油气开发用防膨抑砂剂技术

刘 音，曹骕骕，贾培娟，徐杏娟，贾红战

（1.中国石油集团渤海钻探工程技术研究院油田化学研究所，天津 300457；2.中国石油集团渤海钻探工程技术研究院酸化技术中心，天津 300280）

在油气开发过程中，砂岩层中的砂粒会随油气的运移进入井筒中，从而阻塞井筒，造成油层砂埋、砂堵，储层也会受到严重的损害，使油井产量大幅度降低甚至停产[1]，油井出砂还可以引起管线和设备的堵塞，严重时会引起井壁坍塌，使套管受挤压而变形损坏；水井出砂会引起注水层位的堵塞，影响正常注水。另外，许多油气储层都含有高岭石、蒙脱石、伊利石等黏土矿物，这些矿物具有高度的水敏性，遇水膨胀后容易堵塞井筒，造成卡钻，也会降低油气井产量[2-3]。因此，需要寻找一种防膨抑砂剂，既能增强与砂粒间的固结作用，防止由于油气的流速不足而使砂粒伴随流体的运移被带出，又能加强与粘土间的胶结能力，从而防止粘土水化膨胀。

防膨抑砂剂应该具有较长时间固结松散砂粒的特性，同时也应具备抑制黏土膨胀的能力。现阶段油气开采用防膨抑砂剂多为有机阳离子聚合物，该高分子具有较高的阳离子度和较长的高分子链，能在松散砂粒、黏土颗粒表面形成一层吸附保护膜，从而防止砂粒和黏土颗粒分散运移[4-5]。另外，有机阳离子聚合物含有多种基团和网状结构，能够有效地封堵疏松砂岩层的出砂问题，且不降低油气井产量，是近年来国内外重点研发的对象之一。

1 油气开发用防膨抑砂剂技术

目前，针对国内砂油井在进行施工作业时所出现的油井出砂问题，有研究用有机阳离子聚合物、多种助剂复配、组合工艺等方法解决出砂问题，不但缩小了出砂空间、提高了防膨抑砂效率，还能改善地层渗透率。

1.1 合成有机阳离子聚合物解决出砂问题

胜利油田高渗透稠油油藏原油粘度高、黏土含量高、出砂严重且储层非均质性严重，卫然等[6-7]针对该问题制备出FYJ型防膨抑砂剂，它是一种网状多羟基阳离子聚合物，能够有效抑制砂粒运移，解决中高渗透稠油油藏的防砂问题。通过室内泥岩颗粒动态冲刷实验和中高渗透稠油的现场施工得知，该防膨抑砂剂对地层的伤害率小于25%，且防砂率达到90%，现已在胜利油田郑家、王庄等多地区现场推广应用10余口井，取得了显著的防砂效果。蒋官澄等[8-9]用丙烯酰胺与阳离子单体在水溶液中聚合，产物再与偶联剂反应，合成出主链季铵盐型有机阳离子聚合物NTW-1，以NTW-1为主剂的抑砂剂体系增强了充填砂与骨架砂之间的结合力，有效阻止了深部充填砂的运移，缩小了出砂空间，使得单井增油平均提高46.2%，且渗透率保持90%～96%左右。目前，NTW-1防膨抑砂剂已在300口以上高含水油井中应用，施工有效率高达92.9%，共增产原油45万吨，适用于出砂较严重的疏松砂岩油藏的深部稳砂、防砂。

以环氧氯丙烷、有机胺等为主要原料，通过加入引发剂诱导原料在溶液中聚合制备有机阳离子聚合物，将其作为油气开采中的防膨抑砂剂，防砂效果良好。张森等[10]利用原料二甲胺与环氧氯丙烷在溶液中聚合得到了防膨抑砂剂，并研究了驱动介质粘度和石英砂粒径对抑砂性能的影响，发现石英砂粒径小于0.3 mm，驱动介质粘度小于50 mPa·s时，抑砂效果良好，超出该范围，有机阳离子聚合物基本失去抑砂能力。张利平等[11]以乙二胺、环氧氯丙烷、丙烯酰胺为原料，通过季铵盐化反应得到阳离子化聚丙烯酰胺AEE，该产物1%溶液对岩心粉压片和膨润土的防膨率均大于80%，且用水冲填砂管法测定1%浓度的AEE溶液的抑砂性能良好，将10%AEE溶液作为防膨抑砂剂使用在胜利东辛油田防砂施工中，已安全防砂施工91井次，有效率达88.2%。

