覆膜砂快固剂实验研究与应用

高成元 王 慧 刁俊西 梁国杰 陈艳萍

(中国石化胜利油田分公司)

孤岛油田地层胶结疏松,生产过程中出砂严重。为了满足正常生产的需要,针对不同的地层特性,开发应用了多种防砂工艺,形成了一系列成熟的防砂技术,其中热采井防砂基本上都是采用注汽前覆膜砂防砂、注汽后下割缝管环填的复合防砂工艺。每年防砂150井次以上,是孤岛油田热采单元重要的防砂工艺。覆膜砂是将可固结树脂预包在石英砂表面,并使其干燥而形成互不粘连的树脂预包砂,应用时用携砂液将其带入出砂油层,在地层温度及压力下固结成具有一定强度的可渗滤人工井壁,从而防止油层出砂[1-2]。覆膜砂防砂工艺施工简单方便,可单独应用,也可以与滤砂管和金属筛管配合应用,现场应用中可以取得非常好的效果,但也暴露出占井时间长(72 h以上),进而影响油田生产时率的问题。因此,开展了覆膜砂快固剂室内实验研究,并在孤岛油田10余口井进行了成功应用,取得了良好效果。

1 实验条件、仪器和方法

(1)实验条件

实验温度:70℃;实验用水:孤岛油田地层水,矿化度6500 mg/L;实验用砂:覆膜砂。

(2)实验仪器

抗折试验仪,气测渗透率测试装置,恒温水浴,玻璃管等。

(3)实验方法

①配方确定:室内采用正交实验,以抗折强度和岩心渗透率作为优先条件,对快固剂中的软化剂、增强剂及调节剂的用量进行正交优化,得到各种助剂的用量范围,确定最佳的快固剂配方。

②抗折强度测定:先将设定量的覆膜砂装入玻璃管,加入快固剂溶液和油田污水,并在振动的情况下夯实;再放入60℃的玻璃钢恒温水浴恒温24 h,期间观察固化状态,24 h后测抗折强度。

③渗透率测定:将固化后的岩心装入气测渗透率装置,依据达西定律测定岩心渗透率。

2 实验结果及分析

由覆膜砂的反应机理可知,覆膜砂固结过程要经过树脂软化、固化剂分解、树脂聚合反应等步骤。由于树脂软化是高分子树脂聚合物从网状交联结构向线型结构过渡的过程,需要加入含羟基和酸的软化剂,而继续固化的过程就是高分子树脂聚合物从线型过渡态结构形成新的更稳定的网状交联结构,需要加入含醛基的固化剂,因此要提高固结速度和缩短反应时间,就必须要合理优选配方助剂,包括树脂软化剂、增强剂与调节剂,并在此基础上开展配方确定及性能评价等研究。

2.1 配方助剂优选

(1)树脂软化剂

树脂软化剂应能与树脂互溶,但不会改变树脂的性质,这类化学剂主要有醇、酮等有机溶剂。室内初步选择 C7H16、C2H5OH、C3H7OH、C3H6O、C4H8O等5种溶剂,将大小形状相同的酚醛树脂块放入不同溶剂中浸泡,测定不同溶剂中树脂软化的时间,其结果见表 1。从表 1可以看出,C2H5OH和C3H6O这两种软化剂对酚醛树脂软化速度较快,但C3H6O的市场价格较高,所以确定选用C2H5OH。

表1 不同溶剂中树脂软化的时间

(2)增强剂

经过查阅大量文献,初步选定几种酚醛树脂覆膜砂增强剂,主要包括 C6H5NH2、C5H10O、C6H12N4、C2H8N2、C6H15O3N以及C2H7NO等。

将覆膜砂与增强剂按100∶5质量比例混合均匀,然后在60℃下固化24 h,两端除糙磨平后测定其相关指标,结果见表2。由表2可以看出,增强剂C2H8N2和 C2H7NO的增强效果较好,其固结体的抗折强度均超过了1.9 M Pa,水相渗透率也均大于30μm2,具有较高的强度和较好的渗透性。考虑到成本及现场作业方便,最终选用C2H8N2增强剂。

表2 不同增强剂对固结体性能的影响

(3)调节剂

调节剂主要用来改变反应环境酸碱度,从而改变固化反应的速度,主要以无机酸和有机酸为主。室内初步选择C2H4O2、HCl、H2SO4等3种酸配制成质量浓度为50 mg/L溶液作为涂敷砂反应的介质,在60℃下反应24 h,测定固结体的抗折强度,其结果见表3。从表3可以看出,调节剂 H2SO4效果较好,因此确定选用 H2SO4。

表3 调节剂对固结体性能的影响

2.2 配方确定

根据优选的树脂软化剂、增强剂与调节剂,应用正交原理,以固结岩心的抗折强度和气相渗透率为依据,进行不同配比的正交实验,表4所示为效果较好的实验结果。经对比分析,软化剂、增强剂、调节剂质量比为1∶3∶6时效果最好。

