高温复配防砂剂的合成及防砂效果评价

高睿

(大庆油田第三采油厂 地质大队开发室，黑龙江 大庆 163113)

我国拥有丰富的稠油资源，探明地质储量已达20.6 ×108t，是世界第四大稠油产出国［1］。但由于稠油本身高粘度、高密度、低流度等特性，目前工业性开采稠油技术主要是蒸汽热采，即蒸汽吞吐和蒸汽驱［2-3］;但由于稠油油藏的疏松性和蒸汽冲洗等因素，加剧了开采过程中的出砂、汽窜等现象［4］。针对该问题结合国内外防砂、封堵等技术［5-6］，因此，本文提出了以水溶性酚醛树脂为主剂的复配防砂技术，改善了水溶性酚醛树脂的耐温性和缩水性，同时实现了防砂、封堵等多功能一体化，满足了蒸汽热采需求，该技术为高效开发稠油油藏提供重要的依据，且具有一定的推广价值。

1 高温复配防砂剂优选及性能评价

高温复配防砂剂优选基本原理:稠油油藏蒸汽热采时，具有多功能复配防砂剂应具有低温成胶(地层温度65 ℃)、耐高温(可达300 ℃以上)、封堵、防砂等一体化特性，本实验采用水溶性酚醛树脂溶液与无机硅化物复配，克服了水溶性酚醛树脂本身耐温性、缩水性等缺陷，满足蒸汽热采的要求。

1.1 材料与仪器

按文献［5］自制水溶性酚醛树脂;无机硅化物、交联剂等均为分析纯。

SA 型电子分析天平(0.000 1 g);6511 型电动搅拌器;WES-300B 型数显万能液压实验机;ECPH5000 型酸度计(pH 计);YSL-DHS-500 型恒温箱;CF-B 型温水浴;SZ-2 型真空泵;ISCO2100 型计量泵。

1.2 实验步骤

将规格Φ25 mm×35 mm 玻璃管一端塞入带孔的橡胶塞(见图1)，在其上面铺一层药棉，根据实验要求配制搅拌均匀的复配混合液，按要求缓慢倒入满玻璃管，取下玻璃管并密封后进行固化，并截取合适的固化体，进行测试记录。

图1 防砂剂性能测试流程图Fig.1 Evaluation of sand control agent

1.3 实验结果

影响混合液的因素较多，本次实验采用多指标正交实验优化法(见表1)，考察了各因素间的影响关系(见图2)。

表1 正交实验表Table 1 The orthogonal experiments table

图2 各因素对指标性能影响关系图Fig.2 Relationship of sand control between the factors

通过对实验结果进行极差、方差分析可知，各因素影响程度由大到小为:水溶性酚醛浓度＞无机物浓度＞温度＞交联剂浓度;即水溶性酚醛浓度是最重要影响因素，而交联剂浓度是最小影响因素;获得高温复配防砂剂的最佳配方:20%酚醛树脂+0.6%交联剂+4%无机硅化物。

1.4 各影响因素对配方性能拟合分析

利用DataFit 软件对实验测试指标进行拟合(见图3)，优选出了测试指标与各因素间的关系，即成胶时间与各因素呈现出指数关系，强度与各因素则呈现出线性关系。测试指标与拟合计算指标误差均＜5%，故可利用拟合关系式预测各因素对高温复配防砂剂性能的影响程度;另外，可结合现场施工具体要求，利用拟合关系式调整配方满足现场施工要求。

图3 实验测试指标拟合图Fig.3 Figure of fitting experimental data

2 高温复配防砂剂防砂效果评价

2.1 防砂效果分析

在高温复配混合液固化过程中，可利用水溶性酚醛树脂的胶粘性将储层中砂岩胶结在一起，提高砂体强度和达到防砂目的。

2.1.1 静态实验研究 高温复配混合液的防砂性能可借鉴正交实验测试指标;另外，据文献［7-8］报道环境介质对防砂性能影响较大。在此利用静态实验系统考察了环境介质对高温复配防砂剂的影响，即65 ℃条件下，将固化后的高温复配防砂剂置于油田常见环境介质中浸泡60 d 后测试强度指标(见表2)。

表2 防砂剂于环境介质中浸泡前后强度对比Table 2 Intensity contrast of sand control agent in environmental media

