低滲透油氣藏壓裂用防砂劑的研制及應(yīng)用

劉 望，肖勇軍，石 凱，王柯人，岳文翰，徐太平，李 栓

(1.四川長(zhǎng)寧天然氣開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610051；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司頁(yè)巖氣研究院，四川 成都 610051；3.捷貝通石油技術(shù)集團(tuán)股份有限公司，四川 成都 610015)

油氣井出砂危害極大，特別是低滲透油氣藏壓裂后支撐劑回流返吐會(huì)嚴(yán)重影響油氣產(chǎn)量。目前的防砂措施主要有機(jī)械防砂工藝、化學(xué)防砂工藝、復(fù)合防砂工藝[1-6]。其中機(jī)械防砂工藝主要包括繞絲篩管礫石充填、濾砂管等，但是井內(nèi)的留存物會(huì)造成后期處理難度大，同時(shí)防砂工具堵塞易造成產(chǎn)能降低?；瘜W(xué)防砂主要采用化學(xué)材料實(shí)現(xiàn)出砂層膠固，施工方便，易于后期作業(yè)。常用的化學(xué)防砂主要采用樹(shù)脂類防砂劑、纖維防砂、復(fù)合水泥砂漿防砂等[7-13]。

本文報(bào)道了一種新型的化學(xué)防砂劑，通過(guò)預(yù)硫化羧基丁腈膠乳、雙酚A聚醚等與交聯(lián)劑作用，實(shí)現(xiàn)高效固砂，并通過(guò)反應(yīng)產(chǎn)生氣體通道提高滲透性。該防砂劑在壓裂時(shí)以尾追的方式注入，可有效防止支撐劑回流返吐，并具有一定的穩(wěn)產(chǎn)效果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

羧基丁腈膠乳(DRC≥40%)，工業(yè)品，淄博齊龍化工有限公司；硫磺(化學(xué)純)、氧化鋅(化學(xué)純)、硬脂酸(分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；防老劑、促進(jìn)劑，工業(yè)品，寧波艾克姆新材料股份有限公司；蓖麻油，工業(yè)品，濰坊晨星化工科技有限公司；順丁烯二酸酐，工業(yè)品，濟(jì)南創(chuàng)世化工有限公司；三(2-羥乙基)異氰酸酯，工業(yè)品，揚(yáng)州三得利化工有限公司；雙酚A聚醚，工業(yè)品，浙江皇馬科技股份有限公司；三乙烯二胺，試劑級(jí)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；壓裂用自交聯(lián)乳液(GPFR-4)，捷貝通石油技術(shù)集團(tuán)股份有限公司。

1.2 制備方法

1.2.1 預(yù)硫化羧基丁腈膠乳(GPFS-A)的制備

將硫化劑、防老劑及硫化促進(jìn)劑等進(jìn)行球磨穩(wěn)定分散到水中，配制成相應(yīng)的分散液。將一定量的羧基丁腈膠乳加入三口燒瓶中，并于70 ℃下預(yù)熱，接著將配制好的硫化劑分散液等按比例加入到三口燒瓶中?；旌先橐涸?0 ℃下機(jī)械攪拌1 h后冷卻至室溫，加入雙酚A聚醚及三乙烯二胺，即得到預(yù)硫化羧基丁腈膠乳。

1.2.2 交聯(lián)劑(GPFS-B)的制備

將蓖麻油加熱至115 ℃除水20 min，隨后降溫至65 ℃以下，加入順丁烯二酸酐并攪拌，升溫至140 ℃反應(yīng)2 h，加入三(2-羥乙基)異氰酸酯，升溫至150 ℃反應(yīng)繼續(xù)1 h，冷卻至室溫，得到復(fù)合交聯(lián)劑。

