新型分子膜固砂劑的制備與性能實驗研究

劉義剛，劉長龍，高 尚，朱艷華，張 璐

（中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津 300459）

渤海油田S區(qū)塊構造復雜，斷塊較多，儲層薄，既有巖性油藏，又有邊水能量不足的巖性構造油藏。目前，該油田油井的大泵提液需求大、出砂或砂堵風險高、酸化解堵增產(chǎn)效果有限且有效期短，亟需尋找針對該類油田油井的防砂方案和技術對策。常規(guī)機械防砂技術無法根治儲層出砂問題[1-3]，常規(guī)化學防砂技術無法滿足低傷害、高固結(jié)強度且能配合酸化使用的作業(yè)條件[4-6]。因此，筆者通過室內(nèi)實驗制備了一種適合渤海油田S區(qū)塊的有機-無機復合聚合物分子膜固砂劑體系，并對該體系的性能進行了室內(nèi)評價，為化學防砂技術在渤海油田的應用奠定了良好的技術基礎。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

硅酸鈉、氟硅酸、氟硼酸、硅烷偶聯(lián)劑、NH4Cl，均為分析純，成都科龍化工試劑有限公司；緩蝕劑、鐵離子穩(wěn)定劑，均為工業(yè)品，成都安實得石油科技開發(fā)有限公司；蒸餾水，實驗室自制；巖心，取自渤海油田S區(qū)塊；N80型標準腐蝕試片。

JSM-5900LV型掃描電子顯微鏡（曼戈斐儀器有限公司）；ZF-9型電子分析天平（上海正方電子儀器廠）；JJ-1型增力電動攪拌器（天瑞儀器有限公司）；HJ-3型磁力攪拌器（貝侖儀器有限公司）；HH-2K型恒溫水浴（鞏義市予華儀器有限公司）；PSH-3C pH型酸度計（雙旭電子有限公司）；SHPJ-2型巖心流動試驗儀（華興石油儀器有限公司）。

1.2 實驗方法

根據(jù)目標油田儲層巖性、巖石結(jié)構、出砂情況[7,8]，從降低儲層傷害、延長酸化效果考慮，對無機-有機復合分子膜固砂劑體系的配伍性、腐蝕性、耐沖刷性、滲透率傷害性、固砂效果等綜合性能進行評價。

1.2.1 分子膜固砂劑的制備

（1）用去離子水分別配制質(zhì)量分數(shù)為15%的硅酸鈉水溶液、3%的氟硅酸水溶液及0.1%的硅烷偶聯(lián)劑水溶液。

（2）取體積比為25∶25∶1的3%氟硅酸水溶液、15%硅酸鈉水溶液、0.1%硅烷偶聯(lián)劑溶液混合，充分攪拌后即得到分子膜固砂劑。該分子膜固砂劑能夠有效包覆游離砂粒，增加砂粒之間的粘結(jié)性，減小微粒運移的可能性。

1.2.2 固砂劑體系的配伍性 將制備的無機-有機復合分子膜固砂劑體系分別與緩蝕劑、鐵離子穩(wěn)定劑混合，在60℃下觀察混合體系靜置不同時間后的直觀變化，分析分子膜固砂劑體系與緩蝕劑、鐵離子穩(wěn)定劑的配伍性。

1.2.3 固砂劑體系的腐蝕性 本文制備的無機-有機復合分子膜固砂劑體系為酸性體系，為降低該體系對金屬材料的腐蝕性，向體系中添加0.6%緩蝕劑，在60℃下，采用靜態(tài)失重法測試含和不含緩蝕劑的固砂劑體系對N80鋼材試樣的腐蝕速率。

1.2.4 固砂劑體系的滲透率傷害率 采用巖心驅(qū)替試驗儀測試分子膜固砂劑對天然巖心的滲透率傷害率。試驗溫度為60℃，試驗圍壓為3～4MPa；試驗步驟：正驅(qū)基液（測K0）→正驅(qū)固砂劑→反驅(qū)基液，即：（1）注入4% NH4Cl，確定巖心的基準滲透率；（2）注入分子膜固砂劑體系，測定固砂過程中巖心滲透率的變化；（3）再次注入4% NH4Cl，確定固砂后巖心的滲透率。

