（油气田开发工程专业论文）稠油热采井高温防砂技术研究.pdf

t h e t e c h n i q u eo fs a n dc o n t r o lf o r h e a v yo i lw e l la th i g ht e m p e r a t u r e g e n g n a - n a ( d e v e l o p m e n te n g i n e e r i n go fo i la n dg a sf i e l d ) d i 州e db yp r o f e s s o rz h a ox i u - t a i a b s t r a c t t h e p r o d u c t i o nm e t h o do f h e a v yo i li sh e a ti n j e c t i o n t h es t e a m 蠲e c t i o ni s u s e d 谢d e s p r e a d t h es a n dp r o d u c t i o no fh e a v yo i lt h e r m a lw e l li sa l o f t s e r i o u s l y t h es a n dc o n t r o la g e n ta n dc o a t e ds a n dc a r ln o tm e e t 、瓶t ht h ed e m a n d o ft h eh e a v yo i lt h e r m a lw e l lb e c a u s eo ft h e i rb a dt e m p e r a t u r et o l e r a n c e s o n e e dt od e v e l o pt h ea g e n to fh i g ht e m p e r a t u r es a n dc o n s o l i d a t i o nf o rh e a v yo i l t h e r m a lw e l l ，t h ec h e m i c a ls a n dc o n t r o lo f t h e r m a lw e l lh 嬲s o m e p r o b l e ms u c h 够s h o r tt i m eo fv a l i d i t y , b a dt e m p e r a t u r et o l e r a n c e u p p e rc o s ta n ds oo n c h o o s et h ei n o r g a n i cs i l i c a t ea st h em a i nr a wm a t e r i a la n dd e v e l o po n es o r to f m o d i f i e ds i l i c a t es a n dc o n t r o la g e n t t h er e s e a r c ho fs i l i c a t ec o m p l e xm a t e r i a l s a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yw h i c hc a l lb ea p tt oe x t e n s i v ep u r v i e wo ft e m p e r a t u r e a n dd e m a n df o rt h eh e a v yo i lt h e r m a lw e l l ；a n ds u p p l yai l e wt h o u g h tf o rt h e s a n dc o n t r 0 1 t h ep a p e rs e l e c t st h ek i n do fc o n c r e t i o n a r ys i l i c a t eo fc o n c r e t i o n 蜘g 血h i g h a n dr e s i s t a n c et oc o r r o s i o ns t r o n gf o rn o r r nm a t e r i a l i n v e s t i g a t e d t h em o d i f i e dm e a n so fi n o r g a n i cs i l i c a t ea n da l s o i n v e s t i g a t e dt h es o r ta n d a m o u n to fp o r ei n t e r c o