弱膠結砂巖儲層分子膜穩定劑體系的制備與性能*

李常友，陳 雪，李 鵬，張川庭，馬朋舉

（1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司石油工程技術研究院，山東東營257000；2.中國石化勝利油田分公司生產運行管理中心，山東東營257000）

0 前言

出砂地層根據地層砂膠結強度大小可分為3種類型，即流砂地層、部分膠結地層（弱膠結地層砂）和脆性砂地層。流砂地層沒有有效的膠結物，地層極易出砂，多采用濾砂管、礫石充填等機械防砂工藝防止出砂。脆性砂地層有較多的膠結物，通過控制生產采液強度和裸眼礫石充填等防砂工藝可阻止地層出砂。而弱膠結地層的膠結物數量少、膠結力弱，地層強度低，該類儲層多采用向地層注入各類膠結劑，增加地層膠結物，實現控砂目的［1-3］。目前常用的膠結劑主要有3類［4-10］：無機類、樹脂類和陽離子季銨鹽類膠結劑。其中，無機類膠結劑的成本低、強度高，但是滲透性差；樹脂類膠結劑的強度高，但對儲層滲透率的傷害大。陽離子季銨鹽類膠結劑通過物理吸附實現穩砂，對巖心滲透率的影響小，但耐沖刷性差。本文報道了一種集合樹脂膠結劑的強度好和季銨鹽對滲透率傷害小等優點的耐沖蝕分子膜穩定劑，研究了該穩定劑的耐沖蝕性、穩砂抑砂性及流體滲流性能。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

苯酚改性環氧樹脂，自制；37%甲醛，工業一級品，濟南有機化工廠；環氧氯丙烷，一級品，天津市大茂化學試劑廠；γ-氨丙基三乙氧基硅烷，一級品，河北蓋縣化工廠；草酸分析純，濰坊鑫發化工有限公司；石英砂，0.425數0.85 mm，蘭州安寧堡型砂廠；丙烯酰胺（AM），工業級，日本三井公司；二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC），工業級，武漢市富化公司；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC），工業級，江蘇無錫新宇化工有限公司；丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DAC），工業級，上海攀峰化工廠；V-50，化學純，上海廣創景進出口有限公司；β-二甲胺基丙腈，化學純，上海三愛思試劑廠；氫氧化鈉，化學純，市售；過硫酸銨、亞硫酸氫鈉、尿素、EDTA、氨水等，均為分析純，市售；天然巖心，直徑2.47 cm、長度3數5 cm；實驗用水為實驗室用自來水；煤油。

Nicolet iS50 ATR-FTIR紅外光譜儀，賽黙飛世爾科技（中國）有限公司；Bruker超導脈沖傅立葉變換核磁共振波譜儀，瑞士Bruker有限公司；R-1005-R-1005旋轉蒸發儀，鄭州紫拓儀器設備有限公司；LDY-1型巖心流動試驗裝置，中國石油大學（華東）儀表廠；Fann-35型數字式黏度計，北京科氏力科學儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 分子膜穩定劑粉劑MS的合成

在四口燒瓶中按一定比例加入AM、DMC和有機硅偶聯劑γ-氨丙基三乙氧基硅烷，加入無水有機溶劑DMF溶解，通N2除氧0.5 h，緩慢升溫至65℃，通過恒壓滴液漏斗加入一定量無水DMF溶解的AIBN引發劑溶液，反應10數12 h后自然冷卻過濾，得白色粉末狀分子膜穩定劑產物MS，將產物用丙酮或乙醇洗滌、干燥，密封保存。

1.2.2 分子膜穩定劑液劑的制備

將497.5 mL的去離子水倒入兩口燒瓶中，啟動攪拌器，調節攪拌器的轉速至攪拌槳槳葉中軸上部高于液體形成的漩渦中心，保持均勻轉速。緩慢加入2.5 g的分子膜穩定劑MS粉料，待所有分子膜穩定劑粉料全部加完后持續攪拌5 min，形成均勻的分子膜穩定劑液劑。

1.2.3 MS結構表征

將粉劑MS采用溴化鉀壓片，用紅外光譜儀進行紅外光譜分析；將粉劑MS溶解在氘代水中，采用核磁譜儀進行核磁氫譜分析。

1.2.4 性能測試

分子膜耐沖刷性能測定：秤取一定量的高分子膜，放入水中溶脹24 h，取出高分子膜擦干膜表面溶劑或水，稱重后記錄，再次干燥后秤重，計算吸水率。以國家標準 GB/T 531.1—2008、GB/T 528—2009規定的方法測定高分子膜的邵氏硬度、拉伸強度、斷裂伸長率。

穩砂抑砂性能測定：依據Q/SLCG 0097—2014《分子膜抑砂劑技術要求》標準測定樣品溶液的抑砂能力。

流體滲流性能測定：將60 g粒徑為0.4數0.8 mm的石英砂和20 g粒徑分別為≤0.01、0.01數0.05、0.05數 0.1、0.1數 0.2 mm的地層砂混勻，從管的一端裝入有機玻璃管（φ2.5 cm×10 cm），填入時邊裝邊用有機玻璃棒壓實，兩端分別用出口孔徑為0.5 cm的金屬帽封住，保證每次試驗條件相同。將機玻璃管水平放置，備用。分別在不同溫度（30、60、90℃）、相同泵流量（3 mL/min）下，抽真空、飽和地層水2 PV，并測出巖心滲透率K；再反向注入一定量的質量分數為2%的MS分子膜穩定劑體系，靜置反應8 h，再測定砂管的水相（實驗室自來水）滲透率Kw和油相（煤油）滲透率Ko。

