低溫油井人工井壁材料研究

郭鴻宇，楊國興，楊 超，陳洪杰，鐘飛升，馬 誠

（1. 遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順 113001；2. 中國石化 西南石油工程有限公司 鉆井工程研究院，四川 德陽 618000；3. 中國石化 大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045；4. 兗礦東華地礦建設分公司，山東 鄒城 273500；5. 彰武縣聯信鑄造硅砂有限公司，遼寧 阜新 123200）

油氣開發肇始于地質勘探而收官于油氣采收。井漏是勘探鉆井過程中常見的問題之一。鉆井液在壓力的作用下流入裂縫和洞穴，從而導致大量液體流失。流失液體的黏度大，具有很強的柱液壓力，當柱液壓力大于地層孔隙壓力時，在壓差的作用下，大量的液體流入地層，對地層造成污染破壞［1-7］。另外，地層出砂也是國內外油氣藏開采中經常遇到的普遍性問題［8］。井筒出砂原因極其復雜，油氣井生產和修井作業等各個環節都可能引起地層出砂。一方面，砂可能在井內沉積形成砂堵，使油氣井產量降低；另一方面，出砂將增加井下作業工作量，磨損設備及砂卡井下工具等［9］。出砂嚴重的井還可能引起井壁坍塌從而損壞套管和襯管，砂埋油層導致油井停產，使采油、采氣的難度及成本都顯著提高［10］。目前，解決上述問題最常用的方法之一是人工井壁法。將化學藥劑注入油井的漏失層或出砂層，通過化學反應發生固化形成比較穩定的地層，即通過構建人工井壁的方法達到堵漏和防砂的目的。然而，大多數化學藥劑在低溫條件下，難以固結或反應慢，凝結效果差，無法形成有效的人工井壁［11-13］。

為了解決上述問題，本工作采用石英砂、有機樹脂和分散劑，通過共混工藝制備了一種適用于低溫條件下的低溫預固結材料，并對其表面結構及其固結體的熱穩定性、抗壓強度和疏水性能等進行了評價。

1 實驗部分

1.1 主要原料與儀器

有機樹脂：分析純，廣州穗欣化工有限公司；親/疏水分散劑、石英砂（212～270 μm）：工業品，聯信金瑩鑄造材料有限公司；液體固化劑：實驗室自制。

BL-SC1600型數碼顯微鏡：鄂州市貝朗科技有限公司；ST-5000N型電子萬能試驗機：廈門易仕特儀器有限公司；Q600型熱重-差熱分析儀：美國TA 公司；OCA15EC型接觸角表面性能測定儀：德國 Dataphysics 公司：巖心驅替裝置：自行組裝。

1.2 實驗方法

1.2.1 低溫預固結材料的制備及其性能評價

低溫預固結材料的制備：用去離子水清洗粒徑為212～270 μm的石英砂表面的灰塵，再用10%（w）氫氧化鈉和10%（w）鹽酸溶液分別浸泡1 h，將表面的難溶物和油污清洗干凈，最后用去離子水將表面殘留的氫氧化鈉和鹽酸溶液清洗干凈，放入電熱鼓風干燥箱中烘干。將處理好的石英砂與有機樹脂按質量比100∶6放入燒杯中，將燒杯放在磁力加熱攪拌器上加熱，邊攪拌邊加熱至50 ℃。攪拌均勻后，加入分散劑，再次攪拌使被樹脂包裹的砂粒均勻分散。將分散的砂粒取出，用212～270 μm的篩網依次篩分最終得到低溫預固結材料。

低溫預固結材料的形貌和覆膜厚度測試：分別隨機選取100粒石英砂和低溫預固結材料，利用數碼顯微鏡觀察石英砂和低溫預固結材料的微觀形貌，并分別計算它們的直徑，取平均值，計算涂覆厚度，見式（1）。

式中，d為低溫預固結材料被涂覆厚度，mm；D1為低溫預固結材料的直徑，mm；D2為石英砂的直徑，mm。

低溫預固結材料的熱穩定性評價：利用熱重-差熱分析儀對低溫預固結材料的熱穩定性進行評價，試樣質量為5～8 mg，溫度為15～800 ℃，升溫速率為10 ℃/min，空氣氣氛，流量為50 mL/min。

