通过化学砂固结在最小渗透率降低下提高高黏土含量砂岩储层的抗压强度

为何保持砂粒原位很重要

在地下深处，世界上许多油气都储存在更像松散海滩砂而非坚硬岩石的介质中。当公司将这些流体抽到地面时，砂粒也可能脱落并随流体一起被带出井筒。所谓“出砂”会磨损管路、堵塞设备，甚至摧毁井口。本文所述的研究探讨了一种在岩石内部用特种树脂将砂粒粘合起来的方法，同时仍允许油气流动——这是一种微妙的平衡，能在许多油田降低成本、提高安全性并减少损失。

富黏土软岩的问题

许多油气储层由天然颗粒间胶结力太弱、无法承受采出应力的软砂岩构成。随着储层压力下降和流动增大，砂粒可能脱离并向井筒迁移，对设备造成损坏。常见的解决办法是安装金属滤网或砾石包来机械过滤砂粒，但这些方法成本高、施工复杂，且并不能真正增强岩石本身。更优雅的选择是化学砂固结：向岩层注入可在孔隙中硬化成粘合剂的液体。然而，对于含有大量黏土——那种微小片状矿物的砂岩，这种方法难度大增。黏土会膨胀、堵塞孔隙、夺取树脂中的关键成分，并在砂粒表面形成包覆层，导致粘结剂难以良好附着。

在现实条件下测试五种“岩内粘合剂”

研究者旨在找出哪类树脂能可靠地增强含15%黏土的砂岩，这与伊朗阿瓦士油田中的一个具有挑战性的实井相似。他们评估了五种商业体系：呋喃、环氧、三聚氰胺甲醛、尿素甲醛和乙烯基酯。首先在常压实验室条件下进行筛选，调整树脂、固化剂和溶剂的配比，使每种体系都能正常固化且不会变得过于粘稠以致无法注入。接着转入更真实的“动态”装置：圆柱形岩心被饱和真实的现场卤水和油、冲洗后，在流动条件下注入树脂溶液。样品随后在90°C和120巴（有代表性的储层条件）下固化，然后测量岩心的强度提升以及固结后仍然允许的流体通过能力。

在强度与流动之间寻找最佳折衷

研究由两个简单的性能指标指导。其一是抗压强度——岩心在破坏前能承受的压力——必须足够高以防止砂粒松动。其二是“回归渗透率”，即处理后岩石保留的原始输流能力的百分比。通常更高的强度会以更低的渗透率为代价，因为更多的粘合剂占据了本用于油气流动的孔隙空间。在本研究中，呋喃和环氧表现突出。优化的呋喃配方将岩石强度提高到约1668 psi，同时保留了约79%的原始渗透率。环氧则提供了相似的强度（约1579 psi），但渗透率下降更多，约为62%。另外三种树脂在黏土存在下要么未能显著增强岩石，要么严重损害了流动性。

树脂与砂粒和黏土的相互作用

为了解为何某些树脂效果更好，团队使用了在医学和材料科学中更常见的成像工具。高分辨电子显微镜显示了硬化树脂如何覆盖颗粒并填充颗粒间隙，而CT扫描则提供了处理后岩心的三维图像。呋喃倾向于在砂粒接触点形成桥接，同时保持许多通道畅通，这解释了其在强度与流动之间的良好平衡。相比之下，环氧形成了更致密、更连续的网络，将砂粒和黏土颗粒包裹起来，生成更坚固的“水泥化”结构，但也堵塞了更多流体通道。一种水性树脂——三聚氰胺甲醛——几乎无法与被黏土包覆的颗粒发生粘结，尽管它没有堵塞那么多孔隙，但使岩石仍然相对薄弱。

对未来油气生产的意义

对非专业读者而言，关键结论是并非所有地下“胶水”都一样，尤其在黏土介入时更是如此。在这项严格对照的比较中，呋喃树脂在将砂粒固定在一起且仍允许大部分油气通过方面表现最佳。环氧则适用于需要最大机械稳定性并能接受一定流动牺牲的场合。该工作为工程师在富黏土地层中选择和配制树脂提供了经过验证的机理依据，而不再完全依赖试错。如果在现场应用，这些洞见有望延长井的寿命、减少昂贵的设备故障，并提高对现有储量的开采效率与可靠性。

引用: 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

关键词: 出砂, 化学砂固结, 富黏土砂岩, 呋喃树脂与环氧树脂, 油气储层