新型化學(xué)防砂劑的合成及性能評價

趙建華，劉煒

(1.西南石油大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，四川 南充 637000;2.中國石化江漢油田分公司采油工藝研究院，湖北 潛江 433123)

據(jù)資料統(tǒng)計，我國有接近1/3 的油藏為疏松砂巖油藏，具有分布廣、儲量大等特點，在開發(fā)過程中很容易出砂，而出砂又是提高采油率的主要障礙，出砂嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致油氣井報廢，油氣井出砂成為了這類油藏開采的主要矛盾［1］。如果砂害得不到治理，油、氣井出砂會越來越嚴(yán)重，致使油、氣井不能有效開發(fā)。

近年來，隨著石油工業(yè)的高速發(fā)展，防砂技術(shù)不斷完善，日趨成熟，逐步形成了防砂綜合配套技術(shù)體系。但是目前的化學(xué)防砂方法普遍存在一些缺點［2］。

本文合成了新型的化學(xué)防砂劑，并對其性能進(jìn)行了評價，該防砂劑防砂效率高、原料來源廣、價格便宜，具有良好的應(yīng)用前景。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

AM、DMDAAC、過硫酸銨、水玻璃、OP-10 等均為分析純;石英砂，工業(yè)級。

防砂劑評價儀，自制;Paragon 1000 型紅外光譜儀。

1.2 合成

采用氧化還原劑引發(fā)體系，通過泡沫分散聚合法制備。將一定量的AM、DMDAAC、尿素、水玻璃、OP-10 依次溶于純水中，加入一定量的引發(fā)劑，攪拌均勻，置于30 ℃水浴中反應(yīng)30 min 即得產(chǎn)物。

1.3 性能測定

1.3.1 耐溫性 ①在恒壓的情況下注入1 個孔隙度飽和度為1 的鹽水，收集流出的砂子，抽濾收集到的液體，收集砂，然后在50 ℃條件下干燥、稱重;②以同樣的重量填砂，先注入聚合物至飽和，聚合物濃度為0.3%，0.5%，0.6%，0.7%，0.8%，0.9%。在恒壓情況下反向注入1 個孔隙體積的飽和鹽水，然后收集砂，干燥、稱重;③在不同溫度下重復(fù)以上2個步驟。根據(jù)出砂量，計算聚合物固砂效率。

1.3.2 耐沖刷性 在室溫，不同驅(qū)動壓力下做防砂實驗，考察濃度為0.3%化學(xué)防砂劑的耐沖刷能力。收集流出的砂子，烘干、稱量，計算防砂率。

1.3.3 防砂劑的擋砂性 分別用100 目、150 目、170 目、200 目4 個等級的篩子，篩出4 種不同粒徑的石英砂。將不同粒徑的石英砂裝填進(jìn)填砂管中，壓實，在壓差為0.3 MPa 的條件下，連續(xù)注入鹽水，觀察砂粒流出的情況。

1.3.4 與其他介質(zhì)的配伍性 將防砂劑填入填砂管中，在60 ℃條件下固結(jié)。將固結(jié)體分別浸泡于鹽水、煤油、5%HCl 溶液、5%NaOH 溶液中。浸泡5 d后取出，測量其抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 防砂劑的IR 分析

防砂劑以KBr 壓片制樣，紅外光譜見圖1。

圖1 防砂劑的紅外光譜Fig.1 IR Spectrum of sand control age nt

由圖1 可知，3 413.39 cm－1為AM 中酰胺基—CONH2中NH2反對稱伸縮振動峰，3 739.30 cm－1為O—H 伸縮振動峰，3 185.83 cm－1酰胺基N—H伸縮振動峰;2 931.27 cm－1烯烴 CH 伸縮振動峰，2 865. 70 cm－1是甲基C—H 伸縮振動峰，1 660.41 cm－1是酰胺Ⅰ帶、Ⅱ帶和酯基中的羰基伸縮振動疊合而成的，1 612.20 cm－1是烯烴 C C 伸縮振動(共軛)峰，1 450.21 cm－1酰胺基N—H 變形振動峰;1 413.57 cm－1是DMDAAC 中胺的C—N 鍵伸縮振動峰，1 315.21，773.32 cm－1是N—O 對稱伸縮振動峰;1 085.73 cm－1是Si—O—Si 的伸縮振動峰。

