新型化学防砂剂的合成及性能评价

赵建华，刘炜

(1.西南石油大学 应用技术学院，四川 南充 637000;2.中国石化江汉油田分公司采油工艺研究院，湖北 潜江 433123)

据资料统计，我国有接近1/3 的油藏为疏松砂岩油藏，具有分布广、储量大等特点，在开发过程中很容易出砂，而出砂又是提高采油率的主要障碍，出砂严重时甚至会导致油气井报废，油气井出砂成为了这类油藏开采的主要矛盾［1］。如果砂害得不到治理，油、气井出砂会越来越严重，致使油、气井不能有效开发。

近年来，随着石油工业的高速发展，防砂技术不断完善，日趋成熟，逐步形成了防砂综合配套技术体系。但是目前的化学防砂方法普遍存在一些缺点［2］。

本文合成了新型的化学防砂剂，并对其性能进行了评价，该防砂剂防砂效率高、原料来源广、价格便宜，具有良好的应用前景。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

AM、DMDAAC、过硫酸铵、水玻璃、OP-10 等均为分析纯;石英砂，工业级。

防砂剂评价仪，自制;Paragon 1000 型红外光谱仪。

1.2 合成

采用氧化还原剂引发体系，通过泡沫分散聚合法制备。将一定量的AM、DMDAAC、尿素、水玻璃、OP-10 依次溶于纯水中，加入一定量的引发剂，搅拌均匀，置于30 ℃水浴中反应30 min 即得产物。

1.3 性能测定

1.3.1 耐温性 ①在恒压的情况下注入1 个孔隙度饱和度为1 的盐水，收集流出的砂子，抽滤收集到的液体，收集砂，然后在50 ℃条件下干燥、称重;②以同样的重量填砂，先注入聚合物至饱和，聚合物浓度为0.3%，0.5%，0.6%，0.7%，0.8%，0.9%。在恒压情况下反向注入1 个孔隙体积的饱和盐水，然后收集砂，干燥、称重;③在不同温度下重复以上2个步骤。根据出砂量，计算聚合物固砂效率。

1.3.2 耐冲刷性 在室温，不同驱动压力下做防砂实验，考察浓度为0.3%化学防砂剂的耐冲刷能力。收集流出的砂子，烘干、称量，计算防砂率。

1.3.3 防砂剂的挡砂性 分别用100 目、150 目、170 目、200 目4 个等级的筛子，筛出4 种不同粒径的石英砂。将不同粒径的石英砂装填进填砂管中，压实，在压差为0.3 MPa 的条件下，连续注入盐水，观察砂粒流出的情况。

1.3.4 与其他介质的配伍性 将防砂剂填入填砂管中，在60 ℃条件下固结。将固结体分别浸泡于盐水、煤油、5%HCl 溶液、5%NaOH 溶液中。浸泡5 d后取出，测量其抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 防砂剂的IR 分析

防砂剂以KBr 压片制样，红外光谱见图1。

图1 防砂剂的红外光谱Fig.1 IR Spectrum of sand control age nt

由图1 可知，3 413.39 cm－1为AM 中酰胺基—CONH2中NH2反对称伸缩振动峰，3 739.30 cm－1为O—H 伸缩振动峰，3 185.83 cm－1酰胺基N—H伸缩振动峰;2 931.27 cm－1烯烃 CH 伸缩振动峰，2 865. 70 cm－1是甲基C—H 伸缩振动峰，1 660.41 cm－1是酰胺Ⅰ带、Ⅱ带和酯基中的羰基伸缩振动叠合而成的，1 612.20 cm－1是烯烃 C C 伸缩振动(共轭)峰，1 450.21 cm－1酰胺基N—H 变形振动峰;1 413.57 cm－1是DMDAAC 中胺的C—N 键伸缩振动峰，1 315.21，773.32 cm－1是N—O 对称伸缩振动峰;1 085.73 cm－1是Si—O—Si 的伸缩振动峰。

