高溫復配防砂劑的合成及防砂效果評價

高睿

(大慶油田第三采油廠 地質(zhì)大隊開發(fā)室，黑龍江 大慶 163113)

我國擁有豐富的稠油資源，探明地質(zhì)儲量已達20.6 ×108t，是世界第四大稠油產(chǎn)出國［1］。但由于稠油本身高粘度、高密度、低流度等特性，目前工業(yè)性開采稠油技術主要是蒸汽熱采，即蒸汽吞吐和蒸汽驅［2-3］;但由于稠油油藏的疏松性和蒸汽沖洗等因素，加劇了開采過程中的出砂、汽竄等現(xiàn)象［4］。針對該問題結合國內(nèi)外防砂、封堵等技術［5-6］，因此，本文提出了以水溶性酚醛樹脂為主劑的復配防砂技術，改善了水溶性酚醛樹脂的耐溫性和縮水性，同時實現(xiàn)了防砂、封堵等多功能一體化，滿足了蒸汽熱采需求，該技術為高效開發(fā)稠油油藏提供重要的依據(jù)，且具有一定的推廣價值。

1 高溫復配防砂劑優(yōu)選及性能評價

高溫復配防砂劑優(yōu)選基本原理:稠油油藏蒸汽熱采時，具有多功能復配防砂劑應具有低溫成膠(地層溫度65 ℃)、耐高溫(可達300 ℃以上)、封堵、防砂等一體化特性，本實驗采用水溶性酚醛樹脂溶液與無機硅化物復配，克服了水溶性酚醛樹脂本身耐溫性、縮水性等缺陷，滿足蒸汽熱采的要求。

1.1 材料與儀器

按文獻［5］自制水溶性酚醛樹脂;無機硅化物、交聯(lián)劑等均為分析純。

SA 型電子分析天平(0.000 1 g);6511 型電動攪拌器;WES-300B 型數(shù)顯萬能液壓實驗機;ECPH5000 型酸度計(pH 計);YSL-DHS-500 型恒溫箱;CF-B 型溫水浴;SZ-2 型真空泵;ISCO2100 型計量泵。

1.2 實驗步驟

將規(guī)格Φ25 mm×35 mm 玻璃管一端塞入帶孔的橡膠塞(見圖1)，在其上面鋪一層藥棉，根據(jù)實驗要求配制攪拌均勻的復配混合液，按要求緩慢倒入滿玻璃管，取下玻璃管并密封后進行固化，并截取合適的固化體，進行測試記錄。

圖1 防砂劑性能測試流程圖Fig.1 Evaluation of sand control agent

1.3 實驗結果

影響混合液的因素較多，本次實驗采用多指標正交實驗優(yōu)化法(見表1)，考察了各因素間的影響關系(見圖2)。

表1 正交實驗表Table 1 The orthogonal experiments table

圖2 各因素對指標性能影響關系圖Fig.2 Relationship of sand control between the factors

通過對實驗結果進行極差、方差分析可知，各因素影響程度由大到小為:水溶性酚醛濃度＞無機物濃度＞溫度＞交聯(lián)劑濃度;即水溶性酚醛濃度是最重要影響因素，而交聯(lián)劑濃度是最小影響因素;獲得高溫復配防砂劑的最佳配方:20%酚醛樹脂+0.6%交聯(lián)劑+4%無機硅化物。

1.4 各影響因素對配方性能擬合分析

利用DataFit 軟件對實驗測試指標進行擬合(見圖3)，優(yōu)選出了測試指標與各因素間的關系，即成膠時間與各因素呈現(xiàn)出指數(shù)關系，強度與各因素則呈現(xiàn)出線性關系。測試指標與擬合計算指標誤差均＜5%，故可利用擬合關系式預測各因素對高溫復配防砂劑性能的影響程度;另外，可結合現(xiàn)場施工具體要求，利用擬合關系式調(diào)整配方滿足現(xiàn)場施工要求。

