（石油与天然气工程专业论文）疏松砂岩油藏高含水期稳砂固砂技术.pdf

疏松砂岩油藏高含水期稳砂固砂技术 延玉臻( 石油与天然气工程) 指导教师：陈德春副教授吴建平高级工程师 摘要 针对疏松砂岩油藏高含水期防砂难的问题，从出砂机理入手， 分析了影响固砂效果的油藏条件，对稳砂抑砂技术、固砂技术和防 砂配套技术进行了室内实验研究，实验筛选了适合高含水期稳砂的 抑砂剂r s 1 ，合成了对地层产能影响较小的f _ a 1 低聚物固砂剂和 能够减少地层水对固砂效果影响的润湿剂d m p 1 0 并对其性能进行 了评价，优化了低聚物固砂体系的配方，研究了温度、时间和介质 对固结效果的影响，并对固砂工艺进行了优化通过对地层预处理 及暂堵技术等防砂配套技术的研究，使得稳砂固砂技术能够适应复 杂的地层条件，拓宽了这项技术的应用范围。经现场试验，防砂效 果较好，能够满足高含水期疏松砂岩防砂的要求，尤其适应高含水 粉细砂岩油藏防砂。 关键词：高含水期，稳砂，固砂，f _ 1 低聚物，d m p - i o 润湿剂 i i t h et e c h n o l o g yo fs a n ds t a b i l i z a t i o na n d c o n s o l i d a t i o nf o ru n c o n s o l i d a t e df o r m a t i o n a tt h eh i g hw a t e r - c u ts t a g e y a n y u - z h e n ( o i la n dg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yv i c e p r o f e s s o rc h e nd e - c h u na n ds e n i o r - e n g i n e e rw uj i a n - p i n g a b s t r a c t i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e m o fs a n d p r o d u c t i o n f o r u n c o n s o l i d a t e df o r m a t i o na lt h eh i g hw a t e r - c u ts t a g e t os t a r tw i t ht h e m e c h a n i s mo f s a n dp r o d u c t i o n , t h ei n f l u e n c eo f o i lr e s e r v o i rc o n d i t i o n s o ns a n dc o n s o l i d a t i o nw a sa n a l y z e d ，a n dt h e nt h ee x p e r i m e n t so ns a n d s t a b i l i z a t i o n ，s a n dc o n s o l i d a t i o na n ds o m es u p p o r tt e c h n o l o g i e sw e r e c a r r i c do u ti nt h el a b o r a t o r y 1 1 圯a g e n tr s lf o rs a n ds t a b i l i z a t i o nw 勰 p r e f e r r e dt od e c r e a s et h em i g r a t i o no f s u b t e r r a n c u nc l a y , a n dt h el o w m o l e c u l ep o l y m e rf a 1 ，w h i c hc a nl e a dt h el e s sp r o d u c t i o nd r a w d o w n , a n dt h ew e t t i n ga g e n td m p - 1 0 ，w h i c hc a nr e d u c et h ee f f e c to f w a t e xo n s a n dc o n s o l i d a t i o n , w e r es y n t h e s i z e da n de v a l u a t e d t h es y s t e mo fs a n d c o n s o l i d a t i o nw i t ht h el o wm o l e c u l ep o l y m e rw a so p t i m i z e d ，a n dt h e e f f e c to fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dm e d i ao nt h es y s t e mw a st e s t e d 耵1 c t e c h n i c a lp r o c e s sw a sa l s oo p t 捌b ye x p e r i m e n t 1 1 l cs t u d yo nt h e s u p p o r