油田化学防砂技术综述

＊詹宁宁 张丽锋

（1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300450 2.中海油天津化工研究设计院有限公司 天津 300131 3.天津大学 化工学院 天津 300072）

油气井出砂是油田开发与开采中常面临的问题之一；因此，油田各作业单位需要采取相应的措施预防与解决出砂难题。一但问题不能有效解决，油气井出砂会变得越来越严重，最终导致相应的油气井不能有效开发与开采。为此，大量科研工作者投入到防砂预防与治理研究中，建立了完善的配套油气井防砂体系，为我国油田增产与稳产做出重大的贡献。

机械防砂工艺和化学防砂技术是最常见的两种防砂工艺。相比于机械防砂，化学防砂技术因其工艺流程简单、易于后续作业与处理等优势，在油气井中广泛应用。化学防砂是指在井眼周围疏松的地层挤入化学药剂，用以胶固地层砂，或形成具有一定强度和渗透能力的人工井壁的技术。

化学防砂在1960年开始研究与应用并快速形成规模。一般情况下其可分为三大类：一类是树脂胶结地层砂，一般采用成品树脂等材料注入地层，或者人为的在地层特定条件下合成树脂来达到胶结地层砂的目的；第二类是人工井壁，人工井壁种类繁多，例如水泥砂浆、预涂层砾石、乳化水泥、水带干灰砂、树脂砂浆、树脂核桃壳等。通常情况下，这类人工井壁材料一般通过管柱泵等方式送至相关层位，在一定压力条件下顺利进入套管环空中，致密充填、可有效恢复地层原始应力，而且随着充填材料的凝固，又形成具有一定强度的屏障，再将井筒中多余的填充物清洗掉，使目标油气井具备生产等相关条件；第三类是其它化学固砂法，该方法制约条件较多，目前来说使用较少，主要包含以下几类，例如氢氧化钙固砂法、水泥-碳酸钙混合液固砂法、焊接玻璃固砂法、四氯化硅固砂法、聚乙稀材料固砂法和氧化有机化合物固砂法。

总的来说，化学防砂是一种操作简便、效果明显的防砂工艺，尤其适用于渗透率相对均匀的薄层段。在厚度小于5m且渗透率均匀的出砂层段均可以起到很好的防砂作用。

1.树脂胶结地层砂

目前，国内外已大规模开展树脂胶结地层砂。

国内用于油井防砂的树脂主要包含酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、脲醛树脂等，一般情况下，脲醛树脂固砂和酚醛树脂胶结砂是广泛应用的两种防砂方式。

酚醛树脂胶结砂层一般以甲醛和苯酚为主要原料，催化剂是碱性化合物，在一定温度和比例条件下，反应得到酚醛树脂，随后以柴油为溶剂，将酚醛树脂溶液注入地层，在盐酸溶液辅助下，利用地层温度可有效发生固化反应，形成具有高强度的酚醛树脂砂，可有效防止相关层位出砂。酚醛树脂胶结砂通常适用于防砂与出砂的早期阶段，其优点是工艺流程简易，但其缺点是价格较高，施工流程与工艺时间较长。

张国荣等制备了改性酚醛树脂防砂固砂剂，并探究反应时间、反应温度等因素对固砂剂性能的影响，研究结果表明其抗压强度达到16.23MPa，抗折强度高达4.56MPa，水相渗透率和气相渗透率分别为1.98μm2和125.91μm2。姚俊波等针对油井在生产过程中的出砂问题，合成了一种双酚型环氧树脂ER1，并测试了其固砂性能。结果表明，该体系的抗压强度为12.3MPa，煤油渗透率为4.1mD，空气渗透率为12.9mD。

脲醛树脂固砂是另外一种广泛应用的防砂方式。其物理性状为白色可流动液体，通常利用其遇酸加速反应生成性状较为坚硬的固体而达到固砂的目的。一般以甲醛和尿素为主要原料，催化剂是酸性或者碱性化合物，在地层温度和压力条件下，可有效发生缩聚与交联反应，脲醛树脂体系的粘度增大，因此可以在地层砂粒表面沉积，并在地层沉积、胶连、固结，从而达到固砂的目的。通常，油脂类等材料与固砂液不相溶，所以需要添加油溶性物质做溶剂。现场施工作业完成后，井筒附近可有效形成防砂墙，进而达到防砂与固砂的功效。此方法适用于高含水阶段的出砂油井，而且具有价格相对较低的优势。

严焱诚等通过降低了树脂中游离甲醛含量，合成了改性脲醛树脂，并将其应用到防砂中，现场应用结果表明其固砂后的强度和渗透率均较高，具有地面粘度小、成本低、施工操作方便、可泵性好的优点。

