覆膜砂快固劑實驗研究與應用

高成元 王 慧 刁俊西 梁國杰 陳艷萍

(中國石化勝利油田分公司)

孤島油田地層膠結(jié)疏松,生產(chǎn)過程中出砂嚴重。為了滿足正常生產(chǎn)的需要,針對不同的地層特性,開發(fā)應用了多種防砂工藝,形成了一系列成熟的防砂技術,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)樹脂預包在石英砂表面,并使其干燥而形成互不粘連的樹脂預包砂,應用時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單方便,可單獨應用,也可以與濾砂管和金屬篩管配合應用,現(xiàn)場應用中可以取得非常好的效果,但也暴露出占井時間長(72 h以上),進而影響油田生產(chǎn)時率的問題。因此,開展了覆膜砂快固劑室內(nèi)實驗研究,并在孤島油田10余口井進行了成功應用,取得了良好效果。

1 實驗條件、儀器和方法

(1)實驗條件

實驗溫度:70℃;實驗用水:孤島油田地層水,礦化度6500 mg/L;實驗用砂:覆膜砂。

(2)實驗儀器

抗折試驗儀,氣測滲透率測試裝置,恒溫水浴,玻璃管等。

(3)實驗方法

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

②抗折強度測定:先將設定量的覆膜砂裝入玻璃管,加入快固劑溶液和油田污水,并在振動的情況下夯實;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后測抗折強度。

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

2 實驗結(jié)果及分析

由覆膜砂的反應機理可知,覆膜砂固結(jié)過程要經(jīng)過樹脂軟化、固化劑分解、樹脂聚合反應等步驟。由于樹脂軟化是高分子樹脂聚合物從網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)向線型結(jié)構(gòu)過渡的過程,需要加入含羥基和酸的軟化劑,而繼續(xù)固化的過程就是高分子樹脂聚合物從線型過渡態(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)速度和縮短反應時間,就必須要合理優(yōu)選配方助劑,包括樹脂軟化劑、增強劑與調(diào)節(jié)劑,并在此基礎上開展配方確定及性能評價等研究。

2.1 配方助劑優(yōu)選

(1)樹脂軟化劑

樹脂軟化劑應能與樹脂互溶,但不會改變樹脂的性質(zhì),這類化學劑主要有醇、酮等有機溶劑。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脂塊放入不同溶劑中浸泡,測定不同溶劑中樹脂軟化的時間,其結(jié)果見表 1。從表 1可以看出,C2H5OH和C3H6O這兩種軟化劑對酚醛樹脂軟化速度較快,但C3H6O的市場價格較高,所以確定選用C2H5OH。

表1 不同溶劑中樹脂軟化的時間

(2)增強劑

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

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

表2 不同增強劑對固結(jié)體性能的影響

(3)調(diào)節(jié)劑

調(diào)節(jié)劑主要用來改變反應環(huán)境酸堿度,從而改變固化反應的速度,主要以無機酸和有機酸為主。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的介質(zhì),在60℃下反應24 h,測定固結(jié)體的抗折強度,其結(jié)果見表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)劑對固結(jié)體性能的影響

2.2 配方確定

根據(jù)優(yōu)選的樹脂軟化劑、增強劑與調(diào)節(jié)劑,應用正交原理,以固結(jié)巖心的抗折強度和氣相滲透率為依據(jù),進行不同配比的正交實驗,表4所示為效果較好的實驗結(jié)果。經(jīng)對比分析,軟化劑、增強劑、調(diào)節(jié)劑質(zhì)量比為1∶3∶6時效果最好。

表4 效果較好的軟化劑、增強劑與調(diào)節(jié)劑優(yōu)化配比正交實驗結(jié)果統(tǒng)計表

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)劑來改變涂敷反應環(huán)境,從而加快固化反應速度,這將使油層套管(孤島油田為N80鋼)、防砂管柱和施工設備發(fā)生一定程度的腐蝕,為此進行了緩蝕劑優(yōu)選及使用濃度優(yōu)化實驗,其結(jié)果見表5。經(jīng)對比分析,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,緩蝕率達到92.90%;繼續(xù)提高緩蝕劑質(zhì)量分數(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)場需求。

表5 不同緩蝕劑對 N80鋼的緩蝕效果

另外,為了評價加入緩蝕劑對快固劑性能的影響,進行了不同固化時間的抗折對比實驗。由實驗結(jié)果(表6)可以看出,快固劑加入緩蝕劑后覆膜砂抗折強度稍有提高,這主要是因為烷基咪唑啉季銨鹽 ET緩蝕劑含有部分增強樹脂固化的組分。

表6 加入緩蝕劑后固結(jié)體抗折強度隨時間的變化

2.4 固結(jié)體性能評價

(1)固化溫度對固結(jié)體性能的影響

一般來說,溫度越高,固結(jié)體的抗壓抗折強度越高,滲透率越小[3]。固化溫度對固結(jié)體抗折強度的影響實驗結(jié)果見表7。由表7可以看出,固化溫度對固結(jié)體的強度影響較大,隨著固化溫度的升高,固結(jié)體的抗折強度大幅度提高;當固化溫度在60℃時,固結(jié)體的抗折強度可達3 M Pa以上,可滿足油井防砂的強度需要。

表7 固化溫度對固結(jié)體性能的影響

(2)固結(jié)時間對固結(jié)體性能的影響

固結(jié)時間對固結(jié)體性能的影響實驗結(jié)果見表8。由表8可以看出,隨著固化時間延長,固結(jié)體強度不斷上升。在60℃下恒溫水浴24 h,固結(jié)體抗折強度即可達3 M Pa以上(與未加入快固劑的覆膜砂相比,固化時間整整縮短了48 h),完全可以滿足現(xiàn)場油井防砂的需要。

表8 固化時間對固結(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,取出測定浸泡后的抗折強度。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(主要是因為覆膜砂上的樹脂耐堿性差),在酸中抗折強度稍有降低,在煤油和污水中抗折強度變化不大。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,實驗介質(zhì)為水蒸汽,高溫實驗3天,取出后在常溫下測定其抗折強度,結(jié)果見表9。由表9可以看出,在高溫條件下,固結(jié)體的抗折強度隨溫度的上升而下降,在320℃條件下其抗折強度為1.64 M Pa,可以滿足油井防砂需要。

表9 高溫條件下固結(jié)體強度實驗結(jié)果

3 現(xiàn)場應用

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口井中進行了應用。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)時間平均4.5 h/10 m,比未加快固劑時(候凝72 h鉆塞時間為4.0 h/10 m)增加了0.5 h/10 m,說明添加快固劑后固結(jié)強度有所提高;作業(yè)占井時間縮短3天以上,同期對比日產(chǎn)液、日產(chǎn)油稍有增加,應用取得了較好的效果(表10)。

表10 作業(yè)施工油井效果統(tǒng)計表

4 結(jié)論

(1)室內(nèi)實驗表明,經(jīng)過優(yōu)化的快固劑配方及緩蝕劑加量處理的覆膜砂標準巖心在油層溫度為60℃時固化24 h,其抗折強度大于3.0 M Pa,而在320℃條件下其抗折強度達到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間3天以上,有效提高油井生產(chǎn)時率。

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

[2] 曾祥林,孫福街,王星,等.渤海稠油油藏簡易防砂條件下出砂規(guī)律模擬實驗研究[J].中國海上油氣,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.