油氣開發用防膨抑砂劑技術

劉 音，曹骕骕，賈培娟，徐杏娟，賈紅戰

（1.中國石油集團渤海鉆探工程技術研究院油田化學研究所，天津 300457；2.中國石油集團渤海鉆探工程技術研究院酸化技術中心，天津 300280）

在油氣開發過程中，砂巖層中的砂粒會隨油氣的運移進入井筒中，從而阻塞井筒，造成油層砂埋、砂堵，儲層也會受到嚴重的損害，使油井產量大幅度降低甚至停產[1]，油井出砂還可以引起管線和設備的堵塞，嚴重時會引起井壁坍塌，使套管受擠壓而變形損壞；水井出砂會引起注水層位的堵塞，影響正常注水。另外，許多油氣儲層都含有高嶺石、蒙脫石、伊利石等黏土礦物，這些礦物具有高度的水敏性，遇水膨脹后容易堵塞井筒，造成卡鉆，也會降低油氣井產量[2-3]。因此，需要尋找一種防膨抑砂劑，既能增強與砂粒間的固結作用，防止由于油氣的流速不足而使砂粒伴隨流體的運移被帶出，又能加強與粘土間的膠結能力，從而防止粘土水化膨脹。

防膨抑砂劑應該具有較長時間固結松散砂粒的特性，同時也應具備抑制黏土膨脹的能力。現階段油氣開采用防膨抑砂劑多為有機陽離子聚合物，該高分子具有較高的陽離子度和較長的高分子鏈，能在松散砂粒、黏土顆粒表面形成一層吸附保護膜，從而防止砂粒和黏土顆粒分散運移[4-5]。另外，有機陽離子聚合物含有多種基團和網狀結構，能夠有效地封堵疏松砂巖層的出砂問題，且不降低油氣井產量，是近年來國內外重點研發的對象之一。

1 油氣開發用防膨抑砂劑技術

目前，針對國內砂油井在進行施工作業時所出現的油井出砂問題，有研究用有機陽離子聚合物、多種助劑復配、組合工藝等方法解決出砂問題，不但縮小了出砂空間、提高了防膨抑砂效率，還能改善地層滲透率。

1.1 合成有機陽離子聚合物解決出砂問題

勝利油田高滲透稠油油藏原油粘度高、黏土含量高、出砂嚴重且儲層非均質性嚴重，衛然等[6-7]針對該問題制備出FYJ型防膨抑砂劑，它是一種網狀多羥基陽離子聚合物，能夠有效抑制砂粒運移，解決中高滲透稠油油藏的防砂問題。通過室內泥巖顆粒動態沖刷實驗和中高滲透稠油的現場施工得知，該防膨抑砂劑對地層的傷害率小于25%，且防砂率達到90%，現已在勝利油田鄭家、王莊等多地區現場推廣應用10余口井，取得了顯著的防砂效果。蔣官澄等[8-9]用丙烯酰胺與陽離子單體在水溶液中聚合，產物再與偶聯劑反應，合成出主鏈季銨鹽型有機陽離子聚合物NTW-1，以NTW-1為主劑的抑砂劑體系增強了充填砂與骨架砂之間的結合力，有效阻止了深部充填砂的運移，縮小了出砂空間，使得單井增油平均提高46.2%，且滲透率保持90%～96%左右。目前，NTW-1防膨抑砂劑已在300口以上高含水油井中應用，施工有效率高達92.9%，共增產原油45萬噸，適用于出砂較嚴重的疏松砂巖油藏的深部穩砂、防砂。

以環氧氯丙烷、有機胺等為主要原料，通過加入引發劑誘導原料在溶液中聚合制備有機陽離子聚合物，將其作為油氣開采中的防膨抑砂劑，防砂效果良好。張森等[10]利用原料二甲胺與環氧氯丙烷在溶液中聚合得到了防膨抑砂劑，并研究了驅動介質粘度和石英砂粒徑對抑砂性能的影響，發現石英砂粒徑小于0.3 mm，驅動介質粘度小于50 mPa·s時，抑砂效果良好，超出該范圍，有機陽離子聚合物基本失去抑砂能力。張利平等[11]以乙二胺、環氧氯丙烷、丙烯酰胺為原料，通過季銨鹽化反應得到陽離子化聚丙烯酰胺AEE，該產物1%溶液對巖心粉壓片和膨潤土的防膨率均大于80%，且用水沖填砂管法測定1%濃度的AEE溶液的抑砂性能良好，將10%AEE溶液作為防膨抑砂劑使用在勝利東辛油田防砂施工中，已安全防砂施工91井次，有效率達88.2%。