tt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gf o r m a t i o np r e t r e a t m e n ta n dt e m p o r a r y b l o c kc a l lh e l pt h i st e c h n o l o g yt ob eu s e df o rs a n dc o n t r o li nc o m p l e x f o r m a t i o n t h er e s u l to f f i e l de x p e r i m e n th a ss h o w nt h a tt h et e c h n o l o g y i sag o o dw a yt oc o n t r o ls a n df o ru n c o n s o l i d a t e df o r m a t i o na tm cl l i 曲 w a t e r - c u ts t a g e ，e s p e c i a l l yf o rs i l t s t o n e k e yw o r d s ：h i g hw a t e r - c u ts t a g e ，s a n ds t a b i l i z a t i o n ，s a n d c o n s o f i d a t i o n , l o wm o l e c u l ep o 睁m e tf 舢l ，w e t t i n ga g e n t d m p 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名： 如，f 年t - 月艿日 关于论文使用授权说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查 阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 枷口6 年j 月对日 刎年e - 月- d 日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 第l 章前言 目前，国内各主要疏松砂岩油田都已进入高含水期开发，为 了稳产，提液强度日趋增大，地层出砂日益严重，防砂难度越来 越大，使用常规防砂技术作业后防砂成功率低且有效期短，因此 防砂井重复作业现象频频发生。如何提高高含水期出砂井防砂效 果已成为疏松砂岩油田开发后期一项极其重要的工作。 多年来广泛采用的机械防砂技术用于高含水期粉细砂岩防 砂效果较差，防砂失败时有发生。而一直以施工工艺简单等优势 备受青睐的化学防砂技术也在高含水期渐渐失去了其原有的地 位，这是因为随着地层含水升高和井温降低，原来适应于低含水 采油期的防砂剂难以满足出砂井防砂的需要。虽然控制远井地带 微粒运移的稳砂抑砂技术在新井无水采油期或低含水采油期取得 了一定的效果，但在含水达9 0 的高含水期，油田要稳产，其提 液强度是无水采油期的l o 倍，常用的抑砂剂已难以适应高含水期 稳砂的要求。而常用的固砂剂在高含水井中固结强度差或不固结， 难以形成完整的人工井壁；还有的固砂剂固结后渗透率差，造成 油井防砂后产能严重下降。 针对高含水期疏松砂岩防砂的各种技术正在研究并不断发 展1 l 【2 】，高压充填等方法用于出砂井防砂取得了一定效果，但这些 技术仍有待于改进和完善。高含水期稳砂固砂技术是指高含水期 在油井远井地层使用抑砂剂控制微粒运移，而在近井地带使用固 砂荆固砂，使井筒周围形成渗透率良好的坚固挡砂屏障，从而有 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第1 章前言 效阻止地层出砂。这是一种在稳定地层骨架基础上进行防砂的技 术，能够解决疏松砂岩油田尤其是粉细砂岩油藏高含水期防砂的 难题。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章防砂技术现状 第2 章防砂技术现状 2 1目前国内外采用的主要防砂技术 随着疏松砂岩防砂技术的不断发展，已经形成了多种成熟的 防砂工艺。目前国内外主要采用以下几种防砂技术( 3 1 1 4 1 ： ( 1 ) 绕丝筛管砾石充填防砂：将不锈钢绕丝筛管下入油层射 孔段，并在筛管与套管之间的环空充填密实的高渗透人工砾石， 从而形成筛管挡砾石、砾石阻挡地层砂的二级挡砂屏障，达到防 止地层砂进入井筒的目的。 ( 2 ) 滤砂管防砂：将各种不同类型的过滤材料按一定挡砂要 求，加工成防砂滤砂管下到油层部位，以阻挡地层出砂。 ( 3 ) 树脂涂层砂防砂：将一种均匀涂有酚醛树脂的石英砂挤 入地层出砂部位，在地层温度作用下形成一个高渗透挡砂层，阻 止地层出砂。 ( 4 ) 固砂剂固砂：将具有较强固结能力的固砂剂挤入油层射 孔段，在地层温度和催化剂的作用下，将地层砂固结起来，形成 具有一定强度和渗透率的挡砂层。 ( 5 ) 压裂防砂【5 】【9 】：通过高压大排量在近井地带形成新的短、 宽水力裂缝，然后以大排量、高砂比充填支撑这些裂缝带。通过 造缝和充填以克服地层原有损害，并改变井底近并地带的渗流条 件( 因裂缝导流能力很高) 。这种防砂完井既能有效的控制出砂， 还能使油井获得高产。