疏松砂岩稠油油藏固砂技术研究现状及发展趋势

邹 剑, 高 尚, 刘长龙, 符扬洋, 张丽平

我国稠油资源分布广泛, 储量丰富。 而疏松砂岩稠油油藏地质结构疏松、 原油粘度较高, 伴随着稠油的热采, 稠油井普遍存在不同程度的出砂问题, 严重影响了稠油井的开采程度。油藏出砂会降低地层孔隙之间的连通性、 加剧地层胶结结构的破坏、 增大渗流阻力, 出砂严重将堵塞近井地带与井筒[1]。 地层砂粒进入井筒将腐蚀生产设备和输油管道等, 增加开采成本, 甚至产生套管损坏、 油井停产、 地层坍塌等后果。 防砂问题也是油气开发一直在解决的问题[2]。 常规防砂技术有机械防砂和化学固砂, 其中机械防砂虽然有效期长、 成功率高, 但其仅仅立足于“防”, 不适用于细粉砂出砂和高压地层, 以及井筒变形等问题。 因此通过固砂从根源上解决疏松稠油油藏出砂问题的技术得到了不断发展。 固砂技术施工简单, 井筒不留机具, 对细粉砂出砂地层有更好效果, 而固砂剂性能不断得到提高也促进了固砂技术被广泛的使用。 目前固砂技术主要有: 焦化防砂、 化学固砂。

1 焦化防砂

焦化防砂是向地层提供热能, 砂粒表面的原油在高温下发生裂解反应生成具有胶结力的焦化薄层[3]。 主要有热空气焦化固砂和短期火烧油层固砂两种。 胶结机理是原油的部分原生胶质在高温下发生氧化反应变成沥青质, 沥青质在高度的缩合作用下形成高分子量的苯不溶物, 附着在砂粒上并固结砂粒。 原油中含有一定量的原生胶质和沥青质的油层才适用焦化防砂。这种防砂技术主要用于以火烧油层或蒸汽开采的重质稠油油藏。 该方法效果较好, 增产显著, 是开发稠油的有效途径, 但是作业时间较长, 对油藏流体性质有较大依赖性, 目前很少运用此方法防砂[4-5]。

2 化学固砂

化学固砂是指将化学药剂注入到出砂层位, 井筒附近的疏松砂粒在化学药剂的粘合固结作用下胶结起来, 形成具有一定强度和渗透性的稳定人工井壁, 防止疏松砂粒由于胶结强度低而脱落运移, 以降低油井出砂的防砂技术。 化学防砂技术作业工艺简单, 安全可靠, 生产效果较好, 且作业井的井筒内不留机具, 有利于层系调整和后处理作业。 相较于机械防砂, 化学固砂更适合细粉砂岩油层的防砂。 在稠油热采条件下, 其耐温性、 有效期性、 渗透率恢复性面临更大挑战。 目前化学固砂已经广泛应用于油田防砂, 主要方法有: 树脂固砂、 人工井壁防砂等。

2.1 树脂固砂

树脂固砂是将液态的树脂泵入疏松地层, 尽量使溶液均匀的分布在颗粒空隙中, 树脂溶液在地层条件下逐渐固化, 并在粒间接触点处胶结, 阻止地层出砂。 经常使用的固砂剂树脂包括: 呋喃树脂、 环氧树脂、 酚醛树脂、 脲醛树脂以及以上各种树脂的改性衍生物及复合物。 不同的树脂胶结能力及使用的地层不尽相同, 各有优缺点, 而且为了适应稠油热采环境, 目前主要开发的是兼具几种树脂的优良特性的改性树脂和复合树脂。 热采已经成为稠油的主流开采方式, 通过改性、 复合的树脂不断向耐高温、 高性能、 低损害率方向、 环保方法发展[6-7]。

