春光油田低溫稀油油藏泡沫+樹脂固砂技術(shù)

邢德鋼 程紅曉 趙長(zhǎng)喜 李洲 毛為成

中國(guó)石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院

春光油田低溫稀油油藏埋深900～1 400 m，油層溫度38～45 ℃，平均孔隙度大于30%，滲透率大于1 000×10-3um2。巖性為含礫粉砂巖、細(xì)砂巖，地層砂粒徑中值分布范圍0.12～0.20 mm，屬于細(xì)粉砂地層，成巖強(qiáng)度低，壓實(shí)作用弱，地層容易出砂。隨著油井含水的不斷增加，地層出砂越來(lái)越嚴(yán)重，單純的機(jī)械防砂不能滿足要求?；瘜W(xué)防砂可以固定潛在出砂層或穩(wěn)定地層［1-2］，通過化學(xué)防砂方法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)砂、固砂或者選擇化學(xué)/機(jī)械相結(jié)合的防砂方法，可延長(zhǎng)防砂有效期［3-4］。常規(guī)樹脂固砂劑如酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、脲醛樹脂、糠醇樹脂等［5-7］在高溫下固化強(qiáng)度較高，但在低溫下固化困難或者固結(jié)強(qiáng)度低。近年來(lái)，有研究報(bào)道泡沫+樹脂固砂劑［8-10］的固化溫度基本都在50 ℃以上，才能達(dá)到較高的固結(jié)強(qiáng)度。三聚氰胺甲醛樹脂具有優(yōu)良的低溫化學(xué)活性和固結(jié)后的穩(wěn)定性能，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于泡沫塑料、涂料和粘合劑等領(lǐng)域，本文以改性三聚氰胺甲醛樹脂為主劑，通過組分優(yōu)化和性能評(píng)價(jià)，以期研制出具有低溫固結(jié)、強(qiáng)度高和滲透性好等特點(diǎn)的化學(xué)固砂體系，滿足春光油田低溫儲(chǔ)層防砂需求，從而改善春光油田的開發(fā)效果。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

石英砂40～60目(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)；十二烷基硫酸鈉(澳尼克合成化學(xué)有限公司)；羧甲基纖維素鈉(鄭州東方助劑有限公司)；固化劑(酸式鹽和有機(jī)酸的混合物，自制)；合成樹脂，由有機(jī)硅KH560對(duì)三聚氰胺甲醛樹脂進(jìn)行交聯(lián)改性，改性后的樹脂由于三嗪環(huán)之間的距離進(jìn)一步加大，從而使體系在低溫下活性更高。

Blender攪拌器(GJD-512 青島恒泰達(dá)機(jī)電設(shè)備有限公司)，?25 mm×200 mm的玻璃填砂管，雙作用驅(qū)動(dòng)泵(TELEDYNE ISCO 260D)，高壓密閉容器，油井水泥壓力試驗(yàn)機(jī)(沈陽(yáng)航空航天大學(xué)應(yīng)用技術(shù)研究所)，巖心流動(dòng)儀(石油大學(xué)石儀公司)，巖心磨片機(jī)(海安石油科研儀器有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 泡沫體積和泡沫析液半衰期的測(cè)定

取待測(cè)溶液樣品20 mL，放置于攪拌器中，調(diào)整攪拌器轉(zhuǎn)速至600 r/min，在常溫下攪拌3 min后取出，倒入量筒中靜置，測(cè)量并記錄高度最大時(shí)的泡沫體積和析液半衰期。

1.2.2 固結(jié)體的制備

將?25 mm×200 mm的玻璃管一端封閉，加入清水約10 mL，再加入少量清洗晾干過篩的40～60目石英砂，晃動(dòng)并用玻璃棒搗實(shí)，填砂至水液面時(shí)繼續(xù)加10 mL清水，加砂震蕩并搗實(shí)，連續(xù)該過程直至將玻璃管填滿，記錄加入清水量。使用雙作用驅(qū)動(dòng)泵將固砂體系泵入填砂管中，注入體積為清水量的1.5倍。泵入完畢后將玻璃管防水密封，在放入溫度40 ℃的水浴中恒溫12 h，取出放置至常溫，用細(xì)銅棒輕擊玻璃管，使玻璃管碎裂，清理干凈固結(jié)體表面玻璃碎片，放置于巖心磨片機(jī)處理端面，精確測(cè)量固結(jié)體尺寸。