2.2 耐溫性

控制壓力為0.3 MPa，在不同溫度條件下，對聚合物的防砂率進(jìn)行測定，考察化學(xué)防砂劑的耐溫性能，結(jié)果見圖2。

圖2 不同溫度下聚合物的出砂量Fig.2 The sanding of polymer under the different temperature

由圖2 可知，在溫度比較低時，含硅防砂劑和不含硅的防砂劑的下降率差不多，但是隨著溫度的升高，不含硅的防砂劑的防砂率下降得很快。說明含硅的防砂劑的耐溫性能比不含硅的防砂劑的耐溫性能要好。這是因為Si—O 是組成硅樹脂硅氧鏈的基本骨架，Si—O 鍵長較長，鍵角較大，鍵能約450 kJ/mol;Si—O 之間的dπ—Pπ配鍵的相互補(bǔ)償，與Si—O 偶極間的相互補(bǔ)償，使硅氧鏈形成螺旋結(jié)構(gòu)，這樣硅氧鏈間相互作用小，表面張力小;Si—C鍵鍵能比C—C 鍵鍵能低，但在Si—C 可以形成dπ—Pπ配鍵，使體系能量下降［3］。由于硅樹脂具有網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，交聯(lián)點密集，在樹脂網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，Si—O主鏈以網(wǎng)狀形態(tài)被包埋在Si 取代基內(nèi)，Si 取代基如—CH3、—C6H5等向外，起到屏蔽作用，使Si—O 主鏈不易受到其他物質(zhì)的攻擊，同時網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)提高了主鏈斷裂活化能，原子間化學(xué)鍵在高溫下不容易斷裂。因此，含硅的防砂劑具有優(yōu)異的抗溫性［4］。

2.3 耐沖刷性

防砂劑濃度為0.3%，在壓力為0.3 ～0.7 MPa的條件下，防砂實驗結(jié)果見圖3。

圖3 不同壓力下聚合物的耐沖刷性Fig.3 The abrasion resistance of polymer under different pressure

由圖3 可知，隨著壓力加大，防砂效率逐漸減小，含硅樣品的出砂量比不含硅的樣品降低得慢，耐沖刷性更加良好。因為含硅防砂劑的合成原料中有硅，陽離子的基團(tuán)與含硅基團(tuán)進(jìn)行共聚后，形成含氧離子基團(tuán)的硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，粘土是帶負(fù)電性的，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能緊密的吸附在地層的表面，從而對細(xì)砂起到很好的阻擋作用。

2.4 阻擋出砂性能

防砂劑阻擋出砂結(jié)果見表1。

表1 不同粒徑石英砂出砂情況Table 1 The sanding of different particle size

由表1 可知，在壓差為0.3 MPa 條件下，連續(xù)注入鹽水和防砂劑，當(dāng)石英砂粒徑在74 μm 以上時，基本上沒有砂從填砂管流出;當(dāng)石英砂粒徑≤74 μm 時，有砂子從填砂管中流出。合成的化學(xué)防砂劑對粒徑大于0.074 mm 的石英砂有較好的阻擋作用。因為留在多孔介質(zhì)中的聚合物基團(tuán)和網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)能有效地降低多孔介質(zhì)的喉道半徑，如果砂粒的尺寸大于孔喉尺寸的1/4，就會造成有效封堵，可以防止稍大于尺寸的細(xì)粉砂流出，而不封堵小的細(xì)粉砂的流動，這樣既可以起到防砂的作用，又可以提高油井產(chǎn)量。

2.5 與其他介質(zhì)的配伍性

防砂劑與其他介質(zhì)的配伍性實驗結(jié)果見表2。

表2 防砂劑與其他介質(zhì)配伍性能評價Table 2 The compatibility of sand control agent and formation fluid

由表2 可知，在鹽水和5%的NaOH 溶液中浸泡5 d 后，防砂劑的抗壓強(qiáng)度保持基本不變;在煤油和5%的鹽酸中浸泡7 d 后，固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度雖有降低但幅度不大，說明該防砂劑與其它介質(zhì)的配伍性良好。因為硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以防止在鹽水中發(fā)生卷曲，提高了其抗壓強(qiáng)度;防砂劑能與煤油互溶，酸、堿對陽離子影響小。

3 結(jié)論

(1)以DMDAAC、AM、水玻璃、OP-10 為主要原料合成了新型含硅防砂劑。

(2)新型的含硅防砂劑具有網(wǎng)絡(luò)狀的結(jié)構(gòu)，其抗壓能力比較強(qiáng)，有較強(qiáng)的耐沖刷性。

(3)防砂劑對粒徑為0.074 mm 以上的砂子具有良好的阻擋作用。

(4)將固結(jié)好的固結(jié)體分別浸泡于鹽水、煤油、5%HCl、5%NaOH 溶液中，比較抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明，防砂劑與其他介質(zhì)的配伍性良好。

［1］ 李賓元，稅其達(dá)，廖潤康，等. 水平井和防砂［M］. 成都:成都科技大學(xué)出版社，1994:188-212.

［2］ 陳大鈞，陳二丁，韓利娟.用于防砂的高滲透水泥漿體系［J］.鉆井液與完井液，2000，17(2):19-21.

［3］ 杜作棟，陳劍華，貝小來，等. 有機(jī)硅化學(xué)［M］. 北京:高等教育出版社，1990:129-183.

［4］ 王丁，程斌，黃朝.改性元素有機(jī)硅樹脂高濕膠粘劑的研制［J］.江西科學(xué)，2002，20(4):220-222.