高泥質砂巖油藏防膨控砂體系性能評價與應用

宋金波，張雨晨，賈維霞，梁 偉，王 勇

(中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257000)

0 引 言

勝利油田高泥質疏松砂巖油藏地質儲量豐富，此類油藏的高泥質、粉細砂易堵塞井筒周圍及防砂充填層、篩管，導致油井防砂后產能在短時期內明顯下降[1-2]。通常采取的措施是往地層擠入聚合物類黏土穩定劑[3-6]，以防止黏土顆粒的膨脹、分散、運移，但該類措施無法減輕非黏土顆粒發生運移的可能性，嚴重影響油、氣井防砂措施的成功率和有效期。針對以上缺陷，以優選防膨抑砂劑為基礎[7-9]，研制了新型深部成膜防膨控砂體系配方，防止黏土膨脹的同時阻止了黏土顆粒和非黏土顆粒的運移，達到了深部穩砂的目的，提高了油、氣井產量，延長了地面和井下設備使用壽命[10-13]。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

DA(己二酸或丁二酸)、DM(對環己二胺)，分析純；催化劑CP溶液(5%水溶液)。

反應釜，煙臺科立化工設備有限公司；ATR-FTIR紅外光譜儀，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；高溫高壓巖心流動儀，中國石油大學(華東)儀表廠；真空泵，常州納西姆真空設備有限公司。

1.2 合成方法

將一定量的DA、DM和催化劑CP溶液(5%水溶液)投入備有機械攪拌和進出氣口的2 L壓力反應釜中，通入氮氣去除釜中的氧氣，然后攪拌、加熱至90 ℃左右，保溫1 h，繼續加熱升溫至150 ℃左右，保持壓力為常壓，再于常壓下反應2 h，最后抽真空進一步減壓縮聚30～60 min，縮聚完成后出料、冷卻、切粒，得到控砂劑產品。

1.3 結構分析

利用ATR-FTIR傅立葉變化衰減全反射紅外光譜法進行結構分析。將液體PSF和PSF-Ⅰ置于80 ℃的烘箱中干燥數小時，研磨成粉末狀，采用KBr壓片法進行測定。

1.4 體系配置方法

優選出防膨劑，與合成的控砂劑按照不同比例混合制成防膨控砂劑體系，體系中防膨劑有效質量分數范圍為1%～3%，控砂劑有效質量分數范圍為1%～10%。

1.5 性能測定

(1) 防膨率的測定。依據Q/SH1020 1993—2013《疏松砂巖黏土穩定劑通用技術條件》標準測定樣品溶液防膨率。

(2) 抑砂能力的測定。依據Q/SLCG0097—2014《分子膜抑砂劑》標準測定樣品溶液的抑砂能力。

2 防膨控砂機理

油田常用的化學類固砂劑有尿醛、酚醛等樹脂類固砂劑，此類固砂劑通過化學鍵的作用使地層砂有較強的固結強度，但其注入地層后對地層傷害較大[14-15]，地層傷害率達到40%；而陽離子聚合物類高分子抑砂劑雖然對地層傷害小，但僅靠分子間的電性吸附作用與地層砂粒結合，固結砂粒作用較弱，不能滿足粉細砂地層大量出砂的要求[16-18]。新型防膨控砂劑體系首先利用優質防膨劑防止高泥質組分膨脹傷害，同時，含有酰胺基、氨基等官能團的控砂劑與儲層微粒通過氫鍵作用、靜電作用相互吸附，在其表面形成穩定均勻的黏性分子膜，實現地層粉細砂或黏土顆粒原位固定。

防膨控砂劑體系兼具兩親性分子結構，其陽離子基團與呈負電性的砂巖和黏土之間有很強的電性相吸作用，通過降低粉細砂和黏土表面的zeta電位實現自聚；引入的柔性鏈段提高膜的拉伸強度，剛性基團的有序排列可提高膜的規整性，增強膜與基底的結合力。因此，剛性基團與柔性鏈段的優化組合表現出良好的耐沖刷性能[19-20]。

3 結果與討論

3.1 產物結構分析

ATR-FTIR譜圖見圖1(a、b、c、d、e為DA與DM物質的量的比分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2時合成的聚酰胺樹脂曲線)。由圖1可知，3 299 cm-1處為仲胺的N-H伸縮振動；2 923 cm-1處為N-H面內彎曲振動和C-N伸縮振動的組合倍頻[9]；1 632 cm-1處為酰胺I帶C=O的伸縮振動；據Arimoto和Bradbury等的研究，1 536 cm-1處為酰胺II帶的N-H彎曲振動和C-N的伸縮振動的組合；1 417 cm-1處為-CH2-的剪式振動；1 273 cm-1處為酰胺III帶C-N-H耦合振動；935/688 cm-1附近峰歸屬于酰胺IV/V帶，為α晶相平面鋸齒結構的特征峰，935 cm-1處為酰胺IV帶的C-CO伸縮振動，688 cm-1處為酰胺V帶的N-H搖擺振動；1 199 cm-1處為N-C=O骨架振動的特征吸收帶。譜圖中-COOH的強特征吸收峰不可見，說明單體成鹽后參與共縮聚。

