宋金波，魏慶彩，時培正，陳 剛，馬 丁，趙益忠，高雪峰

（1.中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院，山東 東營 257000；2.中海油田服務股份有限公司鉆井事業(yè)部，河北 三河 065201）

勝利油田膠結疏松的砂巖油田占比較大，約占1/3［1-5］。在疏松砂巖的開發(fā)過程中，防砂是一項重要任務，而濾砂管防砂在整個防砂工藝中占比巨大［6-8］。隨著油田的深入開發(fā)，尤其是進入高含水期后，油水井出砂問題尤為嚴重，給防砂帶來了很大的難題。同時，對濾砂管在高滲透性、高強度、抗堵塞、后處理簡便、環(huán)保等方面提出了更高的要求。近些年已研發(fā)了一系列濾砂管，如金屬黏濾砂管［9-10］、精密微孔濾砂管［11］、樹脂濾砂管［12-13］等。其中環(huán)氧樹脂濾砂管在生產(chǎn)過程中使用了膠結劑、稀料、固化劑等，且須高溫燒結，造成嚴重的環(huán)境污染；同時因其韌性和耐水性差，在運輸、下井過程中易損壞，在井下極易老化，造成濾砂管的使用壽命較短、防砂有效期短等問題，制約了常規(guī)環(huán)氧樹脂濾砂管的應用。筆者根據(jù)聚合物的特性［14-15］，研發(fā)了以地質聚合物等為原料制備濾砂管的工藝。采用的原材料包括粉煤灰等工業(yè)產(chǎn)出廢料，有效降低環(huán)境污染；研究了原料加量和水熱處理方式對新型地質聚合物濾砂管抗壓強度的影響，考察了濾砂管的耐腐蝕性。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

偏高嶺土，工業(yè)級，青島化學試劑廠；粉煤灰、礦渣，工業(yè)級，勝利發(fā)電廠；黏土，工業(yè)級，上海試劑公司；水玻璃、鹽酸、鋁粉、鋅粉、氯化鈉、硫酸鎂、硫酸鈉、柴油、碳酸氫鈉，分析純，廣東汕頭市西隴化工廠；石英砂，工業(yè)級，勝利油田金島實業(yè)有限責任公司孤島防砂材料廠；去離子水。通孔地質聚合物無機固砂材料漿料（或固體模）主要包括水玻璃、偏高嶺土、粉煤灰、黏土、0.4數(shù)0.8 mm石英砂、造孔劑等。

SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵，鞏義市英鵠予華儀器廠；臥式行星球磨機，QM-WX4 南京大學儀器廠；202型電熱恒溫干燥箱，北京科偉永興儀器有限公司；KSF1600X 高溫爐，前錦爐業(yè)有限責任公司；CQ-G53 高溫馬弗爐，洛陽純青爐業(yè)有限公司；ZH.DG-80 型混凝土實驗用振動臺，無錫建儀儀器機械有限公司；DNS100電子萬能壓力試驗機，長春試驗機研究所有限公司；S-3400N掃描電子顯微鏡，日本日立公司；TD-2500型X射線衍射儀，丹東通達儀器有限公司；材料模具，邊長為20.00 mm的正方體；游標卡尺，德國浦京工具集團有限公司；AutoPore IV 9500 壓汞儀，美國Micromeritics 儀器有限公司；DZDR-R導熱儀，南京大展機電技術研究所。

1.2 實驗方法

（1）抗壓強度的測定。將配制好的通孔地質聚合物無機固砂材料漿料（含水量12%、水玻璃與礦渣質量比為0.30、含砂量70%、粒徑為200 目（74 μm）鋅粉量1.6%，簡稱地聚物基料）注入模具中，在60℃養(yǎng)護1 d，之后常溫養(yǎng)護1、3、7 d，若需水浴處理再在水熱釜中120℃養(yǎng)護1、3、7 d，用電子萬能壓力試驗機測定其抗壓強度。

（2）滲透率的測定。將凝固后的通孔地質聚合物無機固砂材料固體模即新型地質聚合物濾砂管樣件（簡稱固體模）取出，養(yǎng)護方法同上。用砂紙磨平端面，去掉表面的油污，按照中國石油化工集團公司企業(yè)標準Q/SH 1020 1499—2013《高滲透率固結巖心滲透率測定方法》測定水相滲透率。

（3）耐腐蝕性評價。在含水量12%、水玻璃與礦渣質量比0.30、含砂量70%、粒徑為74 μm鋅粉加量1.8%的條件下制備新型地質聚合物濾砂管，然后將濾砂管分別置于常溫和60℃的空氣中3 d，在60℃下浸泡在蒸餾水、20% NaCl、10% NaHCO3、10% Na2SO4、10% MgSO4、2%鹽酸以及柴油中3 d，測試其抗壓強度的變化。

2 結果與討論

2.1 固體?？箟簭姸扔绊懸蛩?/h3>

2.1.1 水玻璃與礦渣比的影響

水玻璃與礦渣質量比對固體?？箟簭姸鹊挠绊懸姳?。水玻璃加量會影響體系的反應程度及抗壓強度。水玻璃量增加會使［SiO4］2-基團的量增大，有利于膠凝材料的聚合，使材料的強度升高，骨架整體結構的穩(wěn)定性增加。但當水玻璃加量進一步增大時，水玻璃自聚，抗壓強度降低。選擇水玻璃和礦渣比為0.30進行后續(xù)實驗。

