新型地质聚合物滤砂管的制备与耐腐蚀性*

宋金波，魏庆彩，时培正，陈 刚，马 丁，赵益忠，高雪峰

（1.中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东 东营 257000；2.中海油田服务股份有限公司钻井事业部，河北 三河 065201）

胜利油田胶结疏松的砂岩油田占比较大，约占1/3［1-5］。在疏松砂岩的开发过程中，防砂是一项重要任务，而滤砂管防砂在整个防砂工艺中占比巨大［6-8］。随着油田的深入开发，尤其是进入高含水期后，油水井出砂问题尤为严重，给防砂带来了很大的难题。同时，对滤砂管在高渗透性、高强度、抗堵塞、后处理简便、环保等方面提出了更高的要求。近些年已研发了一系列滤砂管，如金属黏滤砂管［9-10］、精密微孔滤砂管［11］、树脂滤砂管［12-13］等。其中环氧树脂滤砂管在生产过程中使用了胶结剂、稀料、固化剂等，且须高温烧结，造成严重的环境污染；同时因其韧性和耐水性差，在运输、下井过程中易损坏，在井下极易老化，造成滤砂管的使用寿命较短、防砂有效期短等问题，制约了常规环氧树脂滤砂管的应用。笔者根据聚合物的特性［14-15］，研发了以地质聚合物等为原料制备滤砂管的工艺。采用的原材料包括粉煤灰等工业产出废料，有效降低环境污染；研究了原料加量和水热处理方式对新型地质聚合物滤砂管抗压强度的影响，考察了滤砂管的耐腐蚀性。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

偏高岭土，工业级，青岛化学试剂厂；粉煤灰、矿渣，工业级，胜利发电厂；黏土，工业级，上海试剂公司；水玻璃、盐酸、铝粉、锌粉、氯化钠、硫酸镁、硫酸钠、柴油、碳酸氢钠，分析纯，广东汕头市西陇化工厂；石英砂，工业级，胜利油田金岛实业有限责任公司孤岛防砂材料厂；去离子水。通孔地质聚合物无机固砂材料浆料（或固体模）主要包括水玻璃、偏高岭土、粉煤灰、黏土、0.4数0.8 mm石英砂、造孔剂等。

SHZ-D（Ⅲ）循环水式真空泵，巩义市英鵠予华仪器厂；卧式行星球磨机，QM-WX4 南京大学仪器厂；202型电热恒温干燥箱，北京科伟永兴仪器有限公司；KSF1600X 高温炉，前锦炉业有限责任公司；CQ-G53 高温马弗炉，洛阳纯青炉业有限公司；ZH.DG-80 型混凝土实验用振动台，无锡建仪仪器机械有限公司；DNS100电子万能压力试验机，长春试验机研究所有限公司；S-3400N扫描电子显微镜，日本日立公司；TD-2500型X射线衍射仪，丹东通达仪器有限公司；材料模具，边长为20.00 mm的正方体；游标卡尺，德国浦京工具集团有限公司；AutoPore IV 9500 压汞仪，美国Micromeritics 仪器有限公司；DZDR-R导热仪，南京大展机电技术研究所。

1.2 实验方法

（1）抗压强度的测定。将配制好的通孔地质聚合物无机固砂材料浆料（含水量12%、水玻璃与矿渣质量比为0.30、含砂量70%、粒径为200 目（74 μm）锌粉量1.6%，简称地聚物基料）注入模具中，在60℃养护1 d，之后常温养护1、3、7 d，若需水浴处理再在水热釜中120℃养护1、3、7 d，用电子万能压力试验机测定其抗压强度。

（2）渗透率的测定。将凝固后的通孔地质聚合物无机固砂材料固体模即新型地质聚合物滤砂管样件（简称固体模）取出，养护方法同上。用砂纸磨平端面，去掉表面的油污，按照中国石油化工集团公司企业标准Q/SH 1020 1499—2013《高渗透率固结岩心渗透率测定方法》测定水相渗透率。

（3）耐腐蚀性评价。在含水量12%、水玻璃与矿渣质量比0.30、含砂量70%、粒径为74 μm锌粉加量1.8%的条件下制备新型地质聚合物滤砂管，然后将滤砂管分别置于常温和60℃的空气中3 d，在60℃下浸泡在蒸馏水、20% NaCl、10% NaHCO3、10% Na2SO4、10% MgSO4、2%盐酸以及柴油中3 d，测试其抗压强度的变化。

2 结果与讨论

2.1 固体模抗压强度影响因素

2.1.1 水玻璃与矿渣比的影响

水玻璃与矿渣质量比对固体模抗压强度的影响见表1。水玻璃加量会影响体系的反应程度及抗压强度。水玻璃量增加会使［SiO4］2-基团的量增大，有利于胶凝材料的聚合，使材料的强度升高，骨架整体结构的稳定性增加。但当水玻璃加量进一步增大时，水玻璃自聚，抗压强度降低。选择水玻璃和矿渣比为0.30进行后续实验。

