新疆某細粉砂油藏防膨抑砂體系室內試驗研究

王 泉，李潔冰

中國石油新疆油田分公司勘探開發研究院公司，新疆克拉瑪依 834000

新疆某油田埋藏深度在970～1 404.9 m，油層為砂巖地層；其中沙灣組下部以大套疏松的含礫細砂巖、細砂巖夾灰綠色泥巖沉積為主，屬于泥質膠結，泥質含量達7.4%；砂巖的支撐方式為顆粒式，接觸方式主要為點線方式，地層膠結疏松；據出砂情況發現砂粒中細粉砂含量高，粒度中值只有0.17 mm。針對該油田細粉砂油藏防砂問題，常規物理充填防砂效果并不理想。油田有嘗試用化學防砂應對其粉細出砂問題。但因樹脂黏度高，需加入有機溶劑，至生產成本高且污染嚴重；且大多數樹脂固結后滲透率下降嚴重，只能保持原始滲透率的40%～60%，導致減產，甚至堵死油井，造成油水井事故[1]。因此，研究價廉、高效、實用的復配型化學防砂劑是開發疏松砂巖的必然趨勢[2]。針對該油田地質條件，通過實驗篩選出具有防膨抑砂效果的高分子防膨抑砂體系，以滿足該油田地層粉細砂的防砂要求，為油田現場粉細防砂施工提供參考。

1 實驗

1.1 儀器和藥品

3PB00C型平流泵，北京衛星制造廠；UC-2102可見分光光度計，匯博儀器有限公司；填砂管驅替裝置，鄭州市長城科工貿有限公司；NDJ-1B黏度計，上海昌吉地質儀器有限公司； ARC120型電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

KCL、NaCL，工業級，廣東泰瑞新材料有限公司；碘化鎘、可溶性淀粉，分析純，天津博迪化工股份有限公司；甲酸鈉、溴水，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1吸附量的測定

在一定濃度范圍內，吸光度與聚合物質量濃度之間存在線性關系，并且吸附量與聚合物質量濃度之間也存在計算公式，可先采用淀粉-碘化鎘法測量出待測抑砂劑溶液在被砂粒吸附前后的吸光度[3]，從而得到其被砂粒吸附前后的濃度，再計算出待測抑砂劑的吸附量。

1)淀粉-碘化鎘

根據文獻[4]繪制聚合物濃度同吸光度標準曲線。

2)靜態吸附量測定[5]

采用浸泡法測量抑砂劑在多孔介質中的靜態吸附量。稱取5 g的100～120目細砂于比色管中，再加入30 mL抑砂劑，用玻璃棒充分攪拌后，靜置12 h。然后測量被吸附前后抑砂劑的吸光度，通過吸光度與質量濃度的標準曲線得被吸附前后的質量濃度，根據公式1計算靜態吸附量；

(1)

式中：q—靜態吸附量，mg/g；V—抑砂劑溶液的體積，L；co—抑砂劑溶液的初始質量濃度，mg/L；ce—吸附平衡后抑砂劑溶液的最終濃度，mg/L；m—砂巖顆粒的質量，g。

1.2.2動態抑砂效果測定

在L=50 cm，截面積S=4.9 cm2的填砂管中填充滿砂粒制成巖芯，稱取此時的質量為W1，然后以1 mL/min的排量用蒸餾水飽和巖芯，直到出口端出水量均勻，讀出此時的壓力為P，由公式(2)計算出滲透率，再次稱量填砂管的質量為W2，則孔隙度即為(W2-W1)mL；以1 mL/min的排量注入抑砂劑靜置12 h，然后分別以300～4 800 mL/h的排量用水驅替巖芯，驅替體積均為10 PV，將沖出液過濾，烘干后稱重。

(2)

式中：K為滲透率，μm2；Q為流量，mL/s；L為填砂管的長度，cm；μ為黏度，mPa·s；S為填砂管的橫截面積，cm2；p為壓力，0.1 MPa。

2 結果與討論

2.1 防膨抑砂體系的確定

2.1.1不同復配體系的防膨性能

按照SY/T 5971—1994《注水用黏土穩定劑性能評價方法》中的離心法對比不同類型的防膨劑，優選出實驗室自制有機防膨劑為BSA-101，質量分數為0.5%。將其加入到3種復合抑砂劑SW-91、GX-1和0.3%有機陽離子聚合物(相對分子質量為800萬，離子度為50%)中，進行黏土防膨效果試驗，以篩選出至少2種防膨效果較好的抑砂體系做動態沖砂試驗，其中防膨率對比結果見表1。

表1 防膨抑砂體系的防膨效果

將0.5%BSA-101+SW-91命名為BS-95，將0.5%BSA-101+0.3%有機陽離子聚合物命名為BY-53。由表1可知，BS-95和BY-53的防膨效果最好，防膨率分別為89.7%和83.82%。通過試驗初步篩選出BS-95和BY-53作防膨抑砂體系的防膨效果較好。

