新疆陸梁油田疏松砂巖化學固砂體系研究

馬超，趙林 （長江大學石油工程學院；油氣鉆采工程湖北省重點實驗室，湖北 武漢430100）

劉從平 （中石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依834000）

新疆陸梁油田六中區(qū)克下組油藏埋于古生界地層之上，埋藏深度350～850m，是典型的礫巖油藏，地層出砂主要是因為油藏埋深淺、壓實程度低、以泥質(zhì)膠結(jié)為主。而且該油藏是多油層組，砂礫巖層中的膠結(jié)物以泥質(zhì)成分為主，體積分數(shù)5%～20%不等，屬于弱、松散膠結(jié)。該油藏因出砂而產(chǎn)量受到影響的井有179口，占總井數(shù)的73%。主要原因是長期注水沖刷后，膠結(jié)物中的黏土被沖走或沖散，砂粒失去膠結(jié)，僅靠圍巖壓力和相互摩擦力難以限制砂粒運移，出砂傾向加大。其次由于原油黏度大，平均原油黏度1489．7mPa·s（20℃），在生產(chǎn)過程中，流體滲流對油層巖石產(chǎn)生沖刷力和對顆粒的拖拽力使油層出砂。再次，為滿足生產(chǎn)，增大采液量使得孔隙內(nèi)的滲流速度增大，從而使得對砂粒的拖拽力增大而導致砂粒運移。

化學防砂與機械防砂相比，具有施工簡單、成本低、井筒清潔、后續(xù)修井作業(yè)費低等優(yōu)點，特別是對于細小的出砂，效果良好?；瘜W防砂已經(jīng)成功應(yīng)用于國內(nèi)很多油田，并取得了很好的效果，使得油井產(chǎn)量得到較大的提高［1～5］。筆者根據(jù)油田儲層特點研制油井化學固砂劑并對固化體性能進行評價。

1 試驗部分

1．1 材料與儀器

主要材料：骨架砂 （過40～100目篩），來自陸梁油田出砂井；膠結(jié)劑：工業(yè)品，油溶性雙酚A型環(huán)氧樹脂，北京航通舟科技有限公司；固化劑：多元胺，工業(yè)品，上海安凱化工科技有限公司；偶聯(lián)劑：γ－氨丙基三乙氧基硅烷 （NH2CH2CH2CH2Si（OC2H5）3），上海安凱化工科技有限公司；其他試劑或材料：苯酚、氫氧化鈉、鹽酸、氯化鈉、氯化鈣等化學試劑 （CP）；煤油；玻璃管 （規(guī)格為濫25mm× （30～100）cm。

主要儀器：壓力試驗機，濟南中路昌試驗機制造有限公司；JHR巖心流動實驗儀，海安石油儀器石油科研有限公司；STY－2型氣體滲透率儀，海天石油科研儀器有限公司。

1．2 固化體的制備方法

取一定量的環(huán)氧樹脂、固化劑和偶聯(lián)劑混合均勻，制成樹脂膠液；將樹脂膠液與石英砂充分混合均勻，制成預膠結(jié)砂；將制成的預膠結(jié)砂填入一端用橡皮塞塞緊的規(guī)格為濫2．5cm×30cm的玻璃管中（帶孔膠塞上墊一網(wǎng)布），振動搖勻壓實至砂面恒平，然后置于烘箱中，于60℃條件下養(yǎng)護24h。從烘箱中取出，冷卻至室溫，然后除去玻璃管，用巖心切割機將固化體切成規(guī)格為長度 （2．50±0．10）cm，測試固化體抗壓強度和滲透率。

1．3 試驗方法

抗壓強度的測定和滲透率測試采用文獻 ［6］的方法。

1）抗老化試驗 在一定溫度條件下，將制備好的固化體浸入到清水中，置于60℃恒溫水浴中浸泡，每隔一定時間將部分巖心取出烘干后測量其抗壓強度。

2）抗溫性能試驗 將制備好的固化體分別置于不同溫度條件下的恒溫箱中，放置24h后取出，冷卻后測量其抗壓強度。

3）耐介質(zhì)性能試驗 在一定溫度條件下，將制備好的固化巖心浸入到不同介質(zhì)溶液中，在密閉的條件下，恒溫放置一段時間后，將固化體取出烘干并測量其抗壓強度。

2 結(jié)果與討論

2．1 防砂劑體系配方研究

從樹脂用量、固化劑用量、偶聯(lián)劑用量等方面對固砂劑配方進行研究，考察各種材料用量對固化體抗壓強度及滲透率的影響，從而優(yōu)選出適合實際需求的用量。