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章防砂技术现状 ( 6 ) 高压充填防砂【1 0 卜n 2 1 ：是指采用高压将炮眼及近井地带 挤满石英砂，然后再进行管内砾石充填( 或带管柱进行一次封隔 挤压砾石充填) ，也可根据具体情况选用涂料砂封口。 ( 7 ) 复合防砂：将两种( 或两种以上) 的防砂方法相结合即 复合防砂技术。首先在油并并筒之外对地层进行固结，然后在油 井内用机械装置阻挡地层砂。现场应用的主要复合防砂方法包括： 涂料砂+ 滤砂管； 涂料砂+ 绕丝筛管砾石充填； 干灰砂+ 滤砂管； 千灰砂+ 绕丝筛管砾石充填。 后两种主要用于既要求防砂又要求堵水的高含水油井，而且 成本也比前两种低。这些复合防砂技术由于是成熟的单一防砂技 术的组合，故现场应用顺利。关键是如何针对地层和井况来选择 何种组合才能取得最佳防砂效果。由于采用复合防砂，一些原来 单一防砂方法无法奏效的出砂井重薪恢复了活力。目前，复合防 砂主要用于胜利的孤东、孤岛油田，因其成本高故未得到大规模 应用，但对某些防砂“老大难”井却十分有效，在油田开发的特高 含水期，占有一席之地。 2 2 高含水期防砂的难题 疏松砂岩油田开发进入高含水期，地层砂骨架结构遭到破坏， 地层亏空严重，油层温度普遍降低( 大都降至6 0 c 以下) ，地层水 矿化度在1 0 0 0 0 m g l 以下。在这样的中低矿化度、低温且高含水 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章防砂技术现状 地层，固砂剂固砂容易形成弱胶结。 高含水油田开发要稳产，提高采液强度是主要措施。若某井 在无水采油期日产量为1 0 t ，当含水达9 0 时，它的日产液量为 1 0 0 m 3 ，才能使油井产油稳定在l o t ，因而液流的冲刷强度是无水 采油期的l o 倍。表2 1 列出了油井稳产时含水与产液量的关系。 表2 - 1 油井稳产时含水与产液量的关系 含水， o1 02 03 08 09 0 油量，t1 0 1 0i o1 01 01 0 产液量，m 31 0 1 1 11 2 51 4 25 01 0 0 国内的树脂溶液固砂技术始于7 0 年代，由孤岛会战指挥部与 长春应用化学所合作，先后开展了酚醛地下合成及地面合成实验， 即用苯酚、甲醛、s n c l 2 或b a ( o h ) 2 三组分在地下和地面合成酚醛 树脂进行固砂研究，后来又发展了环氧树脂、脲醛树脂、呋喃树 脂固砂技术及有机聚季胺阳离子控砂、稳砂、抑砂技术。而这些 化学防砂方法存在以下弊端： ( 1 ) 采用树脂地下合成固砂时，因注入地下的都是单体，聚 合反应在地下难以均衡进行，且反应不彻底，造成有些地层砂不 固结； ( 2 ) 采用树脂地面合成固砂时，因树脂粘度高，加外固化剂 后，反应速度快，所以在挤注树脂溶液固砂时，易堵塞地层树 脂固结后，往往造成地层渗透率严重下降，只能保持原始渗透率 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章防砂技术习噬 的4 0 6 0 ： ( 3 ) 除脲醛树脂固砂不需要特殊的增孔液外，其它树脂固砂 都要求使用特殊的增孔液； ( 4 ) 这些树脂耐水性差，在水相中易造成固结强度低； ( 5 ) 常规抑砂剂只能在冲刷强度低的无水采油期或低含水期 减缓地层出砂，但在高含水期起不到很好的稳砂和抑砂作用。 要解决以上问题，必须把高含水期疏松砂岩防砂当成一项系 统工程来对待，“疏通液流通道，远稳近固，建立多级挡砂屏障 的防砂方法”一即在稳定地层骨架砂基础上进行防砂的方法，可 以降低出砂井防砂作业的次数，延长出砂井的寿命，从而很好地 解决高含水期疏松砂岩防砂的难题，给疏松砂岩油田的后期开发 带来活力。 2 3 稳砂固砂技术现状 4 目前常用的抑砂固砂产品和技术已不能满足高含水期疏松砂 岩油藏防砂的要求。在稳定地层砂和控制微粒运移方面，主要采 用防膨抑砂剂。防膨抑砂剂对于泥质胶结的砂岩油层能防止粘土 膨胀、分散和微粒运移，保证防砂成功率和防砂效果，并能延长 防砂有效期。目前国内外使用的防膨抑砂剂包括可水解聚合物的 无机单体( 如羟基铝、氯氧化锆等) ，季铵盐表面活性剂，聚胺及 聚季胺f l 射。无机单体类化合物水溶液注入地层后，用相容的流体 充分冲洗单体溶液，然后关井，使其在地层中进行聚合反应，形 成一种聚合体，稳定粘土季铵盐表面活性剂只在干气井中作粘 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文箜! 童堕壁熊查翌鉴 土胶结砂岩的稳砂剂。由于带正电荷的季铵盐表面活性剂与带负 电荷的粘土间有静电引力，这些表面活性剂会很快地被硅酸盐吸 附，正、负电荷的中和作用降低了粘土的阳离子交换能力，从而 稳定粘土胶结的砂岩。聚胺是有机聚合物，包括聚伯胺、仲胺及 聚叔胺。因为聚胺中有许多胺单元，它们在酸液中带正电荷，当 这些聚合物带正电时，它可以靠很多个吸附点强烈地吸附在硅酸 盐上，足够长链的聚胺能使硅酸盐粒子桥接起来，但这种桥接作 用在有卤水存在的情况下，聚胺会失去它的正电荷，并且从硅酸 盐中析出。聚季胺盐可用于任何水基溶液，它们通过电荷中和、 亲水和聚合物的桥接作用，使粘土和微粒稳定。