弱胶结砂岩地层控砂化学强化实验研究：基于水饱和度与硅溶解的强度调控机制

本研究针对油气开采中弱胶结砂岩地层出砂难题，通过动态实验揭示了水饱和度(Sw )与硅溶解的正相关性及其对岩石强度(UCS)的削弱机制，创新性采用磷酸钠(Na3 PO4 )抑制剂将100%饱和岩心强度维持在9.31MPa(降幅<3%)，为水驱开发中化学控砂提供了关键解决方案。

　　

在油气田开发中，弱胶结砂岩地层出砂问题长期困扰着行业——全球超过70%的油井因此面临设备损坏和停产风险，尤其在注水开发阶段，水突破后100天内出砂概率高达70%。传统研究虽已发现水饱和度与砂岩强度负相关，但始终未能阐明其化学本质。更棘手的是，现有机械控砂技术成本高昂且缺乏普适性，亟需从机理层面突破。

马来西亚国油大学等机构的研究团队在《Results in Engineering》发表的重要工作，首次将砂岩强度下降归因于石英水解导致的硅溶解现象，并创新性提出化学抑制方案。通过系统设计动态岩心驱替实验，结合紫外分光光度法(UV-Vis)和X射线衍射(XRD)等表征手段，揭示了水-岩作用的分子机制：水分子攻击Si-O-Si键产生硅醇基团(Si-OH)，其氢键强度仅为原共价键的1/10，导致胶结失效。研究团队突破性地发现1wt%磷酸钠可使100%水饱和岩心强度仅从9.56MPa降至9.31MPa，而对照组骤降至5.46MPa。

关键技术方法包括：采用Castlegate砂岩岩心（比利时Epslog公司提供）进行动态驱替实验，通过Unconfined Compressive Strength(UCS)测试量化强度变化，UV-Vis分光光度法定量硅溶解浓度，结合XRD/XRF确认矿物组成，并通过响应面分析法(RSM)验证数据可靠性。

【水饱和度对硅溶解及砂岩强度的影响】
在30°C条件下，随着水饱和度从20%升至100%，硅溶解量从7.1mg/L激增至19.8mg/L，岩心强度相应从8.98MPa降至5.46MPa（降幅43%）。XRF证实砂岩含95.3% SiO₂
，水解反应符合Si-O-Si + H₂
O → Si-OH + HO-Si方程，建立了两者定量关系。

【时间变量的放大效应】
延长作用时间至72小时，100%饱和岩心的硅溶解达29.7mg/L，强度暴跌至3.65MPa，证实水解反应具有时间累积效应。

【盐度的双刃剑作用】
海水因含Na⁺
、Mg²⁺
等离子提前达到溶解平衡，其硅溶解(14.8mg/L)显著低于蒸馏水(19.8mg/L)，对应强度高13.7%，为注水水质选择提供依据。

【温度加速水解】
90°C高温使硅溶解飙升至32mg/L，强度仅存2.4MPa，分子动力学表明升温加剧Si-O键断裂。

【磷酸钠的抑制奇迹】
1wt%磷酸钠使100%饱和岩心强度保持原始值的97.4%，即便在90°C下仍维持6.8MPa（对照组2.48MPa），其抑制机制为竞争性吸附阻断水解位点。

这项研究从根本上改变了弱胶结砂岩控砂策略的范式：不再被动防御出砂后果，而是主动阻断水解这一根源性机制。通过建立水饱和度-硅溶解-强度衰减的定量模型，不仅填补了化学弱化机理的认知空白，更开创了"化学固砂"新思路。现场应用时，仅需在注水液中添加0.1-1wt%磷酸钠，即可使岩心强度保持在水突破前的90%以上，这对延长海上油田寿命、降低完井成本具有重大工程价值。研究团队特别指出，该方案在高温(90°C)和高矿化度环境下仍保持稳定，展现出优异的工况适应性。