2.2 耐温性

控制压力为0.3 MPa，在不同温度条件下，对聚合物的防砂率进行测定，考察化学防砂剂的耐温性能，结果见图2。

图2 不同温度下聚合物的出砂量Fig.2 The sanding of polymer under the different temperature

由图2 可知，在温度比较低时，含硅防砂剂和不含硅的防砂剂的下降率差不多，但是随着温度的升高，不含硅的防砂剂的防砂率下降得很快。说明含硅的防砂剂的耐温性能比不含硅的防砂剂的耐温性能要好。这是因为Si—O 是组成硅树脂硅氧链的基本骨架，Si—O 键长较长，键角较大，键能约450 kJ/mol;Si—O 之间的dπ—Pπ配键的相互补偿，与Si—O 偶极间的相互补偿，使硅氧链形成螺旋结构，这样硅氧链间相互作用小，表面张力小;Si—C键键能比C—C 键键能低，但在Si—C 可以形成dπ—Pπ配键，使体系能量下降［3］。由于硅树脂具有网络状结构，交联点密集，在树脂网状结构中，Si—O主链以网状形态被包埋在Si 取代基内，Si 取代基如—CH3、—C6H5等向外，起到屏蔽作用，使Si—O 主链不易受到其他物质的攻击，同时网络状结构提高了主链断裂活化能，原子间化学键在高温下不容易断裂。因此，含硅的防砂剂具有优异的抗温性［4］。

2.3 耐冲刷性

防砂剂浓度为0.3%，在压力为0.3 ～0.7 MPa的条件下，防砂实验结果见图3。

图3 不同压力下聚合物的耐冲刷性Fig.3 The abrasion resistance of polymer under different pressure

由图3 可知，随着压力加大，防砂效率逐渐减小，含硅样品的出砂量比不含硅的样品降低得慢，耐冲刷性更加良好。因为含硅防砂剂的合成原料中有硅，阳离子的基团与含硅基团进行共聚后，形成含氧离子基团的硅氧网络结构，粘土是带负电性的，网络结构能紧密的吸附在地层的表面，从而对细砂起到很好的阻挡作用。

2.4 阻挡出砂性能

防砂剂阻挡出砂结果见表1。

表1 不同粒径石英砂出砂情况Table 1 The sanding of different particle size

由表1 可知，在压差为0.3 MPa 条件下，连续注入盐水和防砂剂，当石英砂粒径在74 μm 以上时，基本上没有砂从填砂管流出;当石英砂粒径≤74 μm 时，有砂子从填砂管中流出。合成的化学防砂剂对粒径大于0.074 mm 的石英砂有较好的阻挡作用。因为留在多孔介质中的聚合物基团和网络状结构能有效地降低多孔介质的喉道半径，如果砂粒的尺寸大于孔喉尺寸的1/4，就会造成有效封堵，可以防止稍大于尺寸的细粉砂流出，而不封堵小的细粉砂的流动，这样既可以起到防砂的作用，又可以提高油井产量。

2.5 与其他介质的配伍性

防砂剂与其他介质的配伍性实验结果见表2。

表2 防砂剂与其他介质配伍性能评价Table 2 The compatibility of sand control agent and formation fluid

由表2 可知，在盐水和5%的NaOH 溶液中浸泡5 d 后，防砂剂的抗压强度保持基本不变;在煤油和5%的盐酸中浸泡7 d 后，固结体的抗压强度虽有降低但幅度不大，说明该防砂剂与其它介质的配伍性良好。因为硅氧网络结构可以防止在盐水中发生卷曲，提高了其抗压强度;防砂剂能与煤油互溶，酸、碱对阳离子影响小。

3 结论

(1)以DMDAAC、AM、水玻璃、OP-10 为主要原料合成了新型含硅防砂剂。

(2)新型的含硅防砂剂具有网络状的结构，其抗压能力比较强，有较强的耐冲刷性。

(3)防砂剂对粒径为0.074 mm 以上的砂子具有良好的阻挡作用。

(4)将固结好的固结体分别浸泡于盐水、煤油、5%HCl、5%NaOH 溶液中，比较抗压强度，结果表明，防砂剂与其他介质的配伍性良好。

［1］ 李宾元，税其达，廖润康，等. 水平井和防砂［M］. 成都:成都科技大学出版社，1994:188-212.

［2］ 陈大钧，陈二丁，韩利娟.用于防砂的高渗透水泥浆体系［J］.钻井液与完井液，2000，17(2):19-21.

［3］ 杜作栋，陈剑华，贝小来，等. 有机硅化学［M］. 北京:高等教育出版社，1990:129-183.

［4］ 王丁，程斌，黄朝.改性元素有机硅树脂高湿胶粘剂的研制［J］.江西科学，2002，20(4):220-222.