新型化學(xué)固砂技術(shù)研究及在渤海油田的應(yīng)用

彭正強(qiáng)，華澤君，李勇，李昆，劉愛東，韓放，郭靖

（中海油田服股份有限公司， 天津 300452）

稠油油層、粉細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉細(xì)砂巖油層、氣層開發(fā)過程中的防砂一直是個(gè)難題[1]。目前使用最為廣泛的礫石充填和壓裂充填防砂（占防砂井的90%以上），通常設(shè)計(jì)濾砂管的濾砂精度只能擋住其骨架砂為主[2]。這樣的防砂工藝在生產(chǎn)中會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)問題，一是防砂后的堵塞問題，二是防砂后出粉細(xì)砂的問題，會(huì)嚴(yán)重影響油氣井的正常生產(chǎn)[3-4]。

海上油田多為疏松砂巖， 地層出砂頻繁， 另外，海上平臺(tái)壽命決定了油田需要快速高效開發(fā)，其油藏條件、完井條件、海上環(huán)境等與陸上油田有較大區(qū)別，采液、采油、注水強(qiáng)度更高，導(dǎo)致層間層內(nèi)非均質(zhì)性更加嚴(yán)重，出砂嚴(yán)重[5-7]。因此，亟需探索出一條適合于海上油田的簡單高效的控砂固砂技術(shù)，做到不動(dòng)防砂管柱的情況下進(jìn)行固砂，既能有效降低作業(yè)成本，又能使油水井保持高效生產(chǎn)[8]。

針對(duì)海上平臺(tái)作業(yè)特點(diǎn)，對(duì)于已經(jīng)采取了篩管防砂的油氣水井，應(yīng)用新型固砂劑材料，作為防砂體系中最后一個(gè)屏障，該材料對(duì)粉砂巖及泥質(zhì)含量高地層適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)地層溫度、礦化度、井筒、地面條件要求低，能夠?qū)崿F(xiàn)高強(qiáng)度的固砂要求，同時(shí)滿足固砂后最大限度地減小對(duì)產(chǎn)能的影響，解決了粉細(xì)砂巖等特殊井的防砂問題。

1 新型固砂劑防砂機(jī)理

新型固砂劑的主要成分為有機(jī)硅樹脂，有機(jī)硅樹脂是由以硅-氧鍵為主鏈的結(jié)構(gòu)組成的，在高溫下烷氧基水解為羥基，含有大量羥基的有機(jī)硅樹脂互相接觸后脫去1分子水，發(fā)生交聯(lián)，結(jié)合成相當(dāng)堅(jiān)固的網(wǎng)狀聚合物，形成硬性良好的不溶不熔產(chǎn)物[9-10]。砂粒表面也含有大量的羥基，這些羥基與有機(jī)硅樹脂的羥基結(jié)合，將砂子固結(jié)起來[11-12]。最后，砂子與樹脂表面形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將砂粘結(jié)起來，達(dá)到固砂的目的。有機(jī)硅對(duì)石英有特殊的敏感特性。化學(xué)防砂劑防砂機(jī)理如圖1所示。

圖1 化學(xué)防砂劑防砂機(jī)理

新型固砂劑固砂材料是一種獨(dú)特分子結(jié)構(gòu)和相對(duì)分子質(zhì)量分布較廣的高分子化學(xué)物，具有將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的理化效應(yīng)，通過分子之間的識(shí)別（對(duì)石英等結(jié)構(gòu)體具有特別的敏感性）和自組裝結(jié)構(gòu)過程，分子間形成立體的結(jié)構(gòu)，這種效應(yīng)使其對(duì)地層砂作用時(shí)能夠自動(dòng)進(jìn)行固砂。

2 性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

電子天平（感量0.001 g）、稱量瓶、恒溫水浴（恒溫精度1 ℃）、LDY-2巖心流動(dòng)儀、TSL-5000彈簧拉壓實(shí)驗(yàn)機(jī)、5號(hào)打孔膠皮基、金屬網(wǎng)、地層砂樣、不銹鋼巖心筒、樹脂原液、游標(biāo)卡尺。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

參照《化學(xué)防砂人工巖心抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及氣體滲透率的測定》（SY/T 5276—2000）現(xiàn)行化學(xué)防砂標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[13]。

2.3 新型固砂劑固砂性能室內(nèi)試驗(yàn)

將固砂劑A、B劑按1∶1配比，將模擬地層砂根據(jù)粒徑分組，用配好的固砂劑制成巖心，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測試固結(jié)砂體抗壓強(qiáng)度及其滲透率，結(jié)果如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，采用新型固砂劑固結(jié)的砂體具有較高的抗壓強(qiáng)度及滲透率，隨著組成砂體目數(shù)的增大，固結(jié)砂體的抗壓強(qiáng)度增大，滲透率隨之降低。新型固砂劑對(duì)細(xì)粉砂具有更好的固結(jié)效果。新型固砂劑固砂性能測試結(jié)果表如表1所示。