2 結果與討論

2.1 MS分子膜穩定劑的結構分析

MS分子膜穩定劑的紅外譜圖如圖1所示。其中，3384、3176 cm-1處為丙烯酰胺中N—H對稱和反對稱伸縮振動吸收峰，2950 cm-1處為甲基特征吸收峰，1660 cm-1處為酰胺基團中C=O伸縮振動吸收峰，1474 cm-1處為亞甲基中C—H彎曲振動吸收峰，1075 cm-1處為 Si—O—Si特征吸收峰，1142、949、760 cm-1處為Si—C特征吸收峰。

圖2是MS分子穩定劑的核磁氫譜圖。0.53 ppm處為Si—CH2上質子峰，0.88 ppm處為主鏈上甲基質子峰，1.18數1.23 ppm處為有機硅支鏈及季銨鹽支鏈上亞甲基質子峰，1.56數1.73 ppm處為主鏈亞甲基上的質子峰，2.34 ppm處為主鏈聚丙烯酰胺單元中次甲基—CH—質子峰，3.12數3.34 ppm處為季銨鹽上連接的亞甲基質子峰，3.62 ppm處為有機硅側鏈上甲氧基上的質子峰，4.00 ppm處為季銨鹽上的甲基質子峰。各結構單元的質子峰均在核磁氫譜中出現，結合紅外光譜分析可以證明產物為目標產物——MS穩定劑。

圖1 MS穩定劑的紅外光譜圖

圖2 MS穩定劑的核磁氫譜圖

2.2 分子膜的耐沖刷性

MS分子膜穩定劑合成時，在分子鍵中引入親水基團，使得其干燥所形成的膜產生了一定的親水性。圖3為不同溫度下MS分子膜在蒸餾水中的吸水率。在30數90℃溫度范圍內，MS分子膜的最大吸水率不高于4%。在分散體成膜過程中由于親水鏈段極性較大而聚集形成親水微區，通過交聯后成膜，分子鏈運動受阻，形成的親水微區較小，被交聯區域封閉，從而使MS分子膜穩定劑具有低的水溶脹率。

圖3 不同溫度下分子膜在蒸餾水中的吸水率

通過測試MS分子膜的機械性能發現，該分子膜的邵氏硬度為60、拉伸強度為2.5 MPa、斷裂伸長率可達到112%。表明由MS所形成的高分子膜具有較高的硬度和較大的拉伸強度，故MS分子膜的耐沖蝕性能較好。

2.3 穩砂抑砂性能

出砂濃度可反應穩定劑對地層砂的抑砂能力。不同質量分數下，MS分子膜穩定劑對不同粒徑的地層砂的抑砂能力見表1，處理量2.0 PV、處理時間8 h。空白樣品地層砂的出砂濃度在1.2數3.3 g/L之間，粒徑小于0.01 mm時，空白樣品出砂濃度高達3.206 g/L。隨著MS穩定劑質量分數的增大，出砂濃度逐漸降低，質量分數為2.0%時，不同粒徑的地層砂的出砂濃度均低于0.15 g/L，說明MS穩定劑對地層砂有較強的穩砂抑砂能力。MS穩定劑在聚合物分子鏈上接枝陽離子季銨鹽、有機硅基團；通過陽離子季銨鹽的電性吸附可以改變砂巖表面電性，通過有機硅基團與細粉砂表面的羥基縮合起到穩砂的作用，游離砂等細小微粒通過物理吸附、化學鍵合等共同作用牢固地穩定在骨架砂表面，避免微粒運移，達到防止出砂的目的。

表1 出砂濃度與使用濃度（60℃）的關系

2.4 流體滲流性能

向巖心中注入一定體積的質量分數為2%的MS穩定劑體系，老化處理8 h后，再分別注入實驗室自來水或煤油，MS穩定劑體系的注入體積對巖心的水相滲透率和油相滲透率的影響分別見圖4和圖5。隨著MS穩定劑體系注入體積的增大，在水的作用下其在砂粒表面不斷吸附累積，巖心的水相滲透率降低幅度增大，注入體積從0增至2.5 PV時，巖心的水相滲透率從 510×10-3μm2降至 450×10-3μm2。而油對穩定劑自溶液中析出、在砂粒表面的吸附不起作用，因此，MS穩定劑注入體積對巖心的油相滲透率產生的影響非常小，這說明MS穩定劑具有一定阻水不阻油的功能。

圖4 穩定劑注入體積對巖心水相滲透率的影響

圖5 穩定劑注入體積對巖心油相滲透率的影響

3 結論

MS分子膜穩定劑具有較高的硬度和較大的拉伸強度，耐沖蝕性能較好，邵氏硬度為60、拉伸強度為2.5 MPa、斷裂伸長率可達到112%。

MS穩定劑對地層砂具有較強的抑砂穩定能力，質量分數為2%的MS穩定劑體系，在處理量2.0 PV、處理時間8 h時，出砂濃度低于0.15 g/L。

MS穩定劑具有阻水不阻油的功能，質量分數2%、注入體積2.5 PV、處理時間8 h時，巖心水相滲透率從510×10-3μm2降至450×10-3μm2，而油相滲透率幾乎未變，在782×10-3μm2左右。