国外用于油井防砂的树脂主要包含呋喃树脂、酚醛树脂、脲醛树脂及其混合物。呋喃树脂防砂是国外广泛应用的防砂方式。

呋喃树脂一般以糠醛和包含呋喃环的糠醇为主要原料，催化剂是酸性化合物，在一定温度、压力和比例条件下发生固化反应得到。

呋喃树脂油井防砂应用范围广泛，不仅适用于常规油井，而且也可适用于热采井和气井防砂。最为经典的案例就是其在美国加州Bakersfield的克恩河油田热采井的应用。通过在热采井中添加了一种改性的呋喃树脂防砂，现场试验结果表明，这种改性的呋喃树脂可有效起到防砂效果，因此油井的生产时间大为延长，而且在保持总产量的情况下，很大程度上减少了作业费用和出砂量。

2.人工井壁防砂

人工井壁防砂将从国内和国外两个方面展开论述。

人工井壁防砂在国内应用研究的方法主要包括树脂核桃壳、树脂涂层砂、树脂砂浆、水带干灰砂、水泥砂浆和乳化水泥浆等。

水泥砂浆将胶结剂水泥和支撑剂石英砂按一定比例均匀混合后，继续加入适量的水搅拌均匀，以油为介质将其运至井下，在地层压力下挤至环空内，水泥砂浆在地层沉积、胶连、固结，形成强度较高的人工井壁，有效防止地层出砂。水泥砂浆防砂常用于防砂后期阶段，其优点是水泥砂浆原料来源广泛、施工流程与工艺简便，其缺点是使用量大，尤其是介质油的用量更大，强度较小且有效期段（胶结后抗折强度通常小于1MPa）。

方严等将高吸水树脂（SAP）作为一种良好的吸水保水材料，用于水泥砂浆改性，制备得到性能优良的水泥砂浆用于防砂，其抗折和抗压强度分别提高了9.78%和22.6%。

树脂核桃壳将胶结剂酚醛树脂和支撑剂核桃壳按一定比例均匀混合后，并加入一定量柴油润湿，然后以油或活性水为介质将其运输至井下，在地层压力下挤至环空内，树脂核桃壳在地层沉积、胶连、固结，有效形成具有较高渗透性和一定强度的人工井壁，有效防止地层出砂。树脂核桃壳防砂常用于防砂早期阶段，因其防砂功效好、胶结强度高而备受欢迎，但其缺点是原料来源困难，导致价格偏高。

许善锋等将超微粉碎后的核桃壳和甲醛溶液混合作为添加剂，与三聚氰胺改性脲醛树脂通过缩聚反应制备得到改性核桃壳粉胶，并检测其性能，可满足油田防砂应用。

树脂砂浆是将胶结剂树脂和支撑剂石英砂按一定比例均匀混合后，致使树脂薄膜均匀涂抹在石英砂表面，随后以柴油为介质携树脂砂浆至目标层位，在地层压力下挤至环空内，树脂砂浆在地层沉积、胶连、固结，有效防止地层出砂。树脂砂浆防砂常用于防砂的后期阶段，特别是吸收性好的油井，优点是普适性强，缺点是操作工艺相对复杂。

预涂层砾石是指树脂均匀涂抹在砾石颗粒外表面，而在常温下不发生粘连作用的稳定颗粒。但其在地层条件下，可有效吸附于砾石表面，沉积、胶连、固结，形成高渗透性和高强度的人工井壁，从而达到防止油气层出砂的目的。通常，预涂层砾石防砂适用于吸水能力强的中高温油藏（温度高于60℃），其具有防砂功效好、操作工艺简便、渗透率保持度高（保持率达到90%以上）、且强度高（抗折强度可达5MPa左右）的优势。

陈应琳等将涂敷砂防砂工艺应用于孤东河口等油田防砂，试验24井次，可对比21井次，实验结果表明其效果良好，成功率达到81%，创经济效益816万元。

目前被广泛应用的涂层砂有酚醛树脂涂层砂、环氧树脂涂层砂以及可耐高温的有机硅—树脂涂层砂等。近几年来，酚醛树脂涂层砂因其价格低廉、作用效果更好的优势，在国内树脂涂层防砂中大面积推广与应用。

国外人工井壁防砂方法主要有树脂涂层砂、树脂砂浆、水泥—碳酸钙、水泥砂浆和乳化水泥浆等，其中，以树脂涂层防砂尤为受欢迎。此外，国外的化学防砂还包括热法固砂、SiCl4固砂、有机物氧化聚合固砂、胶乳固砂、Ca(OH)2固砂以及焊接玻璃固砂等。其中美国加州采用独特的焊接玻璃固砂法对出砂严重的含页岩以及粘土砂岩油井的防砂，其效果良好，尤其在注蒸汽驱类油井防砂方面效果更佳。

