环氧树脂水乳液固砂性能研究

2012-09-15赵修太王春彦

特种油气藏 2012年4期

关键词：防砂固化剂乳化剂

赵修太，李宏，王春彦

(1.中国石油大学(华东)，山东青岛 266580; 2.中油大港油田分公司，天津大港 300280)

环氧树脂水乳液固砂性能研究

赵修太1，李宏1，王春彦2

(1.中国石油大学(华东)，山东青岛 266580; 2.中油大港油田分公司，天津大港 300280)

为了改善化学防砂技术在应用过程中的效果，开展了环氧树脂乳液固砂性能研究。以环氧树脂、自制乳化剂为原料，采用相反转法，合成了具有较低黏度的环氧树脂水乳液。通过室内模拟固砂实验发现，采用环氧树脂乳液固砂，固结的岩心强度高、渗透性好，抗压强度可达5 MPa，且具有良好的耐油、耐水性能。

环氧树脂乳液;乳化;相反转法;固砂性能;化学防砂;孤东油田

引言

目前，防砂工艺主要有机械防砂与化学防砂2大类［1］。机械防砂应用较多，效果也较好，但工艺较为复杂，容易发生复杂事故［2－3］。化学防砂主要使用各类树脂固砂，如酚醛树脂［4］、脲醛树脂［5］、环氧树脂以及改性呋喃树脂等，可以将地层松散的砂子固结，从根本上解决出砂问题。由于这些树脂分子质量大，黏度高，在固结地层砂时流体的流动性较差，容易堵塞地层［6］。孤东油田水平井防砂主要采用机械防砂，二次防砂形势严峻，急需开发适用于水平井的化学防砂新技术新工艺。针对化学防砂过程中存在的问题，开展了树脂乳化的研究，将流动性差、黏稠的环氧树脂乳化成分散性好、黏度低的水乳液，该类乳液已广泛应用于建筑、涂料等领域［7］。本文以附着力高、稳定性好的环氧树脂为研究对象，对其乳化及固砂性能进行考察。

1 室内实验

1.1 实验药品

环氧树脂E－44、固化剂WSP，均为工业品;十二烷基苯磺酸钠(ABS)、十二烷基硫酸钠(SDS)、吐温80、吐温60，均为化学纯;乳化剂SE，自制。

1.2 实验仪器

Zetasizer3000电位－粒度仪，NDJ－1B旋转黏度计，JHR岩心流动实验装置，万能材料实验机，电热恒温水浴锅，循环水式多用真空泵，高速搅拌机，多功能搅拌器，玻璃填砂管等。

1.3 乳液的合成

改性树脂乳化过程多采用相反转乳化技术。相反转原指小分子乳液体系在一定条件下，其连续相由油相变为水相(反之亦然)的过程。体系从油包水(W/O)转变为水包油(O/W)的时刻称为相反转点。相反转点时，体系的黏度、电导率等性质会发生突变。利用这一过程来制备高分子水乳液的方法称为相反转乳化法。采用该方法制备的高分子乳液胶粒粒径小、稳定性好［8］。

环氧树脂的乳化采用相反转法，将树脂与乳化剂按一定的质量比加入到带搅拌装置的三口烧瓶中，乳化温度为70℃，搅拌速度为600 r/min，边搅拌边以1 mL/min的速度滴加蒸馏水，直到乳状液体系的连续相由油相转变为水相即可。

1.4 乳液固砂性能评价

在玻璃填砂管 (ø25 mm×150 mm)中装入一定目数 (40～60目)的石英砂，两端用带孔的胶塞封口。用真空泵抽真空，饱和模拟地层水，然后注入1 PV的乳液，再注入1 PV不同浓度的固化剂，封口后放入60℃恒温水浴。固化48 h后，将填砂管从恒温水浴中取出，冷却至室温，轻轻将玻璃管敲碎，取出固结好的岩心，测其抗压强度与渗透率。

2 结果与讨论

2.1 乳化剂确定

(1)乳化剂的筛选。通过调研，初步选定了几种环氧树脂乳化剂:吐温80、吐温60、十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(ABS)、自制乳化剂。

表1 不同种类乳化剂对环氧树脂的乳化情况

取环氧树脂10 g，乳化剂均为树脂用量的15%，去离子水20 mL，采用相反转法制备乳液，考察不同乳化剂对环氧树脂的乳化性能，将合成的乳液静置24 h观察乳化情况，结果见表1。可见，自制乳化剂的乳化效果是最好的，静置24 h后未出现分层现象，因此乳化剂最终确定为自制乳化剂。

