疏松砂巖稠油油藏固砂技術研究現狀及發展趨勢

鄒 劍, 高 尚, 劉長龍, 符揚洋, 張麗平

我國稠油資源分布廣泛, 儲量豐富。 而疏松砂巖稠油油藏地質結構疏松、 原油粘度較高, 伴隨著稠油的熱采, 稠油井普遍存在不同程度的出砂問題, 嚴重影響了稠油井的開采程度。油藏出砂會降低地層孔隙之間的連通性、 加劇地層膠結結構的破壞、 增大滲流阻力, 出砂嚴重將堵塞近井地帶與井筒[1]。 地層砂粒進入井筒將腐蝕生產設備和輸油管道等, 增加開采成本, 甚至產生套管損壞、 油井停產、 地層坍塌等后果。 防砂問題也是油氣開發一直在解決的問題[2]。 常規防砂技術有機械防砂和化學固砂, 其中機械防砂雖然有效期長、 成功率高, 但其僅僅立足于“防”, 不適用于細粉砂出砂和高壓地層, 以及井筒變形等問題。 因此通過固砂從根源上解決疏松稠油油藏出砂問題的技術得到了不斷發展。 固砂技術施工簡單, 井筒不留機具, 對細粉砂出砂地層有更好效果, 而固砂劑性能不斷得到提高也促進了固砂技術被廣泛的使用。 目前固砂技術主要有: 焦化防砂、 化學固砂。

1 焦化防砂

焦化防砂是向地層提供熱能, 砂粒表面的原油在高溫下發生裂解反應生成具有膠結力的焦化薄層[3]。 主要有熱空氣焦化固砂和短期火燒油層固砂兩種。 膠結機理是原油的部分原生膠質在高溫下發生氧化反應變成瀝青質, 瀝青質在高度的縮合作用下形成高分子量的苯不溶物, 附著在砂粒上并固結砂粒。 原油中含有一定量的原生膠質和瀝青質的油層才適用焦化防砂。這種防砂技術主要用于以火燒油層或蒸汽開采的重質稠油油藏。 該方法效果較好, 增產顯著, 是開發稠油的有效途徑, 但是作業時間較長, 對油藏流體性質有較大依賴性, 目前很少運用此方法防砂[4-5]。

2 化學固砂

化學固砂是指將化學藥劑注入到出砂層位, 井筒附近的疏松砂粒在化學藥劑的粘合固結作用下膠結起來, 形成具有一定強度和滲透性的穩定人工井壁, 防止疏松砂粒由于膠結強度低而脫落運移, 以降低油井出砂的防砂技術。 化學防砂技術作業工藝簡單, 安全可靠, 生產效果較好, 且作業井的井筒內不留機具, 有利于層系調整和后處理作業。 相較于機械防砂, 化學固砂更適合細粉砂巖油層的防砂。 在稠油熱采條件下, 其耐溫性、 有效期性、 滲透率恢復性面臨更大挑戰。 目前化學固砂已經廣泛應用于油田防砂, 主要方法有: 樹脂固砂、 人工井壁防砂等。

2.1 樹脂固砂

樹脂固砂是將液態的樹脂泵入疏松地層, 盡量使溶液均勻的分布在顆粒空隙中, 樹脂溶液在地層條件下逐漸固化, 并在粒間接觸點處膠結, 阻止地層出砂。 經常使用的固砂劑樹脂包括: 呋喃樹脂、 環氧樹脂、 酚醛樹脂、 脲醛樹脂以及以上各種樹脂的改性衍生物及復合物。 不同的樹脂膠結能力及使用的地層不盡相同, 各有優缺點, 而且為了適應稠油熱采環境, 目前主要開發的是兼具幾種樹脂的優良特性的改性樹脂和復合樹脂。 熱采已經成為稠油的主流開采方式, 通過改性、 復合的樹脂不斷向耐高溫、 高性能、 低損害率方向、 環保方法發展[6-7]。

