溶膠-凝膠型MgO納米材料抑砂技術

吳建平 梁偉 夏伯儒 賈維霞 陳雪

中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院

溶膠-凝膠型MgO納米材料抑砂技術

吳建平 梁偉 夏伯儒 賈維霞 陳雪

中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院

引用格式：吳建平，梁偉，夏伯儒，賈維霞，陳雪. 溶膠-凝膠型MgO納米材料抑砂技術［J］. 石油鉆采工藝，2016，38（4）：536-539.

針對高泥質、粉細砂巖油藏地層微粒運移堵塞、沖蝕破壞擋砂屏障導致油井液量大幅下降的問題，通過實驗數據和相關計算，分析了不同納米材料的吸附效率，優選出溶膠-凝膠型MgO納米材料涂覆支撐劑作為礫石充填層，其微粒吸附效率達78.85%，流出物的濁度僅為陽離子抑砂劑的5.5%，流出物中含砂量約為用陽離子抑砂劑的9.3%，固砂效果遠優于油田常規陽離子抑砂劑。在勝利油田LNJ501井現場應用后油井采出液含砂量＜0.01%，液量是施工前的3.42倍，有效生產時間389 d，說明溶膠-凝膠型MgO納米材料抑砂技術可達到恢復產量、延長防砂有效期的目的。

粉細砂巖；納米材料；MgO；礫石充填；涂層；抑砂

對于高泥質粉細砂巖油藏，黏土或粉細砂微粒所攜帶的負電荷使得微粒彼此排斥，在地層內形成游離砂，游離砂在不斷的運移過程中堵塞滲流通道使油井產能下降。針對粉細砂巖油藏油井的出砂問題，目前使用的固砂材料主要是樹脂，不止價格昂貴而且往往不能達到目的，只能“防運移”而不能“治運移”。

將納米材料加入固砂劑中，利用納米材料的表面效應可有效吸附地層中的游離砂［1］。目前研究的納米抑砂體系主要有以下2種：一是膠束乳液聚合低傷害儲層固砂體系，該體系可在砂粒表面吸附一層陽離子表面活性劑膠束，膠束中增溶的聚合單體和引發劑發生乳液聚合，膠束轉變為納米級聚合物薄膜，將松散的砂粒膠結起來，形成具有較高機械強度的三維空間網絡結構的固結體，從而固結地層砂［2］；二是選擇特定的納米顆粒作為內部破膠劑加入攜砂液中，這些納米顆粒通過電性吸引和表面吸附與攜砂液膠束締合在一起，建立一種非常強的動態網狀結構，從而穩定攜砂液膠束，阻止流體向多孔介質流失，即加入的納米顆粒具有保持流體高溫穩定性和明顯降低流體濾失的功能［3］。這2種化學防砂方法能有效抑制儲層出砂，但也存在防砂有效期短，對儲層的滲透率傷害大等缺陷。

提出了一種新的納米材料防砂技術，該技術所采用的納米晶體是溶膠-凝膠納米抑砂體系，將這種納米晶體涂覆在充填礫石的表面，采用機械防砂方法，將充填礫石泵入井下，充填礫石可在近井地帶形成擋砂屏障，一旦地層微粒接近礫石充填層，利用納米級粒子極強的吸附能力，泥質及粉細砂會被迅速吸附至礫石充填層表面，防止微粒進一步運移至近井地帶，從而減小地層微粒對擋砂屏障的堵塞，延長泥質粉細砂油藏的防砂有效期［4］。該技術可以用于由地層微粒造成油井堵塞的任何油藏，使油井在不出砂的情況下產量恢復至油井初期產量。特別是對于低滲透油藏，可獲得高保持孔隙度（＞80%）以及高強度（單軸抗壓高達10 MPa），對于低滲油氣井防砂具有重大意義。

1　溶膠-凝膠型納米材料的制備Preparation of sol-gel nanometer material

經過調研不同納米顆粒捕獲及吸附地層微粒的能力，最終選定SiO2、Al2O3和MgO這3種溶膠-凝膠型納米材料顆粒（均從納米殼牌公司選購）［5］。實驗裝置如圖1所示，將砂樣加入蒸餾水中形成微粒懸浮液，在重力作用下微粒懸浮液從填砂筒（內有不同納米材料處理過的支撐劑）的頂部流過充填層，將通過流體用濾紙過濾、烘干、稱重，按照“吸附效率=（微粒原始質量-通過填砂筒后剩余微粒質量）/微粒原始質量×100%”的計算原則，得到不同納米材料的微粒吸附效率。

