＊詹寧寧 張麗鋒

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300450 2.中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司 天津 300131 3.天津大學(xué) 化工學(xué)院 天津 300072）

油氣井出砂是油田開發(fā)與開采中常面臨的問(wèn)題之一；因此，油田各作業(yè)單位需要采取相應(yīng)的措施預(yù)防與解決出砂難題。一但問(wèn)題不能有效解決，油氣井出砂會(huì)變得越來(lái)越嚴(yán)重，最終導(dǎo)致相應(yīng)的油氣井不能有效開發(fā)與開采。為此，大量科研工作者投入到防砂預(yù)防與治理研究中，建立了完善的配套油氣井防砂體系，為我國(guó)油田增產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)做出重大的貢獻(xiàn)。

機(jī)械防砂工藝和化學(xué)防砂技術(shù)是最常見的兩種防砂工藝。相比于機(jī)械防砂，化學(xué)防砂技術(shù)因其工藝流程簡(jiǎn)單、易于后續(xù)作業(yè)與處理等優(yōu)勢(shì)，在油氣井中廣泛應(yīng)用?；瘜W(xué)防砂是指在井眼周圍疏松的地層擠入化學(xué)藥劑，用以膠固地層砂，或形成具有一定強(qiáng)度和滲透能力的人工井壁的技術(shù)。

化學(xué)防砂在1960年開始研究與應(yīng)用并快速形成規(guī)模。一般情況下其可分為三大類：一類是樹脂膠結(jié)地層砂，一般采用成品樹脂等材料注入地層，或者人為的在地層特定條件下合成樹脂來(lái)達(dá)到膠結(jié)地層砂的目的；第二類是人工井壁，人工井壁種類繁多，例如水泥砂漿、預(yù)涂層礫石、乳化水泥、水帶干灰砂、樹脂砂漿、樹脂核桃殼等。通常情況下，這類人工井壁材料一般通過(guò)管柱泵等方式送至相關(guān)層位，在一定壓力條件下順利進(jìn)入套管環(huán)空中，致密充填、可有效恢復(fù)地層原始應(yīng)力，而且隨著充填材料的凝固，又形成具有一定強(qiáng)度的屏障，再將井筒中多余的填充物清洗掉，使目標(biāo)油氣井具備生產(chǎn)等相關(guān)條件；第三類是其它化學(xué)固砂法，該方法制約條件較多，目前來(lái)說(shuō)使用較少，主要包含以下幾類，例如氫氧化鈣固砂法、水泥-碳酸鈣混合液固砂法、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機(jī)化合物固砂法。

總的來(lái)說(shuō)，化學(xué)防砂是一種操作簡(jiǎn)便、效果明顯的防砂工藝，尤其適用于滲透率相對(duì)均勻的薄層段。在厚度小于5m且滲透率均勻的出砂層段均可以起到很好的防砂作用。

1.樹脂膠結(jié)地層砂

目前，國(guó)內(nèi)外已大規(guī)模開展樹脂膠結(jié)地層砂。

國(guó)內(nèi)用于油井防砂的樹脂主要包含酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、呋喃樹脂、脲醛樹脂等，一般情況下，脲醛樹脂固砂和酚醛樹脂膠結(jié)砂是廣泛應(yīng)用的兩種防砂方式。

酚醛樹脂膠結(jié)砂層一般以甲醛和苯酚為主要原料，催化劑是堿性化合物，在一定溫度和比例條件下，反應(yīng)得到酚醛樹脂，隨后以柴油為溶劑，將酚醛樹脂溶液注入地層，在鹽酸溶液輔助下，利用地層溫度可有效發(fā)生固化反應(yīng)，形成具有高強(qiáng)度的酚醛樹脂砂，可有效防止相關(guān)層位出砂。酚醛樹脂膠結(jié)砂通常適用于防砂與出砂的早期階段，其優(yōu)點(diǎn)是工藝流程簡(jiǎn)易，但其缺點(diǎn)是價(jià)格較高，施工流程與工藝時(shí)間較長(zhǎng)。

張國(guó)榮等制備了改性酚醛樹脂防砂固砂劑，并探究反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等因素對(duì)固砂劑性能的影響，研究結(jié)果表明其抗壓強(qiáng)度達(dá)到16.23MPa，抗折強(qiáng)度高達(dá)4.56MPa，水相滲透率和氣相滲透率分別為1.98μm2和125.91μm2。姚俊波等針對(duì)油井在生產(chǎn)過(guò)程中的出砂問(wèn)題，合成了一種雙酚型環(huán)氧樹脂ER1，并測(cè)試了其固砂性能。結(jié)果表明，該體系的抗壓強(qiáng)度為12.3MPa，煤油滲透率為4.1mD，空氣滲透率為12.9mD。