圖2 新型固砂劑固砂性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

表1 新型固砂劑固砂性能測試結(jié)果

對(duì)采用新型固砂劑的巖心進(jìn)行相滲透率實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，固砂后能保持較高的滲透性，新固砂材料的油相滲透率明顯高于水相滲透率。這是由于新型固砂材料可分散于水中，接觸地層砂時(shí)，分布于固砂劑中的水又可以自動(dòng)逸出，保證固結(jié)巖心的滲透率；基于固砂材料的潤濕性作用，進(jìn)一步提高了油相的相對(duì)滲透率。因此在采取固砂的措施后可以保持油藏巖石較高的滲透性。

2.4 溫度對(duì)固砂性能的影響

將由20～40目（0.425～0.850 mm）粒徑砂粒固結(jié)而成的巖心放入密閉容器內(nèi)，在不同溫度下恒溫放置24 h，考察其耐溫性能，結(jié)果見圖3。由圖3可知，固化強(qiáng)度隨著溫度升高而增大，當(dāng)溫度高于60 ℃時(shí)，固結(jié)體強(qiáng)度增長明顯。這說明固結(jié)體的耐溫性良好，且在溫度較高的地層具有更高的固結(jié)強(qiáng)度，適用于不同溫度地層的防砂。

圖3 溫度與固結(jié)巖芯抗壓強(qiáng)度關(guān)系

2.5 浸泡介質(zhì)對(duì)固砂性能的影響

將制備的巖心浸入到不同的介質(zhì)中，在60 ℃下恒溫放置一段時(shí)間后取出，通過測試浸泡前后的抗壓強(qiáng)度考察固結(jié)巖心的耐介質(zhì)性能，結(jié)果見表2。由表2可知，在5% NaOH溶液中浸泡后，環(huán)氧樹脂固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度明顯下降，說明高濃度的強(qiáng)堿對(duì)人工防砂層有弱化作用，應(yīng)盡量避免與其接觸；而在清水、酸、鹵水和柴油中浸泡后固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度較好且較為穩(wěn)定，說明該固結(jié)體具有一定的耐酸性且對(duì)油、水有較好的耐受性。

表2 浸泡介質(zhì)與固結(jié)巖芯抗壓強(qiáng)度關(guān)系

2.6 浸泡時(shí)間對(duì)固砂性能的影響

將制備的巖心浸入模擬地層水中，分別在50 ℃下恒溫浸泡不同時(shí)間，通過測試浸泡前后的抗壓強(qiáng)度考察浸泡時(shí)間對(duì)固結(jié)巖心性能的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 浸泡時(shí)間與固結(jié)巖芯抗壓強(qiáng)度關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該固砂材料具有較快的固結(jié)時(shí)間，24 h可實(shí)現(xiàn)固化效果。該固砂材料具有很好的持久性，50 ℃環(huán)境2年內(nèi)強(qiáng)度保留率＞94%。

3 化學(xué)防砂材料改進(jìn)

3.1 閃點(diǎn)改進(jìn)

圍繞化學(xué)防砂材料閃點(diǎn)低的問題進(jìn)行研究，將異丙醇、乙醇溶劑更換為可溶解的飽和二元醇（其中有新戊二醇和四氫呋喃聚乙二醇），并對(duì)其他成分進(jìn)行部分更換。經(jīng)反復(fù)多次的試驗(yàn)，研制成功了閃點(diǎn)更高的油井新型固砂劑。改進(jìn)后固砂材料在原有工作機(jī)理、性質(zhì)及性能的基礎(chǔ)上提高了藥品閃點(diǎn)，增加了材料運(yùn)輸及施工的安全性，為海上油田工作生產(chǎn)增加安全保障。

表3 浸泡介質(zhì)與固結(jié)巖芯抗壓強(qiáng)度關(guān)系

3.2 注水井防砂材料優(yōu)化

由于注水井的生產(chǎn)方式、出砂機(jī)理、生產(chǎn)壓差與油井的不同，與油井的固砂機(jī)理一樣的基礎(chǔ)上，對(duì)其配方進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)：加了一種交聯(lián)劑，含有一種強(qiáng)極性基團(tuán)能與砂礫表面形成氫鍵并產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸附作用，保證了高分子固砂材料從鏈-網(wǎng)結(jié)構(gòu)變成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將地層砂牢固地固結(jié)住。固砂劑在地層中能把地層砂形成了連續(xù)固結(jié)體，因?yàn)橐氲母叻肿咏宦?lián)劑固結(jié)后有很大的收縮特性，確保了在井壁附近形成具有較高強(qiáng)度和滲透性能的擋砂屏障，減少了對(duì)地層砂的破壞。這種防砂方法適應(yīng)于不同溫度出砂地層的固砂要求。

