適合于儲層微粒運移的化學膠結(jié)液研究與應用

周泓宇，吳紹偉，林科雄，鄭華安，羅 剛，胡友林，任坤峰

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057； 2.荊州市漢科新技術(shù)研究所，湖北 荊州434000；3.長江大學，湖北 荊州 434000)

油氣層中含有的細小礦物顆粒成分主要有粘土、非晶質(zhì)硅、石英、長石、云母和碳酸鹽巖等，它們是可運移微粒的潛在物源。這些微粒在流體流動作用下發(fā)生運移，單個或多個顆粒在孔喉處發(fā)生堵塞，造成近井地帶滲透率下降，從而影響油氣產(chǎn)量；或運移出地層進入井筒，造成井眼砂埋或損壞井下設(shè)備，給油田生產(chǎn)帶來巨大損失。因此，防止和減輕微粒運移，對油氣開采具有十分重要的意義[1]。作者在分析南海W油田儲層微粒運移原因的基礎(chǔ)上，提出利用化學膠結(jié)技術(shù)強化地層砂粒之間的膠結(jié)，室內(nèi)構(gòu)建一套適合于南海W油田的HWR微乳水基膠結(jié)液體系，對其性能進行評價，并將其應用于現(xiàn)場。

1 目標油田微粒運移現(xiàn)狀及治理措施

1.1 目標油田微粒運移現(xiàn)狀

南海W油田主力儲層珠江組和珠海組都屬于中高孔中高滲儲層，儲層泥質(zhì)膠結(jié)。隨著水驅(qū)開發(fā)，油田進入開發(fā)中后期，單井長期處于高含水階段，近井地帶范圍內(nèi)的巖石膠結(jié)強度較投產(chǎn)初期大幅下降，致使儲層逐漸出現(xiàn)微粒運移，對近井地帶、防砂段造成堵塞，嚴重影響單井產(chǎn)能。據(jù)統(tǒng)計，受微粒運移傷害影響，南海W油田1～6井區(qū)單井產(chǎn)能較投產(chǎn)初期下降11.1%～65.6%，平均單井下降35.6%。同時在天然水驅(qū)油藏的高含水階段，普遍采用換大泵提液增產(chǎn)，在生產(chǎn)壓差進一步增大的情況下，運移的微粒對單井的堵塞污染更為嚴重。據(jù)統(tǒng)計，提液超過4 MPa生產(chǎn)壓差后，發(fā)生明顯的微粒運移。目前未出現(xiàn)砂粒進入井筒現(xiàn)象，以堵塞篩管或近井地帶為主。

1.2 微粒運移治理措施

對微粒運移井，南海W油田前期采用簡單的沖洗解堵措施進行規(guī)模化治理，治理初期均能取得一定增產(chǎn)效果，但隨著生產(chǎn)的進行，運移的微粒很快再次聚集、堵塞，措施有效期很短，且重復沖洗后的增產(chǎn)效果逐漸變差。分析認為，沖洗解堵措施只是把聚集在近井地帶的微粒暫時性地沖到了地層深部，沒有防止其再次運移，沒有從根本上解決微粒運移問題。

目前，解決儲層微粒運移的方法主要有兩種：一是化學固砂法，利用尿醛、酚醛等常規(guī)樹脂類固砂劑吸附在儲層微粒上，固化反應后將微粒膠結(jié)在一起，從而防止微粒運移，但其注入地層后對地層傷害較大,地層傷害率達到40%；二是降低Zeta電位法，利用巖石/粘土的負電特性，采用陽離子聚合物吸附在巖石/粘土顆粒表面，降低其Zeta電位，從而減小顆粒之間的斥力，達到防止微粒脫落和運移的目的，但是該方法膠結(jié)力弱、耐沖刷能力差、有效期短[2-4]。

2 膠結(jié)液體系的組成及作用機理

2.1 配方與組成

由于目標儲層泥質(zhì)膠結(jié)，遇水后地層膠結(jié)強度減弱，這是儲層發(fā)生微粒脫落和運移的根本原因。為此，要解決地層微粒運移問題，就必須加強地層砂粒之間的膠結(jié)，特別是近井地帶，以達到穩(wěn)定地層微粒的作用。傳統(tǒng)的化學固砂樹脂和固化劑是兩組分，在施工過程中通過段塞注入的方式在地層接觸反應，從而對地層疏松砂粒進行膠結(jié)，但這種方式容易導致樹脂和固化劑在地層混合不均勻，從而影響最終固結(jié)效果[5-11]。本研究構(gòu)建了一套HWR微乳水基膠結(jié)液體系，其配方為：12%膠結(jié)劑HWR-301+18%固化劑HWR-302+4%固化調(diào)節(jié)劑HWR-303+66%稀釋劑(3%NaCl鹽水)。現(xiàn)場應用時，將膠結(jié)劑HWR-301、固化劑HWR-302、固化調(diào)節(jié)劑HWR-303和NaCl鹽水混配成一種黏度較低的微乳液體系，“一體化”注入地層，頂替到位，反應一段時間即可[12-16]。其組成的作用特點如下：