1.2.3 固結(jié)體抗壓強(qiáng)度評(píng)價(jià)方法

固結(jié)體抗壓強(qiáng)度的測(cè)量按照SY 5276—2000標(biāo)準(zhǔn)［11］進(jìn)行。

1.2.4 固結(jié)體滲透率的測(cè)定

將制備好的固結(jié)體放入巖心夾持器中，再使用雙作用驅(qū)動(dòng)泵將蒸餾水泵入填砂管中，待壓力平穩(wěn)后，讀出壓力值，固結(jié)體的水相滲透率按照Q/SHCG 13—2011樹脂類固砂劑技術(shù)要求［12］的規(guī)定測(cè)定。

2 泡沫+樹脂體系優(yōu)化

2.1 樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

配制不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的樹脂水溶液，攪拌均勻后靜置觀察溶液穩(wěn)定情況。樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，7 min后開始沉淀分層。當(dāng)樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于35%時(shí)溶液有較好的穩(wěn)定性，乳液24 h不分層。

固定固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，改變?nèi)芤褐袠渲馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)，制作固結(jié)體，測(cè)試固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度和滲透率，如圖1所示。

由圖1可以看出，樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固砂性能有明顯的影響，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于40%時(shí)固結(jié)體抗壓強(qiáng)度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加提高較快，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40%后抗壓強(qiáng)度趨于平穩(wěn)。滲透率隨樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而逐漸減小。綜合考慮固砂成本與經(jīng)濟(jì)效益，確定合成樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%。

圖1 樹脂質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固砂性能的影響Fig.1 Influence of resin’s mass fraction on sand consolidation performance

2.2 固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

溫度較低時(shí)樹脂加入酸性催化劑才能固化。無(wú)機(jī)酸反應(yīng)速度較快且腐蝕性強(qiáng)，有機(jī)酸酸性較弱，但成本較高，綜合考慮固結(jié)強(qiáng)度、固化時(shí)間和成本等因素，選擇酸式鹽和有機(jī)酸的復(fù)配混合物(復(fù)配比例8∶2)作為固化劑，如表1所示。改變固砂體系中的固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，測(cè)量固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度和滲透率，如圖2所示。

表1 固化劑種類及性能特點(diǎn)Table 1 Types and performances of solidifying agents

圖2 固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固砂性能的影響Fig.2 Influence of solidifying agent’s mass fraction on sand consolidation performance

從圖2可以看出，固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固砂性能影響比較復(fù)雜，滲透率隨固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加逐漸減小，而固結(jié)體抗壓強(qiáng)度隨固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加出現(xiàn)了先上升后下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)楣袒瘎┻^量時(shí)，多余的游離態(tài)固化劑離子會(huì)抑制樹脂的縮合反應(yīng)，造成脆性增加，從而影響固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度。結(jié)合抗壓強(qiáng)度和滲透率，確定固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%。

2.3 起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

趙國(guó)璽［13］研究認(rèn)為可以用泡沫綜合指數(shù)作為評(píng)價(jià)泡沫性能的參數(shù)，泡沫綜合指數(shù)表達(dá)式如下

式中，F(xiàn)q為泡沫綜合指數(shù)，min · mL；hmax為發(fā)泡高度最大時(shí)泡沫體積，mL；t1/2為泡沫析液半衰期，min。

優(yōu)選十二烷基硫酸鈉(SDS)作為起泡劑，以泡沫綜合指數(shù)為指標(biāo)評(píng)價(jià)其起泡效果，如圖3所示。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)SDS起泡效果Fig.3 Foaming effect of SDS at different mass fractions

由圖3可以看出，隨著SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，泡沫綜合指數(shù)先增加后減小，當(dāng)SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，泡沫綜合指數(shù)最大，達(dá)到2 120 min · mL。這是因?yàn)椋谂R界膠束質(zhì)量分?jǐn)?shù)以下時(shí)，隨著起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，泡沫表面吸附的分子增加，液膜增厚，從而增加了泡沫的穩(wěn)定性，但當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加超過臨界質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，分子間互相締合，降低了液膜厚度，導(dǎo)致泡沫穩(wěn)定性變差［14］，優(yōu)選起泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%。