脲醛樹脂固砂是另外一種廣泛應(yīng)用的防砂方式。其物理性狀為白色可流動(dòng)液體，通常利用其遇酸加速反應(yīng)生成性狀較為堅(jiān)硬的固體而達(dá)到固砂的目的。一般以甲醛和尿素為主要原料，催化劑是酸性或者堿性化合物，在地層溫度和壓力條件下，可有效發(fā)生縮聚與交聯(lián)反應(yīng)，脲醛樹脂體系的粘度增大，因此可以在地層砂粒表面沉積，并在地層沉積、膠連、固結(jié)，從而達(dá)到固砂的目的。通常，油脂類等材料與固砂液不相溶，所以需要添加油溶性物質(zhì)做溶劑?，F(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)完成后，井筒附近可有效形成防砂墻，進(jìn)而達(dá)到防砂與固砂的功效。此方法適用于高含水階段的出砂油井，而且具有價(jià)格相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)。

嚴(yán)焱誠(chéng)等通過(guò)降低了樹脂中游離甲醛含量，合成了改性脲醛樹脂，并將其應(yīng)用到防砂中，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明其固砂后的強(qiáng)度和滲透率均較高，具有地面粘度小、成本低、施工操作方便、可泵性好的優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)外用于油井防砂的樹脂主要包含呋喃樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂及其混合物。呋喃樹脂防砂是國(guó)外廣泛應(yīng)用的防砂方式。

呋喃樹脂一般以糠醛和包含呋喃環(huán)的糠醇為主要原料，催化劑是酸性化合物，在一定溫度、壓力和比例條件下發(fā)生固化反應(yīng)得到。

呋喃樹脂油井防砂應(yīng)用范圍廣泛，不僅適用于常規(guī)油井，而且也可適用于熱采井和氣井防砂。最為經(jīng)典的案例就是其在美國(guó)加州Bakersfield的克恩河油田熱采井的應(yīng)用。通過(guò)在熱采井中添加了一種改性的呋喃樹脂防砂，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，這種改性的呋喃樹脂可有效起到防砂效果，因此油井的生產(chǎn)時(shí)間大為延長(zhǎng)，而且在保持總產(chǎn)量的情況下，很大程度上減少了作業(yè)費(fèi)用和出砂量。

2.人工井壁防砂

人工井壁防砂將從國(guó)內(nèi)和國(guó)外兩個(gè)方面展開論述。

人工井壁防砂在國(guó)內(nèi)應(yīng)用研究的方法主要包括樹脂核桃殼、樹脂涂層砂、樹脂砂漿、水帶干灰砂、水泥砂漿和乳化水泥漿等。

水泥砂漿將膠結(jié)劑水泥和支撐劑石英砂按一定比例均勻混合后，繼續(xù)加入適量的水?dāng)嚢杈鶆?，以油為介質(zhì)將其運(yùn)至井下，在地層壓力下擠至環(huán)空內(nèi)，水泥砂漿在地層沉積、膠連、固結(jié)，形成強(qiáng)度較高的人工井壁，有效防止地層出砂。水泥砂漿防砂常用于防砂后期階段，其優(yōu)點(diǎn)是水泥砂漿原料來(lái)源廣泛、施工流程與工藝簡(jiǎn)便，其缺點(diǎn)是使用量大，尤其是介質(zhì)油的用量更大，強(qiáng)度較小且有效期段（膠結(jié)后抗折強(qiáng)度通常小于1MPa）。

方嚴(yán)等將高吸水樹脂（SAP）作為一種良好的吸水保水材料，用于水泥砂漿改性，制備得到性能優(yōu)良的水泥砂漿用于防砂，其抗折和抗壓強(qiáng)度分別提高了9.78%和22.6%。

樹脂核桃殼將膠結(jié)劑酚醛樹脂和支撐劑核桃殼按一定比例均勻混合后，并加入一定量柴油潤(rùn)濕，然后以油或活性水為介質(zhì)將其運(yùn)輸至井下，在地層壓力下擠至環(huán)空內(nèi)，樹脂核桃殼在地層沉積、膠連、固結(jié)，有效形成具有較高滲透性和一定強(qiáng)度的人工井壁，有效防止地層出砂。樹脂核桃殼防砂常用于防砂早期階段，因其防砂功效好、膠結(jié)強(qiáng)度高而備受歡迎，但其缺點(diǎn)是原料來(lái)源困難，導(dǎo)致價(jià)格偏高。

許善鋒等將超微粉碎后的核桃殼和甲醛溶液混合作為添加劑，與三聚氰胺改性脲醛樹脂通過(guò)縮聚反應(yīng)制備得到改性核桃殼粉膠，并檢測(cè)其性能，可滿足油田防砂應(yīng)用。

