匡韶華，呂 民，楊 洪，王 磊，佟姍姍

（1.中國(guó)石油遼河油田分公司鉆采工藝研究院，遼寧盤(pán)錦 124010；2.中國(guó)石油新疆油田分公司重油開(kāi)發(fā)公司，新疆克拉瑪依 834000）

地層出砂是疏松砂巖油氣藏開(kāi)采過(guò)程中存在的突出生產(chǎn)問(wèn)題之一。解決油氣井出砂問(wèn)題的主要途徑是采取防砂措施來(lái)控制地層出砂。經(jīng)過(guò)多年的研究與應(yīng)用，已形成了機(jī)械防砂和化學(xué)防砂2大類(lèi)防砂技術(shù)，包括獨(dú)立篩管防砂、礫石充填防砂、壓裂防砂、人工井壁防砂和化學(xué)固砂等多種防砂技術(shù)[1]。形狀記憶材料是一種具有形狀記憶效應(yīng)的新型智能材料，受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[2-3]。近些年，石油科技工作者開(kāi)始探索將該材料應(yīng)用在石油工程中[4-11]，其中，利用形狀記憶高分子材料（SMP）研發(fā)的形狀記憶防砂篩管已在現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用[12-17]，驗(yàn)證了該材料應(yīng)用于防砂技術(shù)的可行性和適應(yīng)性。該技術(shù)只需下入一趟防砂完井管柱，利用井底溫度使形狀記憶篩管膨脹充填環(huán)空，能夠以獨(dú)立篩管完井的簡(jiǎn)單工藝實(shí)現(xiàn)礫石充填完井效果，大幅縮短了施工周期、減少了地面配套裝置。形狀記憶防砂篩管在水平井裸眼完井中具有明顯優(yōu)勢(shì)，但是在射孔套管完井中存在成本高、后期管柱打撈難度大等局限性。

為此，筆者提出了膨脹顆粒防砂技術(shù)思路：形狀記憶材料加工成具有膨脹性和滲透性的膨脹顆粒，將其填充于射孔孔道來(lái)實(shí)現(xiàn)防砂功能。采用形狀記憶聚氨酯泡沫和樹(shù)脂涂覆技術(shù)，制備了膨脹顆粒防砂材料，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)了該材料的膨脹性能、溫度影響性、抗壓強(qiáng)度、過(guò)流性能、擋砂性能和耐介質(zhì)性能，以期為該防砂材料的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供依據(jù)。

1 膨脹顆粒防砂材料制備及防砂原理

1.1 膨脹顆粒防砂材料制備

通過(guò)對(duì)比不同形狀記憶材料的激發(fā)溫度、形狀恢復(fù)能力、耐酸堿性、加工性能和成本，優(yōu)選出形狀記憶聚氨酯泡沫作為膨脹顆粒防砂材料的原材料[13-17]。該材料具有開(kāi)孔泡沫結(jié)構(gòu)及形狀記憶恢復(fù)性能好、機(jī)械強(qiáng)度高、激發(fā)溫度可調(diào)、孔眼尺寸可控、滲透性好等特點(diǎn)，阻擋地層砂的同時(shí)可允許流體通過(guò)，從而起到防砂過(guò)流作用。油田常用的地層砂多為粉砂、細(xì)砂和中砂，粒徑一般為0.05～0.50 mm，這也是防砂的主要粒徑范圍[18]。按照經(jīng)典的2/3架橋原理[19]，并考慮適度防砂原則，選用泡沫孔徑為0.05～0.35 mm的形狀記憶聚氨酯泡沫制備膨脹顆粒防砂材料。

將已發(fā)泡成型的原始態(tài)形狀記憶聚氨酯泡沫放入專(zhuān)用模具中，加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上使其軟化，同時(shí)施加三軸壓力使其變形，冷卻后定型，得到變形態(tài)的形狀記憶聚氨酯泡沫。取出變形態(tài)的形狀記憶聚氨酯泡沫，采用切割或破碎工藝，將其加工成不同形狀和粒徑的膨脹顆粒。

