水平井泡沫固砂體系研究

劉 廣 友

（中石化勝利油田分公司孤東采油廠，山東東營 257237）

水平井泡沫固砂體系研究

劉 廣 友

（中石化勝利油田分公司孤東采油廠，山東東營 257237）

通過單因素法，研制出低密度、穩(wěn)定性好、流變性好的水平井用化學(xué)固砂體系，配方為：0.4%AOS+3%固相微粒泡沫穩(wěn)泡劑+8%固化劑+0.3%偶聯(lián)劑+60%環(huán)氧乳液；對(duì)泡沫固砂體系的固砂性能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并考察了固化溫度、固化時(shí)間、砂粒粒徑等對(duì)固砂性能的影響，結(jié)果表明泡沫固砂體系在60～90 ℃范圍內(nèi)均具有較好的固砂效果，固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到9.5 MPa；對(duì)固結(jié)體的耐介質(zhì)性進(jìn)行了考察，發(fā)現(xiàn)其具有較好的耐酸、耐堿、耐油和耐水性能，體系適應(yīng)性良好。

水平井；化學(xué)防砂；泡沫；固砂性能；適應(yīng)性

水平井已在油田開發(fā)中得到了廣泛應(yīng)用，但由于水平段較長、非均質(zhì)性等特點(diǎn)，出砂嚴(yán)重。目前國內(nèi)外水平井防砂技術(shù)主要以機(jī)械防砂為主［1-2］，存在很多問題，如：疏松地層泥砂運(yùn)移在篩管表面形成“包裹”效應(yīng)，表現(xiàn)出的主要問題是破漏堵塞［3］；金屬棉濾砂管在稠油井、高泥質(zhì)含量井中效果一般［4］；側(cè)鉆水平井受原井眼尺寸的限制，采用機(jī)械防砂有一定難度，成功率低等。

因此，需要研制開發(fā)適應(yīng)于目前水平井井下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的流變性能好、性能穩(wěn)定、固砂能力強(qiáng)的高效化學(xué)固砂體系，并將其均勻推入水平井段內(nèi)，實(shí)現(xiàn)套內(nèi)二次防砂。筆者所研制的泡沫固砂體系注入水平井后，可浮在井內(nèi)液體之上［5］，對(duì)井段上部起到很好的防砂作用，又能克服下滲的缺點(diǎn)，能注入到水平井的深部；由于賈敏效應(yīng)，泡沫可以堵塞一部分大孔道，可避免漏失現(xiàn)象發(fā)生，與井底砂體更好的接觸，固砂作用更強(qiáng)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

α-烯基磺酸鹽（AOS）：上海圣魯工貿(mào)有限公司，分析純；環(huán)氧樹脂（E-44）：山東萊蕪潤達(dá)化工有限公司；偶聯(lián)劑KH-550：濟(jì)南澤宇化工有限公司；環(huán)氧樹脂乳化劑，自制；環(huán)氧固化劑，上海漢中有限公司；固相微粒泡沫穩(wěn)定劑。

電動(dòng)攪拌器，巖心流動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，材料壓力試驗(yàn)機(jī)，平流泵及配套儲(chǔ)液罐，填砂管等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 乳液基液制備方法 環(huán)氧樹脂乳液的制備方法為相反轉(zhuǎn)法。將環(huán)氧樹脂與自制乳化劑加入到三口燒瓶中，加料比為20:3。制備溫度首先采用70 ℃，以600 r/min的速度攪拌，待乳化劑充分溶解后，調(diào)節(jié)溫度至50 ℃，并以1 mL/min的速度緩慢滴加蒸餾水，一直攪拌直至乳狀液體系的連續(xù)相不再為油相，而為水相。所加水量為環(huán)氧樹脂的2倍。所配制的乳液黏度為35 mPa·s，平均粒徑為323.1 nm。

