弱膠結(jié)砂巖儲層分子膜穩(wěn)定劑體系的制備與性能*

李常友，陳 雪，李 鵬，張川庭，馬朋舉

（1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院，山東東營257000；2.中國石化勝利油田分公司生產(chǎn)運行管理中心，山東東營257000）

0 前言

出砂地層根據(jù)地層砂膠結(jié)強(qiáng)度大小可分為3種類型，即流砂地層、部分膠結(jié)地層（弱膠結(jié)地層砂）和脆性砂地層。流砂地層沒有有效的膠結(jié)物，地層極易出砂，多采用濾砂管、礫石充填等機(jī)械防砂工藝防止出砂。脆性砂地層有較多的膠結(jié)物，通過控制生產(chǎn)采液強(qiáng)度和裸眼礫石充填等防砂工藝可阻止地層出砂。而弱膠結(jié)地層的膠結(jié)物數(shù)量少、膠結(jié)力弱，地層強(qiáng)度低，該類儲層多采用向地層注入各類膠結(jié)劑，增加地層膠結(jié)物，實現(xiàn)控砂目的［1-3］。目前常用的膠結(jié)劑主要有3類［4-10］：無機(jī)類、樹脂類和陽離子季銨鹽類膠結(jié)劑。其中，無機(jī)類膠結(jié)劑的成本低、強(qiáng)度高，但是滲透性差；樹脂類膠結(jié)劑的強(qiáng)度高，但對儲層滲透率的傷害大。陽離子季銨鹽類膠結(jié)劑通過物理吸附實現(xiàn)穩(wěn)砂，對巖心滲透率的影響小，但耐沖刷性差。本文報道了一種集合樹脂膠結(jié)劑的強(qiáng)度好和季銨鹽對滲透率傷害小等優(yōu)點的耐沖蝕分子膜穩(wěn)定劑，研究了該穩(wěn)定劑的耐沖蝕性、穩(wěn)砂抑砂性及流體滲流性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

苯酚改性環(huán)氧樹脂，自制；37%甲醛，工業(yè)一級品，濟(jì)南有機(jī)化工廠；環(huán)氧氯丙烷，一級品，天津市大茂化學(xué)試劑廠；γ-氨丙基三乙氧基硅烷，一級品，河北蓋縣化工廠；草酸分析純，濰坊鑫發(fā)化工有限公司；石英砂，0.425數(shù)0.85 mm，蘭州安寧堡型砂廠；丙烯酰胺（AM），工業(yè)級，日本三井公司；二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC），工業(yè)級，武漢市富化公司；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC），工業(yè)級，江蘇無錫新宇化工有限公司；丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DAC），工業(yè)級，上海攀峰化工廠；V-50，化學(xué)純，上海廣創(chuàng)景進(jìn)出口有限公司；β-二甲胺基丙腈，化學(xué)純，上海三愛思試劑廠；氫氧化鈉，化學(xué)純，市售；過硫酸銨、亞硫酸氫鈉、尿素、EDTA、氨水等，均為分析純，市售；天然巖心，直徑2.47 cm、長度3數(shù)5 cm；實驗用水為實驗室用自來水；煤油。

Nicolet iS50 ATR-FTIR紅外光譜儀，賽黙飛世爾科技（中國）有限公司；Bruker超導(dǎo)脈沖傅立葉變換核磁共振波譜儀，瑞士Bruker有限公司；R-1005-R-1005旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，鄭州紫拓儀器設(shè)備有限公司；LDY-1型巖心流動試驗裝置，中國石油大學(xué)（華東）儀表廠；Fann-35型數(shù)字式黏度計，北京科氏力科學(xué)儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 分子膜穩(wěn)定劑粉劑MS的合成

在四口燒瓶中按一定比例加入AM、DMC和有機(jī)硅偶聯(lián)劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷，加入無水有機(jī)溶劑DMF溶解，通N2除氧0.5 h，緩慢升溫至65℃，通過恒壓滴液漏斗加入一定量無水DMF溶解的AIBN引發(fā)劑溶液，反應(yīng)10數(shù)12 h后自然冷卻過濾，得白色粉末狀分子膜穩(wěn)定劑產(chǎn)物MS，將產(chǎn)物用丙酮或乙醇洗滌、干燥，密封保存。

