＊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分公司 天津 300450 2.中海油天津化工研究設計院有限公司 天津 300131 3.天津大學 化工學院 天津 300072）

油氣井出砂是油田開發(fā)與開采中常面臨的問題之一；因此，油田各作業(yè)單位需要采取相應的措施預防與解決出砂難題。一但問題不能有效解決，油氣井出砂會變得越來越嚴重，最終導致相應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，為我國油田增產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)做出重大的貢獻。

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

化學防砂在1960年開始研究與應用并快速形成規(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達到膠結(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管柱泵等方式送至相關層位，在一定壓力條件下順利進入套管環(huán)空中，致密充填、可有效恢復地層原始應力，而且隨著充填材料的凝固，又形成具有一定強度的屏障，再將井筒中多余的填充物清洗掉，使目標油氣井具備生產(chǎn)等相關條件；第三類是其它化學固砂法，該方法制約條件較多，目前來說使用較少，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化合物固砂法。

總的來說，化學防砂是一種操作簡便、效果明顯的防砂工藝，尤其適用于滲透率相對均勻的薄層段。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，國內(nèi)外已大規(guī)模開展樹脂膠結(jié)地層砂。

國內(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，形成具有高強度的酚醛樹脂砂，可有效防止相關層位出砂。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)點是工藝流程簡易，但其缺點是價格較高，施工流程與工藝時間較長。

張國榮等制備了改性酚醛樹脂防砂固砂劑，并探究反應時間、反應溫度等因素對固砂劑性能的影響，研究結(jié)果表明其抗壓強度達到16.23MPa，抗折強度高達4.56MPa，水相滲透率和氣相滲透率分別為1.98μm2和125.91μm2。姚俊波等針對油井在生產(chǎn)過程中的出砂問題，合成了一種雙酚型環(huán)氧樹脂ER1，并測試了其固砂性能。結(jié)果表明，該體系的抗壓強度為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用的防砂方式。其物理性狀為白色可流動液體，通常利用其遇酸加速反應生成性狀較為堅硬的固體而達到固砂的目的。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，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)場施工作業(yè)完成后，井筒附近可有效形成防砂墻，進而達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，而且具有價格相對較低的優(yōu)勢。

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

國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。呋喃樹脂防砂是國外廣泛應用的防砂方式。

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)生固化反應得到。

呋喃樹脂油井防砂應用范圍廣泛，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加州Bakersfield的克恩河油田熱采井的應用。通過在熱采井中添加了一種改性的呋喃樹脂防砂，現(xiàn)場試驗結(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)時間大為延長，而且在保持總產(chǎn)量的情況下，很大程度上減少了作業(yè)費用和出砂量。

2.人工井壁防砂

人工井壁防砂將從國內(nèi)和國外兩個方面展開論述。

人工井壁防砂在國內(nèi)應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)加入適量的水攪拌均勻，以油為介質(zhì)將其運至井下，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)點是水泥砂漿原料來源廣泛、施工流程與工藝簡便，其缺點是使用量大，尤其是介質(zhì)油的用量更大，強度較小且有效期段（膠結(jié)后抗折強度通常小于1MPa）。

方嚴等將高吸水樹脂（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濕，然后以油或活性水為介質(zhì)將其運輸至井下，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)強度高而備受歡迎，但其缺點是原料來源困難，導致價格偏高。

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縮聚反應制備得到改性核桃殼粉膠，并檢測其性能，可滿足油田防砂應用。

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)點是普適性強，缺點是操作工藝相對復雜。

預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度的人工井壁，從而達到防止油氣層出砂的目的。通常，預涂層礫石防砂適用于吸水能力強的中高溫油藏（溫度高于60℃），其具有防砂功效好、操作工藝簡便、滲透率保持度高（保持率達到90%以上）、且強度高（抗折強度可達5MPa左右）的優(yōu)勢。

陳應琳等將涂敷砂防砂工藝應用于孤東河口等油田防砂，試驗24井次，可對比21井次，實驗結(jié)果表明其效果良好，成功率達到81%，創(chuàng)經(jīng)濟效益816萬元。

目前被廣泛應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硅—樹脂涂層砂等。近幾年來，酚醛樹脂涂層砂因其價格低廉、作用效果更好的優(yōu)勢，在國內(nèi)樹脂涂層防砂中大面積推廣與應用。

國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，國外的化學防砂還包括熱法固砂、SiCl4固砂、有機物氧化聚合固砂、膠乳固砂、Ca(OH)2固砂以及焊接玻璃固砂等。其中美國加州采用獨特的焊接玻璃固砂法對出砂嚴重的含頁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.其它化學固砂法

(1)高強度固砂技術

LH-V高強度固砂技術是一種采用多種高效的無機及有機固體作為粘結(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。通常，是將該產(chǎn)品復配成水基的懸浮液，進而注入地層，在地層一定溫度與壓力條件下，可與地層砂礫表面發(fā)生化學反應形成穩(wěn)定的共價鍵，進而膠結(jié)成具有立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高強度固結(jié)物。其具有特別高的強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，進而達到防砂功效。

(2)烷基聚硅酸酯固砂

常規(guī)的礫石充填技術可有效阻止粗砂粉的運移，可有效防止地層砂流入井筒，但也會造成井底堵砂，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)生化學反應生成水泥，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1000℃）和耐酸。

烷基聚硅酸酯固砂技術中應用的添加劑的有效濃度、注入速度與地層物性密切相關。因此，在烷基聚硅酸酯固砂作業(yè)前要掌握相應地層參數(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)強度也隨之提高。烷基聚硅酸酯中二氧化硅質(zhì)量濃度應該高于30%，最優(yōu)數(shù)值為50%。

(3)混纖維砂漿充填防砂

國內(nèi)混纖維砂漿充填防砂最早應用于壓裂施工作業(yè)中，它能有效防止壓裂后破膠返排，同時提高支撐劑性能。隨后學者發(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)，進而抑制支撐劑相互摩擦預碰撞。馬曉杰等探究了硅灰摻量對纖維砂漿抗折強度以及剪切黏結(jié)強度的影響。實驗結(jié)果表明，添加硅灰能有效改善纖維砂漿的抗折強度以及剪切黏結(jié)強度。

國外混纖維砂漿充填技術最早應用于水力壓裂施工作業(yè)中，避免支撐劑外流而形成的關鍵技術。國外混纖維砂漿充填技術作用機理是纖維材料相互作用形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進而有效包裹充填砂、抑制其分散運移，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主要應用于防砂強度高、滲透率提升大的儲層。

充填砂為普通陶粒/石英砂的混纖維砂漿充填技術常應用于低滲透儲層水力壓裂后期，其能夠有效抑制返排過程中支撐劑的倒流，增加液流通道。在美國科羅拉多州的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)中應用充填砂為普通陶粒/石英砂的混纖維砂漿充填技術，即使返排速度提升至320L/min也無支撐劑返排，不僅如此，壓裂液返排量相應增加了24%，氣井產(chǎn)量提高了50%以上。

4.結(jié)束與展望

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

然而，化學防砂技術有效作用時間短、對地層存在不可逆?zhèn)?、防砂成本高等缺點制約其發(fā)展。綜合各種化學防砂技術的優(yōu)缺點，筆者認為未來的研發(fā)方向應側(cè)重以下幾點：

（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)性價比高、普適性強、防砂功效高的綠色化學防砂技術。現(xiàn)如今中國各大油田陸續(xù)將防砂作為重要公關技術研究，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。