環(huán)氧樹脂固砂體系的制備及性能研究

環(huán)氧樹脂固砂體系的制備及性能研究

大多數(shù)石油在生產(chǎn)過程中都面臨著砂開采問題。出砂問題經(jīng)常出現(xiàn)在油氣開發(fā)儲層和注水層,在松散的砂巖地層更容易發(fā)生,散砂流入井筒會產(chǎn)生許多危害,如腐蝕閥門和管道,堵塞輸油管道,砂粒容易在封隔板處積累造成金屬隔板變形失效。每年由于出砂問題引起的清理和修井工作都會導(dǎo)致開采效率降低,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。作者在室內(nèi)考察了一種新型的雙酚A型環(huán)氧樹脂ER1體系用于化學(xué)固砂的效果,擬為其在油井化學(xué)固砂中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。1胺類試劑固化機(jī)理環(huán)氧樹脂ER1是一種常用的雙酚A型環(huán)氧樹脂,常溫下為紅棕色油狀液體,是由雙酚A與環(huán)氧氯丙烷在氫氧化鈉的催化作用下縮聚、最終生成兩端基為環(huán)氧基的雙酚A型環(huán)氧樹脂,其結(jié)構(gòu)式如下:雙酚A型環(huán)氧樹脂ER1使用的固化劑為胺類衍生物GN,常溫下為淡黃色液體。根據(jù)Shechter等提出的氨基加成反應(yīng)機(jī)理,可以認(rèn)為ER1樹脂固化過程中存在如下3個(gè)主要反應(yīng)(圖2):胺類試劑對環(huán)氧樹脂的固化作用按親核加成機(jī)理進(jìn)行,每一個(gè)活性氫打開一個(gè)環(huán)氧基團(tuán)生成一個(gè)羥基,生成的羥基的氫又打開另一樹脂分子中的環(huán)氧基,從而促使樹脂發(fā)生分子內(nèi)及分子間的縮聚反應(yīng),形成穩(wěn)定的立體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)而固化,這種結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,在200℃高溫下都很難斷裂。當(dāng)散砂表面附著這些試劑時(shí),存在于砂粒中的硅醇鍵Si-OH與樹脂分子中的羥基反應(yīng)脫去一分子水后交聯(lián),再通過上述3種反應(yīng)形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),將散砂固結(jié)成為有一定強(qiáng)度的固結(jié)體?；贓R1樹脂的這種性能,在室內(nèi)將其用于化學(xué)固砂研究。2實(shí)驗(yàn)2.1固砂試樣的制備采取拌砂法制作固結(jié)體,按散砂的質(zhì)量比加入固砂試劑。對固化劑加量(0.8%～2%)、ER1樹脂加量(3%～7%)、偶聯(lián)劑KH550加量(0.2%～1%)3個(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),得到最優(yōu)的固砂基本配方:固化劑加量為1.2%、ER1樹脂加量為4.5%、偶聯(lián)劑KH550加量為0.2%,在此條件下,固結(jié)體樣品具有最優(yōu)的抗壓強(qiáng)度和滲透率。每次實(shí)驗(yàn)均按照相同工藝制作3個(gè)樣品測性能,取平均值。具體步驟如下:(1)篩選40～80目的石英砂并干燥;(2)依次將固砂試劑加入石英砂中攪拌均勻;(3)將混好試劑的散砂放入5cm×5cm×5cm正方體模具中壓實(shí);(4)將模具置于60℃的烘箱中固化成型。2.2硬化時(shí)間對硬化效果的影響按基本配方制作6份相同的固結(jié)體,放入60℃烘箱中,固化不同時(shí)間,測定固結(jié)體抗壓強(qiáng)度及氣液相滲透率,確定最優(yōu)固化時(shí)間。2.3固結(jié)體抗壓強(qiáng)度測定模擬地層潤濕條件測定環(huán)氧樹脂固化效果,在干燥砂粒中分別按砂粒質(zhì)量的2%、5%、7%、10%加入地層水,攪拌均勻后按照基本配方制作固結(jié)體樣品,測定固結(jié)體抗壓強(qiáng)度。常見砂巖中粘土含量約為15%,在干燥砂粒中分別混入10%、15%、20%的粘土,與石英砂混勻后按照基本配方制作固結(jié)體樣品,測定固結(jié)體抗壓強(qiáng)度。