2.4 穩(wěn)泡劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的確定

優(yōu)選羧甲基纖維素鈉(CMC)作為穩(wěn)泡劑，評(píng)價(jià)泡沫性能，如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，泡沫穩(wěn)定性先增加然后降低，當(dāng)CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)，泡沫綜合指數(shù)達(dá)到峰值3 450 min · mL，然后逐漸減小。這是因?yàn)?，在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，體系黏度隨CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而增加，液膜表面流動(dòng)性降低，排液減慢，泡沫穩(wěn)定性增加。當(dāng)繼續(xù)增加CMC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，體系中的鈉離子導(dǎo)致分子的卷曲程度變化，體系黏度降低，液膜表面排液加快，泡沫穩(wěn)定性降低［15］，故確定穩(wěn)泡劑CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMC穩(wěn)泡效果Fig.4 Foam stabilizing effect of CMC at different mass fractions

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定泡沫+樹脂固砂體系基本配方為：40%合成樹脂水溶液+1.0%固化劑+0.5%起泡劑+1.0%穩(wěn)泡劑。

2.5 氣液體積比及擴(kuò)孔方式優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)采用40～60目石英砂和泡沫+樹脂固砂體系，氣相為氮?dú)猓淖凅w系氣液體積比，測(cè)量固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度與滲透率，見表2。

表2 不同氣液體積比下的固結(jié)體抗壓強(qiáng)度與滲透率Table 2 Compression strength and permeability of consolidation body at different gas/liquid volume ratios

由表2可知，氣液體積比越低，固結(jié)體抗壓強(qiáng)度越大，滲透率越低。根據(jù)指標(biāo)要求固結(jié)體抗壓強(qiáng)度需要大于6 MPa，從表2中優(yōu)選的氣液體積比為1∶1，密度0.54 g/cm3，抗壓強(qiáng)度為6.12 MPa，固結(jié)滲透率為1.76 μm2。

泡沫+樹脂固砂體系雖然較普通樹脂固砂體系具有更好滲透率，但是為了防止固結(jié)后部分泡沫不破滅，以至于影響地層滲透率，對(duì)該體系的擴(kuò)孔方式進(jìn)行了優(yōu)選。選擇40～60目石英砂，在注入固砂體系后分別注入2倍體積的不同介質(zhì)，固結(jié)后測(cè)試固結(jié)體滲透率和抗壓強(qiáng)度，評(píng)價(jià)不同擴(kuò)孔介質(zhì)對(duì)固結(jié)體抗壓強(qiáng)度和滲透率的影響，見表3。

表3 不同擴(kuò)孔方式下固結(jié)體抗壓強(qiáng)度與滲透率Table 3 Compression strength and permeability of consolidation body in different reaming modes

由表3可知，擴(kuò)孔介質(zhì)以氮?dú)鈹U(kuò)孔最優(yōu)，擴(kuò)孔后抗壓強(qiáng)度降低了14.5%，滲透率提高了61.4%。而水和煤油作為擴(kuò)孔劑在推進(jìn)時(shí)會(huì)影響固砂劑在顆粒表面的滯留，還會(huì)造成部分樹脂從體系中析出，形成絮狀物，堵塞孔隙，從而影響固結(jié)體抗壓強(qiáng)度和滲透性。

3 泡沫+樹脂固砂體系的性能評(píng)價(jià)

3.1 低溫固結(jié)性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)條件：40～60目的石英砂與泡沫+樹脂固砂體系按照4∶1的質(zhì)量比例，用玻璃棒攪拌均勻后裝入標(biāo)準(zhǔn)模具中，分別置于30～80 ℃水浴中恒溫12 h，放置常溫后測(cè)量固結(jié)體抗壓強(qiáng)度，見圖5。

圖5 溫度對(duì)固結(jié)體抗壓強(qiáng)度的影響Fig.5 Influence of temperature on the compression strength of consolidation body

由圖5可以看出，在45 ℃以下時(shí)隨著溫度升高固結(jié)體抗壓強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)溫度達(dá)到45 ℃時(shí)，隨著溫度升高，強(qiáng)度稍有減小，這是由于溫度升高起泡性能增強(qiáng)導(dǎo)致樹脂有效含量下降、交聯(lián)密度減小。在35～80 ℃，固結(jié)體抗壓強(qiáng)度均在5 MPa以上，春光油田地層溫度38～45 ℃，因此泡沫+樹脂體系可以在地層溫度下固結(jié)，并具有較高抗壓強(qiáng)度。