表1 水玻璃與礦渣質量比對固體?？箟簭姸鹊挠绊?/p>

2.1.2 含砂量的影響

含砂量對于濾砂管的成型及抗壓強度有較大影響，還可影響濾砂管的滲透性。由表2可見，固體模（低聚物基料固結后形成的固體模）不含砂時的抗壓強度較大；當砂量為10%數(shù)70%時，抗壓強度基本不變；當砂量為80%時，抗壓強度劇減。含砂量少，固結材料相對較多，膠結較好，抗壓強度受影響不大；含砂量太多，固結材料相對較少，會導致制作濾砂管時出現(xiàn)掉渣脫落等現(xiàn)象，無法形成較為規(guī)則且強度滿足擋砂需求的濾砂管。為了使濾砂管成型較好，又能滿足一定的抗壓強度，適宜的含砂量為70%。

表2 含砂量對固體模抗壓強度的影響

2.1.3 造孔劑的影響

在地聚物基料配方中加入造孔劑如鋁粉或鋅粉，可形成多孔體系。這在保證強度的前提下，提高防砂篩管的滲透率十分必要。造孔劑的加量及粒徑對地聚物材料的滲透率和抗壓強度有較大影響。

2.1.3.1 造孔劑加量

在地聚物基料配方中加入質量分數(shù)為1%數(shù)2%的鋁粉，制備的濾砂管具有多孔不均勻的問題。而加入1%數(shù)2%鋅粉制備的多孔濾砂管孔徑小且多、均勻無明顯缺陷。因此，鋅粉更適用于多孔濾砂管造孔。造孔劑鋁粉或鋅粉加量對地聚物材料滲透率和抗壓強度的影響見表3。鋁粉和鋅粉加量相同時，鋅粉制備的多孔濾砂管滲透率高，抗壓強度低。為了滿足防砂井產(chǎn)液及擋砂對于滲透率和抗壓強度的需求，鋁粉質量應為固體總質量的1.8%，鋅粉質量應為固體總質量的1.6%。綜上，制備濾砂管選用鋅粉作為造孔劑，適宜的加量為1.6%。

表3 鋁粉或鋅粉加量對固體模滲透率和抗壓強度的影響

2.1.3.2 造孔劑粒徑

在含水量12%、水玻璃與礦渣質量比0.30、含砂量0.7 和造孔劑加量1.6%的條件下，造孔劑（鋅粉）粒徑對固體模滲透率及抗壓強度的影響見表4。造孔劑加量相同時，隨粒徑降低（目數(shù)增加），地聚物材料滲透率變化較小，但抗壓強度增加。40目的顆粒較大，顆粒量少，抗壓強度較低；且顆粒量少的情況下，分布容易不均勻。200 目的造孔劑分布較均勻，滲透率能滿足防砂需求，且抗壓強度高，故選擇造孔劑的粒徑為200目。

表4 造孔劑粒徑對固體模滲透率和抗壓強度的影響

2.1.4 水熱處理的影響

水熱處理對固體模的影響主要是發(fā)生了水熱反應。水熱反應從動力學角度提高了堿溶階段、硅鋁凝膠基團形成階段、聚合反應階段、網(wǎng)絡狀結構優(yōu)化各階段的化學反應速度，利于生成結構穩(wěn)定的網(wǎng)狀結構。水熱處理對固體模抗壓強度的影響見表5。隨養(yǎng)護時間延長，水熱處理前后的固體?？箟簭姸染饾u增加。固體模水熱處理1、3、7 d 后，地聚物材料抗壓強度分別增加了11.2%，29.6%，19.7%。固體模經(jīng)水熱處理后，抗壓強度可增加約20%。

表5 水熱處理對固體模抗壓強度的影響

2.2 地聚物材料耐腐蝕性

新型地質聚合物濾砂管入井后，其耐腐蝕、沖蝕性能對其防砂效果及壽命有很大影響。固體模在常溫和60℃的空氣中放置3 d后的抗壓強度分別為9.8 MPa 和10.45 MPa；在60℃下浸泡在蒸餾水、20%NaCl、10%NaHCO3、10%Na2SO4、10%MgSO4、2%鹽酸以及柴油中3 d 后的抗壓強度分別為10.0、10.3、10.5、10.51、10.48、5.75、10.7 MPa。固體模在不同溫度的空氣、水、堿（NaHCO3）、鹽溶液以及柴油中靜置或浸泡后，抗壓強度基本沒有變化，說明該材料可耐堿、油、鹽水的侵蝕。固體模在鹽酸溶液中浸泡后出現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象，抗壓強度明顯降低。該材料不耐鹽酸腐蝕，因此進行酸洗、酸化工藝的井選用該濾砂管時，應在下濾砂管前進行徹底的洗井，排除殘酸。

3 結論

在水玻璃和礦渣質量比為0.30、含砂量為70%、造孔劑鋅粉（粒徑200 目）加量1.6%的條件下制備的新型地質聚合物濾砂管樣件抗壓強度約為10 MPa，滲透率可達12 μm2；水熱處理基本不影響濾砂管的滲透性，但可使抗壓強度增至13.75 MPa，滿足防砂工藝的需求。地聚物材料具有良好的耐堿、油、鹽水腐蝕的性能，可有效延長防砂有效期，但不耐鹽酸腐蝕，在應用時應進行先期處理。