在高分子鏈上引入一些陽離子基團，制備出含有陽離子的高分子聚合物作為防膨抑砂劑，防砂效果良好。陳劍波等[12]針對勝利油田東辛采油廠鉆井和粉細砂的防砂問題，將磺酸鹽聚合物與陽離子聚合物反應，合成了新型超分子固砂劑，得到的產物基本不受鹽度影響，抑砂效果好，100℃以下防砂性能穩定，且對地層滲透率影響小，可保持85%以上。現已通過12口井的試驗，累計增油5 028 t，防砂效果良好。張春光等[13]在高分子長鏈的側鏈上引入了陽離子基團，利用高分子鏈長、吸附點多的特點，能夠有效抑制地層出砂。在此基礎上優化了化學防砂工藝，使勝坨油田二區地層能量逐漸上升，注采比達0.97，并對防膨抑砂劑的適應性進行了評價，油井的平均含砂量下降0.2‰，有效延長了油井免修期，減少了出砂對油田開采的影響。結合化學橋接防砂和膠結防砂的優點[14-15]，王世軍等[16]以聚丙烯酰胺為原料，引入氟硼酸及陽離子添加劑，制備一種吸附膜型陽離子抑砂劑。通過實驗確定了聚丙烯酰胺用量0.4%～1%時，水解度為5%～15%，氟硼酸用量為0.2%～0.4%時，所合成的產品抑砂能力強，對地層傷害弱，適用于高滲層和出砂較嚴重的油水井，還可用于泥質含量較高的出砂井。

1.2 利用多種助劑復配解決出砂問題

向主處理液中加入陽離子聚合物防膨抑砂劑，用其處理稠油疏松油藏油井解堵時引起的出砂問題，抑砂效果有時也不明顯。針對此問題，利用多種助劑復配，研制出具有解堵和抑砂雙重性能的處理劑，特別適于出砂油層的解堵。張華輝等[17]利用無機酸、活性高分子、固化劑及多種助劑復配得到一種具有抑砂和解堵雙重性能的FY-1型抑砂劑，其作用機理是在酸性條件下，吸附于砂粒表面的活性高分子與固化劑發生縮聚反應而形成高分子膜，它可以使松散的砂粒具有一定的接觸親和作用，從而抑制地層出砂。這種解堵抑砂劑既保持了無機解堵劑的溶蝕性，還會在砂粒表面形成體型高分子膜，以增加巖石的膠結強度。孫建永[18]利用鹽酸、氫氟酸、KLB活性高分子、固化劑等復配出HKL解堵抑砂劑，有效抑制了地層出砂，同時在砂粒表面形成的高分子膜可增加巖石膠結強度。將HKL解堵抑砂劑進行現場應用，確定關井反應時間為6～12 h最佳。

1.3 利用組合工藝法解決出砂問題

近年來，利用組合工藝法解決油井出砂問題取得了一定的成效。王曉莉等[19]通過調查分析文明寨油田油井出砂區塊、層位、層塊、出砂粒徑范圍、產液量大小、產出液中砂含量等因素，設計采取井筒和地層化學除砂方法，即以機械防砂為主、以地層化學防沙為輔的防砂工藝，有效控制了油井出砂的問題。現已實施油井防砂12井次，成功率100%，年累計增油447.6 t，年累計增液10 594.2 m3，平均作業免修期168 d，取得了良好的防砂效果。李曉榮等[20]針對東營組油藏構造復雜、油藏流度比高等問題，提出了對稠油油藏及周邊低產井采用管內高壓一次充填防砂或PS防砂工藝，對泥質粉、細砂出砂層段采用PS防砂或酸化-抑制劑處理工藝，而對油藏高部位供液能力強的井采用防砂提液與油層預處理相結合的工藝，結果顯示，無論采取哪種防砂工藝，油層預處理都是不可缺少的，而工藝措施針對性要強，這樣使勝坨油田防砂治理效果良好。吳方惠等[21]針對江蘇油田周43區塊出砂的問題，利用繞絲篩管礫石充填（即將不銹鋼絲繞焊在縱筋上制成篩筒，不銹鋼絲間距在0.2～0.4 mm，然后將篩筒套在中心管上，再將篩筒兩端焊接在中心管上，就制成了繞絲篩管）與化學抑砂劑、助劑檸檬酸、甲醛等復配劑組合為防砂工藝，該工藝解決了周43區塊的出砂問題，且油井產出液的含水量也降低了，這說明對地層流體的滲透狀態也得到了改善。