圖3 實驗測試指標擬合圖Fig.3 Figure of fitting experimental data

2 高溫復配防砂劑防砂效果評價

2.1 防砂效果分析

在高溫復配混合液固化過程中，可利用水溶性酚醛樹脂的膠粘性將儲層中砂巖膠結在一起，提高砂體強度和達到防砂目的。

2.1.1 靜態(tài)實驗研究 高溫復配混合液的防砂性能可借鑒正交實驗測試指標;另外，據(jù)文獻［7-8］報道環(huán)境介質(zhì)對防砂性能影響較大。在此利用靜態(tài)實驗系統(tǒng)考察了環(huán)境介質(zhì)對高溫復配防砂劑的影響，即65 ℃條件下，將固化后的高溫復配防砂劑置于油田常見環(huán)境介質(zhì)中浸泡60 d 后測試強度指標(見表2)。

表2 防砂劑于環(huán)境介質(zhì)中浸泡前后強度對比Table 2 Intensity contrast of sand control agent in environmental media

由表2 可知，自來水、油田地層水、5%HCl 溶液等環(huán)境介質(zhì)對高溫復配防砂劑強度有增強作用，分析原因以為該環(huán)境介質(zhì)中含有少量H+，可增加水

溶性酚醛樹脂間的交聯(lián)密度。原油和5%NaOH 溶液等環(huán)境介質(zhì)對高溫復配防砂劑強度具有破壞作用，主要因為OH－的引入，增加了硅羥基間自身交聯(lián)，同時降低了分子間交聯(lián)密度，導致交聯(lián)結構不夠致密。

2.1.2 動態(tài)實驗研究 生產(chǎn)井產(chǎn)液量對疏松油藏中砂粒的沖洗作用、攜砂作用影響較大［8-9］;因此，根據(jù)實驗要求，利用一端裝篩網(wǎng)的砂模型(Φ38 mm×300 mm)模擬疏松儲層，反向注入高溫復配防砂劑，固化后正向注不用速度的蒸汽(300 ℃)，記錄并分析相關數(shù)據(jù)，考察高溫復配防砂劑防砂效果(見表3);實驗結束后，取出口端砂體做電鏡掃描(見圖4)。

表3 高溫復配混合液的巖心評價實驗結果Table 3 Core evaluation of high-temperature complex mixture

圖4 防砂效果電鏡掃描圖Fig.4 Effect of sand control scanning electron microscope

由表3 可知，未注高溫復配防砂劑的砂管模型極易出砂，即注汽速度1. 5 mL/min 時出砂，11 mL/min時大量出砂;但注0.5 PV 高溫復配防砂劑的砂管模型在注汽速度高達200 mL/min 下仍未出砂，其封堵率也達90.7%。表明該高溫復配防砂劑防砂效果顯著，且具有較強的封堵性能，實現(xiàn)了防砂、封堵一體化。另外，圖4 也反映出高溫復配防砂劑的防砂、封堵效果顯著。

2.2 高溫復配防砂劑耐溫性及防砂機理探討

早在1910 年水溶性酚醛樹脂實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，但其分子結構上的酚羥基和羥甲基易氧化［4-5］，導致水溶性酚醛樹脂熱穩(wěn)定性差，在200 ℃時水溶性酚醛樹脂發(fā)生氧化、熱解、碳化等現(xiàn)象，遠遠滿足不了蒸汽熱采(300 ℃)要求;另外，由文獻［6-8］可知，儲層巖石中SiO2高溫下易發(fā)生部分水解，低溫下可生成沉淀;從而限制了水溶性酚醛樹脂在蒸汽熱采中的廣泛應用。利用水溶性酚醛樹脂的改性技術［6，9］，克服了該缺陷，促進了水溶性酚醛樹脂在蒸汽熱采中的推廣。