1.2.5 固砂劑體系的耐沖刷性 采用巖心驅(qū)替試驗儀測試分子膜固砂劑對天然巖心的滲透率傷害率。試驗溫度為60℃，試驗圍壓為3～4MPa；將巖粉壓實填至填砂管內(nèi)，注入固砂劑，更換沖刷流量沖刷巖心，測定不同沖刷強度下巖心的滲透率。

1.2.6 固砂劑體系的耐溫性 在不同溫度下測試固砂劑的固砂性能和對巖心滲透率的影響。

1.2.7 固砂劑體系的固砂效果 采用目標油藏巖心進行酸化解堵效果+固砂效果綜合試驗，評價固砂劑配合酸化解堵工藝使用的綜合效果。試驗溫度為60℃，試驗圍壓為3～4MPa；試驗步驟：正驅(qū)基液（測K0）→正驅(qū)酸液→正驅(qū)基液→正驅(qū)固砂劑→反驅(qū)基液，即：（1）注入4% NH4Cl，確定巖心的基準滲透率；（2）注入酸液，測定酸化過程中巖心滲透率的變化；（3）再次注入4% NH4Cl，確定酸化后巖心的滲透率；（4）注入分子膜固砂劑體系，測定固砂過程中巖心滲透率的變化；（5）再次注入4% NH4Cl，確定固砂后巖心的滲透率。

2 結(jié)果與討論

2.1 分子膜固砂劑綜合性能評價

2.1.1 固砂劑體系的配伍性 本文制備的無機-有機復合分子膜固砂劑體系與常用緩蝕劑、鐵離子穩(wěn)定劑等添加劑混合，經(jīng)過一定時間后均能正常成膠，表明該固砂劑體系與添加劑之間具有良好的配伍性，其成膠性能不受緩蝕劑、鐵離子穩(wěn)定劑等添加劑的影響。

2.1.2 固砂劑體系的腐蝕性 在無緩蝕劑的固砂劑體系中經(jīng)過全浸實驗的N80鋼材試樣的腐蝕速率達5.08g·（m2·h）-1；添加緩蝕劑后，N80鋼材試樣的腐蝕速率僅為0.29g·（m2·h）-1，即緩蝕劑可以顯著降低無機-有機復合分子膜固砂劑體系對鋼材試樣的腐蝕性，保證設備和管柱安全生產(chǎn)。

表1為分子膜固砂劑緩蝕性實驗結(jié)果。

表1 分子膜固砂劑緩蝕性實驗結(jié)果Tab.1 Experimental results of corrosion inhibition of molecular film sand fixer

2.1.3 固砂劑體系的滲透率傷害率 使用固砂劑后，巖心滲透率有一定的降低，反驅(qū)基液穩(wěn)定后巖心滲透率傷害率為13%，滲透率保留大于80%，認為該固砂劑體系對儲層滲透率傷害較小。分子膜固砂劑對巖心的滲透率曲線見圖1。

圖1 分子膜固砂劑對巖心的滲透率傷害曲線Fig.1 Permeability damage curve of core caused by molecular film sand fixer

2.1.4 固砂劑體系的耐沖刷性 目前，目標油藏的大部分油井進入高含水期，為保證油田穩(wěn)產(chǎn)，產(chǎn)液強度進一步增大，加劇了對地層砂骨架結(jié)構的破壞，導致出砂的風險和規(guī)模越來越大，因此，固砂劑體系的耐沖刷強度對其固砂強度的影響研究至關重要。圖2為分子膜固砂體系的耐沖刷性實驗結(jié)果。

圖2 分子膜固砂劑體系的耐沖刷性實驗結(jié)果Fig.2 Experimental results of scour resistance of the molecular film sand fixer system