(1)膠結(jié)劑HWR-301：是一種水溶性改性樹脂，它改變了常規(guī)樹脂的溶解特性，摒棄溶劑類稀釋劑，使體系更安全環(huán)保。

(2)固化劑HWR-302：是一種具有乳化和固化雙作用的胺類聚合物，能夠激活膠結(jié)劑反應，保證固結(jié)體的性能。

(3)固化調(diào)節(jié)劑HWR-303：膠結(jié)劑與固化劑混合后是活性體，反應快速，通過固化調(diào)節(jié)劑調(diào)整體系反應速率，控制施工時間。

(4)NaCl鹽水：保證膠結(jié)液與地層水礦化度一致。

2.2 作用機理

HWR微乳水基膠結(jié)液體系是一種微乳液形態(tài)，固化劑均勻分散在連續(xù)相中，膠結(jié)劑包裹在分散相中，形成一種具有一定穩(wěn)定時間的微乳液。其在地層中的作用機理如下：

(1)地層砂粒在水的作用下，Si-O-Si斷裂生成Si-OH；膠結(jié)液注入地層后，地層砂粒上的羥基與膠結(jié)劑及固化劑上的羥基相互作用，使膠結(jié)劑以及固化劑在砂粒表面吸附；

(2)在地層溫度作用下，吸附在砂粒表面的乳液開始破乳，膠結(jié)劑和固化劑接觸；

(3)破乳后的膠結(jié)劑在固化劑作用下充分反應，生成熱固性高聚物，將砂粒連接在一起。由于反應產(chǎn)物有一定分子大小，只有在兩個砂粒的距離與反應產(chǎn)物分子大小相匹配時才能產(chǎn)生作用，而在孔隙中由于距離較遠，不會存在固化產(chǎn)物，從而保證了孔隙的暢通性。膠結(jié)劑與地層砂粒的反應原理見圖1。

3 膠結(jié)液體系室內(nèi)性能評價

膠結(jié)液體系室內(nèi)性能主要包括：一是膠結(jié)液的性能，包括膠結(jié)液的黏度和安全施工時間，主要體現(xiàn)膠結(jié)液能否安全注入到地層；二是膠結(jié)體的性能，包括膠結(jié)體的滲透率、單軸抗壓強度、耐沖刷性能、穩(wěn)定性能以及微觀分析，主要體現(xiàn)膠結(jié)液控制地層微粒運移的效果。

3.1 膠結(jié)液性能

將配制好的膠結(jié)液置于容器中，在一定溫度的水浴中以低速攪拌的方式模擬膠結(jié)液動態(tài)注入過程，定期取出膠結(jié)液，采用ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計測定其黏度，以黏度變化來確定其安全施工時間。不同溫度下膠結(jié)液的黏度隨時間的變化情況見表1。

表1 不同溫度下膠結(jié)液的黏度隨時間的變化情況

從表1可以看出，膠結(jié)液的黏度很低，容易注入地層。室溫下動態(tài)可穩(wěn)定48 h以上，能夠保證膠結(jié)液配制后長時間放置不會固化；地層溫度下動態(tài)可穩(wěn)定12 h以上，可泵送時間在12 h以上，現(xiàn)場按排量0.2 m3·min-1計算，100 m3固砂液的注入時間約為8 h，膠結(jié)液能滿足現(xiàn)場安全注入施工時間。

3.2 膠結(jié)體性能

3.2.1 滲透率和單軸抗壓強度

室內(nèi)選擇40～80目石英砂和儲層巖屑，采用“填砂注入法”，按照膠結(jié)液的注入流程制備膠結(jié)體，測定其氣測滲透率，對比填砂的氣測滲透率，確定膠結(jié)后的滲透率保留值；將膠結(jié)體制成標準模塊，利用壓力機測試其單軸抗壓強度，結(jié)果見表2。