由于地层砂颗粒 的电荷密度比粘土低，所以它控制粘土微粒运移的能力比地层砂 强，但通过控制聚季胺中的碳与氮之比及调整聚季胺的链长，能 达到有效控制微粒运移的目的。目前防砂使用的抑砂剂品种繁多， 良莠不齐，虽然它们用于低含水期能较好地控制微粒运移，但在 高含水期稳砂抑砂效果却不太理想。 而化学固砂技术是利用固砂剂把近井地带的疏松砂岩地层砂 或充填到地层的砾石胶结起来，形成具有一定强度和渗透率的人 工井壁，从而达到防止地层出砂的目的。常用的固砂剂有酚醛树 脂、环氧树脂、脲醛树脂、有机硅树脂及呋喃树脂【1 4 卜【16 1 ，近年 来烷基聚硅酸酯类固砂剂也在使用，但这些固砂剂有的在高含水 井中固结强度差或不固结，难以形成完整的人工井壁，有的固结 后地层渗透率差，造成防砂投产后产能严重下降。 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第2 章防砂技术现椿 近年来，高含水期疏松砂岩油田防砂技术取得了一定的进 展，尤其是适合粉细砂岩防砂的稳砂固砂技术，如胜利油田的糠 醇树脂【1 7 】【1 引、大港油田的有机硅树脂以及脲醛树脂【1 9 】等固砂剂也 在研究和实验阶段。这些技术用于高含水期出砂油藏防砂，取得 了一定成效，但这些化学剂的固砂效果还不太理想，防砂工艺也 不够完善，有待于进一步研究以形成适应高含水期防砂需要的成 熟技术 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章出砂机理及影响固砂的油藏条件 第3 章出砂机理及影响固砂的油藏条件 3 1 地层出砂原因 要较好地解决高含水期防砂的难题，必须从地层出砂原因【2 0 1 入手，弄清地层出砂的机理，才能采取合适的措施有效防止地层 出砂 3 1 1 出砂内因一砂岩油藏的地质条件 ( 1 ) 应力状态 油层被钻开后，井壁附近岩石原始应力的平衡状态遭到破坏， 造成井壁附近岩石应力集中。在其它条件相同的情况下，油层埋藏 越深，岩石的垂向应力越大，井壁的水平应力相应增大，所以井壁 附近的岩石就越容易变形和破坏，从而引起采油过程中地层出砂， 甚至井壁坍塌。 ( 2 ) 岩石的胶结状态 地层出砂与地层岩石胶结物种类、数量和胶结方式有着密切的 关系。通常地层砂岩的胶结物主要有粘土、碳酸盐和硅质铁质三种， 硅质和铁质胶结物的胶结强度最大，碳酸盐胶结物次之，粘土胶结 物最差。对于同一类型的胶结物，其数量越多，胶结强度越大。 ( 3 ) 渗透率的影响 渗透率的高低是地层岩石颗粒组成、孔隙结构和孔隙度等岩石 物理属性的综合反映。当其它条件相同时，油层的渗透率越高，其 胶结强度越低，油层越容易出砂。 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章出砂机理及影响固砂的油藏条缝 3 1 2 出砂外因一开采因素 ( 1 ) 固井质量 由于固井质量差，使得套管外水泥环和井壁岩石没有粘在一 起，在生产中形成高压层和低压层的串通，使井壁岩石不断受到冲 刷，粘土夹层膨胀，岩石胶结遭到破坏，因而导致油井出砂。 ( 2 ) 射孔密度 射孔完井是目前普遍采用的沟通油流通道的方法，如果射孔 密度过大，有可能使套管破裂和砂岩油层结构遭到破坏，引起油井 出砂。 ( 3 ) 油井工作制度 在油井生产过程中，流体渗流而产生的对油层岩石的冲刷力 和对颗粒的拖曳力是疏松砂岩出砂的重要原因。在其它条件相同 时，生产压差越大，流体渗流速度越高，则井壁附近流体对岩石的 冲刷力就越大。另外，油、水井工作制度的突然变化，使得油层岩 石受力状况发生变化，也容易引起油层出砂。 ( 4 ) 油层含水和其它措施 油层含水后，部分胶结物被溶解，使得岩石胶结强度降低或 油层压力降低，增加了地应力对岩石颗粒的挤压作用，扰乱了颗粒 间的胶结，可能引起油井出砂不适当的措施如压裂和酸化等，降 低了油层岩石胶结强度，使得油层变得疏松而出砂。 3 2 出砂机理分析 根据岩石受力变形及破坏形式的不同，可将出砂机理【2 1 1 【2 2 】 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章出砂机理及影响固砂鲤迪壅自! 壁 分成三类。 ( 1 ) 拉伸破坏机理 流体流动作用于炮眼周围地层颗粒上的水动力拖曳力过大， 使得炮眼壁岩石所受径向应力超过其本身的抗拉强度，脱离母体 而导致出砂。这与过大的开采流速及液体粘度有关，它具有自稳 定效应。向内流动所产生的拉伸破坏过程如图3 1 所示。 图3 - 1孔穴壁的拉伸破坏示意图 ( 2 ) 剪切破坏机理 剪切破坏是出砂的基本机理。通常以岩石力学的库仑- 摩尔破 坏准则为基础，认为出砂是由于炮孔及井眼周围的岩石所受的应 力超过岩石本身的强度使地层产生剪切破坏，从而产生了破裂面， 破裂面的产生降低了岩石承载能力并进一步破碎和向外扩张，同 时由于产液流动的拖曳力，将破裂面上的砂子携带出来，导致出 砂。这与过大的生产压差有关，剪切破坏将造成大量突发性出砂， 严重时砂埋油层，造成油井报废。 ( 3 ) 微粒运移机理 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章出砂机理及影响固砂的油藏条件 油藏中的非固结砂、粘土颗粒及破坏后的散砂在流体流动拖 曳力作用下产生移动而进入井眼，造成出砂。