2.1.1 酚醛树脂固砂

酚醛树脂价廉、 高效、 应用广泛。 但是普通酚醛树脂存在抗压强度低、 有效期短和耐温性差等问题[8]。 酚醛树脂溶液以苯酚和甲醛为原料配制而成, 在油层温度下, 酚醛树脂遇固化剂缩聚成不溶的体型结构, 能有效固结疏松砂岩地层。 普通酚醛树脂难以有效适应热采条件下的稠油油藏防砂, 通过引进有机硅、 高沸点可反应性物质等, 提高了树脂的耐温性、 耐水性和固结体的强度, 具有较长的有效期, 能较好适用于稠油油藏防砂。 宋秀芳[9]通过调整酚醛树脂的分子量和羟甲基含量, 添加以价廉的稠环芳烃为原料合成的耐温剂, 得到了改性酚醛树脂溶液, 在50 ℃固结, 固结后抗压强度可达8.7 MPa, 能耐温350 ℃。 胡祎[10]使用有机硅及杂环耐热剂对酚醛树脂进行改性, 形成的复配剂在一定温度下自动固化, 固结后抗压强度为5 ～6 MPa, 渗透率保持率为80%左右, 耐温350 ℃, 能阻挡0.07 mm 的砂粒。 郑恒等[8]使用价廉、 环保、 能耐高温的木焦油对酚醛树脂进行改性, 改性后的酚醛树脂固结后能耐温300 ℃, 抗压强度可达3.5 MPa。 酚醛树脂固砂对于60 ℃以上地层固化效果好, 适用于中细砂岩防砂[10-11]。

2.1.2 改性呋喃树脂固砂

呋喃树脂广泛用于油田化学固砂, 在国外被大多数防砂公司采用[12]。 改性呋喃树脂是在糠醛或糠醇基础上研制的复合树脂, 分子结构可为线性、 网状或体型, 分子中的强极性基团能与砂粒的极性基团亲和, 通过物理吸附作用强烈吸附在砂粒表面。 在地层条件下, 树脂固化剂作用下聚合并将砂粒胶结在一起, 随着聚合作用的进行, 分子量不断增加并逐渐变为不溶的网状结构, 增加了固砂强度。 这种固砂剂固结后, 抗压强度为5 ～15 MPa, 原始渗透率保持率达70% ～80%, 可挡0.06 mm砂粒, 树脂固化温度在40 ～350 ℃[13]。 先进的呋喃树脂防砂技术在应用过程中操作非常简单[14]。

2.1.3 有机硅固砂

有机硅固砂剂主要由粉状的无机钙盐、 硅烷衍生物、 助乳剂及其它助剂组成。 在特定的地层条件下, 有机硅烷衍生物发生水解, 在与无机钙盐反应的同时与砂粒表面发生脱水缩合反应, 最终在砂粒和钙化物颗粒之间形成三维网状结构的有机硅大分子, 并将疏松的砂粒胶结[15]。 有机硅固砂剂的适用温度为200 ～350 ℃, 抗高温性能良好(200 ～400 ℃), 固结体渗透率损失小(30%), 抗压强度较大(5 MPa), 能适用于储层成岩条

件差的稠油油藏, 对于高温、 高pH 值蒸汽吞吐导致地层粘土膨胀运移的油井, 也能较好地满足固砂要求[16]。

2.1.4 烷基聚硅酸酯固砂

烷基聚硅酸酯固砂技术是针对砾石充填不能阻止细粉砂运移而提出来的。 固砂剂由含水有机铵硅酸盐、 碱金属或铵的硅酸盐溶液组成, 将其注入砾石的充填层并使溶液饱和整个层段, 在地层条件下逐渐形成硅化物水泥[17]。 通过重复上述步骤, 能较好地控制细砂运移。 这种固砂技术形成的硅化物水泥在pH≤7 时达到稳定, 耐温高达1000 ℃。 通常硅酸盐水溶液粘度越大, 生成的水泥抗压强度越高。 实际操作中可通过增加段塞过程中的水溶烷基聚硅酸酯的浓度和降低溶液的注入速度来增加固结强度[18]。

2.2 耐高温人工井壁固砂

人工井壁防砂技术目前在油气田中较为广泛的应用。 人工井壁固砂是将树脂和其它添加剂(固化剂、 偶联剂等)混合均匀后涂在阻砂剂表面, 形成预胶结砂, 在携砂液携带作用下进入地层, 在地层温度下, 固砂剂受热熔化并产生交联固化作用,在偶联剂作用下将树脂和石英砂胶结在一起, 在近井地带形成具有一定强度和渗透性的人工井壁, 起到固砂防砂作用。 目前多使用石英砂作为阻砂剂。 常规覆膜支撑剂在高温热采下易出现变形、 焦化, 因此覆膜砂的耐温性能和强度问题是急需解决的问题。 目前主要解决措施有: 使用更加耐高温的改性树脂或复合树脂进行覆膜, 使用具有不同功能的覆膜材料进行多层覆膜, 使用具有更高耐温性的陶粒[17,19-21]。 该项技术可以有效防治细粉砂, 能用于严重出砂的气窜井、 超稠油出砂井。 用于热采井的人工井壁耐温性可达350 ℃, 抗压强度不低于6 MPa,渗透率不低于10 D[1]。

