海上油田用自生泡沫復(fù)合固砂體系性能評價(jià)

鄭繼龍，吳彬彬

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452

海上油田的防砂技術(shù)主要以機(jī)械防砂為主，但存在很多問題，如施工工藝復(fù)雜，容易發(fā)生復(fù)雜事故；疏松地層泥砂運(yùn)移在篩管表面形成“包裹”效應(yīng)，導(dǎo)致篩管破漏堵塞［1-2］。隨著海上油田進(jìn)入中高含水期的中后期開發(fā)，油水井出砂越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致油田開發(fā)效果變差。以渤中25-1南油田為例，有25口井因出砂而降低產(chǎn)液量，部分出砂嚴(yán)重的井則直接關(guān)停。目前的解決辦法是在油井常規(guī)大修的同時(shí)采取化學(xué)防砂措施，已取得了一定的效果。但由于常規(guī)大修存在難度大、時(shí)間長以及費(fèi)用高等問題，因此亟待探索并采用新型油田防砂技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速治理，釋放產(chǎn)能?；瘜W(xué)防砂是將一定量的化學(xué)膠結(jié)物擠入地層，使其吸附在砂粒上，待其固化后，與砂粒固結(jié)在一起，從而防止砂粒脫落運(yùn)移，達(dá)到防砂的目的，很好地彌補(bǔ)機(jī)械防砂存在的問題［3-6］。由于化學(xué)防砂使用的是分子量較大的樹脂類材料，其流動性較差且固結(jié)后會導(dǎo)致地層滲透性變差，容易堵塞地層，故不適用于長井段水平井和大級差非均質(zhì)地層。

針對海上油田防砂技術(shù)需求和存在問題，將自生泡沫體系與樹脂固砂體系復(fù)配，形成一種新型的自生泡沫復(fù)合固砂體系［7-11］。本文主要研究在渤中25-1南油田的實(shí)際條件下，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對自生泡沫復(fù)合固砂體系進(jìn)行性能評價(jià)，分析其對目標(biāo)油田防砂的技術(shù)適應(yīng)性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

自生泡沫體系（由NH4Cl、NaNO2、醋酸鈉和表面活性劑組成）、樹脂固砂體系（由氨基樹脂、NH4Cl和硅烷偶聯(lián)劑組成），中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司研發(fā)；實(shí)驗(yàn)用水為渤中25-1南油田現(xiàn)場注入水；石英砂（106～380 μm），市售。

多點(diǎn)磁力攪拌器，美國Variomag公司；電子天平，德國賽多利斯公司；吳茵剪切機(jī)，美國Waring Blender公司；恒溫水浴攪拌器，蘇州威爾實(shí)驗(yàn)室用品有限公司；恒溫水浴槽，優(yōu)萊博技術(shù)（北京）有限公司；鼓式流量計(jì)，德國Ritter公司；巖石力學(xué)測試裝置，江蘇海安發(fā)達(dá)石油儀器科技有限公司；泡沫調(diào)驅(qū)體系動靜態(tài)評價(jià)裝置、水測巖心滲透率裝置，江蘇華安科研儀器有限公司；玻璃填砂管，自主設(shè)計(jì)組裝。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 填砂巖心制作方法

1）取適量不同粒徑的石英砂水洗后放入65℃恒溫箱中烘干，分段填入直徑38 mm、長300 mm的玻璃填管中，并用玻璃棒在玻璃管外壁輕敲振蕩數(shù)次，填制完成后在石英砂前后端面放置75 μm鋼網(wǎng)，擰緊前后端螺栓蓋。

2）先用驅(qū)替泵注入水使石英砂表面潤濕，然后恒速注入固砂體系1～2 PV，注入過程中觀察體系的運(yùn)移情況。

3）將填完砂的玻璃管放入目標(biāo)溫度恒溫箱中靜置24 h，固化完成后將填砂管取出冷卻至常溫，使用鐵器將玻璃管敲碎后取出固結(jié)巖心。

4）使用砂紙將固結(jié)巖心端面研磨平整且與巖心中軸線垂直，即完成填砂巖心的制作。

5）為模擬地層高溫高壓條件下的固砂效果，可采用鋼質(zhì)填砂管制作填砂巖心，恒溫固結(jié)后使用同規(guī)格的鋼質(zhì)假巖心敲擊頂替出固結(jié)巖心。