圖1 控砂劑的衰減全反射傅立葉變換紅外譜

3.2 性能評價

3.2.1 防膨控砂劑體系對黏土防膨性能的影響

利用膨脹儀法測定各樣品的防膨率，結果見表1。由表1可知，季銨基團位于支鏈末端的陽離子聚合物NTW-1的防膨性能明顯優于其他幾類產品。

表1 幾種防膨劑性能評價結果

3.2.2 防膨控砂劑體系對黏土微粒耐沖刷性能的影響

防膨控砂劑體系遇水后立即析出并形成黏滯膜，在注入地層后會吸附在多孔介質表面，形成穩定、均勻、多孔的分子膜，對控砂性能起到至關重要的作用。觀察控砂劑分子膜形態，由于膜表面存在大量不飽和殘鍵以及不同鍵合狀態的羥基，分子膜表面凹凸不平，立體感強；并且有很多白色細絲相互抓緊纏繞(圖2)。

圖2 防膨控砂劑體系分子膜形態

按照Q/SLCG0097—2014評價標準，該體系對不同粒徑微粒均具有顯著的控砂作用，對地層微粒控制及充填層穩定效果明顯，耐沖刷性能高于標準4倍以上(圖3)。

圖3 流量變化對流出端微粒含量的影響

3.2.3 控砂劑對不同粒徑砂體耐沖刷性能的影響

選取不同粒徑的石英砂，分別加入質量分數為7%的控砂劑溶液。按照3.2.2步驟測試控砂劑用量對砂柱耐沖刷性能的影響。測得最初砂排量Q0，規定出砂量大于0.1 g/L時為最大出砂排量Qmax，結果見表2。

沖砂排量為2 000～6 000 mL時，控砂劑對不同粒徑石英砂抑砂能力不同。在不同流量沖刷下，粒徑較小的砂柱出砂量低于粒徑大的砂柱，這表明控砂劑對不同粒徑的石英砂控砂性能有一定差別，主要是由于粒徑小的石英砂比表面積大，覆膜程度高，結合能力強。

表2 不同排量Qc下控砂劑對不同粒徑石英砂出砂量的影響

3.2.4 控砂劑質量分數對耐沖刷性能影響

將粒徑為0.1～0.2 mm的石英砂，分別加入質量分數為1%、2%、4%、6%、8%的控砂劑溶液，按照3.2.2方法測試控砂劑質量分數對砂柱耐沖刷性能的影響，結果見圖4。

由圖4可以看出，隨控砂劑質量分數升高，砂柱的耐沖砂性能逐漸提高。控砂劑質量為數為6%，當流速為2.0 L/h時開始出砂，當流速達到5.0L/h時耐沖砂性能為0.04 g/L，滿足標準要求。當控砂劑質量分數達到8%時，在6.0 L/h時其出砂量小于0.0 4g/L。由此可見，當質量分數為6.0%時已經遠優于Q/SLCG0097—2014標準的1.8 L/h流速下的出砂量。

圖4 不同質量分數控砂劑在不同流速下對耐沖刷性能影響

4 現場應用效果

2016至2018年，先后在勝利油田的15口油井進行了現場試驗。現場施工要求：防膨控砂劑體系現場使用質量分數一般不小于5%，處理量應是油井近井地帶油層直徑5～6 m區域內孔隙體積的1.0～1.5倍，擠注排量為1 m3/min以上，擠注后無需候凝即可投產，節省作業時間。金17-17井位于金家油田，主力層位沙一段具有高泥質、強水敏，原油黏度大，滲透率低的特點，顆粒運移及瀝青沉積加劇了孔隙堵塞。2016年6月因出砂嚴重導致停產，出砂分析報告表明，該井以粉細砂為主，泥質含量高于20%。2018年5月采取措施，注入質量分數為5%的防膨控砂劑，施工半徑為3 m，施工排量為1 m3/min。通過井口含砂在線監測設備對擠入抑砂劑前后的出砂情況進行監測。結果表明，擠入防膨控砂劑前，最大出砂含量為0.74 g/s，擠入防膨控砂劑后379 d，測出的最大出砂含量為0.22 g/s，效果較好，有效期達379 d，且持續有效。

現場試驗證實，防膨控砂劑體系防砂工藝簡單，防砂成功率達100%，防砂有效期為1 a左右，截至2018年12月，15口防砂施工井累計增產原油18 900 t，應用效果較好。

5 結 論

(1) 防膨控砂劑體系集成了優質防膨劑與控砂劑的突出優勢，實現了黏土防膨與原位控制微粒運移的雙重功能，控砂理念具有創新性。

(2) 形成的分子膜性能穩定，耐水性、機械性及黏結力等均能滿足高泥質砂巖油藏的防砂需求，現場應用效果顯著，推廣應用前景較好。