(2)自制乳化剂用量的确定。乳化剂用量的多少直接影响乳液的稳定性，因此，将合成的乳液静置24 h观察乳化情况，考察不同乳化剂SE用量对乳液稳定性的影响，结果见表2。可以看出，当自制乳化剂用量为树脂用量的15%时，制得的乳液稳定。其原因是因为当乳化剂浓度较低时，在增加水含量过程中没有足够多的乳化剂分子包覆水滴形成保护性界面膜，于是水滴会在剪切作用下相互碰撞形成具有较大尺寸的水滴，当发生相反转时较小的水滴来不及融合为连续相就被固定于环氧树脂分散相中，形成W/O/W型乳液，称之为不完全相反，这样制得的乳液分散相微粒尺寸较大，稳定性也较差。因此，乳化剂的用量确定为树脂用量的15%。

表2 不同乳化剂SE用量对环氧树脂的乳化情况

2.2 乳液物性

(1)乳液粒径分布。将合成的乳液放在生物显微镜下观察其形态，并通过电位－粒度仪测定乳液中粒子的粒径分布，图1为环氧树脂乳液微观图像。可以观察到，乳液分散均匀，粒子呈规则的球状，且具有较小的几何尺寸(粒子粒径约为300 nm，分布较窄)，从而具有较高的乳液稳定性。

图1 环氧树脂乳液微观图像

(2)乳液稀释特性。将合成的乳液按一定的比例进行稀释，采用NDJ－1B旋转黏度计在室温(20℃)下测其黏度。实验结果显示，合成的乳液本身具有较低的黏度，为25.3 mPa·s;随着稀释浓度的降低，乳液的黏度也迅速降低，当浓度降到50%以下时，黏度小于5 mPa·s。合成乳液的稀释特性符合Sibree研究得出的反映乳状液黏度与内相浓度的关系式［9］:

式中:η为乳状液黏度，mPa·s;η0为外相黏度，mPa·s;φ为内相的体积分数;h是常数。

2.3 乳液固砂实验

2.3.1 乳液浓度对固砂性能的影响

不同浓度的乳液中树脂含量不同，因此选用不同浓度的乳液用于固砂，考察乳液浓度对固砂性能的影响。选固化剂浓度为10%，实验结果见图2。可以看出，随着乳液浓度的增加，固砂强度逐渐增强，渗透率有所减小。当乳液浓度达到50%时，树脂有效含量为16.7%，固结岩心的强度可达到5 MPa，可见选用乳液固砂，可以获得渗透性好、强度高的固结体。

图2 乳液浓度对固砂性能影响

2.3.2 固化剂WSP浓度对固砂性能的影响

在乳液浓度为50%条件下，改变注入的固化剂WSP浓度，考察固化剂浓度对固砂性能的影响，实验结果见图3。可以看出，随着固化剂浓度的提高，岩心试样抗压强度逐渐增大，而渗透性明显降低。这是由于随着固化剂浓度的增加，固化剂与树脂的胶结点增多，形成更稳定的网络结构，从而使岩心的强度增加。同时过多的固化剂会在砂粒间孔隙中滞留形成一定堵塞，从而导致渗透率降低。

图3 固化剂浓度对固砂性能影响

2.3.3 介质对固砂性能的影响

岩心的耐介质稳定性关系到油井防砂后有效期的长短及今后能否进行酸化等措施作业，因此岩心的耐介质稳定性也很重要［10］。将制作好的岩心试样浸入到不同的介质中，在密闭的条件下恒温放置3 d，考察岩心试样的耐介质性。结果表明，岩心试样耐酸不耐碱，在碱中浸泡后强度变得很低，在酸中抗压强度稍有降低，这是由于选用的固化剂耐碱性差，遇碱会破坏树脂固结后的网状结构。而在水中和油中，岩心试样的抗压强度基本不变，说明该固结体对油、水有较好的耐受性。

2.4 现场应用

2010年在胜利油田HLKD52P1井进行了防砂作业，该井之前主要的防砂方式为滤砂管防砂，正挤环氧固砂体系，注入顺序为:清洗液+前置段塞(40 kg促凝剂+80 kg增强剂)+固砂体系+后置段塞(3%促凝剂)，关井候凝3 d，防砂效果较好，出砂速度为4 800 mL/h时，出砂率小于0.5%。