由圖2可知，普通巖心在沖刷強度高于2mL·min-1時，滲透率開始出現(xiàn)下降趨勢，酸化后的巖心能承受的沖刷強度低于1.5mL·min-1，加入固砂劑后的巖心耐沖刷強度高于2.5mL·min-1，為普通巖心耐沖刷強度的1.25倍，明顯提高了巖心的臨界流速，可有效抑制出砂。

2.1.5 固砂劑體系耐溫性

表2為溫度對固砂劑體系固砂性能和巖心滲透率的影響。圖3為溫度對固砂劑固砂性能的影響曲線。

表2 溫度對固砂劑體系固砂性能和巖心滲透率的影響Tab.2 Influence of temperature on sand cementing performance and core permeability of sand cementing agent system

圖3 溫度對固砂劑固砂性能的影響曲線Fig.3 Influence curve of temperature on sand cementing performance of sand cementing agent

由表2和圖3可知，在測試溫度范圍（40～80℃）內(nèi)，隨溫度升高，無機-有機復合分子膜固砂劑體系的固化時間縮短，固砂效果開始變差，但巖心滲透率的傷害率均低于14%，表明該固砂劑體系具有較好的耐溫性能。

2.2 分子膜固砂劑的固砂效果

圖4為氟硼酸+固砂劑的解堵效果曲線。

圖4 氟硼酸+固砂劑的解堵效果曲線Fig.4 Blocking effect curve of fluoroboric acid and sand fixer

由目標油藏巖心的酸化解堵+固砂作業(yè)的綜合試驗分析固砂劑配合酸化解堵工藝使用的綜合效果。經(jīng)過酸化解堵作業(yè)后，儲層堵塞物和儲層骨架被部分溶蝕，儲層疏松程度增加，微粒運移和出砂風險加?。患尤牍躺皠┖?，儲層滲透率雖略有下降，但整體是將酸化后提高的滲透率保持了下來，延長了酸化有效期，表現(xiàn)出良好的固砂效果。

2.3 分子膜固砂劑的固砂機理

本文制備的有機-無機復合分子膜固砂劑體系主要由無機鹽（硅酸鈉）+酸性組裝劑（氟硅酸）+偶聯(lián)劑（有機硅烷）構成，在地層條件下隨著酸液的消耗，體系pH值升高，水玻璃發(fā)生線性成硅酸凝膠；硅烷偶聯(lián)劑的硅烷氧基與地層微粒、儲層巖石以及硅酸凝膠等無機材料表面的化學基團反應，形成牢固的化學鍵，迅速在砂粒表面形成一層具有較高粘度和強度的分子膜，將松散的砂粒固結(jié)，達到固砂的目的。

圖5為硅烷偶聯(lián)劑與巖表面、顆粒表面的連接示意圖。

圖5 硅烷偶聯(lián)劑與巖石表面、顆粒表面的連接示意圖Fig.5 Diagram of connection between silane coupling agent and rock surface and particle surface

3 結(jié)論

以無機硅酸鹽、酸性組裝機和偶聯(lián)劑為原材料復配得到了一種用于近井修飾的有機-無機復合分子膜固砂劑體系：7.5%硅酸鈉+1.5%氟硅酸+2‰硅烷偶聯(lián)劑（質(zhì)量分數(shù)）。該體系呈酸性，與緩蝕劑、鐵離子穩(wěn)定劑的配伍性良好，添加緩蝕劑后對N80鋼材的腐蝕速率僅為0.29g·（h·m2）-1；在酸巖反應過程中隨著pH值的升高，該體系在偶聯(lián)劑、交聯(lián)劑的作用下成膠固化，最終在砂粒表面及接觸部位形成分子固化膜，達到控制微粒運移的目的。該固砂劑體系具有低傷害、高固結(jié)強度、能配合酸化使用、固砂性能優(yōu)異等特點，具有廣闊的應用前景。