1.2.2 抗壓強(qiáng)度評價(jià)方法

按照SY 5276—1991標(biāo)準(zhǔn)測量固結(jié)巖心的抗壓強(qiáng)度。

1.2.3 滲透率測量方法

按照SY 5276—1991標(biāo)準(zhǔn)測量固結(jié)巖心的水測滲透率。

2 結(jié)果與討論

2.1 生氣效果評價(jià)

使用渤中25-1南油田現(xiàn)場注入水分別配制自生泡沫體系和樹脂固砂體系，然后同時(shí)快速加入泡沫調(diào)驅(qū)體系于動靜態(tài)評價(jià)裝置中，設(shè)置攪拌速度為100 r/min，收集不同時(shí)間復(fù)合體系的生氣量，并在相同條件下與等量自生泡沫體系的生氣量進(jìn)行對比。

圖1為自生泡沫體系中加入樹脂固砂體系前后的生氣量隨時(shí)間的變化曲線。由圖1可以看出：自生泡沫體系加入樹脂固砂體系前后的生氣量隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，說明樹脂固砂體系對自生泡沫體系的生氣效果影響不大。

圖1 自生氣體系加入固砂體系前后生氣效果

2.2 起泡性能評價(jià)

2.2.1 機(jī)械剪切法

使用渤中25-1南油田現(xiàn)場注入水分別配制100 mL質(zhì)量濃度為5 g/L的起泡劑溶液和自生泡沫復(fù)合固砂體系，采用吳茵剪切機(jī)在7 500 r/min條件下攪拌5 min，評價(jià)起泡劑溶液和自生泡沫復(fù)合固砂體系的起泡性能，結(jié)果見表1。

由表1可知：與起泡劑溶液相比，加入樹脂固砂體系后，復(fù)合體系的起泡體積稍有降低，但半衰期明顯延長。這是由于復(fù)合體系組分中的NH4Cl呈弱酸性，一定程度上抑制了泡沫的生成，而復(fù)合體系組分中的氨基樹脂具有弱增黏性，表現(xiàn)出穩(wěn)泡的效果，最終復(fù)合體系的泡沫綜合值要大于單純的起泡劑溶液，表明自生泡沫復(fù)合固砂體系具有良好的起泡性能。

表1 起泡性能評價(jià)

2.2.2 巖心驅(qū)替法

使用渤中25-1南油田現(xiàn)場注入水配制自生泡沫復(fù)合固砂體系，恒速注入可視化填砂管中，通過肉眼觀察評價(jià)自生泡沫復(fù)合固砂體系在填砂管中的起泡效果，并拍照記錄，結(jié)果見圖2～3。

由圖2～3可知：注入自生泡沫復(fù)合固砂體系后，玻璃填砂管中明顯有氣泡產(chǎn)生，隨著后續(xù)體系的注入，氣泡運(yùn)移至出口端管線，說明自生泡沫復(fù)合固砂體系注入地層后，經(jīng)孔喉的剪切作用可有效生成泡沫。收集從出口端產(chǎn)出的泡沫，觀察發(fā)現(xiàn)泡沫的穩(wěn)定性較好，15 min內(nèi)未見液體析出。

圖2 復(fù)合體系在填砂管中起泡性能評價(jià)

圖3 填砂管中自生泡沫復(fù)合固砂體系的效果

2.3 抗壓強(qiáng)度和水測滲透率測定

使用渤中25-1南油田現(xiàn)場注入水配制自生泡沫復(fù)合固砂體系，采用鋼質(zhì)填砂管填制180～250 μm石英砂，完成填砂后在石英砂端面放置150 μm鋼網(wǎng)和鋼質(zhì)假巖心，使用巖石力學(xué)測試設(shè)備對鋼質(zhì)假巖心施加壓力（15.0 MPa）壓實(shí)石英砂巖心30 min，以模擬地層中的高壓條件，最后恒速注入自生泡沫復(fù)合固砂體系1～2 PV，放置恒溫箱中固結(jié)24 h。按照以上方法填制石英砂巖心若干根，分別放入60～90℃恒溫箱中固化24 h。待石英砂固結(jié)后，測定抗壓強(qiáng)度和水測滲透率，結(jié)果見圖4。由圖4可以看出：該復(fù)合體系在壓力為15.0 MPa、溫度為60～90℃條件下，固結(jié)巖心的抗壓強(qiáng)度為7.0～7.5 MPa、水測滲透率為4～5 μm2，表明該復(fù)合體系可以有效固結(jié)砂粒，同時(shí)保持較高的滲透率。