通過(guò)不斷優(yōu)化防砂材料的配方、發(fā)泡工藝、顆粒形狀和顆粒粒徑，評(píng)價(jià)了多種膨脹顆粒的膨脹性能、膨脹溫度和力學(xué)強(qiáng)度，基于膨脹顆?！斑M(jìn)得去、出不來(lái)”（能夠順利進(jìn)入射孔孔眼，膨脹后不容易返排吐出）的原則，最終確定采用粒徑3～6 mm、形狀不規(guī)則的膨脹顆粒（如圖1）作為防砂材料，并測(cè)試了其主要技術(shù)參數(shù)：粒徑3～6 mm，密度0.98～1.10 g/cm3，膨脹系數(shù)200%，激發(fā)溫度70℃，膨脹時(shí)間4 h，適用于儲(chǔ)層溫度不高于90℃的油藏。

圖1 膨脹顆粒防砂材料Fig.1 Sand control material of swelling particles

為了保證膨脹顆粒防砂材料進(jìn)入射孔孔道后能夠形成完整的防砂屏障，防止膨脹顆粒防砂材料隨流體排出，借鑒樹(shù)脂涂覆砂原理[20]，在膨脹顆粒外表面包覆樹(shù)脂涂層，待膨脹顆粒完全膨脹后，樹(shù)脂涂層發(fā)生膠結(jié)固化反應(yīng)，膨脹顆粒膠結(jié)成一體，形成整體硬質(zhì)防砂屏障。測(cè)試不同樹(shù)脂與固化劑體系的膠結(jié)特性，結(jié)果表明：以酚醛樹(shù)脂為涂層材料，后期需要注入稀鹽酸固化劑；以酚醛樹(shù)脂+NL固化劑為涂層材料，對(duì)攜砂液性能影響較大；以環(huán)氧樹(shù)脂+T31固化劑為涂層材料，固化時(shí)間快、固化放熱，固化時(shí)間不易控制；以環(huán)氧樹(shù)脂+539固化劑為涂層材料，需要溫度達(dá)到120 ℃以上才能固化；以環(huán)氧樹(shù)脂+650固化劑為涂層材料，固化時(shí)間容易控制，但固結(jié)強(qiáng)度低；以環(huán)氧樹(shù)脂+650固化劑+113固化劑為涂層材料，固化時(shí)間易控制，固結(jié)強(qiáng)度高。由測(cè)試結(jié)果可知，環(huán)氧樹(shù)脂+650固化劑+113固化劑作為膨脹顆粒的涂層材料比較合適。環(huán)氧樹(shù)脂+650固化劑+113固化劑涂層的固化時(shí)間約為8 h，大于膨脹顆粒的膨脹時(shí)間，且膨脹后不影響膨脹顆粒的過(guò)流性能。

1.2 膨脹顆粒防砂材料的防砂原理

將上述方法制備的膨脹顆粒防砂材料加入攜砂液，利用泵車(chē)將其泵入射孔孔道中（見(jiàn)圖（2a））；然后注入熱流體，提高井底溫度，激發(fā)膨脹顆粒產(chǎn)生體積膨脹，自適應(yīng)射孔孔道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)飽和充填。同時(shí)，膨脹顆粒外表面的樹(shù)脂涂層發(fā)生膠結(jié)固化，形成整體防砂屏障，實(shí)現(xiàn)射孔孔道有效封堵（見(jiàn)圖（2b）），最終形成具有滲透性和高強(qiáng)度的防砂層，阻止地層砂產(chǎn)出而允許地層流體通過(guò)。

圖2 膨脹顆粒防砂材料的防砂原理Fig.2 Principle of sand control by swelling particles

采用泵后加砂裝置，利用熱洗沖砂作業(yè)配套的水泥車(chē)和管柱，將其泵入射孔孔道，即可實(shí)現(xiàn)防砂，材料用量少，作業(yè)時(shí)間短，前期準(zhǔn)備工作量小，節(jié)省人力， HSE風(fēng)險(xiǎn)低。

2 性能評(píng)價(jià)

2.1 膨脹性能

各取10 g未涂覆樹(shù)脂的膨脹顆粒分別放入60，70，80，90和100℃烘箱中，觀察其在不同溫度下的膨脹時(shí)間和膨脹情況，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 膨脹顆粒膨脹時(shí)間與溫度的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between the swelling time of swelling particles with temperature