3.2 耐介質(zhì)性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)條件：制備固結(jié)體，將其切割為50 mm等長(zhǎng)圓柱體2個(gè)，1個(gè)備用，將另1個(gè)固結(jié)體浸泡在裝有介質(zhì)溶液的燒杯中，保證固結(jié)體全部浸入介質(zhì)中，用保鮮膜密封燒杯放置于40 ℃水浴中恒溫7 d，取出靜置至常溫后與備用固結(jié)體同時(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度，評(píng)價(jià)泡沫+樹脂固砂體系的耐介質(zhì)性能。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了地層水、高礦化度NaCl溶液、柴油、高質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaOH和HCl對(duì)固結(jié)體抗壓強(qiáng)度的影響，見表4。

表4 固結(jié)體耐介質(zhì)性能實(shí)驗(yàn)Table 4 Experimental results of the medium resistance of consolidation body

由表4可以看出，泡沫+樹脂固砂體系受地層水、高礦化度溶液和柴油影響較小，浸泡后固結(jié)體強(qiáng)度幾乎沒有變化，表明泡沫+樹脂固砂體系具有良好耐水、耐油和耐鹽性能。在10% NaOH和10% HCl溶液中固結(jié)體抗壓強(qiáng)度下降明顯，尤其在10% HCl溶液中浸泡后抗壓強(qiáng)度保留率為59.40%，表明泡沫+樹脂固砂體系耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿性能較差。

4 固砂深度優(yōu)化及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 固砂深度優(yōu)化

模擬油藏生產(chǎn)條件為：產(chǎn)液量100 m3/d，假設(shè)油層厚度為5 m，則井周20 cm處流體的線性速度為2.2 cm/min，折算室內(nèi)填砂管沖刷速度為10.8 mL/min。

首先填砂管中注入地層水飽和后，正向注入泡沫+樹脂固砂體系，40 ℃靜置12 h固化，恒定排量10.8 mL/min反向沖刷填砂管，收集出口液體中出砂量，見圖6和圖7。

圖6、圖7表明隨著泡沫+樹脂固砂體系注入填砂管的深度增加，出砂量減少，固砂深度在大于40 cm后，在反向注入50PV礦化水沖刷時(shí)，基本不出砂?？紤]地層非均質(zhì)性，保證固砂有效期，選用固砂深度大于0.5 m。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2017年11月以來(lái)，該技術(shù)在春光油田排2、排8、排206、春45等常采區(qū)塊開展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用27井次，措施后油井平均日產(chǎn)液由3.59 m3升至9.42 m3，日產(chǎn)油由1.72 t升至3.89 t，平均檢泵周期由35 d延長(zhǎng)至112 d (目前部分油井繼續(xù)有效)，油井無(wú)砂生產(chǎn)期最長(zhǎng)達(dá)232 d，階段恢復(fù)油井產(chǎn)能2.85×104m3，階段恢復(fù)原油產(chǎn)量1.17×104t。

圖6 不同固砂深度下注入體積對(duì)出砂量的影響Fig.6 Influence of injection volume on sand production rate at different sand consolidation depths

圖7 固砂深度對(duì)出砂量的影響Fig.7 Influence of sand consolidation depth on sand production rate

典型井：春155E側(cè)1井，措施前采用循環(huán)充填固砂，措施有效期只有20 d左右，應(yīng)用該技術(shù)后油井連續(xù)生產(chǎn)202 d，有效提高了油井生產(chǎn)時(shí)率，措施效果明顯。

5 結(jié)論

(1)研制出的泡沫+樹脂固砂體系具有低密度、低溫固結(jié)(35 ℃)、高強(qiáng)度、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和高滲透性的有機(jī)統(tǒng)一。

(2)研制的泡沫+樹脂固砂體系具有良好的耐水、耐油和耐鹽性能，可以適應(yīng)春光儲(chǔ)層固砂需求。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，泡沫+樹脂固砂技術(shù)能有效恢復(fù)油井產(chǎn)能，延長(zhǎng)生產(chǎn)時(shí)間，可滿足春光油田儲(chǔ)層細(xì)粉砂固砂技術(shù)要求。