高成元 王 慧 刁俊西 梁國(guó)杰 陳艷萍

(中國(guó)石化勝利油田分公司)

孤島油田地層膠結(jié)疏松,生產(chǎn)過(guò)程中出砂嚴(yán)重。為了滿足正常生產(chǎn)的需要,針對(duì)不同的地層特性,開(kāi)發(fā)應(yīng)用了多種防砂工藝,形成了一系列成熟的防砂技術(shù),其中熱采井防砂基本上都是采用注汽前覆膜砂防砂、注汽后下割縫管環(huán)填的復(fù)合防砂工藝。每年防砂150井次以上,是孤島油田熱采單元重要的防砂工藝。覆膜砂是將可固結(jié)樹(shù)脂預(yù)包在石英砂表面,并使其干燥而形成互不粘連的樹(shù)脂預(yù)包砂,應(yīng)用時(shí)用攜砂液將其帶入出砂油層,在地層溫度及壓力下固結(jié)成具有一定強(qiáng)度的可滲濾人工井壁,從而防止油層出砂[1-2]。覆膜砂防砂工藝施工簡(jiǎn)單方便,可單獨(dú)應(yīng)用,也可以與濾砂管和金屬篩管配合應(yīng)用,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中可以取得非常好的效果,但也暴露出占井時(shí)間長(zhǎng)(72 h以上),進(jìn)而影響油田生產(chǎn)時(shí)率的問(wèn)題。因此,開(kāi)展了覆膜砂快固劑室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究,并在孤島油田10余口井進(jìn)行了成功應(yīng)用,取得了良好效果。

1 實(shí)驗(yàn)條件、儀器和方法

(1)實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)溫度:70℃;實(shí)驗(yàn)用水:孤島油田地層水,礦化度6500 mg/L;實(shí)驗(yàn)用砂:覆膜砂。

(2)實(shí)驗(yàn)儀器

抗折試驗(yàn)儀,氣測(cè)滲透率測(cè)試裝置,恒溫水浴,玻璃管等。

(3)實(shí)驗(yàn)方法

①配方確定:室內(nèi)采用正交實(shí)驗(yàn),以抗折強(qiáng)度和巖心滲透率作為優(yōu)先條件,對(duì)快固劑中的軟化劑、增強(qiáng)劑及調(diào)節(jié)劑的用量進(jìn)行正交優(yōu)化,得到各種助劑的用量范圍,確定最佳的快固劑配方。

②抗折強(qiáng)度測(cè)定:先將設(shè)定量的覆膜砂裝入玻璃管,加入快固劑溶液和油田污水,并在振動(dòng)的情況下夯實(shí);再放入60℃的玻璃鋼恒溫水浴恒溫24 h,期間觀察固化狀態(tài),24 h后測(cè)抗折強(qiáng)度。

③滲透率測(cè)定:將固化后的巖心裝入氣測(cè)滲透率裝置,依據(jù)達(dá)西定律測(cè)定巖心滲透率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由覆膜砂的反應(yīng)機(jī)理可知,覆膜砂固結(jié)過(guò)程要經(jīng)過(guò)樹(shù)脂軟化、固化劑分解、樹(shù)脂聚合反應(yīng)等步驟。由于樹(shù)脂軟化是高分子樹(shù)脂聚合物從網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)向線型結(jié)構(gòu)過(guò)渡的過(guò)程,需要加入含羥基和酸的軟化劑,而繼續(xù)固化的過(guò)程就是高分子樹(shù)脂聚合物從線型過(guò)渡態(tài)結(jié)構(gòu)形成新的更穩(wěn)定的網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu),需要加入含醛基的固化劑,因此要提高固結(jié)速度和縮短反應(yīng)時(shí)間,就必須要合理優(yōu)選配方助劑,包括樹(shù)脂軟化劑、增強(qiáng)劑與調(diào)節(jié)劑,并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展配方確定及性能評(píng)價(jià)等研究。

2.1 配方助劑優(yōu)選

(1)樹(shù)脂軟化劑

樹(shù)脂軟化劑應(yīng)能與樹(shù)脂互溶,但不會(huì)改變樹(shù)脂的性質(zhì),這類(lèi)化學(xué)劑主要有醇、酮等有機(jī)溶劑。室內(nèi)初步選擇 C7H16、C2H5OH、C3H7OH、C3H6O、C4H8O等5種溶劑,將大小形狀相同的酚醛樹(shù)脂塊放入不同溶劑中浸泡,測(cè)定不同溶劑中樹(shù)脂軟化的時(shí)間,其結(jié)果見(jiàn)表 1。從表 1可以看出,C2H5OH和C3H6O這兩種軟化劑對(duì)酚醛樹(shù)脂軟化速度較快,但C3H6O的市場(chǎng)價(jià)格較高,所以確定選用C2H5OH。

