適合海上氣井的新型水基固砂液體系研究

吳紹偉，林科雄，彭建峰，周泓宇，任坤峰，舒福昌

(1.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.荊州市漢科新技術(shù)研究所，湖北 荊州 434000)

海上L氣田儲(chǔ)層埋藏較淺、膠結(jié)較弱，在開采后期，由于地層壓力下降、生產(chǎn)制度調(diào)整、地層見水等因素導(dǎo)致氣井出砂，給氣田正常生產(chǎn)帶來(lái)困難[1-3]。目前，海上氣田采用的防砂工藝主要是機(jī)械防砂[4-6]，其重點(diǎn)在防砂，不能從根本上解決地層出砂的問(wèn)題。L氣田完井現(xiàn)有的防砂方式為礫石充填防砂和裸眼優(yōu)質(zhì)篩管防砂，而由于出砂粒徑較小，無(wú)法阻擋地層出砂。

化學(xué)防砂是向地層注入化學(xué)固砂劑，在近井地帶形成一層具有一定強(qiáng)度的擋砂屏障，從而抑制地層出砂[7-11]，對(duì)于細(xì)粉砂具有較好的防砂效果。目前，國(guó)內(nèi)外常用的化學(xué)固砂劑主要是樹脂類，但由于其存在黏度較大、安全性差以及施工工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，制約了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用[12-16]。作者以海上L氣田出砂井為研究對(duì)象，針對(duì)傳統(tǒng)化學(xué)固砂劑存在的技術(shù)缺點(diǎn)，在分析目標(biāo)氣田出砂原因的基礎(chǔ)上，室內(nèi)構(gòu)建了一套適合海上氣井的新型 HWR 水基固砂液體系，對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將其應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。

1 目標(biāo)氣田出砂原因及化學(xué)防砂對(duì)策

1.1 出砂原因

L氣田2009年開始投產(chǎn)，生產(chǎn)層位Y1I氣組的平均孔隙度為27.3%，滲透率為0.320～1.280 μm2，屬高孔中高滲儲(chǔ)層。投產(chǎn)以來(lái)共有4口井有不同程度的出砂現(xiàn)象，出砂粒徑中值為86.39 μm，屬于細(xì)粉砂。出砂導(dǎo)致氣井產(chǎn)量下降、井下設(shè)備損壞和地面投資增加等問(wèn)題，影響氣田的正常生產(chǎn)。

L氣田儲(chǔ)層埋深較淺，巖性為泥砂巖，石英含量為 43%左右，粘土礦物含量為 36%左右，屬于泥質(zhì)膠結(jié)。儲(chǔ)層膠結(jié)較弱，泡水后巖心強(qiáng)度下降很大(表 1)。所以在開采過(guò)程中，隨著地層水的浸入，儲(chǔ)層出砂的可能性大大增加。

表1 泡水時(shí)間對(duì)L氣田儲(chǔ)層巖心強(qiáng)度的影響

1.2 化學(xué)防砂對(duì)策

傳統(tǒng)的化學(xué)固砂劑是油溶性樹脂，其黏度大，在注入過(guò)程中需大量使用有機(jī)溶劑稀釋，造成環(huán)境污染、危害人體健康等問(wèn)題。同時(shí)，樹脂和固化劑多為“兩組份”，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)需多段塞注入，施工工藝復(fù)雜，樹脂和固化劑在地層中難以混合均勻，導(dǎo)致固結(jié)后砂體強(qiáng)度不高，固砂效果不好；施工后期需要注入擴(kuò)孔液來(lái)恢復(fù)儲(chǔ)層滲透率，儲(chǔ)層傷害風(fēng)險(xiǎn)大?；趥鹘y(tǒng)化學(xué)固砂劑存在的問(wèn)題，構(gòu)建了一套能 “一體化”注入的新型 HWR 水基固砂液體系，其配方為：8%樹脂 HWR-301+12%固化劑 HWR-302+4%固化調(diào)節(jié)劑 HWR-303+76%鹽水。新型 HWR 水基固砂液屬于一種微乳液體系，其中固化劑在連續(xù)相水中呈均勻分散的狀態(tài)，樹脂則包裹在分散相中，從而形成一種具有相對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的微乳液。該體系對(duì)地層砂粒的固化作用機(jī)理主要包括以下3個(gè)方面：