圖4 自生泡沫復(fù)合固砂體系固砂效果評價(jià)

2.4 沖刷出砂率

使用渤中25-1南油田現(xiàn)場注入水配制自生泡沫復(fù)合固砂體系，使用鋼質(zhì)填砂管分別填制250～380、180～250、150～180和120～150 μm的石英砂，完成填砂后在石英砂端面放置75 μm鋼網(wǎng)和鋼質(zhì)假巖心，同時(shí)使用巖石力學(xué)測試設(shè)備對鋼質(zhì)假巖心施加壓力（15.0 MPa）壓實(shí)石英砂巖心30 min，以模擬地層中的高壓條件。

填制完成后放入60℃恒溫箱中固化24 h，待巖心固結(jié)后，按照“滲透率測量方法”中所述方法連入物理模擬驅(qū)替裝置中，以50 mL/min的注入速度恒速注水沖刷60 min，測定沖刷前后固結(jié)巖心的質(zhì)量，并根據(jù)質(zhì)量差計(jì)算沖刷出砂率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

由表2可知：使用自生泡沫復(fù)合固砂體系填制不同粒徑石英砂的固結(jié)巖心，經(jīng)過長期注水沖刷后，肉眼均未見產(chǎn)出液中含砂。由于室內(nèi)條件有限，未能測試更長沖刷時(shí)間的出砂情況，所以單從本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，自生泡沫復(fù)合固砂體系固結(jié)石英砂后不會有出砂現(xiàn)象。

表2 不同粒徑石英砂填制巖心固結(jié)后耐沖刷實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.5 井筒不留塞實(shí)驗(yàn)

自生泡沫復(fù)合固砂體系組分中的氨基樹脂與石英砂、泥質(zhì)表面的活性基團(tuán)會發(fā)生反應(yīng)而膠結(jié)，但接觸其他物質(zhì)后卻不會固結(jié)，可以實(shí)現(xiàn)不動管柱固砂作業(yè)。因此，有必要開展井筒不留塞實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)1：使用渤中25-1南油田現(xiàn)場注入水配制自生泡沫復(fù)合固砂體系，混合均勻后放入表面清潔的鋼片，在60℃恒溫箱中放置24 h后，取出查看鋼片表面狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)2：使用渤中25-1南油田現(xiàn)場注入水配制自生泡沫復(fù)合固砂體系，混合均勻后放入表面涂有一層細(xì)砂的鋼片，在60℃恒溫箱中放置24 h后，取出查看鋼片表面狀態(tài)，結(jié)果見圖5。

由圖5可知：自生泡沫復(fù)合固砂體系恒溫加熱24 h后，溶液變?yōu)轲こ頎?。?shí)驗(yàn)1中的鋼片表面未出現(xiàn)明顯變化，說明自生泡沫復(fù)合固砂體系沒有和鋼片發(fā)生作用。實(shí)驗(yàn)2中的鋼片表面沾有一層固砂體系，用水沖洗后容易脫落，雖然鋼片表面光滑，但是顏色稍變暗淡。這可能是固砂體系與細(xì)砂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)間接影響所致，但固結(jié)砂沒有固結(jié)在鋼板上，因此不會留塞。

圖5 實(shí)驗(yàn)后鋼片表面變化

2.6 注入性實(shí)驗(yàn)評價(jià)

