新型化學防砂劑的合成及性能評價

趙建華，劉煒

(1.西南石油大學 應用技術學院，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)

據資料統計，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，出砂嚴重時甚至會導致油氣井報廢，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重，致使油、氣井不能有效開發。

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

本文合成了新型的化學防砂劑，并對其性能進行了評價，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，加入一定量的引發劑，攪拌均勻，置于30 ℃水浴中反應30 min 即得產物。

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在不同溫度下重復以上2個步驟。根據出砂量，計算聚合物固砂效率。

1.3.2 耐沖刷性 在室溫，不同驅動壓力下做防砂實驗，考察濃度為0.3%化學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填砂管中，壓實，在壓差為0.3 MPa 的條件下，連續注入鹽水，觀察砂粒流出的情況。

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

2 結果與討論

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行測定，考察化學防砂劑的耐溫性能，結果見圖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配鍵的相互補償，與Si—O 偶極間的相互補償，使硅氧鏈形成螺旋結構，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］。由于硅樹脂具有網絡狀結構，交聯點密集，在樹脂網狀結構中，Si—O主鏈以網狀形態被包埋在Si 取代基內，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的攻擊，同時網絡狀結構提高了主鏈斷裂活化能，原子間化學鍵在高溫下不容易斷裂。因此，含硅的防砂劑具有優異的抗溫性［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，陽離子的基團與含硅基團進行共聚后，形成含氧離子基團的硅氧網絡結構，粘土是帶負電性的，網絡結構能緊密的吸附在地層的表面，從而對細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，連續注入鹽水和防砂劑，當石英砂粒徑在74 μm 以上時，基本上沒有砂從填砂管流出;當石英砂粒徑≤74 μm 時，有砂子從填砂管中流出。合成的化學防砂劑對粒徑大于0.074 mm 的石英砂有較好的阻擋作用。因為留在多孔介質中的聚合物基團和網絡狀結構能有效地降低多孔介質的喉道半徑，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粉砂流出，而不封堵小的細粉砂的流動，這樣既可以起到防砂的作用，又可以提高油井產量。

2.5 與其他介質的配伍性

防砂劑與其他介質的配伍性實驗結果見表2。

表2 防砂劑與其他介質配伍性能評價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，防砂劑的抗壓強度保持基本不變;在煤油和5%的鹽酸中浸泡7 d 后，固結體的抗壓強度雖有降低但幅度不大，說明該防砂劑與其它介質的配伍性良好。因為硅氧網絡結構可以防止在鹽水中發生卷曲，提高了其抗壓強度;防砂劑能與煤油互溶，酸、堿對陽離子影響小。

3 結論

(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絡狀的結構，其抗壓能力比較強，有較強的耐沖刷性。

(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)將固結好的固結體分別浸泡于鹽水、煤油、5%HCl、5%NaOH 溶液中，比較抗壓強度，結果表明，防砂劑與其他介質的配伍性良好。

［1］ 李賓元，稅其達，廖潤康，等. 水平井和防砂［M］. 成都:成都科技大學出版社，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. 有機硅化學［M］. 北京:高等教育出版社，1990:129-183.

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