(1)固砂液進(jìn)入地層后，固化劑和樹脂上的羥基與地層砂粒上的羥基發(fā)生相互作用，將固化劑和樹脂吸附在地層砂粒表面。

(2)隨著地層溫度的升高，微乳液體系穩(wěn)定性減弱，體系中的樹脂和固化劑分子開始接觸。

(3)樹脂和固化劑充分接觸后發(fā)生固化反應(yīng)，形成具有一定化學(xué)活性和膠結(jié)強(qiáng)度的熱固性材料，將砂粒進(jìn)行粘合，從而實(shí)現(xiàn)固砂的目的。

2 固砂液體系性能評(píng)價(jià)

2.1 注入性能

室內(nèi)將配制好的固砂液置于容器中，在一定溫度下水浴，以低速攪拌的方式模擬固砂液動(dòng)態(tài)注入過(guò)程，定期取出固砂液測(cè)定其黏度，根據(jù)黏度變化來(lái)確定其安全施工時(shí)間，結(jié)果見表2。

表2 動(dòng)態(tài)條件下固砂液黏度隨時(shí)間的變化

由表2可知，在室溫下，固砂液在動(dòng)態(tài)條件下能穩(wěn)定48 h以上，能夠保證固砂液配制后長(zhǎng)時(shí)間放置不會(huì)失穩(wěn)；在地層溫度下，固砂液在動(dòng)態(tài)條件下能穩(wěn)定12 h。按注入排量為0.2 m3·min-1計(jì)算，100 m3固砂液的注入時(shí)間約為8 h，滿足大多數(shù)工況下的安全注入。

2.2 固結(jié)性能

選取與目標(biāo)氣田儲(chǔ)層物性及礦物組成相近的露頭巖心作為固結(jié)基礎(chǔ)，利用氮?dú)鉁y(cè)定其初始?xì)鉁y(cè)滲透率，使用抗壓強(qiáng)度測(cè)試儀測(cè)定其初始抗壓強(qiáng)度，然后注入固砂液體系，在一定溫度下固化一定時(shí)間后，測(cè)定固結(jié)體滲透率和抗壓強(qiáng)度變化情況。

通過(guò)露頭巖心固結(jié)體的質(zhì)量損失來(lái)表征氣體沖刷時(shí)固結(jié)體的出砂率。根據(jù)目標(biāo)氣田的生產(chǎn)壓差，結(jié)合實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)情況，確定氣體沖刷實(shí)驗(yàn)壓差為4 MPa，沖刷時(shí)間為4 h，氣源為氮?dú)?。出砂?η)按下式計(jì)算：

式中：m0為沖刷前固結(jié)體的質(zhì)量，g；m1為沖刷后固結(jié)體的質(zhì)量，g。

2.2.1 固化時(shí)間對(duì)固結(jié)體性能的影響

固定固化溫度為 85 ℃，考察固化時(shí)間對(duì)固結(jié)體性能的影響，結(jié)果見表3。

表3 固化時(shí)間對(duì)固結(jié)體性能的影響

由表 3可知，隨著固化時(shí)間的延長(zhǎng)，固結(jié)體滲透率保留率逐漸下降，抗壓強(qiáng)度提高率逐漸升高，出砂變化率逐漸下降。這是由于固化時(shí)間越長(zhǎng)，固砂液中的有效成分與固結(jié)體之間的交聯(lián)作用越充分。當(dāng)固化時(shí)間達(dá)到72 h后，繼續(xù)延長(zhǎng)固化時(shí)間，固結(jié)體的滲透率保留率、抗壓強(qiáng)度提高率、出砂變化率的變化幅度不大。因此，新型HWR水基固砂液體系的最佳固化時(shí)間為72 h。

2.2.2 固化溫度對(duì)固結(jié)體性能的影響

固定固化時(shí)間為 72 h，考察固化溫度對(duì)固結(jié)體性能的影響，結(jié)果見表4。

表4 固化溫度對(duì)固結(jié)體性能的影響

由表 4可知，隨著固化溫度的升高，固結(jié)體滲透率保留率逐漸下降，抗壓強(qiáng)度提高率明顯升高，出砂變化率明顯下降。這是由于固化溫度越高，固砂液中的樹脂和固化劑的固化程度就越高，固化反應(yīng)更加完全。表明，新型HWR水基固砂液體系具有較好的抗溫性能。