圖1　吸附效率實驗設備示意圖Fig.1 Devices for absorption efficiency test

研究所采用的砂樣取自勝利臨南油田LNJ501井采出砂，微粒平均粒徑為10 μm，微粒X射線熒光分析結果見表1。

表1　微粒成分Table 1 Composition of fine grains

研究中所應用的充填礫石由篩目尺寸為30～40目（420～590 μm）的石英砂制成。通過相關的數據計算得到不同納米材料的吸附效率見表2，對比SiO2和Al2O3，MgO納米材料處理過的支撐劑具有更高的微粒吸附效率，因此選擇MgO作為納米材料來制備支撐劑涂層。

表2　不同納米材料的吸附效率Table 2 Absorption efficiency of various nanometer materials

將MgO納米顆粒放入40 ℃蒸餾水中攪拌2 h，然后將SDBS（十烷苯磺酸鈉）作為表面活性劑添加進納米流體中攪拌1 h，防止納米流體中的納米顆粒凝聚成團。之后，攪拌納米流體1 h，來阻止納米顆粒凝聚成團。在納米流體準備妥當后，將石英砂沉入納米流體中靜置1 d。然后，將撈起的石英砂放入烤箱中（溫度為500 ℃），蒸發介質上殘留的表活劑溶液，帶納米材料的支撐劑制備完成。

2　室內試驗評價Results of lab tests

2.1納米材料吸附作用機理靜態實驗

Static experimental study on absorption mechanisms of nanometer materials

在實驗室條件下模擬水力壓裂過程，將納米材料作為支撐劑涂層，在壓裂措施的填砂階段將納米材料（流體形式）注入混合槽。納米材料因為交互作用力被施加到支撐劑上，然后被泵入井下［6］。同時以未用納米材料的普通支撐劑試驗做對比。用飛利浦XL-30W儀器獲得支撐劑顆粒表面的掃描電鏡圖像，如圖2所示。

圖2　試驗后支撐劑掃描電鏡圖Fig.2 SEM graph of proppants after test

從掃描電鏡圖可以看出，試驗后普通支撐劑聚集成團，形成砂橋，會堵塞孔喉，降低充填滲透率，而納米材料支撐劑顆粒均勻分布，未形成砂橋和孔隙堵塞，保持了充填層的滲透率。這是因為地層微粒是疏松的親水粒子，在水相中可自由移動和擴散，當未使用納米材料做涂層的礫石被泵入井下時，彼此的氫鍵作用聚集周圍的微粒，支撐劑顆粒很容易就聚集成團。使用納米材料支撐劑時，微粒與納米材料間的交互作用使納米材料吸附住微粒。當微粒開始覆蓋支撐劑顆粒的某些特定區域時，周圍納米材料的排斥力會將微粒推遠，從而使納米材料支撐劑顆粒均勻分布，防止形成砂橋和孔隙堵塞。

從該試驗可以看出，使用納米材料可以有效吸附地層微粒，防止地層微粒運移結塊，減少孔喉堵塞和砂橋的形成，阻止微粒運移進入近井區域以及井底設備、管串、上部的設備以及工具表面，避免井下工具損害，從而提高防砂有效期。

2.2納米材料吸附作用機理動態實驗

Dynamic experimental study on absorption mechanisms of nanometer materials

2.2.1濁度測試 為了證實納米材料吸附地層微粒的效果，開展了模擬地層微粒進入礫石層的實驗。

（1）用2根豎直的透明井筒固定在試驗臺架上，一個井筒中裝的是用納米材料處理過的礫石，另一個井筒裝的是加入勝利油田常用陽離子型抑砂劑的礫石，用作對比試驗。

（2）每1 000 kg的礫石加入1 kg的納米材料，將支撐劑加入蒸餾水中，制成混合了地層微粒的高濃度液體（質量分數為0.25%），從漏斗中將納米流體倒入井筒中，在重力的作用下微粒懸浮液從充填柱的頂部流過每個充填層。