在高分子链上引入一些阳离子基团，制备出含有阳离子的高分子聚合物作为防膨抑砂剂，防砂效果良好。陈剑波等[12]针对胜利油田东辛采油厂钻井和粉细砂的防砂问题，将磺酸盐聚合物与阳离子聚合物反应，合成了新型超分子固砂剂，得到的产物基本不受盐度影响，抑砂效果好，100℃以下防砂性能稳定，且对地层渗透率影响小，可保持85%以上。现已通过12口井的试验，累计增油5 028 t，防砂效果良好。张春光等[13]在高分子长链的侧链上引入了阳离子基团，利用高分子链长、吸附点多的特点，能够有效抑制地层出砂。在此基础上优化了化学防砂工艺，使胜坨油田二区地层能量逐渐上升，注采比达0.97，并对防膨抑砂剂的适应性进行了评价，油井的平均含砂量下降0.2‰，有效延长了油井免修期，减少了出砂对油田开采的影响。结合化学桥接防砂和胶结防砂的优点[14-15]，王世军等[16]以聚丙烯酰胺为原料，引入氟硼酸及阳离子添加剂，制备一种吸附膜型阳离子抑砂剂。通过实验确定了聚丙烯酰胺用量0.4%～1%时，水解度为5%～15%，氟硼酸用量为0.2%～0.4%时，所合成的产品抑砂能力强，对地层伤害弱，适用于高渗层和出砂较严重的油水井，还可用于泥质含量较高的出砂井。

1.2 利用多种助剂复配解决出砂问题

向主处理液中加入阳离子聚合物防膨抑砂剂，用其处理稠油疏松油藏油井解堵时引起的出砂问题，抑砂效果有时也不明显。针对此问题，利用多种助剂复配，研制出具有解堵和抑砂双重性能的处理剂，特别适于出砂油层的解堵。张华辉等[17]利用无机酸、活性高分子、固化剂及多种助剂复配得到一种具有抑砂和解堵双重性能的FY-1型抑砂剂，其作用机理是在酸性条件下，吸附于砂粒表面的活性高分子与固化剂发生缩聚反应而形成高分子膜，它可以使松散的砂粒具有一定的接触亲和作用，从而抑制地层出砂。这种解堵抑砂剂既保持了无机解堵剂的溶蚀性，还会在砂粒表面形成体型高分子膜，以增加岩石的胶结强度。孙建永[18]利用盐酸、氢氟酸、KLB活性高分子、固化剂等复配出HKL解堵抑砂剂，有效抑制了地层出砂，同时在砂粒表面形成的高分子膜可增加岩石胶结强度。将HKL解堵抑砂剂进行现场应用，确定关井反应时间为6～12 h最佳。

1.3 利用组合工艺法解决出砂问题

近年来，利用组合工艺法解决油井出砂问题取得了一定的成效。王晓莉等[19]通过调查分析文明寨油田油井出砂区块、层位、层块、出砂粒径范围、产液量大小、产出液中砂含量等因素，设计采取井筒和地层化学除砂方法，即以机械防砂为主、以地层化学防沙为辅的防砂工艺，有效控制了油井出砂的问题。现已实施油井防砂12井次，成功率100%，年累计增油447.6 t，年累计增液10 594.2 m3，平均作业免修期168 d，取得了良好的防砂效果。李晓荣等[20]针对东营组油藏构造复杂、油藏流度比高等问题，提出了对稠油油藏及周边低产井采用管内高压一次充填防砂或PS防砂工艺，对泥质粉、细砂出砂层段采用PS防砂或酸化-抑制剂处理工艺，而对油藏高部位供液能力强的井采用防砂提液与油层预处理相结合的工艺，结果显示，无论采取哪种防砂工艺，油层预处理都是不可缺少的，而工艺措施针对性要强，这样使胜坨油田防砂治理效果良好。吴方惠等[21]针对江苏油田周43区块出砂的问题，利用绕丝筛管砾石充填（即将不锈钢丝绕焊在纵筋上制成筛筒，不锈钢丝间距在0.2～0.4 mm，然后将筛筒套在中心管上，再将筛筒两端焊接在中心管上，就制成了绕丝筛管）与化学抑砂剂、助剂柠檬酸、甲醛等复配剂组合为防砂工艺，该工艺解决了周43区块的出砂问题，且油井产出液的含水量也降低了，这说明对地层流体的渗透状态也得到了改善。

2 结论

为了解决油气开采过程中所出现的油井出砂问题，减少对油气层的砂埋和砂堵，提高油气井产量，研究高效实用、价格低廉的防膨抑砂剂，实现经济与环境友好的双赢，已成为开发砂岩油气田的必然趋势。

伴随防膨抑砂剂产品的更新，本研究院针对砂油井的出砂情况，一方面使用化学桥接和胶结防砂相结合的方式，添加配套的助剂，优化现有防砂工艺配方；另一方面研发新型的防膨抑砂剂，比如用丙烯酰胺共聚三甲基烯丙基氯化铵或二甲基二烯丙基氯化铵后，得到有机阳离子聚合物，并与无机盐复配制备复合防膨抑砂剂，用这类化学防膨抑砂剂产品与机械防砂工艺相结合，形成一种成型的防砂工艺是未来发展的一个重要趋势。

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