1.2.3 復(fù)合防砂劑(GPFS)的制備

GPFS-A、GPFS-B按照一定比例混合，攪拌均勻，得到復(fù)合防砂劑GPFS。

2 防砂劑的防砂機(jī)理

2.1 固結(jié)機(jī)理

GPFS在固結(jié)前流動(dòng)性好(見(jiàn)圖1)，當(dāng)防砂劑中的預(yù)硫化羧基丁腈膠乳及雙酚A聚醚通過(guò)多官能團(tuán)交聯(lián)劑產(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)時(shí)，形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將砂粒包裹并固化(見(jiàn)圖2)。體系中引入的六元環(huán)結(jié)構(gòu)賦予固結(jié)體優(yōu)異的黏結(jié)性、耐溫性、抗壓性及耐腐性能。

圖1 防砂劑固結(jié)前的狀態(tài)

圖2 防砂劑與砂粒固結(jié)后的狀態(tài)

2.2 滲透機(jī)理

GPFS-A和GPFS-B混合后，在一定溫度下，交聯(lián)劑中的異氰酸酯與體系中的水反應(yīng)先生成不穩(wěn)定的氨基甲酸，然后很快分解成胺和二氧化碳。產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w在雙酚A聚醚作用下迅速發(fā)泡，生成泡沫體，從而在固化過(guò)程中形成蜂窩狀滲流通道(圖3)。

圖3 砂粒固結(jié)體的微觀形貌

3 GPFS性能評(píng)價(jià)

3.1 注入性能

防砂劑的注入性能是將防砂劑有效輸送至目的層的重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)采用六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試了不同配比復(fù)合防砂劑在常溫的稠化時(shí)間，評(píng)價(jià)在常溫條件下(30 ℃、170 s-1)黏度隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 防砂劑(GPFS)黏度與時(shí)間的關(guān)系

表1可見(jiàn)，體系初始黏度隨著GPFS-A組分比例的增大而增加，起黏時(shí)間隨著GPFS-A組分比例的增大而延長(zhǎng)。這是由于GPFS-B組分中含有交聯(lián)劑，隨著體系中交聯(lián)劑含量的減少，體系中能與硫化膠乳發(fā)生交聯(lián)作用的基團(tuán)減少，從而延長(zhǎng)了體系的交聯(lián)固結(jié)時(shí)間。該防砂劑在30 ℃下，不同組分體系的黏度均低于100 mPa·s，具有良好的流動(dòng)性；起黏時(shí)間均在6 h以上。防砂劑良好的流動(dòng)性和可調(diào)控的起黏時(shí)間，有利于現(xiàn)場(chǎng)液體的注入，并且避免了操作時(shí)間延長(zhǎng)引起的提前交聯(lián)固結(jié)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 耐溫性能

按(m(20～40目陶粒)∶m(防砂劑)∶m(滑溜水)=7∶1∶2配制固砂液，滑溜水由0.2%自交聯(lián)乳液GPFR-4制得；m(GPFS-A)∶m(GPFS-B)=3∶1)，將其放入直徑為2.5 cm的自制模具中，在不同溫度條件固化，將形成的砂粒固結(jié)體，采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，從而考察砂粒固結(jié)體的耐溫性能，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同溫度下形成砂粒固結(jié)體的時(shí)間及抗壓強(qiáng)度

由表2可見(jiàn)，在50～150 ℃下形成的砂粒固結(jié)體都具有良好的固結(jié)性能和抗壓強(qiáng)度，形成固結(jié)體的時(shí)間隨溫度的升高逐漸縮短，固化強(qiáng)度隨溫度的升高逐漸增大。這是由于隨著溫度的升高，交聯(lián)劑分子的活化能增加，交聯(lián)基團(tuán)與硫化膠乳的反應(yīng)速度加快，從而縮短固化時(shí)間。固化強(qiáng)度隨著溫度升高而增大，這是由于隨著溫度升高有利于交聯(lián)劑分子與更多的硫化膠乳發(fā)生反應(yīng)，形成的三維網(wǎng)絡(luò)空間更緊密，從而增強(qiáng)了產(chǎn)品的抗壓性能。

