高泥質(zhì)砂巖油藏防膨控砂體系性能評(píng)價(jià)與應(yīng)用

宋金波，張雨晨，賈維霞，梁 偉，王 勇

(中國(guó)石化勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257000)

0 引 言

勝利油田高泥質(zhì)疏松砂巖油藏地質(zhì)儲(chǔ)量豐富，此類油藏的高泥質(zhì)、粉細(xì)砂易堵塞井筒周?chē)胺郎俺涮顚?、篩管，導(dǎo)致油井防砂后產(chǎn)能在短時(shí)期內(nèi)明顯下降[1-2]。通常采取的措施是往地層擠入聚合物類黏土穩(wěn)定劑[3-6]，以防止黏土顆粒的膨脹、分散、運(yùn)移，但該類措施無(wú)法減輕非黏土顆粒發(fā)生運(yùn)移的可能性，嚴(yán)重影響油、氣井防砂措施的成功率和有效期。針對(duì)以上缺陷，以優(yōu)選防膨抑砂劑為基礎(chǔ)[7-9]，研制了新型深部成膜防膨控砂體系配方，防止黏土膨脹的同時(shí)阻止了黏土顆粒和非黏土顆粒的運(yùn)移，達(dá)到了深部穩(wěn)砂的目的，提高了油、氣井產(chǎn)量，延長(zhǎng)了地面和井下設(shè)備使用壽命[10-13]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

DA(己二酸或丁二酸)、DM(對(duì)環(huán)己二胺)，分析純；催化劑CP溶液(5%水溶液)。

反應(yīng)釜，煙臺(tái)科立化工設(shè)備有限公司；ATR-FTIR紅外光譜儀，賽默飛世爾科技(中國(guó))有限公司；高溫高壓巖心流動(dòng)儀，中國(guó)石油大學(xué)(華東)儀表廠；真空泵，常州納西姆真空設(shè)備有限公司。

1.2 合成方法

將一定量的DA、DM和催化劑CP溶液(5%水溶液)投入備有機(jī)械攪拌和進(jìn)出氣口的2 L壓力反應(yīng)釜中，通入氮?dú)馊コ械难鯕?，然后攪拌、加熱?0 ℃左右，保溫1 h，繼續(xù)加熱升溫至150 ℃左右，保持壓力為常壓，再于常壓下反應(yīng)2 h，最后抽真空進(jìn)一步減壓縮聚30～60 min，縮聚完成后出料、冷卻、切粒，得到控砂劑產(chǎn)品。

1.3 結(jié)構(gòu)分析

利用ATR-FTIR傅立葉變化衰減全反射紅外光譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。將液體PSF和PSF-Ⅰ置于80 ℃的烘箱中干燥數(shù)小時(shí)，研磨成粉末狀，采用KBr壓片法進(jìn)行測(cè)定。

1.4 體系配置方法

優(yōu)選出防膨劑，與合成的控砂劑按照不同比例混合制成防膨控砂劑體系，體系中防膨劑有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為1%～3%，控砂劑有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為1%～10%。

1.5 性能測(cè)定

(1) 防膨率的測(cè)定。依據(jù)Q/SH1020 1993—2013《疏松砂巖黏土穩(wěn)定劑通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定樣品溶液防膨率。

(2) 抑砂能力的測(cè)定。依據(jù)Q/SLCG0097—2014《分子膜抑砂劑》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定樣品溶液的抑砂能力。

2 防膨控砂機(jī)理

油田常用的化學(xué)類固砂劑有尿醛、酚醛等樹(shù)脂類固砂劑，此類固砂劑通過(guò)化學(xué)鍵的作用使地層砂有較強(qiáng)的固結(jié)強(qiáng)度，但其注入地層后對(duì)地層傷害較大[14-15]，地層傷害率達(dá)到40%；而陽(yáng)離子聚合物類高分子抑砂劑雖然對(duì)地層傷害小，但僅靠分子間的電性吸附作用與地層砂粒結(jié)合，固結(jié)砂粒作用較弱，不能滿足粉細(xì)砂地層大量出砂的要求[16-18]。新型防膨控砂劑體系首先利用優(yōu)質(zhì)防膨劑防止高泥質(zhì)組分膨脹傷害，同時(shí)，含有酰胺基、氨基等官能團(tuán)的控砂劑與儲(chǔ)層微粒通過(guò)氫鍵作用、靜電作用相互吸附，在其表面形成穩(wěn)定均勻的黏性分子膜，實(shí)現(xiàn)地層粉細(xì)砂或黏土顆粒原位固定。