2.3 纤维复合防砂

纤维柔软、 易缠绕、 吸附能力强, 逐渐被应用于防砂液中。 纤维具有良好的耐温、 耐碱、 耐酸、 耐水的化学特性, 与覆膜砂复合后能提高覆膜砂的强度, 使其具有更好的防砂性能。 纤维复合防砂中的纤维包括“软纤维” 和“硬纤维”。“软纤维” 能很好地吸附在粉砂上并将分散的砂粒连接起来,起到固砂作用。 “硬纤维” 具有弯曲和卷曲的特性, 形成的三维结构可以挡住砂粒, 并具备一定的渗透率。 由于纳米颗粒具有吸附砂粒效果, 有学者将纳米颗粒引入纤维防砂技术, 可增强防砂效果。 纤维复合防砂技术挡砂能力强, 有效期长, 符合稠油油藏开采需要, 对于细粉砂出砂有较好地效果, 对于小于0.03 mm 的粉尘也具备一定的效果[14,22-23]。 该技术的关键是优选纤维材质、 纤维粗细、 长短, 确定注入浓度等[24]。

2.4 水泥材料/水泥浆防砂

水泥材料/水泥浆防砂技术是使用多孔聚合物水泥进行防砂。 由微细水泥、 促渗剂、 增渗剂及高温稳定剂等配制成的水泥浆注入地层后, 水泥浆逐渐胶结并形成具有较高强度的人工井壁。 热采时增渗剂颗粒从固结水泥石中解析出来, 促渗剂能提高孔隙连通性, 最终形成的水泥石人工井壁具备一定的强度和渗透率, 满足稠油开采, 并能减少地层热损失[14,25]。 有学者研制出改进的泡沫水泥配方, 最终形成的水泥石渗透率达2.3 D,抗压强度达9.1 MPa, 易于油田现场推广应用[26]。

2.5 复合防砂

目前单一的机械防砂或化学固砂都不能完全满足热采井的防砂要求。 因此将机械防砂和化学防砂的优势结合起来, 使用化学防砂技术在井筒附近形成一个具有一定固结强度和渗透率的人工井壁, 同时利用机械防砂形成外围二次挡砂屏障。 这种复合防砂工艺具有效果好、 有效期长、 适应性广的特点, 但工艺复杂, 成本高, 因此主要用于具有较高产能的细粉砂油藏。目前使用最多的是树脂防砂和机械防砂复合。

3 固砂技术发展趋势

热采是目前开采稠油油藏的主要方式, 较高的温度和严重的出砂对化学固砂提出了更高的要求。 为了解决粉砂固结、 固结物耐温性差、 对地层造成伤害等问题, 研究价廉、 实用、 高效、 环保的新型固砂工艺将成为开发疏松砂岩稠油油田的必然趋势。

(1)根据井下环境和热采施工要求, 开发高固结强度、 耐高温的固砂液;

(2)开发符合固砂要求的低成本固砂液, 降低稠油开采的成本, 提高经济效益;

(3)改进防砂助剂, 提高固砂剂体系的耐温性能、 固结强度、 渗透率等;

(4)优化现有的固砂剂、 助剂和固砂前后的地层处理液,增强其配伍性, 抑制地层出砂;

(5)开发新材料或新工艺降低固砂对地层渗透率的损害;

(6)开发环保、 无污染的固砂剂;

(7)开发适合复合防砂工艺的化学固化剂, 更好地控制细粉砂出砂。

4 结 语

固砂技术通过胶结颗粒从根源上解决出砂问题, 具有机械防砂不可替代的优势, 如化学防砂不需要往井内下任何机械装置, 对粉细砂岩效果更好等, 但用于疏松稠油油藏开发还存在一定的局限性。 目前对于较细的粉砂, 依靠单一的防砂方法并不能有效防砂, 防砂也逐渐向复合防砂、 防砂新工艺发展。 因此针对疏松稠油油藏, 要着重研究价廉、 实用、 高效、 耐高温、 能复合其它防砂工艺的固砂技术。