2．1．1 樹脂用量

以砂粒的質(zhì)量為標準 （100），按照固化體的制備方法，固定固化劑質(zhì)量分數(shù)為0．6%、偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)為0．3%，分別加入質(zhì)量分數(shù)為1%～6%的樹脂液，在60℃的烘箱中養(yǎng)護24h后制備出固結(jié)巖心，并測量其抗壓強度及滲透率。

根據(jù)油田實際工程需要，考慮到雙酚A型環(huán)氧樹脂與其他環(huán)氧樹脂相比，其原料易得，成本較低，而且具有黏結(jié)性強、機械強度高、耐溫性好、穩(wěn)定性好及固化收縮率小等特點，因此，選擇雙酚A型環(huán)氧樹脂。

雙酚A型環(huán)氧樹脂單元中兩個末端的環(huán)氧基由于三元環(huán)的變形能力和電荷的極化使得其有較強的化學活性，雙酚A的骨架使樹脂具有較強的強度和耐熱性，亞甲基使得樹脂具有較好的柔軟性，醚鍵賦予其化學穩(wěn)定性，羥基賦予樹脂反應(yīng)性和黏結(jié)性。

從圖1可以看出，隨著樹脂用量的增加，固化體的抗壓強度增大，但是隨著樹脂用量的增加，固化體的滲透率卻下降了。綜合考慮經(jīng)濟性、抗壓強度及滲透率，選擇樹脂用量為5%較合適。

2．1．2 固化劑用量

確定樹脂質(zhì)量分數(shù)為5%，偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)為0．3%，當固化劑質(zhì)量分數(shù)在0．2%～1．2%范圍內(nèi)變化時，測量固化巖心的抗壓強度及滲透率。

從圖2可見，固化體抗壓強度隨固化劑質(zhì)量分數(shù)的增加呈先增大后減小的趨勢，這主要是由于當固化劑質(zhì)量分數(shù)過少時，樹脂固化不完全，使其抗壓強度較低，而當固化劑質(zhì)量分數(shù)過多時，不僅提高了防砂成本，而且固化體的抗壓強度還有所下降；固化體滲透率為先減小后增大，但總體變化幅度不大，滲透性能較好。綜合考慮，固化劑質(zhì)量分數(shù)為0．6%左右。

2．1．3 偶聯(lián)劑用量

固定樹脂質(zhì)量分數(shù)為5%，固化劑質(zhì)量分數(shù)為0．6%，偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)在0．1% ～0．6%之間變化，測量固結(jié)巖心的抗壓強度及滲透率，結(jié)果見圖3。從圖3可見，隨著偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)的增加，巖心的抗壓強度是逐漸增加的，當質(zhì)量分數(shù)為0．3%時強度最大，之后強度略有下降；隨著偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)的增加，樹脂的膠結(jié)強度增大，故而滲透率隨著偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)的增加是有所降低的。綜合兩方面考慮，偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)為0．3%左右。

圖1 樹脂質(zhì)量分數(shù)對抗壓強度及滲透率的影響

圖2 固化劑質(zhì)量分數(shù)對抗壓強度及滲透率的影響

2．2 固化體制備的關(guān)鍵因素研究

2．2．1 固化時間

確定樹脂質(zhì)量分數(shù)為5%，固化劑質(zhì)量分數(shù)為0．6%，偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)為0．3%，在烘箱中于60℃條件下固化不同的時間，測量固結(jié)巖心的抗壓強度及滲透率的變化，結(jié)果見圖4。從圖4中可見，固化體的抗壓強度隨著固化時間的延長而增大，在24h左右強度已經(jīng)較大，由于現(xiàn)場施工的需求，固化時間不宜過長，而且在該固化時間下的滲透性也較好，因此選擇固化時間為24h。

圖3 偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)對抗壓強度及滲透率影響

圖4 固化時間對抗壓強度及滲透率影響

2．2．2 固化溫度

溫度對樹脂的固化有很大的影響，不同溫度條件下樹脂的固化時間及抗壓強度是有較大差異的。在不同溫度下測量樹脂的固化時間及抗壓強度，結(jié)果見圖5。從圖5可見，隨著固化溫度的升高，樹脂的固化時間明顯縮短，說明升溫可以加速樹脂的固化速度。由于溫度的升高，樹脂固化速度加快，故其抗壓強度顯然是逐漸增大的。綜合考慮抗壓強度及滲透率，選擇固化溫度為60℃。