这与流体流速密切 相关。 综合上述出砂机理，砂粒产出的微观模型如图3 2 所示 图3 2同相颗粒产出的微观模型 3 3 影响固砂效果的油藏条件 3 3 1 疏松砂岩油藏的地质特征 以胜利油田为例说明疏松砂岩油藏的地质特征【2 3 卜【2 6 1 。胜利 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章出砂机理及影响固砂的油藏条件 油田所处的济阳坳陷是一个油气含量十分丰富的大型复式油气聚 集区，不但断块多，层系多，而且油藏类型多，这就决定了出砂 油藏的复杂性： ( 1 ) 油藏矿物组成是粘土胶结的石英砂和长石颗粒，出砂层系 为馆陶组和馆陶组东营组，见表3 1 。 表3 - 1 胜利油田主要疏松砂岩油藏岩石矿物组成 粒度中胶结物胶结物 油田含油层系井深。m岩石类型 值。m m 成份含量 石英、长 孤岛馆陶组1 2 0 0 1 5 0 00 1 49 6 3 石砂 石英、长 孤东馆陶组 1 2 0 0 1 5 0 0o 1 5蒙脱石9 8 0 石砂 伊利石 馆陶组东粉砂岩、 胜坨 1 5 0 0 1 8 0 0o 2 0高岭石1 5 1 2 营组砾状砂岩 馆陶组东粉砂岩， 东辛 1 3 5 0 1 8 0 0o 2 22 0 营组砾状砂岩 ( 2 ) 馆陶组粘土矿物以蒙脱石为主，含量达7 0 8 0 ，其次 是伊利石，含量为1 0 左右，高岭石只有少量：东营组出现蒙脱 石伊利石混层矿物，但仍以蒙脱石为主，略比馆陶组低，高岭石 分布普遍。蒙脱石、伊利石和高岭石三种粘土矿物的主要特征见 表3 2 。 1 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章出砂机理及影响固砂的油藏条件 表3 2三种粘土矿物的主要特征 相对溶解度比表面膨胀基面间 矿物层间阳离子 盐酸氢氟酸 m 2 c m 3性距1 0 1 n m 高岭石轻微轻微8 8 无 7 2 轻微到 伊利石轻微 3 9 6 很弱 k +1 0 o 中等 1 2 o 蒙脱石轻微中等 3 4 9强 c a 2 + , n a + 1 4 0 绿泥石高高 1 4 0 弱m 9 3 ( o h ) 6 1 4 4 蒙脱石，伊 变化变化 3 9 6 较强c c a 2 + , n a + 利石混层 3 4 9 这些粘士矿物对油藏的损害及补救措施见表3 3 。 表3 - 3粘土矿物等物质对油层的损害及补救措施 潜在问不适合的 存在物质适合的系统保护处理措施 题系统 酸化、盐酸氢 蒙脱石膨胀淡水氯化钾、烃 氟酸 蒙脱石，伊 膨胀淡水氯化钾、烃 酸化、盐酸氢 利石混合层氟酸 形成微酸化、盐酸，氢 矿 伊利石淡水氯化钾、烃 孔隙氟酸 物细颗粒高流速液 高岭石低流速液体用粘土稳定剂 移动体 f e ( o h ) 3 富氧及酸化、盐酸氢 绿泥石盐酸与有机酸 沉淀 p h 3 5氟酸有机酸 方解石及白氟化钙 氢氟酸盐酸盐酸酸化 云石沉淀 硫酸盐、非硫酸盐， 流 钙、钡、锶结垢溶剂 除氧剂流体防腐剂 体钙、钡、不含碱土金属元 硫酸盐结垢溶剂 锶素防腐剂 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章出砂机理及影响固砂的鎏藏条佳 ( 3 ) 地层砂粒度中值为o 1 1m m o 3 0 m m ：砂岩表面从中性至 弱亲水性。 ( 4 ) 原油粘度有的高达l 1 0 4 m p a - s 以上，流动性能差，原油 中的胶质、沥青质含量高，一般在2 0 4 0 ，有的甚至超过5 0 。 ( 5 ) 出砂量随油田不断深入开发逐渐加剧，见表3 - 4 。 表3 - 4疏松砂岩油田不同含水阶段出砂情况 含水期低含水期中含水期高含水期 万吨油产砂，m 3 2 o 2 81 3 s 1 1 4 7 33 2 31 3 5 6 0 c h e v r o n 公司研究发现，由于地层粘土先发生了运移然后地 层砂才进入井筒，导致了油井出砂【2 7 】【2 引因此，根据疏松砂岩油 藏的地质特征，研究一种能够在高含水期控制地层粘土膨胀和运 移以有效稳定地层的稳砂抑砂剂才能从根本上减少地层出骖。 3 3 2 砂岩骨架表面特征 疏松砂岩表面为亲水性，水使s i o s i 键断裂，并形成硅醇 基： h 2 0 s i o s i _ 2 ( s i o h ) 这种硅醇基极其稳定，甚至在1 0 0 0 c 高温下也不能将其除 去。利用此特性，可以使用润湿剂来提高固砂剂与砂子表面的亲 和力，使石英砂表面与固砂剂形成牢固的化学结合【2 9 】【3 0 1 。通过减 少岩石润湿性的影响来提高固砂性能是一条解决高含水期防砂问 题的有效途径 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第3 章出砂机理及影响固砂的油i i 自造 3 3 3 地层流体特征 各疏松砂岩油田进入高含水期开发，含水率逐渐上升，综合 含水在9 0 以上，地层水矿化度大部分在1 0 0 0 0 m g l 以下。在这 样的中低矿化度，高含水地层，树脂固砂易形成弱胶结。关于高 含水期出砂的问题，人们提出了多种理论。含水量增加会增大出 砂的风险，这已经得到了石油业的公认b w u 等人研究了含水对 炮眼坍塌和出砂的影响【3 l 】。