樹脂砂漿是將膠結(jié)劑樹脂和支撐劑石英砂按一定比例均勻混合后，致使樹脂薄膜均勻涂抹在石英砂表面，隨后以柴油為介質(zhì)攜樹脂砂漿至目標(biāo)層位，在地層壓力下擠至環(huán)空內(nèi)，樹脂砂漿在地層沉積、膠連、固結(jié)，有效防止地層出砂。樹脂砂漿防砂常用于防砂的后期階段，特別是吸收性好的油井，優(yōu)點(diǎn)是普適性強(qiáng)，缺點(diǎn)是操作工藝相對(duì)復(fù)雜。

預(yù)涂層礫石是指樹脂均勻涂抹在礫石顆粒外表面，而在常溫下不發(fā)生粘連作用的穩(wěn)定顆粒。但其在地層條件下，可有效吸附于礫石表面，沉積、膠連、固結(jié)，形成高滲透性和高強(qiáng)度的人工井壁，從而達(dá)到防止油氣層出砂的目的。通常，預(yù)涂層礫石防砂適用于吸水能力強(qiáng)的中高溫油藏（溫度高于60℃），其具有防砂功效好、操作工藝簡(jiǎn)便、滲透率保持度高（保持率達(dá)到90%以上）、且強(qiáng)度高（抗折強(qiáng)度可達(dá)5MPa左右）的優(yōu)勢(shì)。

陳應(yīng)琳等將涂敷砂防砂工藝應(yīng)用于孤東河口等油田防砂，試驗(yàn)24井次，可對(duì)比21井次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其效果良好，成功率達(dá)到81%，創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益816萬(wàn)元。

目前被廣泛應(yīng)用的涂層砂有酚醛樹脂涂層砂、環(huán)氧樹脂涂層砂以及可耐高溫的有機(jī)硅—樹脂涂層砂等。近幾年來(lái)，酚醛樹脂涂層砂因其價(jià)格低廉、作用效果更好的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)樹脂涂層防砂中大面積推廣與應(yīng)用。

國(guó)外人工井壁防砂方法主要有樹脂涂層砂、樹脂砂漿、水泥—碳酸鈣、水泥砂漿和乳化水泥漿等，其中，以樹脂涂層防砂尤為受歡迎。此外，國(guó)外的化學(xué)防砂還包括熱法固砂、SiCl4固砂、有機(jī)物氧化聚合固砂、膠乳固砂、Ca(OH)2固砂以及焊接玻璃固砂等。其中美國(guó)加州采用獨(dú)特的焊接玻璃固砂法對(duì)出砂嚴(yán)重的含頁(yè)巖以及粘土砂巖油井的防砂，其效果良好，尤其在注蒸汽驅(qū)類油井防砂方面效果更佳。

3.其它化學(xué)固砂法

(1)高強(qiáng)度固砂技術(shù)

LH-V高強(qiáng)度固砂技術(shù)是一種采用多種高效的無(wú)機(jī)及有機(jī)固體作為粘結(jié)劑，配以各種類型的添加劑，經(jīng)繁瑣的工序精制得到粒度約為0.03mm～0.06mm的粉劑產(chǎn)品，用以防砂的新技術(shù)。通常，是將該產(chǎn)品復(fù)配成水基的懸浮液，進(jìn)而注入地層，在地層一定溫度與壓力條件下，可與地層砂礫表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵，進(jìn)而膠結(jié)成具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度固結(jié)物。其具有特別高的強(qiáng)度和較好的滲透性能，可在井筒周圍形成濾砂層，有效阻止地層砂流入井筒，進(jìn)而達(dá)到防砂功效。

(2)烷基聚硅酸酯固砂

常規(guī)的礫石充填技術(shù)可有效阻止粗砂粉的運(yùn)移，可有效防止地層砂流入井筒，但也會(huì)造成井底堵砂，增加維修成本。烷基聚硅酸酯固砂可有效解決這一難題。

烷基聚硅酸酯是將堿金屬或銨的硅酸鹽和有機(jī)銨硅酸鹽按一定比例均勻混合后，隨后以水為介質(zhì)攜烷基聚硅酸酯至目標(biāo)層位，隨后注入隔離液芳香烴類物質(zhì)或者石蠟基物質(zhì)和水基烷基聚硅酸酯溶液，在地層壓力下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水泥，烷基聚硅酸酯在地層沉積、膠連、固結(jié)，有效防止地層出砂，且耐溫（耐溫達(dá)1000℃）和耐酸。

烷基聚硅酸酯固砂技術(shù)中應(yīng)用的添加劑的有效濃度、注入速度與地層物性密切相關(guān)。因此，在烷基聚硅酸酯固砂作業(yè)前要掌握相應(yīng)地層參數(shù)、優(yōu)化配方。為了獲得更好的防砂效果，常采取以下兩種方法：