1.2.2 固砂體系泡沫性能評(píng)價(jià)方法 起泡的液體選為乳液，起泡方法為：用電動(dòng)攪拌機(jī)高速攪拌3 min。評(píng)價(jià)起泡劑的起泡體積和穩(wěn)定性則采用泡沫析液半衰期法。評(píng)價(jià)指標(biāo)為泡沫綜合值。

1.2.3 固結(jié)體制備方法 取100 g砂，裝入?25×80 mm的玻璃管中，將其兩端用金屬絲網(wǎng)或紗布?jí)簩?shí)密封，先注入水，使砂子表面水潤濕。將起泡劑、穩(wěn)泡劑和固化劑加入乳液中，充分起泡后，在玻璃管中注入1 PV泡沫，而后注入偶聯(lián)劑，置于恒溫水浴或密封罐中，在一定溫度下恒溫，冷卻至室溫后，輕輕敲碎玻璃管，取出固結(jié)體，將其兩端磨平，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和滲透率的測定。

2 配方篩選與優(yōu)化

2.1 泡沫體系的制備

2.1.1 起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定 在20 g基液中（其中環(huán)氧乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%），加入不同用量的起泡劑，在高速攪拌機(jī)作用下高速攪拌3 min使之起泡，利用泡沫析液半衰期法對(duì)泡沫的起泡性能和穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 起泡劑用量對(duì)起泡效果的影響

由圖1可知當(dāng)起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時(shí)，泡沫綜合值達(dá)到最大，所以起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定為0.4%。

2.1.2 乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泡沫性能的影響 實(shí)驗(yàn)選取起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%，改變環(huán)氧乳液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并固定基液質(zhì)量為20 g，高速攪拌3 min，使之起泡，測定對(duì)應(yīng)的起泡性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)起泡效果的影響

從圖2可以看出，環(huán)氧乳液的起泡體積是隨著乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小的，而泡沫的半衰期變化規(guī)律則相反。這是由于，乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小，水所占的體積比例越大，泡沫的表面張力越小，從而導(dǎo)致了起泡體積的增加。而隨著乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，起泡的排液速度變慢，消泡變慢，因而半衰期延長。當(dāng)環(huán)氧乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，起泡體積和半衰期性能最佳。

2.1.3 固相微粒泡沫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定 一般體系中，穩(wěn)泡劑的穩(wěn)泡效果是隨穩(wěn)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增強(qiáng)的，但同時(shí)也會(huì)造成起泡體積的減小，因此應(yīng)從泡沫性能綜合考慮，在滿足泡沫穩(wěn)定性要求的前提下宜少加穩(wěn)泡劑［6］。在20 g基液中，加入0.4%的起泡劑，然后再加入不同用量的穩(wěn)定劑，高速攪拌3 min，使之起泡，測定對(duì)應(yīng)的起泡體積和泡沫半衰期，作出泡沫綜合值隨泡沫穩(wěn)定劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的曲線，如圖3。

圖3 穩(wěn)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泡沫性能的影響

由圖3可以看出，隨著穩(wěn)定劑用量的增加泡沫半衰期延長，起泡體積先增大后減小，當(dāng)穩(wěn)泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%時(shí)，泡沫綜合值可以達(dá)到較高的數(shù)值，并且其值已開始趨于穩(wěn)定。

2.2 固砂體系的制備

泡沫體系配方為：乳液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)可變）、起泡劑、穩(wěn)定劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例為100:0.4:3。如1.2.3中所述，取砂子100 g，飽和水后，先注1PV的泡沫，然后再注1PV的固化劑和偶聯(lián)劑，進(jìn)行固砂實(shí)驗(yàn)。

2.2.1 乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固砂性能影響 乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，其中含有的樹脂含量就會(huì)不同，環(huán)氧乳液泡沫的固砂強(qiáng)度也不同，因此在制作泡沫時(shí)選用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的環(huán)氧乳液，進(jìn)而用于固砂。選取的固化劑、偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8%、0.2%。將填砂管放在60 ℃恒溫水浴鍋內(nèi)，放置72 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 環(huán)氧乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固砂性能的影響