通过研究水和岩石问的化学作用、毛 细管力和相对渗透率发现，水饱和度是导致炮眼坍塌和出砂的最 主要因素。因此，研究一种在高含水地层条件下固砂效果好的固 砂剂才能解决高含水期固砂存在的问题【3 2 1 【3 7 1 。 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第! 童塑壁画壁堇查! ! 塞 第4 章稳砂固砂技术研究 4 1 稳砂抑砂剂研究 要筛选粘土稳定剂，首先利用x 射线衍射仪优选各种粘土稳 定剂使用的最佳浓度，评价在地层温度下的防膨效果；然后对地 层岩心进行防膨实验，测定其膨胀高度；最后通过耐冲刷实验选 择最优的粘土稳定剂。 4 1 1x 射线衍射优选粘土稳定剂 ( 1 ) 优选原理 粉末x 射线衍射仪遵从b r a g g 方程： d=v2sin0(4-1) 式中，d 为晶体面网间距，n m ；九为射线的波长，n n l | 0 为 射线入射角，。 固定入射x 射线的波长，改变入射角0 ，用测角仪测出产生 衍射线的0 值，就可计算出d 值。由于每一种粉末矿物都有其特 定的d 值系列，因此根据d 值便可以确定矿物相。 蒙脱石矿物是2 ：1 层型层状构造硅酸盐，具有较低的层电荷， 和水化程度较高的c a 2 + 、m g “、n a + 等层间交换阳离子，使得蒙脱 石层与层之间的结合力较弱，水分子很容易进入层间，形成水分 子层，结果蒙脱石的晶面间距( d o ) 具有涨缩性。根据b r a g g 方 程，用x 射线衍射仪可精确地求出晶面间距的大小，从而微观定 量地评价防膨剂的防膨效果。 1 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章稳砂固砂技术研究 ( 2 ) 钙蒙脱石晶面间距( d o ) 值上下限对比值的选取 为判断防膨剂的防膨效果，取蒙脱石干样的晶面间距( d o ) 值 1 5 5 2 x 1 0 4 n m 作为下限对比值，把钙蒙脱石完全水化状态下的晶 面间距( d 。) 值1 9 8 6 x 1 0 1 n m 作为上限对比值。 ( 3 ) 防膨剂最佳使用浓度的优选 把l o 种现场应用效果较好的防膨剂和新型抑砂剂r s 1 分别 配成固含量为o 5 、1 0 、2 0 和5 o 四种浓度，取一定质量 的钙蒙脱石晶分别放入一定体积的四种浓度的防膨剂溶液中，充 分搅拌和震荡，一天后制样进行x 射线衍射分析。测得钙蒙脱石 在不同浓度、不同种类防膨剂下的晶面间距( d o ) 值见表4 ，1 表4 - l 蒙脱石在不同浓度、不同种类防膨剂下的晶面间距( 单位：1 0 。r i m ) 防膨剂 1 0 2 0 3 o 5 o 1 撑 1 9 2 l1 6 6 11 5 7 21 5 5 6 2 群1 9 4 61 8 4 91 5 0 81 4 9 1 3 帮1 9 7 71 8 5 21 4 5 71 4 0 l 4 撑1 8 8 21 8 9 61 4 9 31 5 2 4 5 牟1 7 9 31 4 6 31 4 3 51 4 0 7 甜1 8 7 21 4 5 61 4 4 21 4 2 l 7 群1 8 4 91 6 7 81 5 9 41 4 9 1 8 样 1 7 8 21 6 0 7 1 4 9 71 4 4 9 9 # 1 9 2 l1 6 0 71 5 2 41 4 7 l r s 1 1 8 3 l1 4 6 0 1 4 3 81 4 1 6 1 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章稳砂固砂技术研究 从表4 1 可看出，在1 o 浓度下l o 种防膨剂的钙蒙脱石晶 面间距接近于钙蒙脱石完全水化状态下的晶面间距 1 9 8 6 l o - i j l l n ，所以1 0 种防膨剂在1 0 浓度下防膨效果很差。5 牟， 6 撑和r s 1 在2 0 浓度下就能达到较好的防膨效果，1 # 、2 撑、3 撑、 4 撑、7 # 、8 撑、9 稃在3 0 浓度下防膨效果好，而从3 o 到5 0 晶 面间距值变化较小，故没有必要使用5 o 的浓度。 ( 4 ) 6 0 下防膨剂的防膨效果评价 防膨剂溶液浓度为2 o 、温度为6 0 条件下的钙蒙脱石x 射线衍射分析结果见表4 2 。 表4 - 26 0 c 下钙蒙脱石x 射线衍射分析结果 防膨剂代号浓度。晶面间距。1 0 。1 n m i 撑2 o1 6 4 3 2 群2 o1 5 0 8 3 撑2 o1 4 9 5 4 # 2 o1 4 6 3 5 群2 01 4 7 l 6 撑2 o1 4 2 8 7 群2 o1 6 2 4 8 捍2 o1 5 4 0 9 群2 01 5 9 0 r s 12 o1 4 2 l 从表4 2 看出，在6 0 的地层温度下，4 拌、5 # 、6 撑和r s l 均有较好的防膨效果 1 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章稳砂固砂技术研究 4 1 2 膨胀高度实验 实验仪器：n p 0 1 型页岩膨胀测试仪 岩心制作：将抽提去油后的岩心烘干粉碎，称取样品1 5 9 ， 装入仪器筒内，插入塞杆在压力机加压4 m p a ，并保持5 m i n ，即 制成标准岩心。 