防膨控砂劑體系兼具兩親性分子結(jié)構(gòu)，其陽(yáng)離子基團(tuán)與呈負(fù)電性的砂巖和黏土之間有很強(qiáng)的電性相吸作用，通過(guò)降低粉細(xì)砂和黏土表面的zeta電位實(shí)現(xiàn)自聚；引入的柔性鏈段提高膜的拉伸強(qiáng)度，剛性基團(tuán)的有序排列可提高膜的規(guī)整性，增強(qiáng)膜與基底的結(jié)合力。因此，剛性基團(tuán)與柔性鏈段的優(yōu)化組合表現(xiàn)出良好的耐沖刷性能[19-20]。

3 結(jié)果與討論

3.1 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)分析

ATR-FTIR譜圖見(jiàn)圖1(a、b、c、d、e為DA與DM物質(zhì)的量的比分別為0.8、0.9、1.0、1.1、1.2時(shí)合成的聚酰胺樹(shù)脂曲線)。由圖1可知，3 299 cm-1處為仲胺的N-H伸縮振動(dòng)；2 923 cm-1處為N-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)和C-N伸縮振動(dòng)的組合倍頻[9]；1 632 cm-1處為酰胺I帶C=O的伸縮振動(dòng)；據(jù)Arimoto和Bradbury等的研究，1 536 cm-1處為酰胺II帶的N-H彎曲振動(dòng)和C-N的伸縮振動(dòng)的組合；1 417 cm-1處為-CH2-的剪式振動(dòng)；1 273 cm-1處為酰胺III帶C-N-H耦合振動(dòng)；935/688 cm-1附近峰歸屬于酰胺IV/V帶，為α晶相平面鋸齒結(jié)構(gòu)的特征峰，935 cm-1處為酰胺IV帶的C-CO伸縮振動(dòng)，688 cm-1處為酰胺V帶的N-H搖擺振動(dòng)；1 199 cm-1處為N-C=O骨架振動(dòng)的特征吸收帶。譜圖中-COOH的強(qiáng)特征吸收峰不可見(jiàn)，說(shuō)明單體成鹽后參與共縮聚。

圖1 控砂劑的衰減全反射傅立葉變換紅外譜

3.2 性能評(píng)價(jià)

3.2.1 防膨控砂劑體系對(duì)黏土防膨性能的影響

利用膨脹儀法測(cè)定各樣品的防膨率，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，季銨基團(tuán)位于支鏈末端的陽(yáng)離子聚合物NTW-1的防膨性能明顯優(yōu)于其他幾類產(chǎn)品。

表1 幾種防膨劑性能評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2.2 防膨控砂劑體系對(duì)黏土微粒耐沖刷性能的影響

防膨控砂劑體系遇水后立即析出并形成黏滯膜，在注入地層后會(huì)吸附在多孔介質(zhì)表面，形成穩(wěn)定、均勻、多孔的分子膜，對(duì)控砂性能起到至關(guān)重要的作用。觀察控砂劑分子膜形態(tài)，由于膜表面存在大量不飽和殘鍵以及不同鍵合狀態(tài)的羥基，分子膜表面凹凸不平，立體感強(qiáng)；并且有很多白色細(xì)絲相互抓緊纏繞(圖2)。

圖2 防膨控砂劑體系分子膜形態(tài)

按照Q/SLCG0097—2014評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，該體系對(duì)不同粒徑微粒均具有顯著的控砂作用，對(duì)地層微?？刂萍俺涮顚臃€(wěn)定效果明顯，耐沖刷性能高于標(biāo)準(zhǔn)4倍以上(圖3)。

