低温油井人工井壁材料研究

2021-11-03郭鸿宇杨国兴陈洪杰钟飞升

石油化工 2021年10期

郭鸿宇，杨国兴，杨超，陈洪杰，钟飞升，马诚

（1. 辽宁石油化工大学石油化工学院，辽宁抚顺 113001；2. 中国石化西南石油工程有限公司钻井工程研究院，四川德阳 618000；3. 中国石化大连石油化工研究院，辽宁大连 116045；4. 兖矿东华地矿建设分公司，山东邹城 273500；5. 彰武县联信铸造硅砂有限公司，辽宁阜新 123200）

油气开发肇始于地质勘探而收官于油气采收。井漏是勘探钻井过程中常见的问题之一。钻井液在压力的作用下流入裂缝和洞穴，从而导致大量液体流失。流失液体的黏度大，具有很强的柱液压力，当柱液压力大于地层孔隙压力时，在压差的作用下，大量的液体流入地层，对地层造成污染破坏［1-7］。另外，地层出砂也是国内外油气藏开采中经常遇到的普遍性问题［8］。井筒出砂原因极其复杂，油气井生产和修井作业等各个环节都可能引起地层出砂。一方面，砂可能在井内沉积形成砂堵，使油气井产量降低；另一方面，出砂将增加井下作业工作量，磨损设备及砂卡井下工具等［9］。出砂严重的井还可能引起井壁坍塌从而损坏套管和衬管，砂埋油层导致油井停产，使采油、采气的难度及成本都显著提高［10］。目前，解决上述问题最常用的方法之一是人工井壁法。将化学药剂注入油井的漏失层或出砂层，通过化学反应发生固化形成比较稳定的地层，即通过构建人工井壁的方法达到堵漏和防砂的目的。然而，大多数化学药剂在低温条件下，难以固结或反应慢，凝结效果差，无法形成有效的人工井壁［11-13］。

为了解决上述问题，本工作采用石英砂、有机树脂和分散剂，通过共混工艺制备了一种适用于低温条件下的低温预固结材料，并对其表面结构及其固结体的热稳定性、抗压强度和疏水性能等进行了评价。

1 实验部分

1.1 主要原料与仪器

有机树脂：分析纯，广州穗欣化工有限公司；亲/疏水分散剂、石英砂（212～270 μm）：工业品，联信金莹铸造材料有限公司；液体固化剂：实验室自制。

BL-SC1600型数码显微镜：鄂州市贝朗科技有限公司；ST-5000N型电子万能试验机：厦门易仕特仪器有限公司；Q600型热重-差热分析仪：美国TA 公司；OCA15EC型接触角表面性能测定仪：德国 Dataphysics 公司：岩心驱替装置：自行组装。

1.2 实验方法

1.2.1 低温预固结材料的制备及其性能评价

低温预固结材料的制备：用去离子水清洗粒径为212～270 μm的石英砂表面的灰尘，再用10%（w）氢氧化钠和10%（w）盐酸溶液分别浸泡1 h，将表面的难溶物和油污清洗干净，最后用去离子水将表面残留的氢氧化钠和盐酸溶液清洗干净，放入电热鼓风干燥箱中烘干。将处理好的石英砂与有机树脂按质量比100∶6放入烧杯中，将烧杯放在磁力加热搅拌器上加热，边搅拌边加热至50 ℃。搅拌均匀后，加入分散剂，再次搅拌使被树脂包裹的砂粒均匀分散。将分散的砂粒取出，用212～270 μm的筛网依次筛分最终得到低温预固结材料。

低温预固结材料的形貌和覆膜厚度测试：分别随机选取100粒石英砂和低温预固结材料，利用数码显微镜观察石英砂和低温预固结材料的微观形貌，并分别计算它们的直径，取平均值，计算涂覆厚度，见式（1）。

式中，d为低温预固结材料被涂覆厚度，mm；D1为低温预固结材料的直径，mm；D2为石英砂的直径，mm。

低温预固结材料的热稳定性评价：利用热重-差热分析仪对低温预固结材料的热稳定性进行评价，试样质量为5～8 mg，温度为15～800 ℃，升温速率为10 ℃/min，空气气氛，流量为50 mL/min。

1.2.2 固结体的制备及其性能评价

固结体的制备：将低温预固结材料与固化剂按质量比2∶1放入试管中混合均匀，搅拌3 min，将试管放入集热式恒温加热磁力搅拌器中水浴加热，充分反应后，取出冷却至常温，将冷却的试管破碎，取出固结体切成长30～40 mm的试样，试样两端磨平备用。