由圖5 可知，高溫復配防砂劑IR 中980 cm－1處為Si—O 的特征峰，Si—O 被成功地引入復配液中，從而提高了復配液的耐溫性。分析以為主要體現(xiàn)在以下方面:①Si—O 鍵改變了水溶性酚醛樹脂的極性交點，形成了具有無機性能Si—O 立體骨架結構，從而限制了熱分解，提高了耐溫性;②Si—O 鍵增加了元素間的鍵能，即C—O、C—C 鍵能均小于Si—O鍵能，若要破壞Si—O 鍵需要更多能量，進一步提高了耐溫性;③Si—O 鍵可形成硅羥基，增加了網(wǎng)絡結構的致密性，更進一步的提高了耐溫性和耐酸堿性。

圖5 復配防砂劑的紅外光譜圖Fig.5 IR Spectrum of sand control agentA.復配前;B.復配后

另外，高溫復配混合液中無機硅化物可水解形成納米級SiO2，一方面可增強物理吸附作用，提高耐溫性;另外可增強化學交聯(lián)作用，即SiO2與OH－反應產(chǎn)生硅氧烷，達到防砂目的(見圖6)。同時，水溶性酚醛樹脂聚合中產(chǎn)生的水與無機硅化物水解所需水量相當，從而克服了酚醛樹脂縮水性缺陷。

圖6 SiO2與水溶性酚醛羥基縮合反應Fig.6 Reaction of between SiO2 and hydroxyl groups

3 結論

(1)室內(nèi)通過多參數(shù)正交實驗法，優(yōu)選出了復配高溫防砂劑最佳配方，即20%酚醛樹脂+0.6%交聯(lián)劑+4%無機硅化物。結合正交實驗結果，利用DataFit 軟件擬合了配方指標，誤差均＜5%，可根據(jù)現(xiàn)場施工需求，調(diào)節(jié)高溫復配防砂劑配方。

(2)采用動靜態(tài)實驗技術法系統(tǒng)評價了高溫復配防砂劑的防砂、封堵等效果，結果表明具有酸性環(huán)境介質(zhì)對防砂劑具有增強效果，而堿性環(huán)境對其略有破壞性作用，但完全能滿足現(xiàn)場要求。注汽速度200 mL/min 下仍未出砂，且封堵率高達90.7%，具有較好的防砂、封堵效果。

(3)從分子結構的改變、鍵能的變化，分析了復配防砂劑的耐溫性;從納米級SiO2及其與OH－間作用，探討了耐溫性、防砂性及縮水性機理。

［1］ 于連東.世界稠油資源的分布及其開采技術的現(xiàn)狀與展望［J］.特種油氣藏，2001，8(2):98-103.

［2］ 牛嘉玉.稠油資源地質(zhì)開發(fā)及利用［M］.北京:科學出版社，2002:10-13.

［3］ 胡常忠.稠油開采技術［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1998:21-23.

［4］ 黎鋼，張松梅，郝立根.兩步堿催化法合成水溶性酚醛樹脂［J］.中國膠粘劑，2003，12(1):18-21.

［5］ 湯志剛，張三平，趙進，等. 有機硅含量對改性酚醛環(huán)氧樹脂涂料性能的影響［J］.涂料涂裝與電鍍，2006，4(3):6-9.

［6］ 張國榮，嚴錦根，陳應淋，等.FSJ-Ⅲ酚醛樹脂膠粘劑的地下合成［J］.中國膠粘劑，2000，10(3):24-26.

［7］ 秦國偉.非均質(zhì)稠油油藏復合調(diào)驅技術實驗研究［D］.北京:中國石油大學，2010:60-70.

［8］ 戴彩麗，張貴才，周洪濤.中低溫油水井防砂劑實驗研究［J］. 石油大學學報:自然科學版，2001，25(4):58-61.

［9］ 伍林，歐陽兆輝，曹淑超，等. 酚醛樹脂耐溫性的改性研究進展［J］.中國膠粘劑，2005，14(6):45-49.