2.1.2體系的靜態穩砂效果評價

1)防膨抑砂劑靜態穩砂效果

配制出BY-53、BS-95防膨抑砂體系，與油田現有復配防膨抑砂體系SW-91、GX-1和0.3%有機陽離子聚合物抑砂劑做靜態抑砂效果對比實驗。將相同濃度BY-53、BS-95、SW-91、GX-1、0.3%有機陽離子聚合物5種抑砂劑置于100 mL比色管中，加入100～120目細砂，在靜置24 h，反復翻轉10次倒置于試管架上觀察細砂沉降情況。BY-53抑砂體系和BS-95抑砂的沉降砂子較少，穩砂效果好；但單從宏觀方面觀察2種防膨抑砂體系穩砂效果，不足以充分證明體系的穩砂性能。

2) 防膨抑砂劑體系靜態吸附量的測定

為了進一步證明體系的穩砂性能，從微觀方面設計了體系靜態吸附量的測定實驗；聚合物質量濃度與吸光度的關系標準曲線見圖1。

圖1 聚合物濃度與吸光度標準曲線

由圖1可以看出，聚合物抑砂劑的質量濃度與吸光度的關系曲線為y=0.006x+0.023(其中y為吸光度，x為聚合物的質量濃度)，根據此式可以由吸光度求出聚合物抑砂劑的濃度。

其中，用淀粉-碘化鎘法測定BY-53、BS-95、SW-91、GX-1、0.3%有機陽離子聚合物5抑砂劑靜態吸附前后的吸光度，其結果及5種抑砂劑靜態吸附量見表2。

表2 抑砂劑吸附量測定試驗結果

由表2可知，吸附量最大的BY-53可達0.264 mg/g，BS-95的吸附量達0.170 mg/g，均呈現出較好的靜態吸附效果。這是因為防膨劑BSA-101含有陽離子成分，能夠和抑砂劑良好互溶，形成具有較高陽離子度和較長的高分子鏈，能在松散砂粒、黏土顆粒表面形成一層吸附保護膜，防止砂粒和黏土顆粒分散運移[6]，還能夠和抑砂劑爭相吸附在帶負電的砂粒表面上，既有競爭又有協同作用[7]。故優選出BY-53和BS-95抑砂體系進行動態沖砂實驗。

2.1.3體系的動態穩砂效果評價

常溫下，選擇40-60目的砂粒做填砂管，進行沖砂實驗。BS-95和BY-53與清水對比沖砂實驗結果見表3。

表3 BS-95和BY-53與清水對比沖砂試驗結果

由表3可知，當清水沖砂排量3 000 mL/h時，發生坍塌性出砂，出砂量為41.13 g，出口端砂體虧空；在注入BS-95抑砂劑后，當排量達到3 600 mL/h時，填砂管端部大量出砂，抑砂率為67.62%，測得其滲透率保留率為84.4%。此外，由于BS-95抑砂劑對砂粒間的吸附力較差，在沖砂過程中形成了流動通道，抑砂效果不太理想。而注入BY-53抑砂體系后，在排量為4 800 mL/h情況下，該體系才出現少量出砂，其抑砂率達85.42%，滲透率保留率達到86.2%。因此，通過動態沖砂實驗最終篩選出抑砂效果最好的防膨抑砂體系BY-53。

2.2 BY-53抑砂體系適應性分析

防膨抑砂體系必須滿足該油田地層地下情況。對BY-53進行了溫度、礦化度和不同目數砂粒適應性分析。

2.2.1溫度適應性

經測得該油田地層屬于低溫油層，其溫度范圍在46～73 ℃。設定填砂管水浴溫度為70 ℃和80 ℃條件下，選擇40～60目的砂粒進行沖砂試驗。

由表4可知，在水浴70 ℃條件下，當排量大于4 200 mL/h時，出砂開始增多，測得抑砂率大于75%；在水浴80 ℃條件下，排量1 200 mL/h時，開始出砂并且出砂量逐漸增大，BY-53的吸附隨溫度的升高而減少。

表4 不同溫度下的BY-53沖砂結果

這主要因為在巖石上的吸附是放熱的，且吸附與其反方向解吸存在競爭，當溫度升高時，解吸過程加劇[8]，沖刷作用下，部分砂粒開始脫落形成運移造成出砂。但BY-53能夠適應油田70 ℃下的出砂油層。

2.2.2礦化度適應性

該油田地層平均礦化度為2.3×104mg/L，選擇40～60目砂粒填充填砂管，用礦化度為2×104mg/L和3×104mg/L的模擬地層水飽和巖心后，注入BY-53靜置12 h，進行沖砂試驗，結果見表5。