1.2.2 固結體的制備及其性能評價

固結體的制備：將低溫預固結材料與固化劑按質量比2∶1放入試管中混合均勻，攪拌3 min，將試管放入集熱式恒溫加熱磁力攪拌器中水浴加熱，充分反應后，取出冷卻至常溫，將冷卻的試管破碎，取出固結體切成長30～40 mm的試樣，試樣兩端磨平備用。

固結體的形貌：利用數碼顯微鏡觀察固結體的微觀形貌，放大倍數為100。測試前，將固結體放入真空干燥箱中干燥24 h，溫度為50 ℃。

固結體的熱穩定性評價：利用熱重-差熱分析儀對固結體的熱穩定性進行評價，試樣質量為5～8 mg，溫度為15～800 ℃，升溫速率為10℃/min，空氣氣氛，流量為50 mL/min。

固結體抗壓強度評價：利用電子萬能試驗機測試固結體試樣的固結強度。將固結體試樣置于試樣臺上。試樣長度為30～40 mm，直徑為20 mm，下降速率為20 mm/s。

固結體的疏水性能評價：1）接觸角評價。利用接觸角表面性能測定儀在室溫下測定固結體試樣表面的靜態水接觸角。測試前，將固結體試樣放入真空干燥箱中干燥24 h ，溫度為50 ℃。2）滲透率測試。利用巖心驅替裝置測定固結體在不同壓力下的滲透率。驅替液為自來水，測試溫度為20 ℃。固結體試樣長35 mm，直徑18 mm。測試前，將固結體試樣放入真空干燥箱中干燥24 h，溫度為50 ℃。

2 結果與討論

2.1 低溫預固結材料的性能

2.1.1 合成機理

有機樹脂含有羥基，可與石英砂表面上的羥基產生氫鍵，因此，有機樹脂能吸附在石英砂表面。用分散劑將被有機樹脂包裹的石英砂分散成獨立的顆粒，防止它再次聚集。

2.1.2 低溫預固結材料的形貌和覆膜厚度

圖1為石英砂與低溫預固結材料的微觀形貌。由圖1可知，低溫預固結材料的平均直徑大于石英砂，且低溫預固結材料表面均勻覆蓋了一層有機樹脂薄膜，薄膜上黏有許多黃色分散劑顆粒。通過計算，石英砂的平均長直徑為0.144 mm，短直徑為0.126 mm。低溫預固結材料的平均長直徑為0.214 mm，短直徑為0.187 mm。低溫預固結材料均勻覆蓋了0.033 mm有機樹脂膜。

圖1 石英砂（a）與低溫預固結材料（b）的微觀形貌（×100）Fig.1 Morphology of quartz sand(a) and low temperature pre-consolidation material(b).

2.1.3 低溫預固結材料的熱穩定性

圖2為低溫預固結材料的DSC-TG曲線。

圖2 低溫預固結材料的 DSC-TG 的曲線Fig.2 DSC-TG curve of low temperature pre-consolidation material.

從圖2可看出，在0～800 ℃時，低溫預固結材料的熱分解主要分為3個階段。第1階段為15～426 ℃，質量損失為4.0%，DSC曲線上出現一個波谷，溫度為188 ℃，原因是低溫預固結材料表面的有機樹脂小分子鏈開始分解。第2階段為426～457 ℃，質量損失為0.5%，DSC曲線上出現一個波谷，溫度為450 ℃，原因是低溫預固結材料表面的有機樹脂大分子鏈開始分解。第3階段為457～613 ℃，質量損失為0.5%，DSC曲線上出現一個波谷，溫度為570 ℃，原因是低溫預固結材料表面的無機物開始分解。因此，低溫預固結材料表面上的有機樹脂在188 ℃開始熱分解，457 ℃分解完全，說明低溫預固結材料具有優異的熱穩定性，耐熱溫度達188 ℃。