3.其它化学固砂法

(1)高强度固砂技术

LH-V高强度固砂技术是一种采用多种高效的无机及有机固体作为粘结剂，配以各种类型的添加剂，经繁琐的工序精制得到粒度约为0.03mm～0.06mm的粉剂产品，用以防砂的新技术。通常，是将该产品复配成水基的悬浮液，进而注入地层，在地层一定温度与压力条件下，可与地层砂砾表面发生化学反应形成稳定的共价键，进而胶结成具有立体网状结构的高强度固结物。其具有特别高的强度和较好的渗透性能，可在井筒周围形成滤砂层，有效阻止地层砂流入井筒，进而达到防砂功效。

(2)烷基聚硅酸酯固砂

常规的砾石充填技术可有效阻止粗砂粉的运移，可有效防止地层砂流入井筒，但也会造成井底堵砂，增加维修成本。烷基聚硅酸酯固砂可有效解决这一难题。

烷基聚硅酸酯是将碱金属或铵的硅酸盐和有机铵硅酸盐按一定比例均匀混合后，随后以水为介质携烷基聚硅酸酯至目标层位，随后注入隔离液芳香烃类物质或者石蜡基物质和水基烷基聚硅酸酯溶液，在地层压力下发生化学反应生成水泥，烷基聚硅酸酯在地层沉积、胶连、固结，有效防止地层出砂，且耐温（耐温达1000℃）和耐酸。

烷基聚硅酸酯固砂技术中应用的添加剂的有效浓度、注入速度与地层物性密切相关。因此，在烷基聚硅酸酯固砂作业前要掌握相应地层参数、优化配方。为了获得更好的防砂效果，常采取以下两种方法：

方法一是提高硅酸盐或烷基聚硅酸酯的浓度；

方法二是降低流体的注入速度，常将烷基聚硅酸酯分批多次注入地层，直至满足强度要求。

具有SiO2/M2O的物质的量比值约为0.5～4的硅酸盐，可有效获得稳定性更佳的碱性硅化物水泥。其中金属元素M包括锂钠钾，钾最佳。最适合的SiO2/M2O的物质的量比值通常高于2，硅酸盐溶液质量浓度低于60%，最优数值介于20%到50%之间。

通常情况下，随着硅酸盐水溶液浓度的增加，其粘度也随之增大，从而生成的硅化物水泥胶结强度也随之提高。烷基聚硅酸酯中二氧化硅质量浓度应该高于30%，最优数值为50%。

(3)混纤维砂浆充填防砂

国内混纤维砂浆充填防砂最早应用于压裂施工作业中，它能有效防止压裂后破胶返排，同时提高支撑剂性能。随后学者发现纤维材料的加入，使其作用效果更佳，究其原因，发现纤维材料可与颗粒形成三维网状结构，进而抑制支撑剂相互摩擦预碰撞。马晓杰等探究了硅灰掺量对纤维砂浆抗折强度以及剪切黏结强度的影响。实验结果表明，添加硅灰能有效改善纤维砂浆的抗折强度以及剪切黏结强度。

国外混纤维砂浆充填技术最早应用于水力压裂施工作业中，避免支撑剂外流而形成的关键技术。国外混纤维砂浆充填技术作用机理是纤维材料相互作用形成立体网状结构，进而有效包裹充填砂、抑制其分散运移，从而有效降低产出液排砂量。充填砂按照材质不同分为普通陶粒/石英砂和覆膜砂。充填砂为覆膜砂的混纤维砂浆充填技术主要应用于防砂强度高、渗透率提升大的储层。

充填砂为普通陶粒/石英砂的混纤维砂浆充填技术常应用于低渗透储层水力压裂后期，其能够有效抑制返排过程中支撑剂的倒流，增加液流通道。在美国科罗拉多州的Dodell低渗透致密砂岩气层（渗透率值约为0.003mD～0.05mD）的水力压裂作业中应用充填砂为普通陶粒/石英砂的混纤维砂浆充填技术，即使返排速度提升至320L/min也无支撑剂返排，不仅如此，压裂液返排量相应增加了24%，气井产量提高了50%以上。

4.结束与展望

随着化学防砂技术的日趋成熟，国内外兴起了多种新型的化学防砂方法，比如高能树脂液充填固砂、微生物固砂等，其应用数据与效果均表明其具有很好的功效。对于蒸汽吞吐和蒸汽驱类油井，国内外正在研发更能耐高温性能的树脂和其它化学胶结剂。综上所述，根据防砂应用需求，研发性价比高、普适性强、防砂功效高的绿色化学防砂技术将是大势所趋。

然而，化学防砂技术有效作用时间短、对地层存在不可逆伤害、防砂成本高等缺点制约其发展。综合各种化学防砂技术的优缺点，笔者认为未来的研发方向应侧重以下几点：

（1）研制与开发使用不同地层温度、胶结功效高的胶结剂；

（2）研制与开发满足不同条件的添加剂；

（3）研发性价比高、普适性强、防砂功效高的绿色化学防砂技术。现如今中国各大油田陆续将防砂作为重要公关技术研究，结合高校和科研院的研发力量，形成满足不同工况下防砂技术。