测量方法：将装好岩心的测试筒安装在n p 0 1 型膨胀仪上， 开动仪器调整0 点，并在测试简内加入1 0 m l 1 5 m l 防膨剂溶 液，测试筒内的岩心遇液后发生膨胀，屏幕上显示出岩心膨胀高 度。实验结果见表4 3 。 表4 - 3 岩心防膨高度实验( 浸泡i 天) 防膨剂代号防膨剂浓度 实验温度，膨胀高度。c m 1 群2 o 2 0 2 57 9 2 撑 2 o 2 0 2 57 4 3 拌 2 0 2 0 2 57 6 4 撑 2 o 2 0 2 56 7 。 5 弗2 o 2 0 2 56 6 6 撑 2 o 2 0 2 5 5 4 7 撑2 o 2 0 2 57 o 8 萍2 o 2 0 2 57 7 9 拌 2 o 2 0 2 5 7 5 r s 12 o 2 0 2 55 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章稳砂固砂技术研究 从表8 可以看出，加入6 拌和r s 1 后膨胀高度最小，故其防膨 效果最好，4 拌和5 # 防膨效果次之。 4 i 3 岩心流动实验 用l d y 3 2 1 8 0 型岩心流动实验仪评价抑砂剂防膨和稳砂效 果，实验步骤如下： ( 1 ) 测量实验岩心的空气渗透率； ( 2 ) 通一定浓度的粘土稳定剂测得液相渗透率； ( 3 ) 通蒸馏水测定相应的液相渗透率值。 本次实验选用了4 捍、5 捍、6 撑和r s 1 四种粘土稳定剂，岩心 流动实验结果见表4 4 。 表4 - 4 岩心流动实验结果( 防膨剂浓度为2 ) 岩心空气渗透防膨剂 加防膨剂后不加防膨的液 渗透率 液相渗透相渗透率， 编号 率，l o 3 胂2代号 下降。 率，l o 。m 2 1 0 ，p m 2 l2 0 44 撑1 1 2 06 0 l4 6 3 2 2 1 8 6 4 样 1 0 4 0 5 8 04 4 2 0 3 2 3 0 5 撑5 1 4 03 3 4 1 3 5 0 3 4 1 8 25 样4 0 2 32 6 7 33 3 6 l 5 1 9 2 6 撑 6 2 3 4 4 4 7 62 8 2 0 62 3 06 岸6 9 8 l5 2 3 52 5 0 l 7 1 9 0r s i4 6 2 33 3 8 72 6 7 4 82 1 0r s - l5 2 6 93 9 8 72 4 3 3 2 l 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章稳砂固砂技术研究 从表4 - 4 可以看出使用6 样和r s l 粘土防膨剂后岩心渗透率下 降最小，说明这两种防膨剂稳定地层粘土的效果最好。 4 1 4 抑砂性能实验 ( 1 ) 实验目的 评价防膨抑砂剂在大排量液体冲刷( 3 2 0 0 m l h ) 下的抑砂、 稳砂效果。 ( 2 ) 实验仪器与药品 柱塞泵、六通阀、压力表、缓冲罐、岩心筒、量筒、秒表、 烧杯、防膨抑砂剂、清水 ( 3 ) 实验方法 按图4 - l 连接好实验装置，开泵试排，检验密封性能是否良好。 图4 - 1 抑砂实验流程示意图 l 一柱塞泵2 一中间容器3 一过滤器4 一六通阀5 一压力表 6 - - - 岩心夹持器7 一量筒8 手摇泵 地层砂样的选择：本组实验共取两种不同粒径的地层砂，其 筛析结果见表4 5 、表4 6 。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章稳砂固砂技术研究 表4 - 5l 荐地层砂筛析结果 粒径m m含量 0 4 2 52 4 8 0 4 2 5 0 3 5 5 8 8 7 0 3 5 5 0 3 0 01 4 3 6 0 3 0 0 0 。2 5 0 1 2 3 4 o 2 5 0 o 2 1 2 1 7 5 5 o 2 1 2 o 1 5 0 1 9 8 6 o 1 5 0 o 0 7 51 6 8 4 0 0 7 5 0 0 3 86 5 6 0 1 0 03 2 9 0 1 0 0 0 0 9 01 8 7 6 0 0 9 0 0 0 7 51 6 4 4 o 0 7 5 0 0 6 7 1 8 7 6 0 0 6 7 0 0 6 l 3 8 7 0 0 6 1 0 0 5 0 2 3 0 2 0 0 5 0 0 0 4 5 3 2 7 0 0 4 5 0 0 3 8 6 7 7 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 g m 2 u m p m u m u mu m u m 0 51 3 20 0 00 0 0 30 0 0 80 0 2o 1 51 4 0 清水 1 0 2 5 2o 5 50 6 60 8 0o 9 51 3 01 9 7 l #5 1 3 ，1 1 54 2 o o 0 1 o 0 3o 0 5 0 1 2o 3 51 5 0 2 o4 9 81 0 01 1 01 1 4 1 2 31 3 92 3 0 0 5 9 6o 0 3o 1 0o 1 30 4 01 64 0 3 清水 1 o 3 6 5o 0 5o 0 80 1 lo 3 40 9 02 8 5 2 群4 7 9 ，1 1 5 3 9 6 0 1 8o 1 9o 1 9 o 2 0o 2 9o 9 6 2 