2.4砂用固結(jié)體規(guī)格大排量水沖砂實(shí)驗(yàn)用恒流泵測試在模擬地層流體流動(dòng)情況下,散砂固結(jié)體出砂情況。沖砂用固結(jié)體按基本配方60℃下烘24h制作成Ф2.5cm×5cm的規(guī)格。沖刷流量設(shè)定為30mL·min-1,時(shí)間為24h,沖砂過程中水壓保持在2MPa左右,采集固結(jié)體末端水樣,濾紙過濾后取濾紙上的濕砂干燥后稱重,以出砂率作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。2.5固結(jié)體固結(jié)強(qiáng)度及滲透率按基本配方制作一定量的固結(jié)體,在60℃下烘24h成型。將固結(jié)體分別在10%鹽酸、10%燒堿、柴油、飽和鹽水溶液中浸泡30d,期間觀察固結(jié)體是否松垮,30d后取出干燥,測其固結(jié)強(qiáng)度、滲透率及沖砂出砂率。3結(jié)果與討論3.1固化后的穩(wěn)定性從圖3可知,樹脂固化反應(yīng)開始于4～8h,至24h時(shí)反應(yīng)較為完全,在32h、48h時(shí)抗壓強(qiáng)度雖有一定提升,但幅度較小,因此,可以認(rèn)為該樹脂在24h時(shí)固化完全。固化24h制作的固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度為12.3MPa,空氣滲透率為12.9md,煤油滲透率為4.1md,表明固結(jié)體有著良好的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度,能夠承受油層中各種地層壓力的影響,其滲透率也能夠?yàn)橛蛯又械母鞣N液體提供通暢的流通孔道。3.2er1樹脂體系通常在潤濕的地層中,常用的呋喃樹脂、酚醛樹脂等固化效果會明顯降低甚至無法固化。從表1可知,在散砂潤濕的情況下,固結(jié)體抗壓強(qiáng)度下降較小,樹脂固化效果良好,表明ER1樹脂體系能夠適用于潤濕地層;散砂中混入粘土后,細(xì)粘土顆粒增加了顆粒表面積,粘土顆粒與部分試劑結(jié)合,一部分散砂表面無法接觸到樹脂,從而固化不充分,抗壓強(qiáng)度下降較大,在分別提高固化劑GN和ER1樹脂加量至6.5%和1.5%后,混入15%粘土的固結(jié)體樣品抗壓強(qiáng)度從6.8MPa提高至9.3MPa,因此,在粘土含量較高的地層中,需要適當(dāng)增加固化劑用量。3.3抗沖刷能力分析經(jīng)過24h大排量長時(shí)間的沖刷后,固結(jié)體外觀保持良好,固結(jié)體樣品末端產(chǎn)出水中含砂干重為0.09g,固結(jié)體沖砂前干重為36.32g,固結(jié)體的出砂率僅為0.25%,表明ER1環(huán)氧樹脂固砂體系有良好的抗沖刷能力。3.4耐壓強(qiáng)度測定在浸泡期間,所有固結(jié)體均未出現(xiàn)松散現(xiàn)象。從表2可知,用ER1樹脂固化的固結(jié)體在柴油中浸泡30d后抗壓強(qiáng)度降幅最大,為1.1MPa,說明柴油對固結(jié)體腐蝕程度最大,在其它3種介質(zhì)中浸泡后其抗壓強(qiáng)度略微降低;經(jīng)過一段時(shí)間浸泡后,固結(jié)體內(nèi)部被少量溶蝕,造成其滲透率略微升高,但幅度不大;浸泡后的固結(jié)體出砂率均低于0.5%,可以認(rèn)為ER1環(huán)氧樹脂固砂體系有較好的抗酸、抗堿、抗鹽、抗腐蝕能力。4水土流失坡位對er1體系固化效果的影響(1)選用40～80目干燥石英砂,在固化劑GN加量為1.2%、ER1樹脂加量為4.5%、偶聯(lián)劑KH550加量為0.2%、60℃下固化24h的條件下,制作的固結(jié)體樣品有最佳的抗壓強(qiáng)度和滲透率。(2)水分的混入對ER1體系固化有一定的影響;大量的泥質(zhì)混入會明顯影響ER1固化效果,增加固化劑用量可以提高固結(jié)體抗壓強(qiáng)度。(3)在長時(shí)間大流量、一定壓力的水的沖刷下,ER1體系固化的固結(jié)體幾乎沒有散砂被沖出,表明ER1固砂體系有良好的抗沖刷能力。(4)ER1固砂體系在10%鹽酸、10%燒堿、柴油、飽和鹽水浸泡后其抗壓強(qiáng)度和滲透率變化很小,表現(xiàn)出