圖4 膨脹顆粒膨脹前后的形貌Fig.4 Appearance of swelling particles before and after swellings

從圖3可以看出：隨著溫度升高，膨脹顆粒的膨脹速度加快；溫度60 ℃時(shí)膨脹速度緩慢，膨脹時(shí)間長(zhǎng)達(dá)24 h；溫度70 ℃時(shí)膨脹速度速度急劇加快，出現(xiàn)拐點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的膨脹時(shí)間約為4 h；溫度80～100 ℃時(shí)膨脹速度進(jìn)一步加快，但加快幅度減緩。膨脹顆粒形狀完全恢復(fù)之后，顆粒體積增大2倍，即膨脹系數(shù)為200%。從圖4可以看出，膨脹顆粒膨脹后重新恢復(fù)原始態(tài)，呈現(xiàn)出蜂窩狀開(kāi)孔泡沫結(jié)構(gòu)，為膨脹顆粒的過(guò)流和擋砂提供可能。

2.2 耐溫性能

將未涂覆樹(shù)脂的膨脹顆粒放入高溫烘箱中，從50 ℃開(kāi)展逐漸升溫，每個(gè)溫度下保持30 min，觀察膨脹顆粒的變化情況，并對(duì)膨脹顆粒進(jìn)行輕度碾壓，判斷其力學(xué)性能變化，確定膨脹顆粒的激發(fā)溫度和耐溫極限。膨脹顆粒在不同溫度下的變化如圖5所示。

從圖5可以看出：溫度50 ℃時(shí)膨脹顆粒無(wú)明顯變化，溫度70 ℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，溫度90 ℃時(shí)膨脹充分、表現(xiàn)出高彈性；溫度120 ℃時(shí)膨脹顆粒受壓變形明顯，但是冷卻后仍保持較高強(qiáng)度；溫度250 ℃時(shí)未出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，但是顏色發(fā)生明顯變化，出現(xiàn)焦化現(xiàn)象，冷卻后變脆，強(qiáng)度降低明顯。由此可以看出，膨脹顆粒的合理激發(fā)溫度為70 ℃，適應(yīng)儲(chǔ)層溫度不高于90 ℃的油藏，耐溫極限為250 ℃。

由高分子材料理論[21]可知，隨著溫度升高，高分子材料從玻璃態(tài)逐步向高彈態(tài)和黏流態(tài)轉(zhuǎn)變。形狀記憶聚氨酯材料的激發(fā)溫度即為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，高分子聚合物處于玻璃態(tài)時(shí)，分子鏈和鏈段都不能運(yùn)動(dòng)，其強(qiáng)度高；在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，高分子聚合物處于高彈態(tài)，分子鏈雖不能移動(dòng)，但是鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)出高彈性，溫度繼續(xù)升高時(shí)，鏈段運(yùn)動(dòng)加劇，彈性增加，在壓縮狀態(tài)下容易變形。

2.3 膠結(jié)性能及充填效果

取20 g未涂覆樹(shù)脂的膨脹顆粒倒入燒杯中，加入1 g環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑的混合液，充分?jǐn)嚢?，讓?shù)脂均勻涂覆在膨脹顆粒表面；將其裝入φ25.0 mm×40.0 mm的玻璃管中，輕微壓實(shí)，兩端采用金屬濾網(wǎng)封閉，置于恒溫水浴中，在溫度70 ℃下養(yǎng)護(hù)12 h。取出玻璃管，敲碎得到膨脹顆粒膠結(jié)巖心，觀察膨脹顆粒的膠結(jié)性能和填充效果，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 膨脹顆粒隨溫度的變化情況Fig.5 Change in swelling particles with temperature

圖6 膨脹顆粒膠結(jié)定型前后對(duì)比Fig.6 Comparison of swelling particles before and after cementation setting

從圖6可以看出：膨脹前，膨脹顆粒之間存在較大的空隙；膨脹后，在約束空間中通過(guò)顆粒間的相互擠壓作用，顆粒間的空隙基本被填滿(mǎn)，并且可以自適應(yīng)空間結(jié)構(gòu)。同時(shí)，膨脹后膨脹顆粒表面的樹(shù)脂涂層發(fā)生固化反應(yīng)，將膨脹顆粒膠結(jié)成一體，形成完整的擋砂屏障。由于膨脹顆粒在原始狀態(tài)下具有開(kāi)孔泡沫結(jié)構(gòu)，膨脹之后，泡沫孔眼重新恢復(fù)，并且不受樹(shù)脂涂層的影響，保持連通狀態(tài)。

