水平井泡沫固砂體系研究

劉 廣 友

（中石化勝利油田分公司孤東采油廠，山東東營 257237）

水平井泡沫固砂體系研究

劉 廣 友

（中石化勝利油田分公司孤東采油廠，山東東營 257237）

通過單因素法，研制出低密度、穩定性好、流變性好的水平井用化學固砂體系，配方為：0.4%AOS+3%固相微粒泡沫穩泡劑+8%固化劑+0.3%偶聯劑+60%環氧乳液；對泡沫固砂體系的固砂性能進行了綜合評價，并考察了固化溫度、固化時間、砂粒粒徑等對固砂性能的影響，結果表明泡沫固砂體系在60～90 ℃范圍內均具有較好的固砂效果，固結體的抗壓強度可達到9.5 MPa；對固結體的耐介質性進行了考察，發現其具有較好的耐酸、耐堿、耐油和耐水性能，體系適應性良好。

水平井；化學防砂；泡沫；固砂性能；適應性

水平井已在油田開發中得到了廣泛應用，但由于水平段較長、非均質性等特點，出砂嚴重。目前國內外水平井防砂技術主要以機械防砂為主［1-2］，存在很多問題，如：疏松地層泥砂運移在篩管表面形成“包裹”效應，表現出的主要問題是破漏堵塞［3］；金屬棉濾砂管在稠油井、高泥質含量井中效果一般［4］；側鉆水平井受原井眼尺寸的限制，采用機械防砂有一定難度，成功率低等。

因此，需要研制開發適應于目前水平井井下結構特點的流變性能好、性能穩定、固砂能力強的高效化學固砂體系，并將其均勻推入水平井段內，實現套內二次防砂。筆者所研制的泡沫固砂體系注入水平井后，可浮在井內液體之上［5］，對井段上部起到很好的防砂作用，又能克服下滲的缺點，能注入到水平井的深部；由于賈敏效應，泡沫可以堵塞一部分大孔道，可避免漏失現象發生，與井底砂體更好的接觸，固砂作用更強。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗藥品與儀器

α-烯基磺酸鹽（AOS）：上海圣魯工貿有限公司，分析純；環氧樹脂（E-44）：山東萊蕪潤達化工有限公司；偶聯劑KH-550：濟南澤宇化工有限公司；環氧樹脂乳化劑，自制；環氧固化劑，上海漢中有限公司；固相微粒泡沫穩定劑。

電動攪拌器，巖心流動實驗裝置，材料壓力試驗機，平流泵及配套儲液罐，填砂管等。

1.2 實驗方法

1.2.1 乳液基液制備方法 環氧樹脂乳液的制備方法為相反轉法。將環氧樹脂與自制乳化劑加入到三口燒瓶中，加料比為20:3。制備溫度首先采用70 ℃，以600 r/min的速度攪拌，待乳化劑充分溶解后，調節溫度至50 ℃，并以1 mL/min的速度緩慢滴加蒸餾水，一直攪拌直至乳狀液體系的連續相不再為油相，而為水相。所加水量為環氧樹脂的2倍。所配制的乳液黏度為35 mPa·s，平均粒徑為323.1 nm。

1.2.2 固砂體系泡沫性能評價方法 起泡的液體選為乳液，起泡方法為：用電動攪拌機高速攪拌3 min。評價起泡劑的起泡體積和穩定性則采用泡沫析液半衰期法。評價指標為泡沫綜合值。

1.2.3 固結體制備方法 取100 g砂，裝入?25×80 mm的玻璃管中，將其兩端用金屬絲網或紗布壓實密封，先注入水，使砂子表面水潤濕。將起泡劑、穩泡劑和固化劑加入乳液中，充分起泡后，在玻璃管中注入1 PV泡沫，而后注入偶聯劑，置于恒溫水浴或密封罐中，在一定溫度下恒溫，冷卻至室溫后，輕輕敲碎玻璃管，取出固結體，將其兩端磨平，進行抗壓強度和滲透率的測定。

2 配方篩選與優化

2.1 泡沫體系的制備

2.1.1 起泡劑質量分數的確定 在20 g基液中（其中環氧乳液質量分數為50%），加入不同用量的起泡劑，在高速攪拌機作用下高速攪拌3 min使之起泡，利用泡沫析液半衰期法對泡沫的起泡性能和穩定性進行評價。實驗結果如圖1所示。

圖1 起泡劑用量對起泡效果的影響

由圖1可知當起泡劑質量分數為0.4%時，泡沫綜合值達到最大，所以起泡劑質量分數確定為0.4%。

2.1.2 乳液質量分數對泡沫性能的影響 實驗選取起泡劑質量分數為0.4%，改變環氧乳液的質量分數并固定基液質量為20 g，高速攪拌3 min，使之起泡，測定對應的起泡性能。實驗結果如圖2所示。