2 結論

為了解決油氣開采過程中所出現的油井出砂問題，減少對油氣層的砂埋和砂堵，提高油氣井產量，研究高效實用、價格低廉的防膨抑砂劑，實現經濟與環境友好的雙贏，已成為開發砂巖油氣田的必然趨勢。

伴隨防膨抑砂劑產品的更新，本研究院針對砂油井的出砂情況，一方面使用化學橋接和膠結防砂相結合的方式，添加配套的助劑，優化現有防砂工藝配方；另一方面研發新型的防膨抑砂劑，比如用丙烯酰胺共聚三甲基烯丙基氯化銨或二甲基二烯丙基氯化銨后，得到有機陽離子聚合物，并與無機鹽復配制備復合防膨抑砂劑，用這類化學防膨抑砂劑產品與機械防砂工藝相結合，形成一種成型的防砂工藝是未來發展的一個重要趨勢。

［1］趙建華，柯耀斌，劉煒.化學防膨抑砂劑的研究［J］.化學工程與裝備，2012，41（7）：37-38.

［2］Swartzen-allen，S.L.，Matijevic，E.Surface and Colloid Chemistry of Clays［J］.Chemical Review，1974，74（3）：385-400.

［3］Han，D.H.，Nur，A.，Morgan，D.Effects of Porosity and Clay Content on Wave Velocities in Sandstones［J］.Geophysics，1986，（51）：2093-2107.

［4］Lee，S.P.，June，H.S.，Sang，J.C.，Synthesis of Polyamine Type Flocculant and Properties in Potable Water Treatment［J］.Journal of the Korean Industrial and Engineering Chemistry，1998，9（4）：566-570.

［5］Duk，J.J.，Won，S.S.，Young，H.K.Effect of Polyamine Flocculant Types on Dye Wastewater Treatment［J］.Separation Science and Technology，2003，38（3）：661-678.

［6］衛然，高斌，等.FYJ-2型防膨抑砂劑在中高滲透稠油油藏的應用［J］.石油天然氣學報，2005，27（1）：265-266.

［7］衛然，董海生，等.中高滲透稠油油藏新型防膨抑砂劑的研制與應用［J］.大慶石油地質與開發，2006，25（1）：75-77.

［8］蔣官澄，郭雄華，李道軒.疏松砂巖油藏深部穩砂體系配方設計與應用［J］.應用化學，2007，24（7）：796-800.

［9］蔣官澄，畢采豐，冷強.防膨抑砂劑NTW-1及其深部穩砂技術［J］.油田化學，2005，22（2）：115-118.

［10］張森，田承村.陽離子聚合物防膨抑砂劑的合成與性能評價［J］.斷塊油氣田，2004，11（4）：78-82.

［11］張利平，鄧士奇，黃敏.陽離子聚合物AEE用作防膨抑砂劑的研究［J］.油田化學，2002，19（3）：208-209，226.

［12］陳劍波，劉軍.超分子固砂工藝技術研究與應用［J］.勝利油田職工大學學報，2007，21（1）：53-55.

［13］張春光，任延鵬，李芳.勝坨油田二區油井出砂規律及治理措施［J］.油氣地質與采收率，2005，12（3）：64-66.

［14］Lezzi，A.Galbaariggi，G.Pitoni，E.Process for the Consolidation of Sand［P］.EP，829616，2002，（9）：25.

［15］Sydansk，R.D.Sand Consolidation Treatment for a Hydrocarbon Production Well Bore Using an Over-displacement Fluid［P］.US，5082057，1992，（1）：21.

［16］王世軍，李樂梅，于金佩，等.吸附膜型陽離子抑砂劑的室內研究［J］.精細石油化工進展，2004，5（10）：12-14.

［17］張華輝，毛源，馬超.FY-1新型解堵抑砂劑的研究［J］.重慶科技學院學報，2012，14（1）：87-89.

［18］孫建永.HKL新型解堵抑砂劑的研究［J］.中國石油大學勝利學院學報，2011，25（2）：20-21.

［19］王曉莉，聶申健，劉昌虎，等.油井復合化學防砂技術在文明寨油田的應用［J］.廣州化工，2010，38（4）：211-213.

［20］李曉榮，程斌，等.勝坨油田稠油油藏防砂治理技術對策研究［J］.特種油氣藏，2002，9（2）：56-58.

［21］吳方惠.江蘇油田周43塊防砂工藝的研究與應用［J］.內蒙古石油化工，2006，16（11）：94-95.