2.4 抗壓強(qiáng)度

參照樹(shù)脂涂覆砂巖心抗壓強(qiáng)度的測(cè)試方法[22]，將制作的膨脹顆粒防砂材料膠結(jié)巖心放置于壓力試驗(yàn)機(jī)上，施加軸向壓力，直至膠結(jié)巖心發(fā)生破壞，測(cè)試其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS），測(cè)得膨脹顆粒膠結(jié)巖心的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.5 MPa，高于遼河油田大部分出砂井的生產(chǎn)壓差（1～3 MPa），滿(mǎn)足樹(shù)脂涂覆砂行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（≥4 MPa）要求[23]。

2.5 過(guò)流性能

將膨脹顆粒防砂材料膠結(jié)巖心外側(cè)密封，裝入φ25.0 mm×200.0 mm玻璃管的一端，上部倒入清水，觀察清水通過(guò)膨脹顆粒膠結(jié)巖心的流動(dòng)情況，可以看到清水在膨脹顆粒防砂材料膠結(jié)巖心中的流動(dòng)順暢，不斷流，呈現(xiàn)出“低阻”流態(tài)。

將膨脹顆粒防砂材料膠結(jié)巖心裝入滲透率試驗(yàn)儀，采用清水測(cè)試其滲透率為90 D。將20/40目石英砂裝入φ25.0 mm金屬管，兩端用金屬網(wǎng)固定，使石英砂保持壓實(shí)狀態(tài)，放入滲透率測(cè)試儀中，采用清水測(cè)試其滲透率為18.56 D。將20/40目的涂覆石英砂和涂覆陶粒制成φ25.0 mm的膠結(jié)巖心，放入滲透率測(cè)試儀中，采用清水測(cè)試其滲透率分別為10.34和30.67 D。從不同防砂材料滲透率測(cè)試結(jié)果看，膨脹顆粒防砂材料的滲透性明顯優(yōu)于涂覆石英砂和涂覆陶粒。膨脹顆粒防砂材料表現(xiàn)出優(yōu)良過(guò)流性能的根本原因在于其孔隙度高、孔眼連通性好。

2.6 擋砂性能

為了測(cè)試膨脹顆粒防砂材料對(duì)不同粒徑地層砂的擋砂效果和抗堵性能，將膨脹顆粒防砂材料膠結(jié)巖心裝入滲透率試驗(yàn)儀中，在膨脹顆粒防砂材料膠結(jié)巖心前端分別填充粒徑0.250，0.212，0.150，0.120和0.106 mm的地層砂（見(jiàn)圖7），清水以250 m/min排量恒速驅(qū)替，記錄驅(qū)替壓差和出口端砂樣質(zhì)量，并且在每次驅(qū)替結(jié)束后，清洗膨脹顆粒防砂材料膠結(jié)巖心表面的砂粒，測(cè)其滲透率，結(jié)果見(jiàn)圖8、表1。

圖7 擋砂性能測(cè)試原理Fig.7 Principle of sand retention performance test

從圖8可以看出，隨著地層砂粒徑減小，驅(qū)替壓差有所增大，但是驅(qū)替壓差整體都比較平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)驅(qū)替壓差大幅升高的現(xiàn)象。從表1可以看出：對(duì)于粒徑大于0.15 mm的地層砂，驅(qū)替時(shí)基本不出砂；對(duì)于粒徑小于等于0.15 mm的地層砂，驅(qū)替時(shí)有少量出砂，說(shuō)明膨脹顆粒防砂材料膠結(jié)巖心能夠完全防住粒徑大于0.15 mm的砂粒，并允許少量粒徑小于0.15 mm的砂粒通過(guò)；對(duì)于不同粒徑的地層砂，驅(qū)替后膨脹顆粒防砂材料膠結(jié)巖心的滲透率均有所降低，但是整體降低幅度比較小，最大降低幅度只有13.9 %，說(shuō)明其抗堵性能優(yōu)良。

