中国石油大学油田化学实验报告
实验日期： 2011/10/17 成绩：
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堵水剂的制备与性质
一、实验目的
1. 学会几种堵水剂的制备方法。
2. 掌握几种堵水剂的形成机理及其使用性质
。

二、实验原理
堵水剂是指从油、水井注入地层，能减少地层产出水的物质。从油井注入地
层的堵水剂称油井堵水剂(或简称堵水剂)，从水井注入地层的堵水剂称为调剖
剂。常用的堵水剂有冻胶型堵水剂、凝胶型堵水剂、沉淀型堵水剂和分散体型堵
水剂，这些堵水剂的形成机理和使用性质各不相同。
1. 冻胶型堵水剂
冻胶(如锆冻胶)是由高分子(如HPAM)溶液转变而来，交联剂(如锆的多核羟
桥络离子)可以使高分子间发生交联，形成网络结构，将液体(如水)包在其中，
从而使高分子溶液失去流动性，即转变为冻胶。
锆冻胶是油田常用的冻胶型堵水剂。锆冻胶是由锆的多核羟桥络离子与HPAM
中的羧基发生交联反应而形成的。体系的pH 值可影响多核羟桥络离子的形成及
HPAM 分子中羧基的量，因此，pH 值可影响锆冻胶的成冻时间和冻胶强度。
2. 凝胶型堵水剂
凝胶是由溶胶转变而来。当溶胶由于种种原因(如电解质加入引起溶胶粒子
部分失去稳定性而产生有限度聚结)形成网络结构，将液体包在其中，从而使整
个体系失去流动性时，即转变为凝胶。油田堵水中常用的是硅酸凝胶。硅酸凝胶
由硅酸溶胶转化而来，硅酸溶胶由水玻璃(又名硅酸钠，分子式Na2O·mSO2)与活
化剂反应生成。活化剂是指可使水玻璃先变成溶胶而随后又变成凝胶的物质。盐
酸是常用的活化剂，它与水玻璃的反应如下:
Na2O·mSiO2 + 2HCl → H2O·mSiO2 + 2NaCl
由于制备方法不同，可得两种硅酸溶胶，即酸性硅酸溶胶和碱性硅酸溶胶。
这两种硅酸溶胶都可在一定的条件(如温度、pH 值和硅酸含量)下，在一定时间
内胶凝。评价硅酸凝胶堵水剂常用两个指标，即胶凝时间和凝胶强度。胶凝时间
是指硅酸体系自生成至失去流动性的时间。凝胶强度是指凝胶单位表面积上所能
承受的压力。
3. 沉淀型堵水剂
沉淀型堵水剂由两种可反应产生沉淀的物质组成。水玻璃-氯化钙是油田最常用
的沉淀型堵水剂，它通过如下反应产生沉淀:
Na2O·mSiO2 + CaCl2 → CaO2·mSiO2 + 2NaCl
4. 悬浮体型堵水剂
悬浮体是指溶解度极小但颗粒直径较大(大于10-5cm)的固体颗粒分散在溶
液中所形成的粗分散体系。分散体系中的固体颗粒可以在多孔介质的喉道处产生
堵塞作用。油田中常用的分散体型堵水剂是粘土悬浮体型堵水剂。粘土悬浮体中
的粘土颗粒可用聚合物(如HPAM)絮凝产生颗粒更大、堵塞作用更好的絮凝体堵水
剂。絮凝是聚合物(HPAM)在粘土颗粒间通过桥接吸附形成。
三．实验仪器与药品
1. 仪器
100ml 烧杯，10ml 具塞刻度试管，5ml、25ml 量筒，玻璃棒，广泛pH 试纸。
2. 药品
聚丙烯酰胺，氧氯化锆，水玻璃，氯化钙，盐酸，粘土。
四、实验步骤
1. 锆冻胶堵水剂的制备与性质
取3 个100ml 烧杯，用量筒各加入质量分数为5×10-3 的聚丙烯酰胺水溶液
20ml,其中一个烧杯中滴加6 滴质量分数为1×10-2 的盐酸，另一烧杯中滴加7
滴质量分数为1×10-2 的NaOH，搅拌均匀，用广泛pH 试纸测定三个烧杯中聚丙
烯酰胺溶液的pH 值，然后向三份聚丙烯酰胺溶液中分别加入2ml 质量分数为5
×10-3 的ZrOCl2 溶液(注意:边用玻璃棒搅拌，边缓慢加入)，观察并记录冻胶
形成的现象(注意记录成冻时间)和冻胶的强度(用玻璃棒挑起程度衡量)。
2. 硅酸凝胶堵水剂的制备与性质
取三支10ml 具塞刻度试管，加入质量分数为0.1 的水玻璃5ml，用滴管向三
支试管中依次加入质量分数为0.1 的盐酸11 滴、13 滴、15滴并摇匀，观察凝胶
的生成并记录胶凝时间，待三支试管中全部胶凝后用玻璃棒插入凝胶，从玻璃棒
插入的难易排出三种凝胶强度的顺序。
3. 水玻璃—氯化钙沉淀型堵水剂的制备与性质
取一支10ml 的具塞刻度试管，加入质量分数为0.1 的水玻璃5ml，然后用滴
管逐滴加入质量分数为0.1 的氯化钙溶液，摇匀，观察硅酸钙沉淀的生成情况。
五、实验结果处理
表1 堵水剂的制备与性质实验数据记录及处理
堵 剂 类 型 锆冻胶堵剂 硅酸凝胶堵剂 水玻璃氯化
钙沉淀型堵
剂