由表2 可知，自来水、油田地层水、5%HCl 溶液等环境介质对高温复配防砂剂强度有增强作用，分析原因以为该环境介质中含有少量H+，可增加水

溶性酚醛树脂间的交联密度。原油和5%NaOH 溶液等环境介质对高温复配防砂剂强度具有破坏作用，主要因为OH－的引入，增加了硅羟基间自身交联，同时降低了分子间交联密度，导致交联结构不够致密。

2.1.2 动态实验研究 生产井产液量对疏松油藏中砂粒的冲洗作用、携砂作用影响较大［8-9］;因此，根据实验要求，利用一端装筛网的砂模型(Φ38 mm×300 mm)模拟疏松储层，反向注入高温复配防砂剂，固化后正向注不用速度的蒸汽(300 ℃)，记录并分析相关数据，考察高温复配防砂剂防砂效果(见表3);实验结束后，取出口端砂体做电镜扫描(见图4)。

表3 高温复配混合液的岩心评价实验结果Table 3 Core evaluation of high-temperature complex mixture

图4 防砂效果电镜扫描图Fig.4 Effect of sand control scanning electron microscope

由表3 可知，未注高温复配防砂剂的砂管模型极易出砂，即注汽速度1. 5 mL/min 时出砂，11 mL/min时大量出砂;但注0.5 PV 高温复配防砂剂的砂管模型在注汽速度高达200 mL/min 下仍未出砂，其封堵率也达90.7%。表明该高温复配防砂剂防砂效果显著，且具有较强的封堵性能，实现了防砂、封堵一体化。另外，图4 也反映出高温复配防砂剂的防砂、封堵效果显著。

2.2 高温复配防砂剂耐温性及防砂机理探讨

早在1910 年水溶性酚醛树脂实现了工业化生产，但其分子结构上的酚羟基和羟甲基易氧化［4-5］，导致水溶性酚醛树脂热稳定性差，在200 ℃时水溶性酚醛树脂发生氧化、热解、碳化等现象，远远满足不了蒸汽热采(300 ℃)要求;另外，由文献［6-8］可知，储层岩石中SiO2高温下易发生部分水解，低温下可生成沉淀;从而限制了水溶性酚醛树脂在蒸汽热采中的广泛应用。利用水溶性酚醛树脂的改性技术［6，9］，克服了该缺陷，促进了水溶性酚醛树脂在蒸汽热采中的推广。

由图5 可知，高温复配防砂剂IR 中980 cm－1处为Si—O 的特征峰，Si—O 被成功地引入复配液中，从而提高了复配液的耐温性。分析以为主要体现在以下方面:①Si—O 键改变了水溶性酚醛树脂的极性交点，形成了具有无机性能Si—O 立体骨架结构，从而限制了热分解，提高了耐温性;②Si—O 键增加了元素间的键能，即C—O、C—C 键能均小于Si—O键能，若要破坏Si—O 键需要更多能量，进一步提高了耐温性;③Si—O 键可形成硅羟基，增加了网络结构的致密性，更进一步的提高了耐温性和耐酸碱性。

图5 复配防砂剂的红外光谱图Fig.5 IR Spectrum of sand control agentA.复配前;B.复配后

另外，高温复配混合液中无机硅化物可水解形成纳米级SiO2，一方面可增强物理吸附作用，提高耐温性;另外可增强化学交联作用，即SiO2与OH－反应产生硅氧烷，达到防砂目的(见图6)。同时，水溶性酚醛树脂聚合中产生的水与无机硅化物水解所需水量相当，从而克服了酚醛树脂缩水性缺陷。

图6 SiO2与水溶性酚醛羟基缩合反应Fig.6 Reaction of between SiO2 and hydroxyl groups

3 结论

(1)室内通过多参数正交实验法，优选出了复配高温防砂剂最佳配方，即20%酚醛树脂+0.6%交联剂+4%无机硅化物。结合正交实验结果，利用DataFit 软件拟合了配方指标，误差均＜5%，可根据现场施工需求，调节高温复配防砂剂配方。

(2)采用动静态实验技术法系统评价了高温复配防砂剂的防砂、封堵等效果，结果表明具有酸性环境介质对防砂剂具有增强效果，而碱性环境对其略有破坏性作用，但完全能满足现场要求。注汽速度200 mL/min 下仍未出砂，且封堵率高达90.7%，具有较好的防砂、封堵效果。

(3)从分子结构的改变、键能的变化，分析了复配防砂剂的耐温性;从纳米级SiO2及其与OH－间作用，探讨了耐温性、防砂性及缩水性机理。

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