圖2 乳液質量分數對起泡效果的影響

從圖2可以看出，環氧乳液的起泡體積是隨著乳液質量分數的增加而減小的，而泡沫的半衰期變化規律則相反。這是由于，乳液質量分數越小，水所占的體積比例越大，泡沫的表面張力越小，從而導致了起泡體積的增加。而隨著乳液質量分數的增加，起泡的排液速度變慢，消泡變慢，因而半衰期延長。當環氧乳液質量分數為60%時，起泡體積和半衰期性能最佳。

2.1.3 固相微粒泡沫穩定劑質量分數的確定 一般體系中，穩泡劑的穩泡效果是隨穩泡劑質量分數的增大而增強的，但同時也會造成起泡體積的減小，因此應從泡沫性能綜合考慮，在滿足泡沫穩定性要求的前提下宜少加穩泡劑［6］。在20 g基液中，加入0.4%的起泡劑，然后再加入不同用量的穩定劑，高速攪拌3 min，使之起泡，測定對應的起泡體積和泡沫半衰期，作出泡沫綜合值隨泡沫穩定劑質量分數的曲線，如圖3。

圖3 穩泡劑質量分數對泡沫性能的影響

由圖3可以看出，隨著穩定劑用量的增加泡沫半衰期延長，起泡體積先增大后減小，當穩泡劑的質量分數達到3%時，泡沫綜合值可以達到較高的數值，并且其值已開始趨于穩定。

2.2 固砂體系的制備

泡沫體系配方為：乳液（質量分數可變）、起泡劑、穩定劑的質量分數比例為100:0.4:3。如1.2.3中所述，取砂子100 g，飽和水后，先注1PV的泡沫，然后再注1PV的固化劑和偶聯劑，進行固砂實驗。

2.2.1 乳液質量分數對固砂性能影響 乳液質量分數不同，其中含有的樹脂含量就會不同，環氧乳液泡沫的固砂強度也不同，因此在制作泡沫時選用不同質量分數的環氧乳液，進而用于固砂。選取的固化劑、偶聯劑質量分數分別為8%、0.2%。將填砂管放在60 ℃恒溫水浴鍋內，放置72 h，實驗結果見圖4。

圖4 環氧乳液質量分數對固砂性能的影響

如圖4所示，乳液質量分數越高，泡沫固砂的強度就越大而滲透率則越小。可以看出泡沫的固結強度很高，現場可以根據固砂強度要求對乳液質量分數進行選擇，本實驗中選擇60%。

2.2.2 固化劑質量分數對固砂性能的影響 用環氧乳液質量分數為60%的基液制泡沫，其他不變，改變注入的固化劑質量分數，用注入法進行固砂實驗。

隨著固化劑質量分數的增大，固結巖心的抗壓強度逐漸增大，而其滲透率則逐漸減小。造成這種現象的原因為：當固化劑質量分數較低時，黏度低，注入時易發生指進現象，固化劑無法與泡沫充分接觸，從而使樹脂無法充分反應，不能形成有效的網狀結構。當固化劑質量分數為8%時，巖心具有較大的抗壓強度和較小的滲透率，考慮綜合經濟因素，選取固化劑質量分數為8%（圖5）。

圖5 固化劑質量分數對固砂性能的影響

2.2.3 偶聯劑質量分數對固砂性能的影響 同樣，其他條件不變，改變偶聯劑的質量分數，進行固砂實驗。結果如圖6。

圖6 偶聯劑質量分數對固砂性能的影響

分析圖6可知，隨著偶聯劑質量分數的加大，固結體抗壓強度先增大后減小，滲透率則相應地先降低后增大。當偶聯劑質量分數為0.3%時，巖心具有較大的抗壓強度，滲透率也較大，因此選擇偶聯劑質量分數為0.3%。

2.2.4 溫度對固砂性能的影響 在不同溫度下固化3 d，考察固化溫度對固結體抗壓強度的影響，結果見圖7。

圖7 溫度對固砂性能的影響

由圖7可以看出，隨著溫度的升高，抗壓強度逐漸增大，但當溫度超過70 ℃后，抗壓強度變化不大而滲透率則相應降低。在60 ℃下，固結巖心具有較高的抗壓強度和滲透率，因此實驗溫度選擇60 ℃。

2.2.5 固化時間對固砂性能的影響 在確定了固砂體系配方后，需要考察固化時間對固砂性能的影響。實驗方法同上，選擇固化時間分別為 24、48、72、96 h。

圖8 固化時間對固砂性能的影響

由圖8可以看出，固化時間越長，固結體抗壓強度越高，固化效果越好，但是固砂強度增加的趨勢緩慢。因此，固化時間對固砂性能的影響不大。

2.2.6 砂粒粒徑對固砂性能的影響 改變石英砂的粒徑，考察粒徑對固砂性能的影響，其中固化溫度選擇為70 ℃，固化時間為48 h。實驗數據見表1。

表1 砂粒粒徑對固砂性能的影響

由表1可以看出，砂子粒徑對固結體性能的影響很大，隨著粒徑的增大，抗壓強度減小而滲透率增加。這是由于粒徑越小，樹脂與砂粒之間的粘附面積越大，因而抗壓強度高，同時粒徑越小巖心內部的孔隙體積就越小，滲透率也越低。

