新型地質(zhì)聚合物濾砂管的制備與耐腐蝕性*

宋金波，魏慶彩，時培正，陳 剛，馬 丁，趙益忠，高雪峰

（1.中國石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東 東營 257000；2.中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部，河北 三河 065201）

勝利油田膠結(jié)疏松的砂巖油田占比較大，約占1/3［1-5］。在疏松砂巖的開發(fā)過程中，防砂是一項重要任務(wù)，而濾砂管防砂在整個防砂工藝中占比巨大［6-8］。隨著油田的深入開發(fā)，尤其是進入高含水期后，油水井出砂問題尤為嚴(yán)重，給防砂帶來了很大的難題。同時，對濾砂管在高滲透性、高強度、抗堵塞、后處理簡便、環(huán)保等方面提出了更高的要求。近些年已研發(fā)了一系列濾砂管，如金屬黏濾砂管［9-10］、精密微孔濾砂管［11］、樹脂濾砂管［12-13］等。其中環(huán)氧樹脂濾砂管在生產(chǎn)過程中使用了膠結(jié)劑、稀料、固化劑等，且須高溫?zé)Y(jié)，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染；同時因其韌性和耐水性差，在運輸、下井過程中易損壞，在井下極易老化，造成濾砂管的使用壽命較短、防砂有效期短等問題，制約了常規(guī)環(huán)氧樹脂濾砂管的應(yīng)用。筆者根據(jù)聚合物的特性［14-15］，研發(fā)了以地質(zhì)聚合物等為原料制備濾砂管的工藝。采用的原材料包括粉煤灰等工業(yè)產(chǎn)出廢料，有效降低環(huán)境污染；研究了原料加量和水熱處理方式對新型地質(zhì)聚合物濾砂管抗壓強度的影響，考察了濾砂管的耐腐蝕性。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

偏高嶺土，工業(yè)級，青島化學(xué)試劑廠；粉煤灰、礦渣，工業(yè)級，勝利發(fā)電廠；黏土，工業(yè)級，上海試劑公司；水玻璃、鹽酸、鋁粉、鋅粉、氯化鈉、硫酸鎂、硫酸鈉、柴油、碳酸氫鈉，分析純，廣東汕頭市西隴化工廠；石英砂，工業(yè)級，勝利油田金島實業(yè)有限責(zé)任公司孤島防砂材料廠；去離子水。通孔地質(zhì)聚合物無機固砂材料漿料（或固體模）主要包括水玻璃、偏高嶺土、粉煤灰、黏土、0.4數(shù)0.8 mm石英砂、造孔劑等。

SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵，鞏義市英鵠予華儀器廠；臥式行星球磨機，QM-WX4 南京大學(xué)儀器廠；202型電熱恒溫干燥箱，北京科偉永興儀器有限公司；KSF1600X 高溫爐，前錦爐業(yè)有限責(zé)任公司；CQ-G53 高溫馬弗爐，洛陽純青爐業(yè)有限公司；ZH.DG-80 型混凝土實驗用振動臺，無錫建儀儀器機械有限公司；DNS100電子萬能壓力試驗機，長春試驗機研究所有限公司；S-3400N掃描電子顯微鏡，日本日立公司；TD-2500型X射線衍射儀，丹東通達儀器有限公司；材料模具，邊長為20.00 mm的正方體；游標(biāo)卡尺，德國浦京工具集團有限公司；AutoPore IV 9500 壓汞儀，美國Micromeritics 儀器有限公司；DZDR-R導(dǎo)熱儀，南京大展機電技術(shù)研究所。

1.2 實驗方法

（1）抗壓強度的測定。將配制好的通孔地質(zhì)聚合物無機固砂材料漿料（含水量12%、水玻璃與礦渣質(zhì)量比為0.30、含砂量70%、粒徑為200 目（74 μm）鋅粉量1.6%，簡稱地聚物基料）注入模具中，在60℃養(yǎng)護1 d，之后常溫養(yǎng)護1、3、7 d，若需水浴處理再在水熱釜中120℃養(yǎng)護1、3、7 d，用電子萬能壓力試驗機測定其抗壓強度。

（2）滲透率的測定。將凝固后的通孔地質(zhì)聚合物無機固砂材料固體模即新型地質(zhì)聚合物濾砂管樣件（簡稱固體模）取出，養(yǎng)護方法同上。用砂紙磨平端面，去掉表面的油污，按照中國石油化工集團公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SH 1020 1499—2013《高滲透率固結(jié)巖心滲透率測定方法》測定水相滲透率。

（3）耐腐蝕性評價。在含水量12%、水玻璃與礦渣質(zhì)量比0.30、含砂量70%、粒徑為74 μm鋅粉加量1.8%的條件下制備新型地質(zhì)聚合物濾砂管，然后將濾砂管分別置于常溫和60℃的空氣中3 d，在60℃下浸泡在蒸餾水、20% NaCl、10% NaHCO3、10% Na2SO4、10% MgSO4、2%鹽酸以及柴油中3 d，測試其抗壓強度的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 固體?？箟簭姸扔绊懸蛩?/h3>

2.1.1 水玻璃與礦渣比的影響

水玻璃與礦渣質(zhì)量比對固體?？箟簭姸鹊挠绊懸姳?。水玻璃加量會影響體系的反應(yīng)程度及抗壓強度。水玻璃量增加會使［SiO4］2-基團的量增大，有利于膠凝材料的聚合，使材料的強度升高，骨架整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性增加。但當(dāng)水玻璃加量進一步增大時，水玻璃自聚，抗壓強度降低。選擇水玻璃和礦渣比為0.30進行后續(xù)實驗。