表1 不同溶劑中樹(shù)脂軟化的時(shí)間

(2)增強(qiáng)劑

經(jīng)過(guò)查閱大量文獻(xiàn),初步選定幾種酚醛樹(shù)脂覆膜砂增強(qiáng)劑,主要包括 C6H5NH2、C5H10O、C6H12N4、C2H8N2、C6H15O3N以及C2H7NO等。

將覆膜砂與增強(qiáng)劑按100∶5質(zhì)量比例混合均勻,然后在60℃下固化24 h,兩端除糙磨平后測(cè)定其相關(guān)指標(biāo),結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出,增強(qiáng)劑C2H8N2和 C2H7NO的增強(qiáng)效果較好,其固結(jié)體的抗折強(qiáng)度均超過(guò)了1.9 M Pa,水相滲透率也均大于30μm2,具有較高的強(qiáng)度和較好的滲透性?？紤]到成本及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)方便,最終選用C2H8N2增強(qiáng)劑。

表2 不同增強(qiáng)劑對(duì)固結(jié)體性能的影響

(3)調(diào)節(jié)劑

調(diào)節(jié)劑主要用來(lái)改變反應(yīng)環(huán)境酸堿度,從而改變固化反應(yīng)的速度,主要以無(wú)機(jī)酸和有機(jī)酸為主。室內(nèi)初步選擇C2H4O2、HCl、H2SO4等3種酸配制成質(zhì)量濃度為50 mg/L溶液作為涂敷砂反應(yīng)的介質(zhì),在60℃下反應(yīng)24 h,測(cè)定固結(jié)體的抗折強(qiáng)度,其結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出,調(diào)節(jié)劑 H2SO4效果較好,因此確定選用 H2SO4。

表3 調(diào)節(jié)劑對(duì)固結(jié)體性能的影響

2.2 配方確定

根據(jù)優(yōu)選的樹(shù)脂軟化劑、增強(qiáng)劑與調(diào)節(jié)劑,應(yīng)用正交原理,以固結(jié)巖心的抗折強(qiáng)度和氣相滲透率為依據(jù),進(jìn)行不同配比的正交實(shí)驗(yàn),表4所示為效果較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)對(duì)比分析,軟化劑、增強(qiáng)劑、調(diào)節(jié)劑質(zhì)量比為1∶3∶6時(shí)效果最好。

表4 效果較好的軟化劑、增強(qiáng)劑與調(diào)節(jié)劑優(yōu)化配比正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.3 緩蝕劑及使用濃度優(yōu)選

由于快固劑中使用酸液作為調(diào)節(jié)劑來(lái)改變涂敷反應(yīng)環(huán)境,從而加快固化反應(yīng)速度,這將使油層套管(孤島油田為N80鋼)、防砂管柱和施工設(shè)備發(fā)生一定程度的腐蝕,為此進(jìn)行了緩蝕劑優(yōu)選及使用濃度優(yōu)化實(shí)驗(yàn),其結(jié)果見(jiàn)表5。經(jīng)對(duì)比分析,未加入緩蝕劑的N80鋼腐蝕速度為53.6675 mm/a,加入質(zhì)量濃度為10 m g/L優(yōu)選烷基咪唑啉季銨鹽 ET型緩蝕劑后N80鋼腐蝕速度為3.81 mm/a,緩蝕率達(dá)到92.90%;繼續(xù)提高緩蝕劑質(zhì)量分?jǐn)?shù),N 80鋼緩蝕率上升緩慢。因此,確定緩蝕劑使用質(zhì)量濃度為10 mg/L可滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

表5 不同緩蝕劑對(duì) N80鋼的緩蝕效果

另外,為了評(píng)價(jià)加入緩蝕劑對(duì)快固劑性能的影響,進(jìn)行了不同固化時(shí)間的抗折對(duì)比實(shí)驗(yàn)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表6)可以看出,快固劑加入緩蝕劑后覆膜砂抗折強(qiáng)度稍有提高,這主要是因?yàn)橥榛溥蜻句@鹽 ET緩蝕劑含有部分增強(qiáng)樹(shù)脂固化的組分。

表6 加入緩蝕劑后固結(jié)體抗折強(qiáng)度隨時(shí)間的變化

2.4 固結(jié)體性能評(píng)價(jià)