n n e c t e da g e n t ，p l u sp o r ea g e n t ，r e i n f o r c i n ga g e n ta n d o t h e ra d d i t i o na g e n t s ；a n dh a v ei n v e s t l i g a t e dt h er e l a t i o n s h i po fc o n s o l i d a t i o n i n t e n s i t ya n dp e r m e a b i l i t y ；w eg e n e r a l l yh a v ei n v e s t i g a t e da b i l i t ya n da f f e c t i n g f a c t o ro ft h em o d i f i e ds i l i c a t ec u m u l a t e s ，a n dw eh a v ep r o b ei n t ot h ea c t i o n m e c h a n i s mo f m o d i f i e ds i l i c a t es a n dc o n t r o la g e n t t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hc a nb eu pt e 5 o m p a , t h ep e r m e a b i l i t yc a nb ef r o m 1 0 7 2 x 1 0 。岬2 t o11 2 3 0 2 1 0 。岬2t h r o u 曲h i 曲t e m p e r a t u r e i tc a na c c e p t 也e h i g ht e m p e r a t u r eo f3 0 0 。c 1 1 1 i ss a n dc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sh i g hi n t e n s i t y , i n e x p e n s i v ec o s t ，e x t e n s i v ep u r v i e wo f t e m p e r a t u r ea n d g r e e n t h i st e c h n o l o g yc a na d a p tt ol o wa n dh i g ht e m p e r a t u r e t h ea p p l i c a t i o n f o r e g r o u n di sw i d e k e yw o r d s ：t h e r m a lw e l l ，s a n dc o n t r o l ，c h e m i c a ls a n dc o n t r o l ，s i f i c a t e ，p l u s p o r ea g e n t 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 本研究所傲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：u 月f d 日 关于论文使用授权的说明 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。 学生签名： 导师签名： 年v 月f 0 日 年月日 年 洲 中国石油大学( 华东) 硕+ 学位论文第1 章前言 第l 章前言 稠油是世冥经济发展的重要资源，我国对稠油油藏的研究、开发和加 工已日趋成熟，并已形成相当大的开采规模。目前，我国稠油油藏主要采 用注蒸汽方式开采，由于疏松砂岩油藏层问层内的非均质性、渗透率的变 化、原油性质的差异、不利的流度比、重力分离、井距和油藏倾斜等不利 因素的影响，在热采过程中，大多数的疏松砂岩油藏都存在着不同程度的 出砂现象，降低了开采效果。 1 1 稠油热采并出砂危害及其影响因素 1 1 1 出砂的危害 油田油、气、水井出砂是指地层砂粒随产出液流向井底的现象，油层 出砂后，所造成的危害主要有以下几个方面【l - 2 。 ( 1 ) 掩埋油层，影响产量 油层出砂后，地层砂随流体流入井底，一部分随井筒液体带到地面， 另一部分下沉到井底，使井底砂柱逐渐增高，直至掩埋油层，堵塞油流通 道，造成油井减产，甚至使油井停产。 ( 2 ) 掩埋或卡住井下管柱造成井下事故 油层出砂严重时，会造成卡管柱的事故，特别是进行分层开采的油井， 大量地层砂堆积在井下封隔器上部，会将井下封隔器连同管柱埋住，造成 砂卡事故和拔断井下管柱等事故。 ( 3 ) 导致套管损坏、油水井报废 随地层出砂量不断增加，套管外的地层空穴越来越大，到一定程度往 往会导致突发性的地层坍塌。套管受坍塌地层砂岩团块的撞击和地层应力 的变化作用，受力失去平衡而产生变形或损坏。这种情况严重时会导致油 井报废。 中国石油大学( 华东) 硕+ 学何论文第1 章前言 ( 4 ) 砂卡深井泵 地层出砂时，油流中带砂。油流中的砂子在活塞与衬套间隙内增加了 泵的磨损，甚至会把泵卡死。 除上述油层出砂带来的危害外，油层出砂还会增加采油装置、井下设 备和工具的磨损和破坏，增大修井工作量，影响采油速度，限制油田开发 方案实旌。 1 1 2 出砂的影响因素 地层出砂没有明显的深度界线，一般来说，地层应力超过地层强度就 有可能出砂。地层出砂是由多种因素决定的，归纳起来主要有以下几方面 0 , 3 - 4 1 。 ( 1 ) 地质因素的影响 地质因素的影响因素主要是指砂岩地层的地质条件，也就是砂岩地层 含胶结物数量的多少、类型的不同和分布规律的差异，再加上地质年代的 因素，就形成了砂岩油气藏不同的胶结强度。岩石胶结强度与油层岩石胶 结物种类、数量和胶结方式有密切联系。通常油层砂岩的胶结物主要有泥 质、钙质、硅质和铁质四种，以硅质和铁质胶结物的胶结强度最大，钙质 胶结物次之，泥质胶结物最差。对于同一类型的胶结物，其数量越多，胶 结强度越大。从胶结形式上分析，基底胶结是胶结物的数量大，岩石颗粒 完全浸没在胶结物中，这种胶结强度最大；孔隙胶结是胶结物分布在岩石 颗粒间，但仍有孔隙，胶结强度次之；接触胶结是胶结物只分布在岩石颗 粒表面接触的地方，胶结强度较低。 ( 2 ) 开发条件的影响 在地层岩石性质及目的层位中应力场分布状态相同或相似的前提下， 生产压差、采油速度和由人为因素造成的油井激动都可引起地层应力参数 变化，这也是造成油井出砂的另一个主要原因。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文第l 章前言 加大生产压差和提高采油速度，使地层流体的渗流速度增加，从而 增大了对地层岩石的冲击力和拖曳力，导致出砂。 生产井的突然开、关及人为因素造成的激动，在井底附近地层形成 突变的应力场，建立的压差在井壁附近形成较大压力梯度，从而破坏岩石 造成出砂。 油层改造及大量注水，导致地层结构破坏和水敏性矿物的膨胀、松 散迁移。降低了胶结强度，加剧出砂。 ( 3 ) 地层流体的影响 。 随着油田开发的进行，地层压力不断下降。当地层压力低于饱和压力 时，地层中原油脱气，造成原油粘度增大，增强了对地层岩石的拖曳力， 加剧出砂。稠油因为粘度高，对地层岩石的拖曳力强，稠油井一般出砂严 重。 ( 4 ) 其它原因 固井质量差，在生产中形成高低压层的串通，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，因面导致油井出砂。注蒸汽开采 中，注入的蒸汽和高温水对以粘土为主要胶结物的油层有溶解和软化作用， 从而降低地层胶结强度。 1 1 3 稠油热采井出砂原因及其影晌因素 ( 1 ) 稠油热采井储层普遍具有中高渗、大孔喉、结构疏松、胶结物含 量少的特点，导致油井在开采过程中容易出砂； ( 2 ) 热采井在蒸汽注入后，由于高温高压蒸汽的压裂、溶蚀、水化膨胀 等作用，进一步降低了储层的岩石强度，当流体对岩石的冲刷力与拖曳力 超过岩石的抗拉强度时，颗粒便会从骨架中剥离下来，呈游离相悬浮于原 油中，并随之一起运移到并底，导致油层出砂： ( 3 ) 蒸汽吞吐时，先吞后吐，使液流双向反复，导致岩石颗粒更加松动， 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文第1 章前言 加速了油层出砂并且由于油层的高渗、大孔喉，蒸汽在其中窜流导致出 砂更加严重； ( 4 ) 由于稠油热采油藏地层大都胶结疏松，地层易受波动，因此，对 于不适于易出砂的稠油热采油藏的工程措施、不合理的油井工作制度及工 作制度的突然变化、频繁而低质量的修井作业、设计不良的措施和不科学 的生产管理等都可能对热采油层产生影响，降低了油层的胶结强度，使得 油层变得疏松而易出砂。 1 。2 油水井防砂技术 胶结疏松地层中的流体常会把地层中的砂粒带迸井筒。防砂就是控制 井壁处“承载骨架砂”，保证地层稳定。如何进行准确有效的防止地层出砂， 使地下油气资源顺利的采出成为油f 开一直探究的问题。几十年来，防砂技 术不断完善，逐步形成了以机械防砂和化学防砂为主的防砂工艺技术。 1 2 1 机械防砂技术 机械防砂是把机械( 过滤) 装黉下入油并，阻挡地层砂进入井内，而允许 地层液体流入井筒，以达到产油、防砂的目的。