无机纤维增强覆膜砂性能及作用机理研究

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疏松砂岩油藏在世界广泛分布,油层出砂是该类油藏在开采过程中面临的最主要矛盾之一,特别是注水开发中后期,出砂导致地层亏空,含水量上升,同时还会引起作业设备损伤破坏,严重时甚至导致停产,严重影响油水井正常生产。针对油田开发井出砂严重的问题以及覆膜砂自身固有的不足,只要选择合适的纤维及处理方法,使用复合纤维防砂技术就可以增加覆膜砂的挡砂性能。纤维复合防砂技术是针对疏松砂岩油藏防细粉砂而提出的一项新工艺,无须下入筛管,不会对渗透率造成伤害,具有增产及防止地层出砂的双重效果,弥补了传统防砂技术的固有缺陷。  首先,研究针对无机纤维和覆膜砂的特点,提出了更加准确可靠的模具法实验方法,优选胍胶作为纤维分散剂,发现成型时施加压力不能显著提高复合砂体的强度,且测试时样品的干湿状态对测试结果影响很大;同时纤维掺量对增强效果影响显著,涉及到纤维分布的均匀性、界面的粘结性以及纤维有效粘结长度等因素,理论分析和实验证明,无机纤维掺量为0.2wt%时对纤维复合砂体的增强作用最佳。  其次,通过对掺有不同种类和不同尺寸纤维的复合砂体配方研究,发现Φ13μm×3mm无机纤维无论是否经过表面处理,对覆膜砂固结体的强度都没有增强作用,Φ13μm6mm无机纤维只有经过表面处理后才能对覆膜砂固结体起到增强作用,而Φ13μm×12mm无机纤维不用任何处理即可增加覆膜砂固结体的力学强度;Φ13μm×6mm的化纤A和Φ13μm×10mm的化纤C也可以提高覆膜砂固结体的力学强度。  通过对无机纤维复合砂体性能研究,发现复配不同尺寸无机纤维对纤维覆膜砂固结体的强度没有改善作用;流体矿化度对覆膜砂固结体基本没有影响。养护温度对纤维覆膜砂固结体强度影响显著,80℃下纤维覆膜砂固结体的抗折及抗压强度均大幅提高,其抗折及抗压强度约为60℃时的3.5倍。  通过微观形貌观察发现,由于树脂反应收缩产生大量的微裂缝和微孔隙使砂体应力集中。无机纤维在覆膜砂中形成的三维网状结构起到了应力传递和阻裂作用,纤维与树脂界面粘结良好。所喷涂的树脂以小液滴形态粘附在纤维表面,其粘结长度约占纤维总长度的43.7%,且树脂液滴与纤维之间的粘结界面牢固,因此喷涂树脂的无机纤维可以有效提高覆膜砂体的力学强度。  基于纤维增强复合材料的剪滞理论模型,对单纤维-树脂层微元体进行了界面力学分析,根据无机纤维覆膜砂体的特征,对剪滞理论模型进行了修正,建立了可定量计算纤维覆膜砂体抗压强度的剪滞理论力学模型。理论计算表明,覆膜砂体中加入0.2wt%的无机纤维后,纤维复合砂体的抗压强度比空白覆膜砂体提高了0.92MPa,最大剪应力与纤维有效粘结长度呈双曲正切函数关系,纤维有效粘结长度等于所用覆膜砂粒的半径。修正模型从界面力学的角度解释了纤维增强覆膜砂的作用机理,并可在较小误差范围内定量计算适当纤维掺量下纤维复合砂体的抗压强度。
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