方法一是提高硅酸鹽或烷基聚硅酸酯的濃度；

方法二是降低流體的注入速度，常將烷基聚硅酸酯分批多次注入地層，直至滿足強(qiáng)度要求。

具有SiO2/M2O的物質(zhì)的量比值約為0.5～4的硅酸鹽，可有效獲得穩(wěn)定性更佳的堿性硅化物水泥。其中金屬元素M包括鋰鈉鉀，鉀最佳。最適合的SiO2/M2O的物質(zhì)的量比值通常高于2，硅酸鹽溶液質(zhì)量濃度低于60%，最優(yōu)數(shù)值介于20%到50%之間。

通常情況下，隨著硅酸鹽水溶液濃度的增加，其粘度也隨之增大，從而生成的硅化物水泥膠結(jié)強(qiáng)度也隨之提高。烷基聚硅酸酯中二氧化硅質(zhì)量濃度應(yīng)該高于30%，最優(yōu)數(shù)值為50%。

(3)混纖維砂漿充填防砂

國(guó)內(nèi)混纖維砂漿充填防砂最早應(yīng)用于壓裂施工作業(yè)中，它能有效防止壓裂后破膠返排，同時(shí)提高支撐劑性能。隨后學(xué)者發(fā)現(xiàn)纖維材料的加入，使其作用效果更佳，究其原因，發(fā)現(xiàn)纖維材料可與顆粒形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而抑制支撐劑相互摩擦預(yù)碰撞。馬曉杰等探究了硅灰摻量對(duì)纖維砂漿抗折強(qiáng)度以及剪切黏結(jié)強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加硅灰能有效改善纖維砂漿的抗折強(qiáng)度以及剪切黏結(jié)強(qiáng)度。

國(guó)外混纖維砂漿充填技術(shù)最早應(yīng)用于水力壓裂施工作業(yè)中，避免支撐劑外流而形成的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)外混纖維砂漿充填技術(shù)作用機(jī)理是纖維材料相互作用形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而有效包裹充填砂、抑制其分散運(yùn)移，從而有效降低產(chǎn)出液排砂量。充填砂按照材質(zhì)不同分為普通陶粒/石英砂和覆膜砂。充填砂為覆膜砂的混纖維砂漿充填技術(shù)主要應(yīng)用于防砂強(qiáng)度高、滲透率提升大的儲(chǔ)層。

充填砂為普通陶粒/石英砂的混纖維砂漿充填技術(shù)常應(yīng)用于低滲透儲(chǔ)層水力壓裂后期，其能夠有效抑制返排過(guò)程中支撐劑的倒流，增加液流通道。在美國(guó)科羅拉多州的Dodell低滲透致密砂巖氣層（滲透率值約為0.003mD～0.05mD）的水力壓裂作業(yè)中應(yīng)用充填砂為普通陶粒/石英砂的混纖維砂漿充填技術(shù)，即使返排速度提升至320L/min也無(wú)支撐劑返排，不僅如此，壓裂液返排量相應(yīng)增加了24%，氣井產(chǎn)量提高了50%以上。

4.結(jié)束與展望

隨著化學(xué)防砂技術(shù)的日趨成熟，國(guó)內(nèi)外興起了多種新型的化學(xué)防砂方法，比如高能樹脂液充填固砂、微生物固砂等，其應(yīng)用數(shù)據(jù)與效果均表明其具有很好的功效。對(duì)于蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)類油井，國(guó)內(nèi)外正在研發(fā)更能耐高溫性能的樹脂和其它化學(xué)膠結(jié)劑。綜上所述，根據(jù)防砂應(yīng)用需求，研發(fā)性價(jià)比高、普適性強(qiáng)、防砂功效高的綠色化學(xué)防砂技術(shù)將是大勢(shì)所趨。

然而，化學(xué)防砂技術(shù)有效作用時(shí)間短、對(duì)地層存在不可逆?zhèn)Α⒎郎俺杀靖叩热秉c(diǎn)制約其發(fā)展。綜合各種化學(xué)防砂技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，筆者認(rèn)為未來(lái)的研發(fā)方向應(yīng)側(cè)重以下幾點(diǎn)：

（1）研制與開發(fā)使用不同地層溫度、膠結(jié)功效高的膠結(jié)劑；

（2）研制與開發(fā)滿足不同條件的添加劑；

（3）研發(fā)性價(jià)比高、普適性強(qiáng)、防砂功效高的綠色化學(xué)防砂技術(shù)。現(xiàn)如今中國(guó)各大油田陸續(xù)將防砂作為重要公關(guān)技術(shù)研究，結(jié)合高校和科研院的研發(fā)力量，形成滿足不同工況下防砂技術(shù)。