如圖4所示，乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，泡沫固砂的強(qiáng)度就越大而滲透率則越小?？梢钥闯雠菽墓探Y(jié)強(qiáng)度很高，現(xiàn)場可以根據(jù)固砂強(qiáng)度要求對(duì)乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行選擇，本實(shí)驗(yàn)中選擇60%。

2.2.2 固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固砂性能的影響 用環(huán)氧乳液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的基液制泡沫，其他不變，改變注入的固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用注入法進(jìn)行固砂實(shí)驗(yàn)。

隨著固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，固結(jié)巖心的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，而其滲透率則逐漸減小。造成這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋寒?dāng)固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，黏度低，注入時(shí)易發(fā)生指進(jìn)現(xiàn)象，固化劑無法與泡沫充分接觸，從而使樹脂無法充分反應(yīng)，不能形成有效的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí)，巖心具有較大的抗壓強(qiáng)度和較小的滲透率，考慮綜合經(jīng)濟(jì)因素，選取固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%（圖5）。

圖5 固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固砂性能的影響

2.2.3 偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固砂性能的影響 同樣，其他條件不變，改變偶聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)行固砂實(shí)驗(yàn)。結(jié)果如圖6。

圖6 偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固砂性能的影響

分析圖6可知，隨著偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加大，固結(jié)體抗壓強(qiáng)度先增大后減小，滲透率則相應(yīng)地先降低后增大。當(dāng)偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，巖心具有較大的抗壓強(qiáng)度，滲透率也較大，因此選擇偶聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%。

2.2.4 溫度對(duì)固砂性能的影響 在不同溫度下固化3 d，考察固化溫度對(duì)固結(jié)體抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖7。

圖7 溫度對(duì)固砂性能的影響

由圖7可以看出，隨著溫度的升高，抗壓強(qiáng)度逐漸增大，但當(dāng)溫度超過70 ℃后，抗壓強(qiáng)度變化不大而滲透率則相應(yīng)降低。在60 ℃下，固結(jié)巖心具有較高的抗壓強(qiáng)度和滲透率，因此實(shí)驗(yàn)溫度選擇60 ℃。

2.2.5 固化時(shí)間對(duì)固砂性能的影響 在確定了固砂體系配方后，需要考察固化時(shí)間對(duì)固砂性能的影響。實(shí)驗(yàn)方法同上，選擇固化時(shí)間分別為 24、48、72、96 h。

圖8 固化時(shí)間對(duì)固砂性能的影響

由圖8可以看出，固化時(shí)間越長，固結(jié)體抗壓強(qiáng)度越高，固化效果越好，但是固砂強(qiáng)度增加的趨勢緩慢。因此，固化時(shí)間對(duì)固砂性能的影響不大。

2.2.6 砂粒粒徑對(duì)固砂性能的影響 改變石英砂的粒徑，考察粒徑對(duì)固砂性能的影響，其中固化溫度選擇為70 ℃，固化時(shí)間為48 h。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 砂粒粒徑對(duì)固砂性能的影響

由表1可以看出，砂子粒徑對(duì)固結(jié)體性能的影響很大，隨著粒徑的增大，抗壓強(qiáng)度減小而滲透率增加。這是由于粒徑越小，樹脂與砂粒之間的粘附面積越大，因而抗壓強(qiáng)度高，同時(shí)粒徑越小巖心內(nèi)部的孔隙體積就越小，滲透率也越低。