3.3 抗壓性能

按3.2制備固砂液，90 ℃放置3 h得到不同粒徑陶粒的固結(jié)體，采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試砂粒固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，隨著陶粒目數(shù)的增大，形成的固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度越高。這是由于陶粒目數(shù)越大，陶粒粒徑越小，防砂劑與陶粒間發(fā)生固結(jié)作用時(shí)，陶粒粒徑越小，生成的三維空間結(jié)構(gòu)越緊密，形成的蜂窩狀滲流通道越窄，在壓力作用下表現(xiàn)出更高的承壓能力。

表3 防砂劑與不同粒徑陶粒形成的固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度

3.4 滲透性能

將相同條件下制備的砂粒固結(jié)體在50～150 ℃下連續(xù)處理24 h后取出，采用氣體滲透率測(cè)定儀測(cè)試砂粒固結(jié)體的滲透性能，結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可見(jiàn)，固結(jié)體在不同溫度下處理后仍具有較高的滲透率，并且溫度越高滲透性能越好。這是由于高溫加強(qiáng)了增滲劑的氣化作用，在固結(jié)體的形成過(guò)程中，大量氣體的碰撞逸出促使了更多滲流通道的形成，從而表現(xiàn)出溫度越高、滲透性能越好。

表4 砂粒固結(jié)體在不同溫度作用后的滲透率

3.5 耐腐蝕性能

常溫、常壓條件下，將鋼片放入未固結(jié)的防砂劑溶液中浸泡，測(cè)試防砂劑對(duì)鋼片的靜態(tài)腐蝕情況，見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn)，防砂劑對(duì)鋼片的腐蝕速率較低(平均腐蝕速率0.79 g/(m2·h)，現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用中對(duì)注入管線的腐蝕性小。

表5 防砂劑溶液對(duì)鋼片的腐蝕情況

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

4.1 在直井壓裂上的應(yīng)用

2018年，GPFS在國(guó)內(nèi)某油田6口直井成功應(yīng)用。其中4口氣井和2口油井均采用尾追防砂壓裂工藝。6口井壓裂后均沒(méi)有出砂情況，整體防砂效果好，每口井均保持較好的產(chǎn)量,見(jiàn)表6。

表6 防砂效果統(tǒng)計(jì)

同區(qū)塊同層位氣井臨井36口井，同區(qū)塊同層位油井臨井22口井，在壓裂后均出現(xiàn)了不同程度的出砂，其中氣井3井次，油井2井次因出砂導(dǎo)致生產(chǎn)井停產(chǎn)。對(duì)比防砂后油氣井產(chǎn)量，防砂后4口井氣井平均產(chǎn)量4.62×104m3/d，2口油井的平均產(chǎn)量為3.69 t/d，而同區(qū)塊氣井臨井平均產(chǎn)量為3.46×104m3/d，油井平均產(chǎn)量3.03 t/d，單井氣井產(chǎn)量提高33.53%，單井油井產(chǎn)量提高21.78%。

4.2 在水平井壓裂上的應(yīng)用

GPFS在國(guó)內(nèi)某油田水平井中也實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用。該井為10段分段壓裂，采用尾追防砂壓裂工藝，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)泵注順利，壓裂后開(kāi)井放噴，無(wú)支撐劑返出，并且壓裂后初期產(chǎn)量達(dá)到19.8×104m3/d，產(chǎn)量較未進(jìn)行防砂的同等壓裂井提高30%以上，整體防砂效果好，并且呈現(xiàn)出一定的增產(chǎn)效果。

5 結(jié) 論

a.GPFS采用預(yù)硫化羧基丁腈膠乳、雙酚A聚醚同交聯(lián)劑產(chǎn)生交聯(lián)作用，與砂粒形成固結(jié)體，從而達(dá)到固砂效果。

b.GPFS具有良好的注入性能，固結(jié)時(shí)間可調(diào)，形成的砂粒固結(jié)體的耐溫性能好、抗壓能力強(qiáng)、滲透性好，對(duì)注入管線的腐蝕性小。

c.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該防砂劑在壓裂施工時(shí)，采用尾追方式注入，實(shí)現(xiàn)有效固砂，防止支撐劑返吐，提高穩(wěn)產(chǎn)效果，具有很好的應(yīng)用前景。