固结体的形貌：利用数码显微镜观察固结体的微观形貌，放大倍数为100。测试前，将固结体放入真空干燥箱中干燥24 h，温度为50 ℃。

固结体的热稳定性评价：利用热重-差热分析仪对固结体的热稳定性进行评价，试样质量为5～8 mg，温度为15～800 ℃，升温速率为10℃/min，空气气氛，流量为50 mL/min。

固结体抗压强度评价：利用电子万能试验机测试固结体试样的固结强度。将固结体试样置于试样台上。试样长度为30～40 mm，直径为20 mm，下降速率为20 mm/s。

固结体的疏水性能评价：1）接触角评价。利用接触角表面性能测定仪在室温下测定固结体试样表面的静态水接触角。测试前，将固结体试样放入真空干燥箱中干燥24 h ，温度为50 ℃。2）渗透率测试。利用岩心驱替装置测定固结体在不同压力下的渗透率。驱替液为自来水，测试温度为20 ℃。固结体试样长35 mm，直径18 mm。测试前，将固结体试样放入真空干燥箱中干燥24 h，温度为50 ℃。

2 结果与讨论

2.1 低温预固结材料的性能

2.1.1 合成机理

有机树脂含有羟基，可与石英砂表面上的羟基产生氢键，因此，有机树脂能吸附在石英砂表面。用分散剂将被有机树脂包裹的石英砂分散成独立的颗粒，防止它再次聚集。

2.1.2 低温预固结材料的形貌和覆膜厚度

图1为石英砂与低温预固结材料的微观形貌。由图1可知，低温预固结材料的平均直径大于石英砂，且低温预固结材料表面均匀覆盖了一层有机树脂薄膜，薄膜上黏有许多黄色分散剂颗粒。通过计算，石英砂的平均长直径为0.144 mm，短直径为0.126 mm。低温预固结材料的平均长直径为0.214 mm，短直径为0.187 mm。低温预固结材料均匀覆盖了0.033 mm有机树脂膜。

图1 石英砂（a）与低温预固结材料（b）的微观形貌（×100）Fig.1 Morphology of quartz sand(a) and low temperature pre-consolidation material(b).

2.1.3 低温预固结材料的热稳定性

图2为低温预固结材料的DSC-TG曲线。

图2 低温预固结材料的 DSC-TG 的曲线Fig.2 DSC-TG curve of low temperature pre-consolidation material.

从图2可看出，在0～800 ℃时，低温预固结材料的热分解主要分为3个阶段。第1阶段为15～426 ℃，质量损失为4.0%，DSC曲线上出现一个波谷，温度为188 ℃，原因是低温预固结材料表面的有机树脂小分子链开始分解。第2阶段为426～457 ℃，质量损失为0.5%，DSC曲线上出现一个波谷，温度为450 ℃，原因是低温预固结材料表面的有机树脂大分子链开始分解。第3阶段为457～613 ℃，质量损失为0.5%，DSC曲线上出现一个波谷，温度为570 ℃，原因是低温预固结材料表面的无机物开始分解。因此，低温预固结材料表面上的有机树脂在188 ℃开始热分解，457 ℃分解完全，说明低温预固结材料具有优异的热稳定性，耐热温度达188 ℃。

2.2 固结体的性能

2.2.1 人工井壁的合成原理

利用泵车将低温预固结材料同液体固化剂一起填入地层亏空层处，低温预固结材料上涂覆的有机树脂与固化剂在井内发生反应形成三维网状交联物，将每颗砂粒紧紧交联一起，在地层亏空层处形成人工井壁，对漏失井和出砂井起到堵漏和防砂作用。

2.2.2 固结体形貌

固结体的宏观及微观形貌见图3。由图3可知，固结体表面致密无空隙；固结体砂粒之间连接紧密，镶嵌在有机树脂固化形成的三维网状交联物中，结构稳定。

图3 固结体的宏观形貌（a）及微观形貌（b）Fig.3 Macroscopic(a) and micro(b) morphology of consolidation.

2.2.3 固结体的热稳定性

图4为固结体的DSC-TG曲线。由图4可知，在210～440 ℃，固结体的质量损失为8.9%，DSC曲线上出现一个波谷，温度为265 ℃，原因是固结体中的交联物开始热分解，且在265 ℃时分解速率最快。温度高于440 ℃时，TG曲线趋于稳定，说明交联物分解完全。因此，固结体中的交联物在210 ℃开始热分解，440 ℃分解完全，说明固结体具有优异的热稳定性，耐热温度达210 ℃。