机械防砂又可分为两大类四： ( 1 ) 防砂管柱挡砂 该技术主要包括割缝衬管、绕丝筛管、滤砂管以及各类地面预制成的 滤砂器( 如双层预充填筛管、树脂滤砂管、金属棉纤维滤砂管、多孔陶瓷滤 砂管等) 。 割缝衬管防砂技术：割缝衬管主要用于出砂不严重的井。其防砂机 理是允许部分能被产出液携带到地面的细小砂粒通过，而较大的砂粒阻挡 在衬管外，形成堆积砂桥达到防砂的目的： 滤砂管防砂技术：滤砂管防砂技术一般用于套管射孔完成井，其防 砂机理是过滤和自然挡砂。地层砂粒随液流进入井简后，被阻挡于滤砂管 4 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文第l 章前言 的周围，逐渐堆积，形成自然砂拱，进一步阻止地层出砂。 ( 萄绕丝筛管砾石充填 该防砂技术是将绕丝筛管或割缝衬管下入井内防砂层段外，用一定质 量的流体携带地面选好的具有一定粒度的砾石，充填于筛管和油层或套管 之间，形成一定厚度的砾石层以阻止油层砂粒流入井内的防砂方法。 该技术广泛用于机械防砂，可以通过选择筛管的长度，以适应任何厚 度的射孔层段，并用开孔大小来控制不同尺寸的颗粒。 1 2 2 化学防砂技术 化学防砂是将化学药剂注入地层，将疏松的地层砂颗粒胶结起来，形 成具有一定强度和渗透性的挡砂屏障，从而达到产油、防砂的目的。该方 法的优点是施工简单，井筒中不留任何机械装置，可用于多层完井和小直 径井防砂。化学防砂大致分为三类： ( 1 ) 人工胶结法 人工胶结砂层防砂方法是指从地面向油层挤入液体胶结剂及增孔剂， 然后使胶结剂固化，在油层层面附近形成具有一定胶结强度和渗透性的胶 结砂层，达到防砂的目的。目f j i f 已使用的方法主要有酚醛树脂溶液及酚醛 溶液地下合成等方法肛“】。 酚醛树脂胶结砂层：酚醛树脂胶结砂层是以苯酚和甲醛为主料，以 碱性物质为催化剂，按比例混合，经加热熬制成的树脂，将其溶液挤入砂 岩油层，以柴油增孔，再挤入盐酸作固化剂，在油层温度下反应固化，将 疏松砂岩胶结以防止油水井出砂。该方法适用于早期出砂的油水井防砂， 施工工艺简单，但成本较高，施工作业时间长； 酚醛溶液地下合成防砂：酚醛溶液地下合成防砂是将加有催化剂的 苯酚与甲醛，按比例配料搅拌均匀，并以柴油为增孔剂配成树脂溶液，酚 醛溶液挤入出砂层后，在油层温度下逐渐形成树脂并附着于砂粒表面，固 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文第1 章前言 化后将油层砂胶结牢固，而柴油不参加反应为连续相充满孔隙，使胶结后 的砂岩保持良好的渗透性，从而起到提高砂岩的胶结强度，防止油气层出 砂的方法。该方法为油井先期和早期的防砂方法，适用于温度高于6 0 ， 粘土含量较低的中细砂岩油层。平均有效期二年以上，施工较为简单，对 已大量出砂或出水后防砂效果差的油井不宜选用。 ( ，n 人工井壁法 人工井壁防砂方法通常是指从地疆将支撑剂和未固化的胶结剂按一定 比例混合均匀，用液体携至井下挤入出砂部位，在套管外形成具有一定强 度和渗透性的壁面，可阻止油层砂粒流入井内而又不影响油井生产的工艺 措施，如水泥砂浆、树脂核桃壳、树脂砂浆、预涂层砾石人工井壁等 1 2 - 1 4 l 。 水泥砂浆人工井壁：水泥砂浆人工井壁是以水泥为胶结剂，以石英 砂为支撑剂，按比例混合均匀，拌以适量的水，用油携至井下，挤入套管 外，堆积于出砂部位。凝固后形成具有一定强度和渗透率的人工井壁，防 止油气层出砂的方法。该方法是油井后期防砂方法，渗透率较高，原材料 来源广泛，施工简单，但用油量较大，胶结后抗折强度小于1 m p a ，有效期 短； 树脂核桃壳人工井壁：树脂核桃壳人工井壁是以酚醛树脂为胶结剂 和粉碎成一定粒度的核桃壳为支撑剂，按一定比例混合均匀，使每个核桃 壳颗粒表面都涂有一层树脂，并加入少量柴油浸润，然后用油或活性水携 至井下，挤入射孔层段套管外堆积于出砂层位，在固化剂的作用下经一定 时间的反应后树脂固结形成具有一定强度和渗透性的人工并壁，防止油气 层出砂的方法。该方法适用于油水井早期防砂，胶结后人工井壁渗透性较 高，强度较大，具有较好的防砂效果，但原料来源困难； 树脂砂浆人工井壁：树脂砂浆人工井壁是以树脂为胶结剂，石英砂 为支撑剂，按比例混合均匀，使石英砂表面涂覆一层均匀的树脂薄膜，并 6 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文第1 章前言 加入少量的柴油浸润，然后用油携至井下挤入套管外出砂层位。凝固后形 成具有一定强度和渗透性的人工井壁，防止油气层出砂的方法。