2．2．3 砂粒粒徑

在不同砂粒粒徑條件 （0．4～0．6mm、0．6～0．8mm、0．8～1．0mm、1．0～1．2mm）下，分別按照固結(jié)巖心的制備方法在烘箱中于60℃恒溫養(yǎng)護24h得到固結(jié)巖心，分別測量在不同粒徑條件下巖心的抗壓強度及滲透率，結(jié)果見圖6。從圖6可見中，隨著巖心砂粒粒徑從0．4～0．6mm逐漸增大到1．0～1．2mm，巖心的抗壓強度是逐漸減小的，由于粒徑增大，巖心的孔隙變大，從而使巖心抗壓強度降低；而隨著巖心砂粒粒徑從0．4～0．6mm逐漸增大到1．0～1．2mm，巖心的滲透率是有明顯增加的。

圖5 固化溫度對抗壓強度及固化時間的影響

圖6 不同砂粒粒徑范圍對抗壓強度及滲透率的影響

2．3 固化體性能評價

2．3．1 抗老化性能

對于化學固砂劑而言，為了保持其擁有較長的有效期，則需要所使用的固砂劑在高溫、高濕的地層環(huán)境下能夠長時間地保持較好的強度及滲透率，也就是說固砂劑需要有較好的抗老化性能［7］。將固砂劑于60℃恒溫烘箱中固化反應(yīng)24h后得到的巖心置于清水中，放入60℃恒溫水浴中進行老化試驗，每隔5d取出部分巖心測量其抗壓強度和滲透率，結(jié)果見圖7。從圖7中可見，固化體抗壓強度隨著老化時間的延長有所下降，而滲透率呈先增大后減小的趨勢。在0～10d的時間里，固化體的抗壓強度和滲透率變化較快，10d之后，抗壓強度及滲透率基本保持不變，且保持得仍較好，說明固化體具有較強的抗老化性能。

2．3．2 抗溫性能

將制備好的固化巖心放入恒溫箱中，在不同的溫度條件下恒溫放置24h后測量其抗壓強度，從而考察固化體的耐溫性能，結(jié)果見圖8。從圖8中可見，隨著外界溫度的升高，固化體的抗壓強度逐漸增大，當溫度升高到一定的時候，固化體強度開始下降，當溫度為200℃時，抗壓強度仍有7．5MPa，說明固化體具有較大范圍的耐溫性，可適用于不同溫度的地層。

圖7 老化時間對固化體抗壓強度及滲透率的影響

圖8 溫度對固化體抗壓強度的影響

2．3．3 耐介質(zhì)性能

將在樹脂質(zhì)量分數(shù)5%、固化劑質(zhì)量分數(shù)0．6%、偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)0．3%下制備的固化巖心浸入到不同的介質(zhì)中，如自來水、模擬地層水、1%HCl、5%HCl、1%NaOH、5%NaOH、飽和NaCl溶液，在室溫分別浸泡4d和8d后取出來烘干，測量巖心的抗壓強度及滲透率，結(jié)果見表1。從表1中可見，清水、地層水、低濃度的酸和堿都使得巖心的抗壓強度有所下降，但下降幅度不大，但同時滲透率卻有所提高。高濃度的酸對抗壓強度影響不大，但高濃度的堿對抗壓強度影響較大，說明其對化學固砂體系所形成的人工砂層有弱化作用，防砂的時候應(yīng)盡量避免與該類介質(zhì)接觸。但總體來說，該種固化體的耐介質(zhì)性能良好。

表1 不同介質(zhì)下巖心的抗壓強度及滲透率測量結(jié)果

3 結(jié) 論

1）確定了防砂劑的基本配方，即：以石英砂質(zhì)量為標準 （100），樹脂質(zhì)量分數(shù)5%、固化劑質(zhì)量分數(shù)0．6%、偶聯(lián)劑質(zhì)量分數(shù)0．3%，并研究了固化時間與固化溫度的變化對固化體抗壓強度及滲透率的影響，不同砂粒粒徑對固化體抗壓強度及滲透率的影響。

2）固化體耐介質(zhì)性能較好，在清水、地層水及弱酸弱堿中都保持較好的抗壓強度及滲透率，但是高濃度堿對其抗壓強度有較大的削弱，在防砂中應(yīng)引起注意，盡量避免接觸。

3）固化體有較好的抗老化性能，在一定溫度的水中30d內(nèi)保持了良好的抗壓強度和滲透率。

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