2.1.1 酚醛樹脂固砂

酚醛樹脂價廉、 高效、 應用廣泛。 但是普通酚醛樹脂存在抗壓強度低、 有效期短和耐溫性差等問題[8]。 酚醛樹脂溶液以苯酚和甲醛為原料配制而成, 在油層溫度下, 酚醛樹脂遇固化劑縮聚成不溶的體型結構, 能有效固結疏松砂巖地層。 普通酚醛樹脂難以有效適應熱采條件下的稠油油藏防砂, 通過引進有機硅、 高沸點可反應性物質等, 提高了樹脂的耐溫性、 耐水性和固結體的強度, 具有較長的有效期, 能較好適用于稠油油藏防砂。 宋秀芳[9]通過調整酚醛樹脂的分子量和羥甲基含量, 添加以價廉的稠環芳烴為原料合成的耐溫劑, 得到了改性酚醛樹脂溶液, 在50 ℃固結, 固結后抗壓強度可達8.7 MPa, 能耐溫350 ℃。 胡祎[10]使用有機硅及雜環耐熱劑對酚醛樹脂進行改性, 形成的復配劑在一定溫度下自動固化, 固結后抗壓強度為5 ～6 MPa, 滲透率保持率為80%左右, 耐溫350 ℃, 能阻擋0.07 mm 的砂粒。 鄭恒等[8]使用價廉、 環保、 能耐高溫的木焦油對酚醛樹脂進行改性, 改性后的酚醛樹脂固結后能耐溫300 ℃, 抗壓強度可達3.5 MPa。 酚醛樹脂固砂對于60 ℃以上地層固化效果好, 適用于中細砂巖防砂[10-11]。

2.1.2 改性呋喃樹脂固砂

呋喃樹脂廣泛用于油田化學固砂, 在國外被大多數防砂公司采用[12]。 改性呋喃樹脂是在糠醛或糠醇基礎上研制的復合樹脂, 分子結構可為線性、 網狀或體型, 分子中的強極性基團能與砂粒的極性基團親和, 通過物理吸附作用強烈吸附在砂粒表面。 在地層條件下, 樹脂固化劑作用下聚合并將砂粒膠結在一起, 隨著聚合作用的進行, 分子量不斷增加并逐漸變為不溶的網狀結構, 增加了固砂強度。 這種固砂劑固結后, 抗壓強度為5 ～15 MPa, 原始滲透率保持率達70% ～80%, 可擋0.06 mm砂粒, 樹脂固化溫度在40 ～350 ℃[13]。 先進的呋喃樹脂防砂技術在應用過程中操作非常簡單[14]。

2.1.3 有機硅固砂

有機硅固砂劑主要由粉狀的無機鈣鹽、 硅烷衍生物、 助乳劑及其它助劑組成。 在特定的地層條件下, 有機硅烷衍生物發生水解, 在與無機鈣鹽反應的同時與砂粒表面發生脫水縮合反應, 最終在砂粒和鈣化物顆粒之間形成三維網狀結構的有機硅大分子, 并將疏松的砂粒膠結[15]。 有機硅固砂劑的適用溫度為200 ～350 ℃, 抗高溫性能良好(200 ～400 ℃), 固結體滲透率損失小(30%), 抗壓強度較大(5 MPa), 能適用于儲層成巖條

件差的稠油油藏, 對于高溫、 高pH 值蒸汽吞吐導致地層粘土膨脹運移的油井, 也能較好地滿足固砂要求[16]。

2.1.4 烷基聚硅酸酯固砂

烷基聚硅酸酯固砂技術是針對礫石充填不能阻止細粉砂運移而提出來的。 固砂劑由含水有機銨硅酸鹽、 堿金屬或銨的硅酸鹽溶液組成, 將其注入礫石的充填層并使溶液飽和整個層段, 在地層條件下逐漸形成硅化物水泥[17]。 通過重復上述步驟, 能較好地控制細砂運移。 這種固砂技術形成的硅化物水泥在pH≤7 時達到穩定, 耐溫高達1000 ℃。 通常硅酸鹽水溶液粘度越大, 生成的水泥抗壓強度越高。 實際操作中可通過增加段塞過程中的水溶烷基聚硅酸酯的濃度和降低溶液的注入速度來增加固結強度[18]。

2.2 耐高溫人工井壁固砂

人工井壁防砂技術目前在油氣田中較為廣泛的應用。 人工井壁固砂是將樹脂和其它添加劑(固化劑、 偶聯劑等)混合均勻后涂在阻砂劑表面, 形成預膠結砂, 在攜砂液攜帶作用下進入地層, 在地層溫度下, 固砂劑受熱熔化并產生交聯固化作用,在偶聯劑作用下將樹脂和石英砂膠結在一起, 在近井地帶形成具有一定強度和滲透性的人工井壁, 起到固砂防砂作用。 目前多使用石英砂作為阻砂劑。 常規覆膜支撐劑在高溫熱采下易出現變形、 焦化, 因此覆膜砂的耐溫性能和強度問題是急需解決的問題。 目前主要解決措施有: 使用更加耐高溫的改性樹脂或復合樹脂進行覆膜, 使用具有不同功能的覆膜材料進行多層覆膜, 使用具有更高耐溫性的陶粒[17,19-21]。 該項技術可以有效防治細粉砂, 能用于嚴重出砂的氣竄井、 超稠油出砂井。 用于熱采井的人工井壁耐溫性可達350 ℃, 抗壓強度不低于6 MPa,滲透率不低于10 D[1]。