圖8 不同粒徑地層砂的驅(qū)替壓差Fig.8 Displacement pressure difference of formation sand with different particle sizes

表1 不同粒徑地層砂的出砂量及驅(qū)替后的滲透率Table 1 Sand production of formation sand with different particle sizes and permeability after displacement

為了對(duì)比膨脹顆粒與樹(shù)脂涂覆砂的擋砂效果和抗堵性能，分別在膨脹顆粒防砂材料和涂覆砂膠結(jié)巖心的前端填充粒徑0.106～0.550 mm的地層砂，用清水以250 m/min排量恒速驅(qū)替，測(cè)試驅(qū)替壓差和出砂量。測(cè)試結(jié)果表明，膨脹顆粒防砂材料膠結(jié)巖心后端見(jiàn)微量出砂，而涂覆砂膠結(jié)巖心后端未見(jiàn)出砂。圖9為膨脹顆粒防砂材料和涂覆砂膠結(jié)巖心驅(qū)替壓差隨驅(qū)替時(shí)間的變化情況。從圖9可以看出，膨脹顆粒防砂材料膠結(jié)巖心的驅(qū)替壓差基本保持平穩(wěn)；涂覆砂砂膠結(jié)巖心的驅(qū)替壓差隨驅(qū)替時(shí)間增長(zhǎng)不斷增大，且明顯高于膨脹顆粒防砂材料膠結(jié)巖心。因此，相比于涂覆砂，膨脹顆粒防砂材料具有更高的孔隙度和滲透率，其過(guò)流阻力更小，能夠允許少量細(xì)粉砂通過(guò)，具有更優(yōu)良的抗堵性能。

圖9 膨脹顆粒防砂材料與涂覆砂的驅(qū)替壓差Fig.9 Displacement pressure difference between sand control material of swelling particles and resin sand

2.7 耐介質(zhì)性能

在60℃下，將膨脹顆粒防砂材料膠結(jié)巖心放入不同介質(zhì)（15%鹽酸、pH值為10的堿液、柴油和油井采出水）中分別浸泡10和30 d，沖洗烘干后，測(cè)其浸泡前后的質(zhì)量，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 膨脹顆粒防砂材料在不同介質(zhì)中浸泡前后的質(zhì)量Table 2 Mass of sand control material of swelling particles before and after soaking in different media

從表2可以看出，隨著浸泡時(shí)間增長(zhǎng)，膨脹顆粒防砂材料膠結(jié)巖心在不同介質(zhì)中浸泡后的質(zhì)量與浸泡前相差不多，可見(jiàn)膨脹顆粒防砂材料具有良好的耐酸、堿、油和地層水的性能。

3 結(jié)論與建議

1）提出了膨脹顆粒充填防砂技術(shù)新思路?；谛螤钣洃浘郯敝菽蜆?shù)脂涂層技術(shù)，研制出具有膨脹性和滲透性的膨脹顆粒防砂材料，填充到射孔孔道中，可形成整體硬質(zhì)擋砂屏障。

2）室內(nèi)性能評(píng)價(jià)結(jié)果表明，膨脹顆粒防砂材料在溫度60～70 ℃時(shí)開(kāi)始膨脹，適用儲(chǔ)層溫度不高于90 ℃的油藏；膨脹系數(shù)200%，在約束空間中膨脹膠結(jié)后可形成整體硬質(zhì)擋砂屏障，抗壓強(qiáng)度4.5 MPa，滲透率92 D，可阻擋粒徑大于0.15 mm的地層砂；其過(guò)流性能和抗堵塞能力要明顯高于樹(shù)脂涂覆砂；具有良好的耐酸、堿、油和地層水的性能。

3）利用膨脹顆粒防砂材料進(jìn)行防砂具有高滲透、高強(qiáng)度、抗堵塞、低成本、施工簡(jiǎn)單、不留管柱等優(yōu)點(diǎn)。但是，采用切割和破碎工藝加工膨脹顆粒時(shí)存在加工效率低、廢料率高等問(wèn)題，需要進(jìn)一步優(yōu)化膨脹顆粒的加工工藝。