2.2 固結體的性能

2.2.1 人工井壁的合成原理

利用泵車將低溫預固結材料同液體固化劑一起填入地層虧空層處，低溫預固結材料上涂覆的有機樹脂與固化劑在井內發生反應形成三維網狀交聯物，將每顆砂粒緊緊交聯一起，在地層虧空層處形成人工井壁，對漏失井和出砂井起到堵漏和防砂作用。

2.2.2 固結體形貌

固結體的宏觀及微觀形貌見圖3。由圖3可知，固結體表面致密無空隙；固結體砂粒之間連接緊密，鑲嵌在有機樹脂固化形成的三維網狀交聯物中，結構穩定。

圖3 固結體的宏觀形貌（a）及微觀形貌（b）Fig.3 Macroscopic(a) and micro(b) morphology of consolidation.

2.2.3 固結體的熱穩定性

圖4為固結體的DSC-TG曲線。由圖4可知，在210～440 ℃，固結體的質量損失為8.9%，DSC曲線上出現一個波谷，溫度為265 ℃，原因是固結體中的交聯物開始熱分解，且在265 ℃時分解速率最快。溫度高于440 ℃時，TG曲線趨于穩定，說明交聯物分解完全。因此，固結體中的交聯物在210 ℃開始熱分解，440 ℃分解完全，說明固結體具有優異的熱穩定性，耐熱溫度達210 ℃。

圖4 固結體的DSC-TG曲線Fig.4 DSC-TG curve of consolidation.

2.2.4 固結體的抗壓強度

2.2.4.1 固化時間對抗壓強度的影響

圖5為固化時間對抗壓強度的影響。

圖5 固化時間對抗壓強度的影響Fig.5 Influence of curing time on compressive strength.

由圖5可知，低溫預固結材料與固化劑反應較快，2 h開始固化。在6～18 h，反應速率最快；18 h反應完全，抗壓強度高達8.9 MPa。反應形成的交聯物具有優異的穩定性和抗老化性，在反應結束的30 h內，抗壓強度維持在7.0 MPa以上。因此，將固化時間設定為18 h。

2.2.4.2 反應溫度對抗壓強度的影響

圖6為反應溫度對抗壓強度的影響。由圖6可知，低溫預固結材料與固化劑具有優異的反應溫度彈性，使用范圍廣。在40～80 ℃時，固結體的抗壓強度較穩定，在7.0 MPa左右。

圖6 反應溫度對抗壓強度的影響Fig.6 Influence of temperature on compressive strength.

2.2.5 固結體的疏水性能

2.2.5.1 接觸角測試結果

固結體的接觸角見圖7。由圖7可知，固結體表面清水測試接觸角為91.1°。根據接觸角與潤濕角關系，接觸角為90.0°是中性潤濕。因此，固結體表面為中性潤濕。在不同潤濕性類別的巖心中，中性潤濕巖心的采收率最高［14］，增加了原油的開采效率，降低了開采成本。

圖7 固結體的接觸角Fig.7 Contact angle of consolidation.

2.2.5.2 滲透率測試結果

根據達西公式［15］，滲透率按式（2）計算。

式中，K為固結體滲透率，μm2；Q為圍壓下驅替液通過固結體的流量，mL/min ；μ為驅替液在20℃時的黏度，mPa·s；L為固結體的長度，cm；D為固結體的直徑，cm；P為固結體前后兩端的壓差，MPa。

圖8為固結體的滲透率。由圖8可見，隨著驅水壓力的增加，固結體的滲透率基本保持不變，為0.171 1×10-3μm2，固結體對水有極差的驅替效果，具有優異的疏水性能及抗壓性能［16］。

圖8 固結體的滲透率Fig.8 Permeability of consolidation.

3 結論

1）固化劑與低溫預固結材料反應所形成的固結體具有優異的熱穩定性，耐熱溫度高達210 ℃。

2）在低溫條件下（40～80 ℃），固化劑與低溫預固結材料反應速率快，形成的固結體具有較強的抗壓強度，抗壓強度約為7.0 MPa，且具有優異的疏水性能，巖心表面接觸角為91.1°，滲透率為0.171 1×10-3μm2。因此，固化劑與低溫預固結材料所形成的人工井壁適用于低溫油藏堵漏或防砂。