表5 不同濃度礦化度的地層水飽和后的BY-53沖砂結果

由表5可見，礦化度2×104mg/L下BY-53的抑砂性能變化不大，但在3×104mg/L的較高礦化度下，BY-53的耐沖刷性能減弱，這是由于高礦化度使聚合物的長分子鏈發生卷縮，從而黏度降低，吸附膠結作用減弱[9]，在大排量下出砂量增多。另測得用2×104mg/L和3×104mg/L的地層水飽和后其滲透率保留率分別為85.1%和82.1%，因此，建議BY-53抑砂劑用在礦化度小于3×104mg/L的地層。

2.2.3對不同目數砂粒沖砂試驗

不同目數的砂粒沖砂試驗，以表征BY-53防膨抑砂體系對該油田地層粉細砂粒粒徑的適應性。沖砂試驗結果見表6。

表6 不同目數砂粒的沖砂試驗結果

由表6可以看出，隨著砂粒粒徑的減小，出砂量會逐漸增大，其對應臨界出砂量逐漸減小，當砂粒目數為60～80目和80～100目時，對應臨界流速為3 000 mL/h；當砂粒目數為100～120時，對應臨界流速僅為600 mL/h，而且出砂量呈線性逐漸遞減，分析認為這可能是由于填砂管端口出砂導致的，說明僅用相同目數粉細砂制成的填砂管進行沖砂試驗不足以證明BY-53對粉細砂的適應性，因此有必要模擬油田粉細砂條件進行含黏土的混砂沖砂實驗。不同目數填砂管滲透率保留率見表7。BY-53對目數粒不同的砂滲透率保留率也大不相同；隨著砂粒粒徑的減小，滲透率保留率逐漸減小。這是因為聚合物分子具有長鏈結構，吸附在砂粒表面，且長鏈結構相互纏繞形成網狀結構，使小沙粒變成大沙團，從而不易出砂；同時由于砂粒粒徑越小，體表面積越大，被更多的長鏈聚合物充填，所以滲透率變小。

表7 不同目數填砂管滲透率保留率實驗數據

2.3 BY-53對地層砂沖砂試驗

單一粒徑粉細砂填砂管沖砂試驗不足以證明BY-53防膨抑砂效果，因此，加入黏土后的清水與BY-53的沖砂進行對比試驗；為了混砂試驗能更準確的模擬該油田地層砂，對200 g油田出砂樣進行篩濾，分析結果見表8。

表8 油田出砂砂樣數據

由表8可知，油田出砂砂樣中40～60目和80～100目砂粒占比為69.2%，即粒徑在0.15～0.18 mm左右的砂粒量最多。

在室內進行混砂沖砂試驗，40～60目與80～100目混砂質量比為1∶1，黏土含量為8%。試驗數據見表9。

表9 混砂80～100目后的清水與BY-53體系沖砂試驗

由表9可以看出，在黏土混砂試驗粉細砂目數為80～100目砂粒中，加入黏土的BY-53填砂管出砂量大量減少，當流量達到了4 800 mL/h，仍然未出砂。分析認為防膨抑砂劑吸附在黏土和砂粒表面，一方面抑制黏土膨脹減少出砂；另一方面將黏土和細粉砂粒黏附在一起，成較大的個體，砂粒流動困難，起到抑砂作用。聚合物對砂粒與黏土的黏附作用，使滲透率發生了改變，滲透率保留率降為78.9%。

為進一步驗證BY-53對粉細砂抑砂效果，混砂40～60目與100～120目的質量比為1∶1，黏土含量為8%，進行混砂沖砂試驗。試驗數據見表10。

表10 100～120目混砂后的清水沖砂試驗

通過表10可見，BY-53對100～120目細粉砂巖混砂的抑砂效果較好，當排量達4 800 mL/h時，仍未出砂，但滲透率保留率減小到了70.8%，該油田抑砂劑滲透率保留率必須大于75%，所以BY-53未能滿足該油田目數為100～120目，即粒徑為0.125 mm防砂的需求，在未來工作中有待進一步提高和研究。

3 結論

1)研制優選出了復配型防膨抑砂體系BY-53(0.5%BSA-101+0.3%有機陽離子聚合物)，黏土防膨率可達83.82%，靜態吸附量為0.264 mg/g；在40～60目動態沖砂實驗中，當排量為4 800 mL/h時，動態抑砂率可達85.42%。

2)通過BY-53抑砂體系適應性分析，體系可適用在溫度低于70 ℃、礦化度小于3×104mg/L的地層條件下，與該油田儲層流體具有良好的配伍性。

3)在80～100目(0.17 mm～0.15 mm)黏土混砂沖砂實驗中，在排量為4 800 mL/h條件下，仍未出砂，滲透率保留率達78.9%，可有效滿足該油田粒度中值0.17 mm粉細砂和滲透率保留率大于75%的抑砂要求。