2.2.7 耐介質性能評價 保持實驗配方和條件均不變，選取不同的實驗介質，將制作好的巖心浸入其中，密封，恒溫放置2 d后取出，測得各項性能，進而對巖心試樣的耐介質性能進行評價，結果在水、煤油、10%HCl、2%NaOH中巖心抗壓強度分別為5.3、5.2、4.9、4.8 MPa。巖心試樣耐酸、耐堿，對油和水都具有較好的耐受性。但在酸、堿介質中，其抗壓強度稍有降低，這是因為浸泡后，會破壞樹脂固結后的網狀結構。而在水和油中，固結巖心的抗壓強度基本保持不變。所以該固砂體系既適用于水井，也適用于油井。

2.3 體系適應性分析

環氧泡沫固砂體系應用于水平井時優點顯著，主要表現在：水基環氧樹脂固砂體系具有低黏度、低密度的特點，具有水溶性，流動性能好；在較大的溫度區間均具有一定的適應性，固化速度快，與砂粒能產生較強的吸附力，固化強度高；對地層傷害小，固化后仍具有很強的滲透性能。主要適用于以下條件：（1）新投產、新補孔水的、地層無虧空的處于防砂初期的油井或水井；（2）前期有出砂跡象且需要大量提液的油井，但在生產中需提前加固近井帶的井壁；（3）地層出砂量小，短期生產中出現砂埋油藏問題的長井段油井。

環氧泡沫固砂體系不僅可以單獨作為化學防砂體系使用，還可以與機械防砂篩管配合使用，使用過程中不會對防砂篩管的孔眼造成堵塞。

3 結論

（1）低密度的環氧樹脂泡沫固砂體系配方為：0.4%的起泡劑AOS+3%的固相泡沫穩定劑+8%的固化劑+0.3%的偶聯劑+60%的環氧乳液，固化時間為48 h，固結體的抗壓強度可達到9.5 MPa，滲透率可保持9.0 D。

（2）研制出的泡沫固砂體系在60～90 ℃范圍內均具有較高的固結強度，具有較好的耐酸、耐油性能，具有密度低、穩定性好及濾失量小、對地層傷害小等特點，可適應于水平井及不宜機械防砂地層的防砂。

［1］梅明霞，周承詩，王威，等.勝利油田稠油油藏水平井防砂工藝技術及應用［J］.鉆采工藝，2008，31（4）：47-48.

［2］梅明霞，孫秀釗，封衛強，等.永66斷塊水平井防砂及配套完井工藝技術［J］. 鉆采工藝，2002，25（6）：21-23.

［3］饒富培，吳杰生，董云龍，等.水平井分級控砂工藝優化研究與應用［J］.石油鉆采工藝，2009，31（6）：89-91.

［4］曾慶輝，任閩燕，李資收，等.稠油水平井金屬氈濾砂管防砂技術［J］.石油天然氣學報，2005，27（3）：386-387.

［5］張佩玉，劉建偉，滕強，等.水平井泡沫酸化技術的研究與應用［J］. 鉆采工藝，2010，33（3）：112-114.

［6］王海波，肖賢明.泡沫復合驅體系穩定性及穩泡機理研究［J］.鉆采工藝，2008，31（1）：117-119.

（修改稿收到日期 2013-03-15）

Study on foam sand consolidation system in horizontal wells

LIU Guangyou
（Gudong Oil Production Plant,Shengli Oilf i eld Company,SINOPEC,Dongying257237,China;）

A kind of chemical sand consolidation system, which is stable with low density and good rheology, has been developed by single factor way, and its formula is 0.4%AOS+3% solid particle foam stabilizer +8% fi rming agent +0.3% coupling agent +60%epoxy emulsion. Then consolidation properties of foamed consolidation system are evaluated and effects of consolidating temperature,consolidating time and mean sizes of quartz sands on consolidation performances has been examined. It turns out that the prepared consolidation system has excellent consolidating effects with a temperature range of 60℃ to 90℃ and the compressive strength of consolidated column can reach 9.5 MPa. In addition, material resistance of consolidated column has been investigated, and the results show that the system has good resistance to acid, alkali, water and oil, displaying nice reservoir adaptation.

horizontal well; chemical sand control; foam; sand consolidation performance; reservoir adaptation

劉廣友.水平井泡沫固砂體系研究 ［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（3）：98-101.

TE358.1

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0098 – 04

劉廣友，1967年生。1990年畢業于成都地質學院地質專業。現從事采油工程研究與管理工作，高級工程師。電話：0546-8582512。E-mail：liuguangyou.slyt@sinopec.com。

〔編輯

付麗霞〕