表1 水玻璃与矿渣质量比对固体模抗压强度的影响

2.1.2 含砂量的影响

含砂量对于滤砂管的成型及抗压强度有较大影响，还可影响滤砂管的渗透性。由表2可见，固体模（低聚物基料固结后形成的固体模）不含砂时的抗压强度较大；当砂量为10%数70%时，抗压强度基本不变；当砂量为80%时，抗压强度剧减。含砂量少，固结材料相对较多，胶结较好，抗压强度受影响不大；含砂量太多，固结材料相对较少，会导致制作滤砂管时出现掉渣脱落等现象，无法形成较为规则且强度满足挡砂需求的滤砂管。为了使滤砂管成型较好，又能满足一定的抗压强度，适宜的含砂量为70%。

表2 含砂量对固体模抗压强度的影响

2.1.3 造孔剂的影响

在地聚物基料配方中加入造孔剂如铝粉或锌粉，可形成多孔体系。这在保证强度的前提下，提高防砂筛管的渗透率十分必要。造孔剂的加量及粒径对地聚物材料的渗透率和抗压强度有较大影响。

2.1.3.1 造孔剂加量

在地聚物基料配方中加入质量分数为1%数2%的铝粉，制备的滤砂管具有多孔不均匀的问题。而加入1%数2%锌粉制备的多孔滤砂管孔径小且多、均匀无明显缺陷。因此，锌粉更适用于多孔滤砂管造孔。造孔剂铝粉或锌粉加量对地聚物材料渗透率和抗压强度的影响见表3。铝粉和锌粉加量相同时，锌粉制备的多孔滤砂管渗透率高，抗压强度低。为了满足防砂井产液及挡砂对于渗透率和抗压强度的需求，铝粉质量应为固体总质量的1.8%，锌粉质量应为固体总质量的1.6%。综上，制备滤砂管选用锌粉作为造孔剂，适宜的加量为1.6%。

表3 铝粉或锌粉加量对固体模渗透率和抗压强度的影响

2.1.3.2 造孔剂粒径

在含水量12%、水玻璃与矿渣质量比0.30、含砂量0.7 和造孔剂加量1.6%的条件下，造孔剂（锌粉）粒径对固体模渗透率及抗压强度的影响见表4。造孔剂加量相同时，随粒径降低（目数增加），地聚物材料渗透率变化较小，但抗压强度增加。40目的颗粒较大，颗粒量少，抗压强度较低；且颗粒量少的情况下，分布容易不均匀。200 目的造孔剂分布较均匀，渗透率能满足防砂需求，且抗压强度高，故选择造孔剂的粒径为200目。

表4 造孔剂粒径对固体模渗透率和抗压强度的影响

2.1.4 水热处理的影响

水热处理对固体模的影响主要是发生了水热反应。水热反应从动力学角度提高了碱溶阶段、硅铝凝胶基团形成阶段、聚合反应阶段、网络状结构优化各阶段的化学反应速度，利于生成结构稳定的网状结构。水热处理对固体模抗压强度的影响见表5。随养护时间延长，水热处理前后的固体模抗压强度均逐渐增加。固体模水热处理1、3、7 d 后，地聚物材料抗压强度分别增加了11.2%，29.6%，19.7%。固体模经水热处理后，抗压强度可增加约20%。

表5 水热处理对固体模抗压强度的影响

2.2 地聚物材料耐腐蚀性

新型地质聚合物滤砂管入井后，其耐腐蚀、冲蚀性能对其防砂效果及寿命有很大影响。固体模在常温和60℃的空气中放置3 d后的抗压强度分别为9.8 MPa 和10.45 MPa；在60℃下浸泡在蒸馏水、20%NaCl、10%NaHCO3、10%Na2SO4、10%MgSO4、2%盐酸以及柴油中3 d 后的抗压强度分别为10.0、10.3、10.5、10.51、10.48、5.75、10.7 MPa。固体模在不同温度的空气、水、碱（NaHCO3）、盐溶液以及柴油中静置或浸泡后，抗压强度基本没有变化，说明该材料可耐碱、油、盐水的侵蚀。固体模在盐酸溶液中浸泡后出现溶蚀现象，抗压强度明显降低。该材料不耐盐酸腐蚀，因此进行酸洗、酸化工艺的井选用该滤砂管时，应在下滤砂管前进行彻底的洗井，排除残酸。

3 结论

在水玻璃和矿渣质量比为0.30、含砂量为70%、造孔剂锌粉（粒径200 目）加量1.6%的条件下制备的新型地质聚合物滤砂管样件抗压强度约为10 MPa，渗透率可达12 μm2；水热处理基本不影响滤砂管的渗透性，但可使抗压强度增至13.75 MPa，满足防砂工艺的需求。地聚物材料具有良好的耐碱、油、盐水腐蚀的性能，可有效延长防砂有效期，但不耐盐酸腐蚀，在应用时应进行先期处理。