(1)固化溫度對(duì)固結(jié)體性能的影響

一般來(lái)說(shuō),溫度越高,固結(jié)體的抗壓抗折強(qiáng)度越高,滲透率越小[3]。固化溫度對(duì)固結(jié)體抗折強(qiáng)度的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由表7可以看出,固化溫度對(duì)固結(jié)體的強(qiáng)度影響較大,隨著固化溫度的升高,固結(jié)體的抗折強(qiáng)度大幅度提高;當(dāng)固化溫度在60℃時(shí),固結(jié)體的抗折強(qiáng)度可達(dá)3 M Pa以上,可滿足油井防砂的強(qiáng)度需要。

表7 固化溫度對(duì)固結(jié)體性能的影響

(2)固結(jié)時(shí)間對(duì)固結(jié)體性能的影響

固結(jié)時(shí)間對(duì)固結(jié)體性能的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。由表8可以看出,隨著固化時(shí)間延長(zhǎng),固結(jié)體強(qiáng)度不斷上升。在60℃下恒溫水浴24 h,固結(jié)體抗折強(qiáng)度即可達(dá)3 M Pa以上(與未加入快固劑的覆膜砂相比,固化時(shí)間整整縮短了48 h),完全可以滿足現(xiàn)場(chǎng)油井防砂的需要。

表8 固化時(shí)間對(duì)固結(jié)體性能的影響

(3)固結(jié)體的耐介質(zhì)性

在室溫和60℃下將固結(jié)體浸入到不同的介質(zhì)中,在密閉的條件下恒溫放置10、20、30天,取出測(cè)定浸泡后的抗折強(qiáng)度。結(jié)果表明,固結(jié)體耐酸而不耐堿,在堿中浸泡后發(fā)生松散(主要是因?yàn)楦材ど吧系臉?shù)脂耐堿性差),在酸中抗折強(qiáng)度稍有降低,在煤油和污水中抗折強(qiáng)度變化不大。所以,若需要解堵,可加入堿溶液溶解。

(4)固結(jié)體的耐高溫性

將低溫固化好的人造巖心放入模擬注汽井溫度、壓力條件的高溫高壓釜中,實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水蒸汽,高溫實(shí)驗(yàn)3天,取出后在常溫下測(cè)定其抗折強(qiáng)度,結(jié)果見(jiàn)表9。由表9可以看出,在高溫條件下,固結(jié)體的抗折強(qiáng)度隨溫度的上升而下降,在320℃條件下其抗折強(qiáng)度為1.64 M Pa,可以滿足油井防砂需要。

表9 高溫條件下固結(jié)體強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將本文研制的快固劑和優(yōu)選的緩蝕劑在孤島油田覆膜砂防砂作業(yè)12口井中進(jìn)行了應(yīng)用。防砂施工后候凝1天后鉆塞沖砂作業(yè)正常,未發(fā)現(xiàn)吐砂現(xiàn)象。鉆塞作業(yè)時(shí)間平均4.5 h/10 m,比未加快固劑時(shí)(候凝72 h鉆塞時(shí)間為4.0 h/10 m)增加了0.5 h/10 m,說(shuō)明添加快固劑后固結(jié)強(qiáng)度有所提高;作業(yè)占井時(shí)間縮短3天以上,同期對(duì)比日產(chǎn)液、日產(chǎn)油稍有增加,應(yīng)用取得了較好的效果(表10)。

表10 作業(yè)施工油井效果統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

(1)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明,經(jīng)過(guò)優(yōu)化的快固劑配方及緩蝕劑加量處理的覆膜砂標(biāo)準(zhǔn)巖心在油層溫度為60℃時(shí)固化24 h,其抗折強(qiáng)度大于3.0 M Pa,而在320℃條件下其抗折強(qiáng)度達(dá)到1.6 M Pa以上,符合生產(chǎn)要求。

(2)孤島油田12口井覆膜砂防砂作業(yè)效果表明,覆膜砂快固劑可平均縮短油井防砂占井時(shí)間3天以上,有效提高油井生產(chǎn)時(shí)率。

[1] 小喬治O蘇曼.防砂手冊(cè)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1988:42-44.

[2] 曾祥林,孫福街,王星,等.渤海稠油油藏簡(jiǎn)易防砂條件下出砂規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)海上油氣,2004,16(6):387-389.

[3] HOWARD PR,JAM ESSG,MILTON-TA YLERD.High-permeability channels in proppant packs containing random fibers[C].SPE 57392.