1.2.2 分子膜穩(wěn)定劑液劑的制備

將497.5 mL的去離子水倒入兩口燒瓶中，啟動攪拌器，調(diào)節(jié)攪拌器的轉(zhuǎn)速至攪拌槳槳葉中軸上部高于液體形成的漩渦中心，保持均勻轉(zhuǎn)速。緩慢加入2.5 g的分子膜穩(wěn)定劑MS粉料，待所有分子膜穩(wěn)定劑粉料全部加完后持續(xù)攪拌5 min，形成均勻的分子膜穩(wěn)定劑液劑。

1.2.3 MS結(jié)構(gòu)表征

將粉劑MS采用溴化鉀壓片，用紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜分析；將粉劑MS溶解在氘代水中，采用核磁譜儀進(jìn)行核磁氫譜分析。

1.2.4 性能測試

分子膜耐沖刷性能測定：秤取一定量的高分子膜，放入水中溶脹24 h，取出高分子膜擦干膜表面溶劑或水，稱重后記錄，再次干燥后秤重，計算吸水率。以國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 531.1—2008、GB/T 528—2009規(guī)定的方法測定高分子膜的邵氏硬度、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率。

穩(wěn)砂抑砂性能測定：依據(jù)Q/SLCG 0097—2014《分子膜抑砂劑技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)測定樣品溶液的抑砂能力。

流體滲流性能測定：將60 g粒徑為0.4數(shù)0.8 mm的石英砂和20 g粒徑分別為≤0.01、0.01數(shù)0.05、0.05數(shù) 0.1、0.1數(shù) 0.2 mm的地層砂混勻，從管的一端裝入有機(jī)玻璃管（φ2.5 cm×10 cm），填入時邊裝邊用有機(jī)玻璃棒壓實，兩端分別用出口孔徑為0.5 cm的金屬帽封住，保證每次試驗條件相同。將機(jī)玻璃管水平放置，備用。分別在不同溫度（30、60、90℃）、相同泵流量（3 mL/min）下，抽真空、飽和地層水2 PV，并測出巖心滲透率K；再反向注入一定量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的MS分子膜穩(wěn)定劑體系，靜置反應(yīng)8 h，再測定砂管的水相（實驗室自來水）滲透率Kw和油相（煤油）滲透率Ko。

2 結(jié)果與討論

2.1 MS分子膜穩(wěn)定劑的結(jié)構(gòu)分析

MS分子膜穩(wěn)定劑的紅外譜圖如圖1所示。其中，3384、3176 cm-1處為丙烯酰胺中N—H對稱和反對稱伸縮振動吸收峰，2950 cm-1處為甲基特征吸收峰，1660 cm-1處為酰胺基團(tuán)中C=O伸縮振動吸收峰，1474 cm-1處為亞甲基中C—H彎曲振動吸收峰，1075 cm-1處為 Si—O—Si特征吸收峰，1142、949、760 cm-1處為Si—C特征吸收峰。

圖2是MS分子穩(wěn)定劑的核磁氫譜圖。0.53 ppm處為Si—CH2上質(zhì)子峰，0.88 ppm處為主鏈上甲基質(zhì)子峰，1.18數(shù)1.23 ppm處為有機(jī)硅支鏈及季銨鹽支鏈上亞甲基質(zhì)子峰，1.56數(shù)1.73 ppm處為主鏈亞甲基上的質(zhì)子峰，2.34 ppm處為主鏈聚丙烯酰胺單元中次甲基—CH—質(zhì)子峰，3.12數(shù)3.34 ppm處為季銨鹽上連接的亞甲基質(zhì)子峰，3.62 ppm處為有機(jī)硅側(cè)鏈上甲氧基上的質(zhì)子峰，4.00 ppm處為季銨鹽上的甲基質(zhì)子峰。各結(jié)構(gòu)單元的質(zhì)子峰均在核磁氫譜中出現(xiàn)，結(jié)合紅外光譜分析可以證明產(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物——MS穩(wěn)定劑。