圖3 流量變化對(duì)流出端微粒含量的影響

3.2.3 控砂劑對(duì)不同粒徑砂體耐沖刷性能的影響

選取不同粒徑的石英砂，分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的控砂劑溶液。按照3.2.2步驟測(cè)試控砂劑用量對(duì)砂柱耐沖刷性能的影響。測(cè)得最初砂排量Q0，規(guī)定出砂量大于0.1 g/L時(shí)為最大出砂排量Qmax，結(jié)果見(jiàn)表2。

沖砂排量為2 000～6 000 mL時(shí)，控砂劑對(duì)不同粒徑石英砂抑砂能力不同。在不同流量沖刷下，粒徑較小的砂柱出砂量低于粒徑大的砂柱，這表明控砂劑對(duì)不同粒徑的石英砂控砂性能有一定差別，主要是由于粒徑小的石英砂比表面積大，覆膜程度高，結(jié)合能力強(qiáng)。

表2 不同排量Qc下控砂劑對(duì)不同粒徑石英砂出砂量的影響

3.2.4 控砂劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)耐沖刷性能影響

將粒徑為0.1～0.2 mm的石英砂，分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、4%、6%、8%的控砂劑溶液，按照3.2.2方法測(cè)試控砂劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)砂柱耐沖刷性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，隨控砂劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，砂柱的耐沖砂性能逐漸提高?？厣皠┵|(zhì)量為數(shù)為6%，當(dāng)流速為2.0 L/h時(shí)開(kāi)始出砂，當(dāng)流速達(dá)到5.0L/h時(shí)耐沖砂性能為0.04 g/L，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)控砂劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到8%時(shí)，在6.0 L/h時(shí)其出砂量小于0.0 4g/L。由此可見(jiàn)，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.0%時(shí)已經(jīng)遠(yuǎn)優(yōu)于Q/SLCG0097—2014標(biāo)準(zhǔn)的1.8 L/h流速下的出砂量。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)控砂劑在不同流速下對(duì)耐沖刷性能影響

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2016至2018年，先后在勝利油田的15口油井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)施工要求：防膨控砂劑體系現(xiàn)場(chǎng)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不小于5%，處理量應(yīng)是油井近井地帶油層直徑5～6 m區(qū)域內(nèi)孔隙體積的1.0～1.5倍，擠注排量為1 m3/min以上，擠注后無(wú)需候凝即可投產(chǎn)，節(jié)省作業(yè)時(shí)間。金17-17井位于金家油田，主力層位沙一段具有高泥質(zhì)、強(qiáng)水敏，原油黏度大，滲透率低的特點(diǎn)，顆粒運(yùn)移及瀝青沉積加劇了孔隙堵塞。2016年6月因出砂嚴(yán)重導(dǎo)致停產(chǎn)，出砂分析報(bào)告表明，該井以粉細(xì)砂為主，泥質(zhì)含量高于20%。2018年5月采取措施，注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的防膨控砂劑，施工半徑為3 m，施工排量為1 m3/min。通過(guò)井口含砂在線監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)擠入抑砂劑前后的出砂情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，擠入防膨控砂劑前，最大出砂含量為0.74 g/s，擠入防膨控砂劑后379 d，測(cè)出的最大出砂含量為0.22 g/s，效果較好，有效期達(dá)379 d，且持續(xù)有效。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí)，防膨控砂劑體系防砂工藝簡(jiǎn)單，防砂成功率達(dá)100%，防砂有效期為1 a左右，截至2018年12月，15口防砂施工井累計(jì)增產(chǎn)原油18 900 t，應(yīng)用效果較好。

5 結(jié) 論

(1) 防膨控砂劑體系集成了優(yōu)質(zhì)防膨劑與控砂劑的突出優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了黏土防膨與原位控制微粒運(yùn)移的雙重功能，控砂理念具有創(chuàng)新性。

(2) 形成的分子膜性能穩(wěn)定，耐水性、機(jī)械性及黏結(jié)力等均能滿足高泥質(zhì)砂巖油藏的防砂需求，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果顯著，推廣應(yīng)用前景較好。