2.2.3 固結(jié)體的穩(wěn)定性能

固結(jié)體穩(wěn)定性能是模擬考察地層固砂后固結(jié)體在地層環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，從而可以間接證明化學(xué)防砂的有效期。固定固化溫度為 85 ℃、固化時(shí)間為 72 h，將露頭巖心固結(jié)體置于目標(biāo)氣田地層水中，分別浸泡10 d、20 d 和 30 d，測(cè)定浸泡前后固結(jié)體的性能參數(shù)，結(jié)果見表5。

表5 浸泡時(shí)間對(duì)固結(jié)體穩(wěn)定性能的影響

由表5可知，隨著固結(jié)體在地層水中浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，其滲透率保留率逐漸升高，抗壓強(qiáng)度降低率逐漸升高，出砂變化率逐漸升高，但其變化幅度均較小，固結(jié)體具有較好的老化穩(wěn)定性。表明，新型HWR水基固砂液體系能夠適應(yīng)目標(biāo)氣田的地層環(huán)境，在固砂作業(yè)后可以保證地層在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于一種穩(wěn)定狀態(tài)(有效期較長(zhǎng))，從而有效保障氣井的穩(wěn)定生產(chǎn)。

2.3 固結(jié)體的微觀形貌

室內(nèi)采用SU8010 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立)對(duì)新型HWR水基固砂液體系固結(jié)前后的露頭巖心進(jìn)行微觀形貌分析，結(jié)果見圖1。

圖1 固結(jié)前(a,b)、后(c,d) 3-6#露頭巖心的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM images of outcrop core 3-6# before(a,b) and after(c,d) consolidation

由圖 1可知，3-6#露頭巖心經(jīng)新型HWR水基固砂液體系固結(jié)后，巖心顆粒表面明顯可見吸附的固化后的固砂液，同時(shí)孔隙通道發(fā)育。表明，固化后的固砂液沒(méi)有對(duì)巖心孔隙造成明顯的堵塞，具有良好的儲(chǔ)層保護(hù)效果。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

L氣田A16h井2014年9月投產(chǎn)，平均無(wú)阻流量為28×104m3·d-1，測(cè)試日產(chǎn)氣量為8×104～9×104m3·d-1。該井目前出砂嚴(yán)重，日產(chǎn)液量約為1.2 m3·d-1，日出砂量約為30 L·d-1。砂樣粒度分析顯示砂樣為含泥、含細(xì)砂粉砂巖，出砂粒徑較小，機(jī)械防砂措施已無(wú)法有效阻擋地層出砂。因此，采用新型HWR水基固砂液體系對(duì)該井進(jìn)行化學(xué)防砂，具體施工工藝如下：

(1)注入前置液，主要目的是清洗近井地帶，同時(shí)降低表面張力和界面張力，有助于固砂劑在砂粒表面的吸附。

(2)注入新型HWR水基固砂液體系。

(3)注入頂替液過(guò)濾海水，主要目的是將施工管柱中的固砂液擠入地層。

(4)關(guān)井反應(yīng)3 d后，返排投產(chǎn)。

化學(xué)防砂施工前A16h井的日產(chǎn)氣量為8.3×104m3·d-1，施工后達(dá)到11.5×104m3·d-1，日產(chǎn)氣量提高了38.5%；化學(xué)防砂施工后A16h井的日產(chǎn)液量明顯下降，由1.2 m3·d-1降至0.8 m3·d-1，并且不再出砂。表明，新型HWR水基固砂液體系具有較好的固砂效果，達(dá)到了恢復(fù)目標(biāo)氣井產(chǎn)能的目的。

4 結(jié)論

(1)在分析了目標(biāo)氣田儲(chǔ)層出砂原因的基礎(chǔ)上，室內(nèi)構(gòu)建了一套適合海上氣井的新型HWR水基固砂液體系，其配方為：8%樹脂HWR-301+12%固化劑HWR-302+4%固化調(diào)節(jié)劑HWR-303+76%鹽水。

(2)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，新型HWR水基固砂液體系具有注入黏度低、安全施工時(shí)間長(zhǎng)、固結(jié)性能好等特點(diǎn)；固結(jié)體在目標(biāo)氣田地層水中浸泡30 d后，仍能保持較好的穩(wěn)定性。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，A16h井采用新型HWR水基固砂液體系進(jìn)行化學(xué)防砂施工后，日產(chǎn)氣量提高了38.5%，且施工后日產(chǎn)液量明顯下降，不再出砂，取得了較好的防砂效果，推廣應(yīng)用前景廣闊。