2.2.7 耐介質(zhì)性能評(píng)價(jià) 保持實(shí)驗(yàn)配方和條件均不變，選取不同的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，將制作好的巖心浸入其中，密封，恒溫放置2 d后取出，測得各項(xiàng)性能，進(jìn)而對(duì)巖心試樣的耐介質(zhì)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果在水、煤油、10%HCl、2%NaOH中巖心抗壓強(qiáng)度分別為5.3、5.2、4.9、4.8 MPa。巖心試樣耐酸、耐堿，對(duì)油和水都具有較好的耐受性。但在酸、堿介質(zhì)中，其抗壓強(qiáng)度稍有降低，這是因?yàn)榻莺螅瑫?huì)破壞樹脂固結(jié)后的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。而在水和油中，固結(jié)巖心的抗壓強(qiáng)度基本保持不變。所以該固砂體系既適用于水井，也適用于油井。

2.3 體系適應(yīng)性分析

環(huán)氧泡沫固砂體系應(yīng)用于水平井時(shí)優(yōu)點(diǎn)顯著，主要表現(xiàn)在：水基環(huán)氧樹脂固砂體系具有低黏度、低密度的特點(diǎn)，具有水溶性，流動(dòng)性能好；在較大的溫度區(qū)間均具有一定的適應(yīng)性，固化速度快，與砂粒能產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附力，固化強(qiáng)度高；對(duì)地層傷害小，固化后仍具有很強(qiáng)的滲透性能。主要適用于以下條件：（1）新投產(chǎn)、新補(bǔ)孔水的、地層無虧空的處于防砂初期的油井或水井；（2）前期有出砂跡象且需要大量提液的油井，但在生產(chǎn)中需提前加固近井帶的井壁；（3）地層出砂量小，短期生產(chǎn)中出現(xiàn)砂埋油藏問題的長井段油井。

環(huán)氧泡沫固砂體系不僅可以單獨(dú)作為化學(xué)防砂體系使用，還可以與機(jī)械防砂篩管配合使用，使用過程中不會(huì)對(duì)防砂篩管的孔眼造成堵塞。

3 結(jié)論

（1）低密度的環(huán)氧樹脂泡沫固砂體系配方為：0.4%的起泡劑AOS+3%的固相泡沫穩(wěn)定劑+8%的固化劑+0.3%的偶聯(lián)劑+60%的環(huán)氧乳液，固化時(shí)間為48 h，固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到9.5 MPa，滲透率可保持9.0 D。

（2）研制出的泡沫固砂體系在60～90 ℃范圍內(nèi)均具有較高的固結(jié)強(qiáng)度，具有較好的耐酸、耐油性能，具有密度低、穩(wěn)定性好及濾失量小、對(duì)地層傷害小等特點(diǎn)，可適應(yīng)于水平井及不宜機(jī)械防砂地層的防砂。

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（修改稿收到日期 2013-03-15）

Study on foam sand consolidation system in horizontal wells

LIU Guangyou
（Gudong Oil Production Plant,Shengli Oilf i eld Company,SINOPEC,Dongying257237,China;）

A kind of chemical sand consolidation system, which is stable with low density and good rheology, has been developed by single factor way, and its formula is 0.4%AOS+3% solid particle foam stabilizer +8% fi rming agent +0.3% coupling agent +60%epoxy emulsion. Then consolidation properties of foamed consolidation system are evaluated and effects of consolidating temperature,consolidating time and mean sizes of quartz sands on consolidation performances has been examined. It turns out that the prepared consolidation system has excellent consolidating effects with a temperature range of 60℃ to 90℃ and the compressive strength of consolidated column can reach 9.5 MPa. In addition, material resistance of consolidated column has been investigated, and the results show that the system has good resistance to acid, alkali, water and oil, displaying nice reservoir adaptation.

horizontal well; chemical sand control; foam; sand consolidation performance; reservoir adaptation

劉廣友.水平井泡沫固砂體系研究 ［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（3）：98-101.

TE358.1

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0098 – 04

劉廣友，1967年生。1990年畢業(yè)于成都地質(zhì)學(xué)院地質(zhì)專業(yè)。現(xiàn)從事采油工程研究與管理工作，高級(jí)工程師。電話：0546-8582512。E-mail：liuguangyou.slyt@sinopec.com。

〔編輯

付麗霞〕