2.3 纖維復合防砂

纖維柔軟、 易纏繞、 吸附能力強, 逐漸被應用于防砂液中。 纖維具有良好的耐溫、 耐堿、 耐酸、 耐水的化學特性, 與覆膜砂復合后能提高覆膜砂的強度, 使其具有更好的防砂性能。 纖維復合防砂中的纖維包括“軟纖維” 和“硬纖維”?！败浝w維” 能很好地吸附在粉砂上并將分散的砂粒連接起來,起到固砂作用。 “硬纖維” 具有彎曲和卷曲的特性, 形成的三維結構可以擋住砂粒, 并具備一定的滲透率。 由于納米顆粒具有吸附砂粒效果, 有學者將納米顆粒引入纖維防砂技術, 可增強防砂效果。 纖維復合防砂技術擋砂能力強, 有效期長, 符合稠油油藏開采需要, 對于細粉砂出砂有較好地效果, 對于小于0.03 mm 的粉塵也具備一定的效果[14,22-23]。 該技術的關鍵是優選纖維材質、 纖維粗細、 長短, 確定注入濃度等[24]。

2.4 水泥材料/水泥漿防砂

水泥材料/水泥漿防砂技術是使用多孔聚合物水泥進行防砂。 由微細水泥、 促滲劑、 增滲劑及高溫穩定劑等配制成的水泥漿注入地層后, 水泥漿逐漸膠結并形成具有較高強度的人工井壁。 熱采時增滲劑顆粒從固結水泥石中解析出來, 促滲劑能提高孔隙連通性, 最終形成的水泥石人工井壁具備一定的強度和滲透率, 滿足稠油開采, 并能減少地層熱損失[14,25]。 有學者研制出改進的泡沫水泥配方, 最終形成的水泥石滲透率達2.3 D,抗壓強度達9.1 MPa, 易于油田現場推廣應用[26]。

2.5 復合防砂

目前單一的機械防砂或化學固砂都不能完全滿足熱采井的防砂要求。 因此將機械防砂和化學防砂的優勢結合起來, 使用化學防砂技術在井筒附近形成一個具有一定固結強度和滲透率的人工井壁, 同時利用機械防砂形成外圍二次擋砂屏障。 這種復合防砂工藝具有效果好、 有效期長、 適應性廣的特點, 但工藝復雜, 成本高, 因此主要用于具有較高產能的細粉砂油藏。目前使用最多的是樹脂防砂和機械防砂復合。

3 固砂技術發展趨勢

熱采是目前開采稠油油藏的主要方式, 較高的溫度和嚴重的出砂對化學固砂提出了更高的要求。 為了解決粉砂固結、 固結物耐溫性差、 對地層造成傷害等問題, 研究價廉、 實用、 高效、 環保的新型固砂工藝將成為開發疏松砂巖稠油油田的必然趨勢。

(1)根據井下環境和熱采施工要求, 開發高固結強度、 耐高溫的固砂液;

(2)開發符合固砂要求的低成本固砂液, 降低稠油開采的成本, 提高經濟效益;

(3)改進防砂助劑, 提高固砂劑體系的耐溫性能、 固結強度、 滲透率等;

(4)優化現有的固砂劑、 助劑和固砂前后的地層處理液,增強其配伍性, 抑制地層出砂;

(5)開發新材料或新工藝降低固砂對地層滲透率的損害;

(6)開發環保、 無污染的固砂劑;

(7)開發適合復合防砂工藝的化學固化劑, 更好地控制細粉砂出砂。

4 結 語

固砂技術通過膠結顆粒從根源上解決出砂問題, 具有機械防砂不可替代的優勢, 如化學防砂不需要往井內下任何機械裝置, 對粉細砂巖效果更好等, 但用于疏松稠油油藏開發還存在一定的局限性。 目前對于較細的粉砂, 依靠單一的防砂方法并不能有效防砂, 防砂也逐漸向復合防砂、 防砂新工藝發展。 因此針對疏松稠油油藏, 要著重研究價廉、 實用、 高效、 耐高溫、 能復合其它防砂工藝的固砂技術。