Verhoging van de drukkracht van een zandsteenreservoir met hoog kleigehalte door chemische zandconsolidatie met minimale permeabiliteitsvermindering

Waarom het op zijn plaats houden van zand belangrijk is

Diep onder de grond ligt veel van 's werelds olie en gas opgeslagen in gesteenten die meer op los strandzand lijken dan op massief gesteente. Wanneer bedrijven deze vloeistoffen naar de oppervlakte pompen, kunnen graankorrels losraken en mee omhoog spoelen in de put. Deze “zandproductie” slijt leidingen, verstopt apparatuur en kan zelfs een put onbruikbaar maken. De hier samengevatte studie onderzoekt een manier om deze korrels binnen het gesteente met speciale harsen aan elkaar te lijmen, terwijl olie en gas nog steeds kunnen stromen — een delicaat evenwicht dat de kosten kan verlagen, de veiligheid kan verbeteren en afval in veel velden wereldwijd kan verminderen.

Het probleem van zwakke, klei-rijke gesteenten

Veel olie- en gasreservoirs bestaan uit zachte zandsteen waarvan de natuurlijke verbindingen tussen korrels te zwak zijn om productiebelastingen te weerstaan. Als de druk in het reservoir daalt en de stroming toeneemt, kunnen korrels losschieten en naar de put reizen, en alles op hun pad beschadigen. Een gangbare oplossing is het installeren van metalen schermen of grindpacks om zand fysiek te filteren, maar die zijn duur, complex om te installeren en versterken het gesteente niet echt. Een elegantere optie is chemische zandconsolidatie: het injecteren van een vloeistof in het gesteente die later uithardt tot een lijm tussen korrels. In zandstenen met veel klei — microscopische, vliesachtige mineralen — wordt dit echter veel lastiger. Klei kan opzwellen, poreuze ruimtes blokkeren, belangrijke bestanddelen uit de hars onttrekken en zandkorrels coaten waardoor lijmen slecht hechten.

Vijf “in-gesteente lijmen” testen onder realistische omstandigheden

De onderzoekers wilden zien welke soorten hars betrouwbaar een zandsteen met 15% klei konden versterken, vergelijkbaar met een veeleisend echt reservoir in het Ahvaz-olieveld in Iran. Ze evalueerden vijf commerciële systemen: furaan, epoxy, melamine-formaldehyde, ureum-formaldehyde en vinylester. Eerst screen-den ze de materialen in het laboratorium bij atmosferische druk en stelden ze de samenstelling van hars, verharder en oplosmiddel bij zodat elk mengsel goed kon uitharden zonder te dik te worden om te injecteren. Vervolgens gingen ze naar een realistischer “dynamisch” opzet: cilindrische gesteentekernen werden verzadigd met werkelijke veldzouten en olie, gespoeld en daarna met harsoplossingen geïnjecteerd onder stroming. De proefstukken werden vervolgens bij 90 °C en 120 bar gehouden — representatieve reservoircondities — om de hars te laten uitharden voordat men de toegenomen sterkte en de resterende doorstroomcapaciteit maten.

De beste afweging tussen sterkte en stroming vinden

Twee eenvoudige prestatiemaatstaven bepaalden het werk. Ten eerste de druksterkte — de druk die de kern kan weerstaan voordat deze bezwijkt — die hoog genoeg moet zijn om te voorkomen dat korrels losraken. Ten tweede de “herstelde permeabiliteit”, het percentage van het oorspronkelijke vermogen van het gesteente om vloeistoffen te transporteren dat na behandeling overblijft. Hogere sterkte gaat normaal gesproken ten koste van lagere permeabiliteit, omdat meer lijm in de poriën minder ruimte laat voor olie en gas. In deze studie sprongen furaan en epoxy eruit. Geoptimaliseerde furaanformuleringen verhoogden de sterkte van het gesteente tot ongeveer 1668 psi terwijl ze 79% van de oorspronkelijke permeabiliteit behielden. Epoxy gaf een vergelijkbare sterkte (ongeveer 1579 psi) maar verlaagde de permeabiliteit meer, tot ongeveer 62%. De andere drie harsen versterkten het gesteente ofwel niet genoeg, of schaadden de stroming te ernstig, vooral in aanwezigheid van klei.

Hoe de harsen met zand en klei interacteren

Om te begrijpen waarom sommige harsen beter werkten, gebruikte het team beeldvormingstechnieken die meer bekend zijn uit de geneeskunde en materiaalkunde dan uit olievelden. Hoogresolutie-elektronenmicroscopie toonde hoe de uitgeharde hars korrels bedekte en ruimtes tussen hen opvulde, terwijl CT-scans driedimensionale beelden van de behandelde kernen gaven. Furaan had de neiging bruggen te vormen op contactpunten tussen zandkorrels, waarbij veel van de doorgangen tussen korrels open bleven — dit verklaart de goede balans tussen sterkte en stroming. Epoxy daarentegen vormde een dichtere, meer continue netwerk dat zich om zowel zand- als kleideeltjes wikkelde. Dat creëerde een sterker “cement”, maar vulde ook meer van de stroomsnelwegen voor vloeistoffen op. Een watergedragen hars, melamine-formaldehyde, hechtte nauwelijks aan de door klei gecoate korrels, waardoor het gesteente relatief zwak bleef ondanks dat er minder poriën werden dichtgezet.

Wat dit betekent voor toekomstige olieproductie

Voor niet‑specialisten is de belangrijkste boodschap dat niet alle ondergrondse lijmen gelijk zijn, zeker wanneer klei in het spel is. In deze zorgvuldig gecontroleerde vergelijking bleek furaanhars het beste in het bijeenhouden van zandkorrels terwijl het grootste deel van de olie of het gas nog doorliet. Epoxy is een goede keuze wanneer maximale mechanische stabiliteit nodig is en enig verlies aan stroming acceptabel is. Het werk biedt ingenieurs een geteste, mechanistische basis om harsen te kiezen en te formuleren in moeilijke, klei‑rijke formaties in plaats van te vertrouwen op trial-and-error. Toegepast in het veld kunnen deze inzichten de levensduur van putten verlengen, kostbare apparatuurstoringen verminderen en het winnen van bestaande voorraden efficiënter en betrouwbaarder maken.

Bronvermelding: Banashooshtari, H., Khamehchi, E. & Rashidi, F. Increasing the compressive strength of a high clay content sandstone reservoir by chemical sand consolidation with minimal permeability reduction. Sci Rep 16, 6489 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36880-w

Trefwoorden: zandproductie, chemische zandconsolidatie, klei-rijke zandsteen, furaan- en epoxyharsen, olie- en gasreservoirs