表2 不同條件下膠結(jié)體的膠結(jié)性能

從表2可以看出，不管是石英砂還是儲層巖屑，膠結(jié)后滲透率保留值均大于80%，說明HWR微乳水基膠結(jié)液具有較好的儲層保護性能。石英砂膠結(jié)后的單軸抗壓強度在7 MPa左右，儲層巖屑膠結(jié)后的單軸抗壓強度大于3 MPa，說明膠結(jié)體的膠結(jié)質(zhì)量較好。

3.2.2 耐沖刷性能

室內(nèi)考察了3口井儲層巖屑膠結(jié)前后在不同驅(qū)替流速下驅(qū)出液的濁度值以及膠結(jié)后在不同驅(qū)替流速下的控砂效率，結(jié)果分別見表3、圖2。

從表3可以看出，膠結(jié)后驅(qū)出液的濁度值大幅下降，外觀清澈透明，肉眼難見明顯的微粒。從圖2可以看出，不同驅(qū)替流速下巖屑膠結(jié)后的控砂效率均在96%以上，具有較好的控制微粒運移能力。

3.2.3 穩(wěn)定性能

室內(nèi)將現(xiàn)場巖屑制備的膠結(jié)體置于80 ℃地層水和柴油中浸泡，測定膠結(jié)體浸泡一定時間后的單軸抗壓強度，模擬其在地層流體中的長期穩(wěn)定性，結(jié)果見圖3。

表3 膠結(jié)前后，不同驅(qū)替流速下驅(qū)出液的濁度值

圖2 膠結(jié)后，不同驅(qū)替流速下的控砂效率Fig.2 Sand control efficiency at different displacement flow rates after cementation

圖3 膠結(jié)體在地層水(a)、柴油(b)中的單軸抗壓強度隨浸泡時間的變化趨勢Fig.3 Variation trend of uniaxial compressive strength of cemented body with soaking time in formation water(a) and diesel oil(b)

從圖3可以看出，膠結(jié)體在地層流體中單軸抗壓強度變化不大，具有良好的穩(wěn)定性。

3.2.4 微觀分析

室內(nèi)采用日本日立SU8010型場發(fā)射掃描電鏡對HWR微乳水基膠結(jié)液膠結(jié)后的膠結(jié)體進行微觀掃描分析，結(jié)果見圖4。

圖4 膠結(jié)體的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM images of cemented body

從圖4可以看出，膠結(jié)體中孔隙發(fā)育，孔隙之間連通性較好，明顯可見固化后的膠結(jié)物。

4 膠結(jié)液體系的現(xiàn)場應用

南海W油田A7井見水后，產(chǎn)液量、產(chǎn)油量下降顯著；換大泵提液后，有效期短，特別是大壓差下，產(chǎn)液量下降，井底流壓下降，沖洗解堵效果明顯，但很快產(chǎn)液量、井底流壓再次開始持續(xù)下降，分析認為存在微粒運移堵塞。2019年10月，在沖洗解堵后注入HWR微乳水基膠結(jié)液進行化學膠結(jié)，施工后復產(chǎn)順利，單獨生產(chǎn)ZJ2-1U油組，其產(chǎn)液指數(shù)為沖洗解堵前(產(chǎn)液指數(shù)85 m3·d-1·MPa-1)的2.788倍，有效期較長(沖洗解堵有效期為1～3個月)，各項指標均已達到了工藝油藏的預期目標。

表4 A7井ZJ2-1U油組生產(chǎn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

(1)在分析南海W油田儲層微粒運移原因的基礎(chǔ)上，提出利用化學膠結(jié)技術(shù)強化地層砂粒之間的膠結(jié)，室內(nèi)構(gòu)建了一套HWR微乳水基膠結(jié)液體系，其配方為：12%膠結(jié)劑HWR-301+18%固化劑HWR-302+4%固化調(diào)節(jié)劑HWR-303+66%稀釋劑(3%NaCl鹽水)。

(2)HWR微乳水基膠結(jié)液性能評價表明，該體系具有注入黏度低、安全施工時間長、膠結(jié)質(zhì)量好、控制微粒運移能力強等特點；膠結(jié)體在地層流體浸泡36個月后，仍能保持較好的穩(wěn)定性。

(3)現(xiàn)場應用表明，W油田A7井注入HWR微乳水基膠結(jié)液進行化學膠結(jié)施工后，產(chǎn)液指數(shù)為沖洗解堵前的2.788倍，能長期有效地控制微粒運移，推廣應用前景廣闊。