圖1 MS穩(wěn)定劑的紅外光譜圖

圖2 MS穩(wěn)定劑的核磁氫譜圖

2.2 分子膜的耐沖刷性

MS分子膜穩(wěn)定劑合成時，在分子鍵中引入親水基團(tuán)，使得其干燥所形成的膜產(chǎn)生了一定的親水性。圖3為不同溫度下MS分子膜在蒸餾水中的吸水率。在30數(shù)90℃溫度范圍內(nèi)，MS分子膜的最大吸水率不高于4%。在分散體成膜過程中由于親水鏈段極性較大而聚集形成親水微區(qū)，通過交聯(lián)后成膜，分子鏈運動受阻，形成的親水微區(qū)較小，被交聯(lián)區(qū)域封閉，從而使MS分子膜穩(wěn)定劑具有低的水溶脹率。

圖3 不同溫度下分子膜在蒸餾水中的吸水率

通過測試MS分子膜的機(jī)械性能發(fā)現(xiàn)，該分子膜的邵氏硬度為60、拉伸強(qiáng)度為2.5 MPa、斷裂伸長率可達(dá)到112%。表明由MS所形成的高分子膜具有較高的硬度和較大的拉伸強(qiáng)度，故MS分子膜的耐沖蝕性能較好。

2.3 穩(wěn)砂抑砂性能

出砂濃度可反應(yīng)穩(wěn)定劑對地層砂的抑砂能力。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，MS分子膜穩(wěn)定劑對不同粒徑的地層砂的抑砂能力見表1，處理量2.0 PV、處理時間8 h?？瞻讟悠返貙由暗某錾皾舛仍?.2數(shù)3.3 g/L之間，粒徑小于0.01 mm時，空白樣品出砂濃度高達(dá)3.206 g/L。隨著MS穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，出砂濃度逐漸降低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%時，不同粒徑的地層砂的出砂濃度均低于0.15 g/L，說明MS穩(wěn)定劑對地層砂有較強(qiáng)的穩(wěn)砂抑砂能力。MS穩(wěn)定劑在聚合物分子鏈上接枝陽離子季銨鹽、有機(jī)硅基團(tuán)；通過陽離子季銨鹽的電性吸附可以改變砂巖表面電性，通過有機(jī)硅基團(tuán)與細(xì)粉砂表面的羥基縮合起到穩(wěn)砂的作用，游離砂等細(xì)小微粒通過物理吸附、化學(xué)鍵合等共同作用牢固地穩(wěn)定在骨架砂表面，避免微粒運移，達(dá)到防止出砂的目的。

表1 出砂濃度與使用濃度（60℃）的關(guān)系

2.4 流體滲流性能

向巖心中注入一定體積的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的MS穩(wěn)定劑體系，老化處理8 h后，再分別注入實驗室自來水或煤油，MS穩(wěn)定劑體系的注入體積對巖心的水相滲透率和油相滲透率的影響分別見圖4和圖5。隨著MS穩(wěn)定劑體系注入體積的增大，在水的作用下其在砂粒表面不斷吸附累積，巖心的水相滲透率降低幅度增大，注入體積從0增至2.5 PV時，巖心的水相滲透率從 510×10-3μm2降至 450×10-3μm2。而油對穩(wěn)定劑自溶液中析出、在砂粒表面的吸附不起作用，因此，MS穩(wěn)定劑注入體積對巖心的油相滲透率產(chǎn)生的影響非常小，這說明MS穩(wěn)定劑具有一定阻水不阻油的功能。

圖4 穩(wěn)定劑注入體積對巖心水相滲透率的影響

圖5 穩(wěn)定劑注入體積對巖心油相滲透率的影響

3 結(jié)論

MS分子膜穩(wěn)定劑具有較高的硬度和較大的拉伸強(qiáng)度，耐沖蝕性能較好，邵氏硬度為60、拉伸強(qiáng)度為2.5 MPa、斷裂伸長率可達(dá)到112%。

MS穩(wěn)定劑對地層砂具有較強(qiáng)的抑砂穩(wěn)定能力，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的MS穩(wěn)定劑體系，在處理量2.0 PV、處理時間8 h時，出砂濃度低于0.15 g/L。

MS穩(wěn)定劑具有阻水不阻油的功能，質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、注入體積2.5 PV、處理時間8 h時，巖心水相滲透率從510×10-3μm2降至450×10-3μm2，而油相滲透率幾乎未變，在782×10-3μm2左右。