环氧树脂固砂体系的制备及性能研究

环氧树脂固砂体系的制备及性能研究

大多数石油在生产过程中都面临着砂开采问题。出砂问题经常出现在油气开发储层和注水层,在松散的砂岩地层更容易发生,散砂流入井筒会产生许多危害,如腐蚀阀门和管道,堵塞输油管道,砂粒容易在封隔板处积累造成金属隔板变形失效。每年由于出砂问题引起的清理和修井工作都会导致开采效率降低,造成巨大的经济损失。作者在室内考察了一种新型的双酚A型环氧树脂ER1体系用于化学固砂的效果,拟为其在油井化学固砂中的应用奠定理论基础。1胺类试剂固化机理环氧树脂ER1是一种常用的双酚A型环氧树脂,常温下为红棕色油状液体,是由双酚A与环氧氯丙烷在氢氧化钠的催化作用下缩聚、最终生成两端基为环氧基的双酚A型环氧树脂,其结构式如下:双酚A型环氧树脂ER1使用的固化剂为胺类衍生物GN,常温下为淡黄色液体。根据Shechter等提出的氨基加成反应机理,可以认为ER1树脂固化过程中存在如下3个主要反应(图2):胺类试剂对环氧树脂的固化作用按亲核加成机理进行,每一个活性氢打开一个环氧基团生成一个羟基,生成的羟基的氢又打开另一树脂分子中的环氧基,从而促使树脂发生分子内及分子间的缩聚反应,形成稳定的立体型网状结构进而固化,这种结构非常稳定,在200℃高温下都很难断裂。当散砂表面附着这些试剂时,存在于砂粒中的硅醇键Si-OH与树脂分子中的羟基反应脱去一分子水后交联,再通过上述3种反应形成立体网状结构,将散砂固结成为有一定强度的固结体。基于ER1树脂的这种性能,在室内将其用于化学固砂研究。2实验2.1固砂试样的制备采取拌砂法制作固结体,按散砂的质量比加入固砂试剂。对固化剂加量(0.8%～2%)、ER1树脂加量(3%～7%)、偶联剂KH550加量(0.2%～1%)3个因素进行正交实验,得到最优的固砂基本配方:固化剂加量为1.2%、ER1树脂加量为4.5%、偶联剂KH550加量为0.2%,在此条件下,固结体样品具有最优的抗压强度和渗透率。每次实验均按照相同工艺制作3个样品测性能,取平均值。具体步骤如下:(1)筛选40～80目的石英砂并干燥;(2)依次将固砂试剂加入石英砂中搅拌均匀;(3)将混好试剂的散砂放入5cm×5cm×5cm正方体模具中压实;(4)将模具置于60℃的烘箱中固化成型。2.2硬化时间对硬化效果的影响按基本配方制作6份相同的固结体,放入60℃烘箱中,固化不同时间,测定固结体抗压强度及气液相渗透率,确定最优固化时间。2.3固结体抗压强度测定模拟地层润湿条件测定环氧树脂固化效果,在干燥砂粒中分别按砂粒质量的2%、5%、7%、10%加入地层水,搅拌均匀后按照基本配方制作固结体样品,测定固结体抗压强度。常见砂岩中粘土含量约为15%,在干燥砂粒中分别混入10%、15%、20%的粘土,与石英砂混匀后按照基本配方制作固结体样品,测定固结体抗压强度。2.4砂用固结体规格大排量水冲砂实验用恒流泵测试在模拟地层流体流动情况下,散砂固结体出砂情况。冲砂用固结体按基本配方60℃下烘24h制作成Ф2.5cm×5cm的规格。冲刷流量设定为30mL·min-1,时间为24h,冲砂过程中水压保持在2MPa左右,采集固结体末端水样,滤纸过滤后取滤纸上的湿砂干燥后称重,以出砂率作为评价标准。2.5固结体固结强度及渗透率按基本配方制作一定量的固结体,在60℃下烘24h成型。将固结体分别在10%盐酸、10%烧碱、柴油、饱和盐水溶液中浸泡30d,期间观察固结体是否松垮,30d后取出干燥,测其固结强度、渗透率及冲砂出砂率。3结果与讨论3.1固化后的稳定性从图3可知,树脂固化反应开始于4～8h,至24h时反应较为完全,在32h、48h时抗压强度虽有一定提升,但幅度较小,因此,可以认为该树脂在24h时固化完全。固化24h制作的固结体的抗压强度为12.3MPa,空气渗透率为12.9md,煤油渗透率为4.1md,表明固结体有着良好的抗压强度、抗折强度,能够承受油层中各种地层压力的影响,其渗透率也能够为油层中的各种液体提供通畅的流通孔道。3.2er1树脂体系通常在润湿的地层中,常用的呋喃树脂、酚醛树脂等固化效果会明显降低甚至无法固化。从表1可知,在散砂润湿的情况下,固结体抗压强度下降较小,树脂固化效果良好,表明ER1树脂体系能够适用于润湿地层;散砂中混入粘土后,细粘土颗粒增加了颗粒表面积,粘土颗粒与部分试剂结合,一部分散砂表面无法接触到树脂,从而固化不充分,抗压强度下降较大,在分别提高固化剂GN和ER1树脂加量至6.5%和1.5%后,混入15%粘土的固结体样品抗压强度从6.8MPa提高至9.3MPa,因此,在粘土含量较高的地层中,需要适当增加固化剂用量。3.3抗冲刷能力分析经过24h大排量长时间的冲刷后,固结体外观保持良好,固结体样品末端产出水中含砂干重为0.09g,固结体冲砂前干重为36.32g,固结体的出砂率仅为0.25%,表明ER1环氧树脂固砂体系有良好的抗冲刷能力。3.4耐压强度测定在浸泡期间,所有固结体均未出现松散现象。从表2可知,用ER1树脂固化的固结体在柴油中浸泡30d后抗压强度降幅最大,为1.1MPa,说明柴油对固结体腐蚀程度最大,在其它3种介质中浸泡后其抗压强度略微降低;经过一段时间浸泡后,固结体内部被少量溶蚀,造成其渗透率略微升高,但幅度不大;浸泡后的固结体出砂率均低于0.5%,可以认为ER1环氧树脂固砂体系有较好的抗酸、抗碱、抗盐、抗腐蚀能力。4水土流失坡位对er1体系固化效果的影响(1)选用40～80目干燥石英砂,在固化剂GN加量为1.2%、ER1树脂加量为4.5%、偶联剂KH550加量为0.2%、60℃下固化24h的条件下,制作的固结体样品有最佳的抗压强度和渗透率。(2)水分的混入对ER1体系固化有一定的影响;大量的泥质混入会明显影响ER1固化效果,增加固化剂用量可以提高固结体抗压强度。(3)在长时间大流量、一定压力的水的冲刷下,ER1体系固化的固结体几乎没有散砂被冲出,表明ER1固砂体系有良好的抗冲刷能力。(4)ER1固砂体系在10%盐酸、10%烧碱、柴油、饱和盐水浸泡后其抗压强度和渗透率变化很小,表现出