2.6.1 非均質(zhì)均勻注入分析

分別將粒徑為250～380和106～220 μm的石英砂填入2根玻璃填砂管中模擬高低滲透層，先恒速注入清水測定填砂管滲透率，然后依次注入1 PV染色清水、1 PV氨基樹脂溶液和1 PV自生泡沫復(fù)合固砂體系，觀察注入流體在填砂管中流動情況。實(shí)驗(yàn)過程中觀察填砂管中流體運(yùn)移情況，并準(zhǔn)確計(jì)量注入壓力和出口端產(chǎn)液量及滲透率，結(jié)果見圖6和表3。

圖6 不同體系在非均質(zhì)填砂管中的流動情況

表3 高低滲填砂管水測滲透率

由圖6可知：采用染色水恒速注入時(shí)，水主要沿著高滲填砂管流動，舌進(jìn)嚴(yán)重，而在低滲填砂管中流動很慢；注入氨基樹脂溶液時(shí)，由于樹脂溶液具有弱增黏性，降低了水的流動速度，高滲填砂管中水相滲透率有所降低，流動阻力增大，后續(xù)流體向低滲填砂管流動，低滲填砂管染色條帶明顯變長；注入自生泡沫復(fù)合固砂體系后，體系首先進(jìn)入高滲填砂管，由于體系在填砂管中生成泡沫，泡沫的“賈敏效應(yīng)”導(dǎo)致高滲流動阻力增加，同時(shí)表面活性劑的滲透力以及低滲層孔隙的生成加大了低滲層的滲透性。與氨基樹脂溶液弱增黏性所形成的流動阻力相比，自生泡沫的多重作用使得更多的流體進(jìn)入低滲填砂管，明顯看到低滲填砂管的染色條帶更長。由表3可知：高低滲填砂管水的滲透率極差為10倍。

2.6.2 自生泡沫堆積擴(kuò)孔分析

將不同粒徑石英砂分別填入2根玻璃填砂管中，填砂管的水測滲透率見表3。分別注入氨基樹脂固砂體系和自生泡沫復(fù)合固砂體系，觀察實(shí)驗(yàn)過程中自生泡沫復(fù)合固砂體系在填砂模型中的變化和固結(jié)巖心端面情況，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 自生泡沫體系在填砂模型中的變化

圖8 固結(jié)巖心端面情況對比

從圖7可以看出：純氨基樹脂注入時(shí)，樹脂會填充石英砂砂粒間的孔隙；而自生泡沫復(fù)合固砂體系注入填砂管后，自生氣體系反應(yīng)生成的氣體與起泡劑、氨基樹脂混合，在多孔介質(zhì)孔喉的剪切作用下形成泡沫，在注入初期，由于起泡劑被吸附，形成的泡沫數(shù)量較少，尺寸較大，而注入后期，形成的泡沫數(shù)量較多且均勻。在整個(gè)注入過程中，砂粒間隙中一直存在泡沫，氣泡在砂粒間隙間堆積形成滲透性通道，起到擴(kuò)孔的作用，提高了固結(jié)巖心的滲透性。

從圖8可以明顯看到，氨基樹脂固結(jié)巖心端面比較密實(shí)，存在少量的微小孔隙；而自生泡沫氨基樹脂固結(jié)巖心的端面相對疏松，且分布有微大氣孔，說明具有較好的滲透性。

3 結(jié)論

1）自生泡沫體系與氨基樹脂固砂體系具有較好的配伍性，氨基樹脂固砂體系的加入對于自生泡沫體系的生氣效果和起泡性能基本沒有影響，其弱增黏性甚至強(qiáng)化了泡沫的穩(wěn)定性。在模擬地層壓力條件下，溫度為60～90℃、固結(jié)巖心的抗壓強(qiáng)度為7.0～7.5 MPa、水測滲透率為4～5 μm2，同時(shí)具有較強(qiáng)的耐沖刷性且在井筒不留塞。

2）實(shí)驗(yàn)研究了自生泡沫復(fù)合固砂體系注入過程中泡沫運(yùn)移和固結(jié)砂粒的過程，認(rèn)識了自生泡沫復(fù)合固砂體系通過自生泡沫實(shí)現(xiàn)擴(kuò)孔增滲以及通過泡沫的“賈敏效應(yīng)”和表面活性劑的滲透性實(shí)現(xiàn)非均質(zhì)均勻注入的作用機(jī)制。