0 4 8 6o 3 0o 3 2o 3 50 4 3o 6 51 7 3 0 51 8 oo 2 1o 2 4 o 2 7o 3 60 6 21 9 0 清水 1 o 3 9 6o 2 3o 2 7o 3 50 4 20 5 11 7 9 3 撑5 0 8 ，1 1 54 1 oo 2 60 3 3o 3 70 4 40 6 7i 8 4 2 04 9 6o 3 2o 3 5 o 3 5o 4 10 4 4i 9 1 0 51 2 3o 0 8o 1 5o 2 60 4 5o 8 82 2 7 p a c 1 01 9 2o 3 40 5 lo 6 90 9 71 4 02 6 2 4 牟5 2 i溶液 1 52 7 o0 4 60 7 00 9 41 5 l2 2 03 8 l ，1 0 2 03 9 00 5 0o 8 lo 9 81 7 l2 5 33 6 7 4 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章稳礁垦壁垫互! ! 堕 4 5 固砂工艺优化 疏松砂岩和未胶结砂岩或者由于自然分层，或者由于出砂造 成流道，从而形成高渗透夹层。在固砂剂固砂时液体易先穿过高 渗透夹层而绕过目的层形成窜槽，在油井周围形成非均质处理， 常常会导致固砂失败 4 5 1 两步法固砂工艺 ，运用两步法固砂工艺能使处理层段达到比较均匀的固结。具 。体做法是：第一步高速注入固结液，。液体进入高渗透区域，使高 渗透夹层降低渗透率；第二步与第一步类似，不同的只是降低注 入速度，这样做的目的是均匀处理整个层段。 用内径为4 8 2 6 e r a 、长度为9 1 4 4 c m 带法兰的套管作为砂粒 填充装置，顶部有一个开口模拟实际油井的一个射孔，化学剂的 注入由变速容积泵控制，产出液由装置底部排出，见图4 l o 。 图4 1 0 实验装置示意图 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章稳砂固砂技术研究 室内实验采用两种填砂结构、三种不同的注入速度分别进行。 两种填砂结构是：环形结构和偏形结构。环形结构表示实际射孔 正对的是高渗透砂岩层，周围是低渗透层，见图4 1 l ；偏形结构 表示射孔正对着低渗透层，在低渗透层周围是高渗透层，见图4 1 2 。 l t 4 l 2 倭 3 _ 一 充袅 圈4 - 1 1 环形充填结构示意图图4 _ 1 2 偏形充填结构示意图 进行填充砂固结实验时，注入固结液采用三种排量： 6 8 l r a i n 、4 5 l r a i n 和2 3 l m i n ，其目的是为了测定不同的注入速 度对处理结果的影响。 4 5 2 一步固砂法与两步囤砂法的对比 ( 1 ) 一步固结法 固结岩心的分析结果表明，在高渗透层射孔附近的孔隙度比 较高，离射孔越远，孔隙度越低，在高渗透层树脂分布极不均匀。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章稳砂固砂技术研究 其原因是低粘度液体往往沿着高渗透层流动，并且沿高、低渗透 层的界面向外扩散，这就造成高渗透层树脂分布的非均匀性。从 固结情况看，高渗透层无论是环形结构还是偏形结构，砂层全部 能胶结在一起，而在低渗透层，只薄薄的胶结一层。若胶结液的 注入速度为6 8 l r a i n 时，胶结厚度为5 0 8 e r a ；若注入速度为 2 3 l m i n ，胶结厚度为1 0 1 6 e r a ，结果见表4 1 9 及图4 - 1 3 。 表4 - 1 9 一步固结法环形填充结构实验结果 岩心位置 砂岩渗透率，u m 2孔隙度， 固结后抗压强度。 编号 原始固结后原始固结后 m p a l 1 1 02 83 83 41 5 5 5 21 1 02 33 83 02 6 4 1 31 1 02 l3 82 92 3 4 1 4 l o23 52 72 8 1 0 圈证簟番连 图4 1 3 一步周结处理结果 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章稳砂固砂技术研究 ( 2 ) 两步固结法 因为两步固结法需要两种不同的注入速度，所以这次实验是 在三种不同速度进行组合下的实验。最高注入速度为6 8 l m i n ， 最低注入速度为2 7 l m i n 。 两步固结法的成功与否主要取决于第二步的注入速度。在第 二步固砂过程中，注入速度高，往往会使砂面上产生压差，导致 地层产生裂缝，树脂会沿着裂缝进入油藏，这样会造成非均质处 理结果。实验结果见图4 1 4 。对固结岩心的检查结果表明，在第 一步处理过程中，高、低界面附近产生了两条裂缝；第二步处理 时，树脂沿裂缝窜槽，使填充砂形成非均质的胶结。对低渗透层 处理，尽量在原先的界面附近。 降低第二步的注入速度能使整个层段获得均匀的处理，因为 第一步处理已使高渗透层的渗透率降低到与低渗透层相近的程 度，从图4 1 5 中可以看到填充砂两步均质固结的实例。 l - j 歹 第一步第一步 第二步第二步 图4 1 4 两步固结不成功示意图图4 - 1 5 两步固结成功示意图 4 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文第4 章塑壁固壁塑型