物（HAP）、聚合物微凝胶（MG）和预成型颗粒凝胶（PPG）相结合的集成方法。其结果表明，与传统方法相比，该组合方法在异质储层中可将石油采收率提高17.79%。该研究有助于深入理解多层储层的调剖控水策略。
总体而言，这七篇贡献为聚合物凝胶体系在地下能源与储能领域的行为和应用提供了新的见解。这些研究涵盖了提高石油采收率、水力压裂、CO2驱油与封存以及组合提高石油采收率技术等多个主题，展现了聚合物凝胶在不同条件下的广泛应用潜力。它们还展示了通过引入纳米材料、泡沫–凝胶复合体系以及定制化聚合物配方来改善凝胶性能的不断努力。这些研究共同推动了聚合物凝胶技术在地下工程领域的持续发展。
我们衷心感谢所有作者的宝贵贡献以及审稿人的建设性意见，这些意见帮助提升了本专题的质量。我们也非常感谢Gels期刊编辑团队的专业支持。我们希望本专题能为对聚合物凝胶及其在地下能源与储能领域应用感兴趣的 researchers 和工程技术人员提供有用的参考。