3.2.1 浸泡介質(zhì)影響評(píng)價(jià)

固結(jié)后的砂樣在不同的介質(zhì)中浸泡后的抗折強(qiáng)度如表4所示。由表4可以看出，強(qiáng)酸浸泡能對(duì)固砂后的砂樣有所影響；強(qiáng)堿浸泡能徹底破壞固結(jié)砂樣的強(qiáng)度；鹵水浸泡可使固結(jié)砂樣的強(qiáng)度略有升高；清水、原油、柴油浸泡后不影響固結(jié)砂樣的強(qiáng)度。

表4 浸泡介質(zhì)與固結(jié)巖芯抗壓強(qiáng)度關(guān)系

3.2.2 溫度影響評(píng)價(jià)

在不同的溫度下固結(jié)2天，采用典型配比的防砂液固結(jié)的砂樣的抗折強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 溫度與固結(jié)巖芯抗壓強(qiáng)度關(guān)系

當(dāng)溫度為40～70 ℃時(shí)，固結(jié)2天后的砂樣有較高的強(qiáng)度，70～90 ℃強(qiáng)度反而有所降低。

3.2.3 浸泡時(shí)間影響評(píng)價(jià)

A、B劑按1∶1配比，固結(jié)溫度為60 ℃，經(jīng)不同的固結(jié)時(shí)間，砂樣的抗折強(qiáng)度與浸泡時(shí)間關(guān)系如圖6所示。由圖6可以看出，固結(jié)1天后，抗折強(qiáng)度便能達(dá)到較高的值。此后，隨著固結(jié)時(shí)間的延長，強(qiáng)度逐漸增大，30天后開始緩慢減小，但700天后仍能保持較高的強(qiáng)度。

圖6 浸泡時(shí)間與固結(jié)巖芯抗壓強(qiáng)度關(guān)系

4 現(xiàn)場應(yīng)用

部分生產(chǎn)井化防效果統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示，部分注水井化防效果統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。

表5 部分生產(chǎn)井化防效果統(tǒng)計(jì)表

表6 部分注水井化防效果統(tǒng)計(jì)表

SZ-A井化驗(yàn)結(jié)果中砂樣粒徑大于125 μm的占比58.39%，該井篩管篩縫尺寸為120 μm，砂樣分析顯示該井篩管防砂失效。

2020年4月3 日至2020年4月21日進(jìn)行井筒完整性改造作業(yè)，采用新型固砂劑化學(xué)固砂。化防后產(chǎn)液增加6 m3，產(chǎn)油增加20 m3，產(chǎn)氣增加500 m3，防砂效果顯著，產(chǎn)量明顯上升，截至2020年11月單井計(jì)量數(shù)據(jù)顯示，該井生產(chǎn)平穩(wěn)，化學(xué)防砂持續(xù)有效。

新型化學(xué)固砂工藝目前在海上應(yīng)用15井次，其中實(shí)施油井防砂10井次，水井防砂5井次，防砂有效率100%。選取化學(xué)防砂技術(shù)應(yīng)用井測量當(dāng)前含砂量小于0.03%，出砂得到顯著控制。油井產(chǎn)量得到有效恢復(fù)，但略低于出砂前產(chǎn)量，可以滿足生產(chǎn)要求，注水井油壓降低，注水量得到恢復(fù)。截至2020年12日應(yīng)用各井防砂持續(xù)有效，技術(shù)累計(jì)增產(chǎn)原油1.5×106m3，累計(jì)注水增量1.6×106m3。

5 結(jié) 論

1）新型有機(jī)硅樹脂固砂劑具有較高的固結(jié)強(qiáng)度及滲透率，對(duì)粉細(xì)砂有較好的適應(yīng)性；固砂劑具有良好的耐溫性，可適用于熱采井防砂；固砂劑具有一定耐酸性且對(duì)油、水有較好的耐受性，持久性良好。

2）優(yōu)化改進(jìn)材料提高了固砂劑的閃點(diǎn)；改進(jìn)得到適用于注水井生產(chǎn)特點(diǎn)的新型有機(jī)硅樹脂固砂劑。

3）新型有機(jī)硅樹脂固砂劑在渤海油田多井次得到了成功應(yīng)用，防砂效果良好，具有一定的推廣價(jià)值。