（3）收集處理后充填層的流出物如圖3所示。由圖中實驗現象可以看出，用納米材料處理的充填層的流出物在流經了多個孔隙空間后仍然是干凈的，而作為對照的陽離子抑砂劑處理的充填層的流出物和注入液體很少甚至沒有差別。當地層流體流經充填礫石層時，用納米材料處理過的礫石可有效吸附地層中的微粒，因此流出物中微粒濃度較低，肉眼可見液體清澈，而陽離子抑砂劑吸附微粒效果較差，導致流出物中微粒濃度較高，肉眼可見液體渾濁。將流出物裝入測試管中放入Turb 550型濁度儀，分別測試其濁度，用陽離子抑砂劑處理過的充填層的流出物濁度為289 NTU，用納米材料處理過的充填層的流出物的濁度為16 NTU，僅為用陽離子的5.5%。實驗結果證明在地層微粒濃度較大的情況下，相對于普通抑砂劑，納米抑砂劑可有效吸附清除流經礫石充填層的微粒。

圖3　處理后充填層的流出物Fig.3 Outflow of treated packing layer

2.2.2含砂量測試 用LDY-1巖心流動實驗儀進行驅替實驗，測試不同流量下不同充填層流出物的含砂量，對礫石充填層的固砂性能進行評價。分別將排出液樣搖勻，在攪拌的條件下倒入已恒量的濾紙中過濾，將濾紙連同濾出物移入燒杯中，放入105 ℃±2 ℃烘箱中烘干2 h，取出放入干燥器中冷卻至室溫后稱重，含砂量按式（1）計算，實驗數據見表3。用納米材料抑砂劑處理用的流體含砂量約為用陽離子抑砂劑處理過的流體含砂量的9.3%。表明用納米材料抑砂劑處理流體含砂量遠低于陽離子抑砂劑處理后的流體含砂量。這是因為納米材料吸附地層微粒數量要遠高于陽離子抑砂劑，實驗結論進一步證實了納米材料的固砂性能要優于陽離子抑砂劑。

式中，Q為含砂量，g/L；m1為濾紙的質量，g（精確至0.001 g）；m2為蒸干殘余物與濾紙的質量，g（精確至0.001 g）；V為排出液體積，L。

表3　不同流量下的含砂量Table 3 Sand content at different flow rates

3　現場應用效果Performance of on-site applications

勝利臨南油田LNJ501井，生產層深度3 993.8～4 011 m，為館陶組，油藏壓力63.948 MPa，溫度68.89 ℃，滲透率242.165 mD，孔隙度31.665%，泥質含量高達23.5%，巖性以粉細砂巖為主，粒度中值0.07～0.13，地層出砂嚴重。

開采初期該井日產液112.1 t，日產油49.35 t，含水49.6%；開采6個月后，該井的產量開始遞減；8個月后，該井的日產液量減至32.5 t，日產油16.2 t。不久后，該井大量出砂，篩管完全失效，致使該井停產。為了繼續有效開采，采油廠實施側鉆，并進行了壓裂防砂完井。壓裂防砂時向裂縫中加入納米材料，每1 000 kg的支撐劑加8.35 L的納米材料，施工排量4.0～4.5 m3/min，支撐劑用量36 m3，砂比10%～80%。開井后有效生產時間389 d，平均日產液111.2 t，平均日產油量53.1 t，平均含水52.2%，井口化驗含砂量＜0.01%，生產效果較措施前有顯著改善，證明支撐劑充填層中的納米材料成功清除了產出液中的微粒。為了評價納米材料在防砂領域更強的適應性，需要進一步現場驗證，改進納米材料抑砂性能、提高應用效果。

4　結論Conclusions

（1）溶膠-凝膠型MgO納米材料具有吸附微粒而疏通流道的特性，微粒吸附效率達78.85%。微粒與納米材料間的交互作用使納米材料吸附住微粒，并使納米材料支撐劑顆粒均勻分布，防止形成砂橋和孔隙堵塞。

（2）用溶膠-凝膠型MgO納米材料處理過的充填層流出物的濁度為陽離子抑砂劑的5.5%，流出物中含砂量約為用陽離子抑砂劑的9.3%。相對于普通抑砂劑，溶膠-凝膠型MgO納米抑砂劑可有效吸附清除流經礫石充填層的微粒。