表1 水玻璃與礦渣質(zhì)量比對固體?？箟簭姸鹊挠绊?/p>

2.1.2 含砂量的影響

含砂量對于濾砂管的成型及抗壓強度有較大影響，還可影響濾砂管的滲透性。由表2可見，固體模（低聚物基料固結(jié)后形成的固體模）不含砂時的抗壓強度較大；當(dāng)砂量為10%數(shù)70%時，抗壓強度基本不變；當(dāng)砂量為80%時，抗壓強度劇減。含砂量少，固結(jié)材料相對較多，膠結(jié)較好，抗壓強度受影響不大；含砂量太多，固結(jié)材料相對較少，會導(dǎo)致制作濾砂管時出現(xiàn)掉渣脫落等現(xiàn)象，無法形成較為規(guī)則且強度滿足擋砂需求的濾砂管。為了使濾砂管成型較好，又能滿足一定的抗壓強度，適宜的含砂量為70%。

表2 含砂量對固體?？箟簭姸鹊挠绊?/p>

2.1.3 造孔劑的影響

在地聚物基料配方中加入造孔劑如鋁粉或鋅粉，可形成多孔體系。這在保證強度的前提下，提高防砂篩管的滲透率十分必要。造孔劑的加量及粒徑對地聚物材料的滲透率和抗壓強度有較大影響。

2.1.3.1 造孔劑加量

在地聚物基料配方中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%數(shù)2%的鋁粉，制備的濾砂管具有多孔不均勻的問題。而加入1%數(shù)2%鋅粉制備的多孔濾砂管孔徑小且多、均勻無明顯缺陷。因此，鋅粉更適用于多孔濾砂管造孔。造孔劑鋁粉或鋅粉加量對地聚物材料滲透率和抗壓強度的影響見表3。鋁粉和鋅粉加量相同時，鋅粉制備的多孔濾砂管滲透率高，抗壓強度低。為了滿足防砂井產(chǎn)液及擋砂對于滲透率和抗壓強度的需求，鋁粉質(zhì)量應(yīng)為固體總質(zhì)量的1.8%，鋅粉質(zhì)量應(yīng)為固體總質(zhì)量的1.6%。綜上，制備濾砂管選用鋅粉作為造孔劑，適宜的加量為1.6%。

表3 鋁粉或鋅粉加量對固體模滲透率和抗壓強度的影響

2.1.3.2 造孔劑粒徑

在含水量12%、水玻璃與礦渣質(zhì)量比0.30、含砂量0.7 和造孔劑加量1.6%的條件下，造孔劑（鋅粉）粒徑對固體模滲透率及抗壓強度的影響見表4。造孔劑加量相同時，隨粒徑降低（目數(shù)增加），地聚物材料滲透率變化較小，但抗壓強度增加。40目的顆粒較大，顆粒量少，抗壓強度較低；且顆粒量少的情況下，分布容易不均勻。200 目的造孔劑分布較均勻，滲透率能滿足防砂需求，且抗壓強度高，故選擇造孔劑的粒徑為200目。

表4 造孔劑粒徑對固體模滲透率和抗壓強度的影響

2.1.4 水熱處理的影響

水熱處理對固體模的影響主要是發(fā)生了水熱反應(yīng)。水熱反應(yīng)從動力學(xué)角度提高了堿溶階段、硅鋁凝膠基團形成階段、聚合反應(yīng)階段、網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)優(yōu)化各階段的化學(xué)反應(yīng)速度，利于生成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。水熱處理對固體模抗壓強度的影響見表5。隨養(yǎng)護時間延長，水熱處理前后的固體?？箟簭姸染饾u增加。固體模水熱處理1、3、7 d 后，地聚物材料抗壓強度分別增加了11.2%，29.6%，19.7%。固體模經(jīng)水熱處理后，抗壓強度可增加約20%。

表5 水熱處理對固體模抗壓強度的影響

2.2 地聚物材料耐腐蝕性

新型地質(zhì)聚合物濾砂管入井后，其耐腐蝕、沖蝕性能對其防砂效果及壽命有很大影響。固體模在常溫和60℃的空氣中放置3 d后的抗壓強度分別為9.8 MPa 和10.45 MPa；在60℃下浸泡在蒸餾水、20%NaCl、10%NaHCO3、10%Na2SO4、10%MgSO4、2%鹽酸以及柴油中3 d 后的抗壓強度分別為10.0、10.3、10.5、10.51、10.48、5.75、10.7 MPa。固體模在不同溫度的空氣、水、堿（NaHCO3）、鹽溶液以及柴油中靜置或浸泡后，抗壓強度基本沒有變化，說明該材料可耐堿、油、鹽水的侵蝕。固體模在鹽酸溶液中浸泡后出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象，抗壓強度明顯降低。該材料不耐鹽酸腐蝕，因此進行酸洗、酸化工藝的井選用該濾砂管時，應(yīng)在下濾砂管前進行徹底的洗井，排除殘酸。

3 結(jié)論

在水玻璃和礦渣質(zhì)量比為0.30、含砂量為70%、造孔劑鋅粉（粒徑200 目）加量1.6%的條件下制備的新型地質(zhì)聚合物濾砂管樣件抗壓強度約為10 MPa，滲透率可達12 μm2；水熱處理基本不影響濾砂管的滲透性，但可使抗壓強度增至13.75 MPa，滿足防砂工藝的需求。地聚物材料具有良好的耐堿、油、鹽水腐蝕的性能，可有效延長防砂有效期，但不耐鹽酸腐蝕，在應(yīng)用時應(yīng)進行先期處理。