实验数据与现象 加入质量分数1×10-2的HCL或NaOH（滴） 测试项目 加入质量分数0.1的
HCL（滴）

测试项目 立即生成白
色絮状沉淀

PH值 冻胶强度（是否挑起） 凝胶时间（min） 凝胶强度（排出
顺序）
无 5 完全挑起 12 11’22” 弱

HCL 6 1 不能挑起 14 1’25’’ 中

NaOH 7 11 不能挑起 16 51’’ 高
答：（1）根据实验结果得：PH值过高或过低均会影响冻胶强度，锆冻胶是由锆
的多核羟桥络离子与HPAM溶液交联而来，而体系的pH值可影响多核羟桥络离子的
形成及HPAM 分子中羧基的量，因此，pH值影响锆冻胶的成冻时间和冻胶强度。
所以未加HCl及NaOH溶液的第一组能够完全挑起形成的锆冻胶。
（2）凝胶是由溶胶转变而来，硅酸溶胶由水玻璃(又名硅酸钠，分子式Na2O·mSO2)
与活化剂反应生成。活化剂是指可使水玻璃先变成溶胶而随后又变成凝胶的物
质。盐酸是常用的活化剂，它与水玻璃的反应如下:
Na2O·mSiO2 + 2HCl → H2O·mSiO2 + 2NaCl
由于盐酸是常用的活化剂，所以在适当的浓度范围内，随着HCl的量的增加，凝
胶时间减少(HCl能够促进反应的进行)，凝胶强度增强。
（3）沉淀型堵水剂由两种可反应产生沉淀的物质组成。水玻璃-氯化钙是油田最
常用的沉淀型堵水剂，它通过如下反应产生沉淀:
Na2O·mSiO2 + CaCl2 → CaO2·mSiO2 + 2NaCl
因此向水玻璃中用滴管逐滴加入质量分数为0.1 的氯化钙溶液时会产生白色絮
状沉淀。
六、思考题
1. 解释pH 值对锆冻胶生成的影响。
答：锆冻胶是用4Zr组成的多核羟桥离子交联溶液中带-COO-的聚合物（如
HPAM）生成，4Zr通过络合、水解、羟桥作用、进一步水解和羟桥作用等反应生
成锆的多核羟桥络离子然后锆的多核羟桥络离子交联带-COOH-的聚合物（如
HPAM）生成交联体。其中在水解、进一步水解和羟桥作用两步反应中生成1H，
如果pH 值太低，则会抑制这两步反应的进行，从而使锆的多核羟桥络离子生成
量减少，使得锆冻胶生成量减少；而pH 值太高，阳离子（如1Na）会与—COOH-
反应，从而使发生交联反应的锆的多核羟桥络离子量减少，从而使得锆冻胶生成
量减少。所以PH值不可太高或太低，太高或者太低均会使锆冻胶生成量减少。
2. 本实验中制备的硅酸凝胶是碱性硅酸凝胶还是酸性硅酸凝胶，解释原因。
答：是碱性硅酸凝胶。因为是将盐酸加入到水玻璃中反应，硅酸根离子过量，根
据Fajans法则，胶粒表面带负电，所以是碱性硅酸溶胶。
七、实验总结
本实验介绍了几种堵水剂的制备方法，几种堵水剂的形成机理及其使用性
质，实验过程中要注意团队之间的合作。在记录硅酸凝胶的时间时要时刻注意观
察，避免凝胶已经形成，却没有记录时间。