表4 效果较好的软化剂、增强剂与调节剂优化配比正交实验结果统计表

2.3 缓蚀剂及使用浓度优选

由于快固剂中使用酸液作为调节剂来改变涂敷反应环境,从而加快固化反应速度,这将使油层套管(孤岛油田为N80钢)、防砂管柱和施工设备发生一定程度的腐蚀,为此进行了缓蚀剂优选及使用浓度优化实验,其结果见表5。经对比分析,未加入缓蚀剂的N80钢腐蚀速度为53.6675 mm/a,加入质量浓度为10 m g/L优选烷基咪唑啉季铵盐 ET型缓蚀剂后N80钢腐蚀速度为3.81 mm/a,缓蚀率达到92.90%;继续提高缓蚀剂质量分数,N 80钢缓蚀率上升缓慢。因此,确定缓蚀剂使用质量浓度为10 mg/L可满足现场需求。

表5 不同缓蚀剂对 N80钢的缓蚀效果

另外,为了评价加入缓蚀剂对快固剂性能的影响,进行了不同固化时间的抗折对比实验。由实验结果(表6)可以看出,快固剂加入缓蚀剂后覆膜砂抗折强度稍有提高,这主要是因为烷基咪唑啉季铵盐 ET缓蚀剂含有部分增强树脂固化的组分。

表6 加入缓蚀剂后固结体抗折强度随时间的变化

2.4 固结体性能评价

(1)固化温度对固结体性能的影响

一般来说,温度越高,固结体的抗压抗折强度越高,渗透率越小[3]。固化温度对固结体抗折强度的影响实验结果见表7。由表7可以看出,固化温度对固结体的强度影响较大,随着固化温度的升高,固结体的抗折强度大幅度提高;当固化温度在60℃时,固结体的抗折强度可达3 M Pa以上,可满足油井防砂的强度需要。

表7 固化温度对固结体性能的影响

(2)固结时间对固结体性能的影响

固结时间对固结体性能的影响实验结果见表8。由表8可以看出,随着固化时间延长,固结体强度不断上升。在60℃下恒温水浴24 h,固结体抗折强度即可达3 M Pa以上(与未加入快固剂的覆膜砂相比,固化时间整整缩短了48 h),完全可以满足现场油井防砂的需要。

表8 固化时间对固结体性能的影响

(3)固结体的耐介质性

在室温和60℃下将固结体浸入到不同的介质中,在密闭的条件下恒温放置10、20、30天,取出测定浸泡后的抗折强度。结果表明,固结体耐酸而不耐碱,在碱中浸泡后发生松散(主要是因为覆膜砂上的树脂耐碱性差),在酸中抗折强度稍有降低,在煤油和污水中抗折强度变化不大。所以,若需要解堵,可加入碱溶液溶解。

(4)固结体的耐高温性

将低温固化好的人造岩心放入模拟注汽井温度、压力条件的高温高压釜中,实验介质为水蒸汽,高温实验3天,取出后在常温下测定其抗折强度,结果见表9。由表9可以看出,在高温条件下,固结体的抗折强度随温度的上升而下降,在320℃条件下其抗折强度为1.64 M Pa,可以满足油井防砂需要。

表9 高温条件下固结体强度实验结果

3 现场应用

将本文研制的快固剂和优选的缓蚀剂在孤岛油田覆膜砂防砂作业12口井中进行了应用。防砂施工后候凝1天后钻塞冲砂作业正常,未发现吐砂现象。钻塞作业时间平均4.5 h/10 m,比未加快固剂时(候凝72 h钻塞时间为4.0 h/10 m)增加了0.5 h/10 m,说明添加快固剂后固结强度有所提高;作业占井时间缩短3天以上,同期对比日产液、日产油稍有增加,应用取得了较好的效果(表10)。

表10 作业施工油井效果统计表

4 结论

(1)室内实验表明,经过优化的快固剂配方及缓蚀剂加量处理的覆膜砂标准岩心在油层温度为60℃时固化24 h,其抗折强度大于3.0 M Pa,而在320℃条件下其抗折强度达到1.6 M Pa以上,符合生产要求。

(2)孤岛油田12口井覆膜砂防砂作业效果表明,覆膜砂快固剂可平均缩短油井防砂占井时间3天以上,有效提高油井生产时率。

[1] 小乔治O苏曼.防砂手册[M].北京:石油工业出版社,1988:42-44.

[2] 曾祥林,孙福街,王星,等.渤海稠油油藏简易防砂条件下出砂规律模拟实验研究[J].中国海上油气,2004,16(6):387-389.

[3] HOWARD PR,JAM ESSG,MILTON-TA YLERD.High-permeability channels in proppant packs containing random fibers[C].SPE 57392.