（3）使用溶膠-凝膠型MgO納米抑砂技術，可在近井地帶形成有效的擋砂屏障，防止微粒運移至近井地帶，減小地層微粒對擋砂屏障的堵塞，恢復油井產量，延長泥質粉細砂油藏的防砂有效期。

［1］ 朱世東，周根樹，蔡銳，韓燕，田偉.納米材料國內外研究進展Ⅰ——納米材料的結構、特異效應與性能［J］.熱處理技術與裝備，2010，31（3）：1-5. ZHU Shidong， ZHOU Genshu， CAI Rui， HAN Yan， TIAN Wei.Research of the nano-materials at home and abroadⅠ—the structure， specific effects and performance of the nano-materials［J］. Heat Treatment Technology and Equipment， 2010， 31（3）: 1-5.

［2］ 劉德新，汪小平，羅耀瓏.膠束乳液聚合法低傷害儲層固砂技術［J］.西安石油大學學報：自然科學版，2009，24（5）：40-42. LIU Dexin， WANG Xiaoping， LUO Yaolong. Sand consolidating technology of reducing reservoir damage by the polymerization of micelle emulsion［J］. Journal of Xi’an Shiyou University: Natural Science Edition， 2009，24（5）: 40-42.

［3］ MANNLING H D， PATIL D S， MOTO K， JILEK M，VEPREK S. Thermal stability of superhard nanoomposite coating consisting of immiscible nitrides［J］. Surface & Coating Technology， 2001， s 146-147（01）: 263-267.

［4］ GENOLET L C， SCHMIDT C. Tailored Nanomaterials for sand control［R］. SPE 123815， 2009.

［5］ AHMADI M， HABIBI A， POURAFSHARI P，AYATOLLAHI S. Zeta potential investigation and mathematical modeling of nanoparticles deposited on the rock surface to reduce fine migration［R］. SPE 142633，2011.

［6］ BELCHER C K， SETH K， HOLLIE R， PATERNOSTRO B P. Maximizing production life with the use of nanotechnology to prevent fines migration［R］. SPE 132152， 2010.

（修改稿收到日期 2016-06-02）

〔編輯 李春燕〕

Sand-control techniques with sol-gel MgO nanometer material

WU Jianping， LIANG Wei， XIA Boru， JIA Weixia， CHEN Xue
Petroleum Engineering Technology Research Institute， SINOPEC Shengli Oilfield Company， Dongying， Shandong 257000， China

Migration of fine grains in reservoir formations with high clay and siltstone contents may plug， erode， and damage sand barriers， and cause significant reduction of fluid productivity. Absorption efficiency of various nanometer materials have been reviewed by using relevant test data and calculation results to pick out the sol-gel MgO nanometer material as coated proppant in gravel-packing layers. With absorption efficiency of 78.85% for fine grains， turbidity of its outflow fluid is only 5.5% of that obtained by using cationic sand control agent， and sand content in its out-flow fluid is only approximately 9.3% of that contained in fluid out of cationic sand control agents， which suggests its sand consolidating performance is far better than conventional cationic sand control agents currently used in oilfields. After it was applied in Well LNJ501 of the Shengli Oilfield， sand content of the produced fluid was less than 0.01%， and the fluid productivity of the well was 3.42 times of that before the treatment， and effective production time of the well was 389 d， which indicates the sol-gel MgO nanometer material can effectively enhance fluid productivity and extend effective sand control period.

fine sandstone； nanometer material； MgO； gravel packing； coating； sand control

TE243

A

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0536- 04

10.13639/j.odpt.2016.04.025

WU Jianping， LIANG Wei， XIA Boru， JIA Weixia， CHEN Xue. Sand-control techniques with sol-gel MgO nanometer material［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 536-539.

吳建平（1962-），2009年獲中國石油大學（華東）油氣田開發工學碩士學位，長期從事油氣井防砂技術、采油機械等相關研究，教授級高級工程師。通訊地址：（257000）勝利油田石油工程技術研究院。電話：0546-8552225。E-mail：wujianping362. slyt@sinopec.com

梁偉（1987-），2009年畢業于西南石油大學石油工程專業，現從事油氣井防砂技術研究。通訊地址：（257000）勝利油田石油工程技術研究院。E-mail：liangwei138.slyt@sinopec.com