该方法是 油水井后期防砂方法，适用于吸收能力较高的油水层，其适应性较强，不 受井深限制，但施工中现场混合劳动量大： 预涂层砾石人工井壁：预涂层砾石人工井壁是在砾石外表面涂覆一 层树脂，在常温下形成不发生粘连的稳定颗粒。将其携至油井出砂层位， 在一定条件下砾石表面树脂软化粘连并固结，形成具有良好渗透性和强度 的人工井壁方法。该方法适用于吸收能力较大，温度高于6 0 的油层防砂， 施工简单，成功率高，胶结后砾石抗折强度可达5 m p a 左右，渗透率可保 持在原始值的9 0 以上，是目自口较好的化学防砂方法。 ( 3 ) 其它化学固砂法 主要有氢氧化钙固砂、四氯化硅固砂、水泥碳酸钙混合液固砂、聚氯 乙烯固砂和氧化有机物固砂法等。这些方法制约条件较多，使用不广泛。 1 2 3 其它防砂技术 ( 1 ) 复合防砂技术 复合防砂技术将机械防砂和化学防砂的优缺点互补，一方面在地层近 井地带形成一个渗透性较好的人工井壁，另一方面利用机械防砂管柱形成 二次挡砂屏障，起到很好的防砂效果 1 5 - 1 6 】。通常使用的机械防砂管柱为滤 砂管和绕丝筛管，与之配合使用的化学方法为覆膜砂。复合防砂效果好、 有效期长、适应性广，几乎可以用于任何复杂条件下的防砂措施。但复合 防砂工艺复杂，成本高，因此一般在单种防砂效果不好时使用，尤其适用 于粉细砂岩、渗透性差的地层。也适用于地层亏空严重的老井防砂。 ( 2 ) 焦化防砂技术 焦化防砂技术是向地层注入热空气使原油在高温下氧化裂解生成焦炭 从而将地层砂就地进行固结。其主要优点是：原油加热到高温时粘度明 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文第l 章前言 显下降；短期火烧焦化过程将近井地层孔隙中的沥青质、胶质烧掉，使 孔隙度和渗透率提高，改善了原油流动条件：燃烧使地层脱水，有效地 防止了粘土的膨胀分散伤害油层；热力作用还可以使油层产生裂缝，形 成新的油流通道。缺点主要是强度低，可控性差，对油藏流体性质有较大 依赖性。 ( 3 ) 压裂充填防砂技术 高渗压裂充填防砂是2 0 世纪9 0 年代迅速发展起来的一种新的防砂技 术，对高渗的疏松砂岩地层进行水力压裂和砾石充填，将两种工艺有机结 合在一起，达到传统工艺所不能达到的油井既高产又防砂的效果。高渗压 裂充填防砂既能提高产量又能有效防砂。主要技术原理如下f 1 7 9 j ：压裂 后地层流体流动特征：压裂前，均质地层流体进入井筒的流动为径向流； 压裂后地层流体的流动为两种模式，先是地层内部向裂缝面流动的线性流， 然后是流体沿裂缝直接进入井筒；水力裂缝可以避免和缓解岩石的破坏： 具有极高导流能力的压裂裂缝将地层流体由原来的径向流转变成双线性 流，在一定程度上降低了生产压差和大幅度降低流动压力梯度，从而缓解 或避免岩石骨架的破坏，也就缓解了出砂趋势和程度：裂缝可以降低流 动冲刷携带砂粒的能力：流体对颗粒的冲刷与携带能力主要取决于其流速， 流速越大，对地层的冲刷作用越厉害，出砂就越严重。由裂缝而产生的双 线性流动模式及巨大的裂缝表面积可以发挥良好的分流作用，使压后流速 大幅降低，从而降低了对地层微粒的冲刷和携带作用，大大减轻了出砂程 度；裂缝内充填的砾石对地层砂粒有阻挡作用；作用原理与常规的砾石 充填类似，裂缝内充填的砾石对地层砂粒有阻挡作用。 1 2 4 稠油热采井防砂技术 ( 1 ) 机械防砂：主要以滤砂管防砂和绕丝筛管砾石充填为主，适宜于中 粗砂岩油藏，对于胶结疏松且出砂严重的细砂及粉细砂岩油藏，效果并不 8 中国石油大学( 华尔) 硕十学位论文第1 章前言 理想，而且热采井一般都是高温高压，对井下滤砂管和绕丝筛管有一定破 坏性，不仅提高了作业成本，还容易造成井下复杂事故。 ( 2 ) 化学防砂；主要以高温固砂剂和覆膜砂为主，主要用于预处理出粉 砂、出砂程度不严重的油井，缺点是耐温性能差、成本高、有效期较短。 ( 3 ) 焦化防砂：主要用于以火烧油层或蒸汽驱开采的密度大于 0 9 3 4 9 c m 3 的重质稠油油藏。效果较好，增产显著，是开发稠油的有效途 径，但是作业时间较长且强度低，对油藏流体性质有较大依赖性。 ( 4 ) 复合防砂：单一的机械防砂或化学防砂都不能完全满足热采井的防 砂要求。因此可将机械防砂管柱与覆膜砂复合使用。该技术防砂效果好、 有效期长、适应性广，但复合防砂工艺复杂，成本高。 因此。为了保证热采井的防砂效果，在优选防砂工艺时，必须要结合 油藏的地质特点与出砂特征。 1 3 化学防砂的发展趋势 化学防砂适用于渗透率相对均匀的薄层段的防砂，其优点是井筒内不 留任何机械设备，防砂一旦失效，较容易进行补偿性作! 止措施，化学防砂 对粉细砂岩的防砂效果优于机械防砂，弥补了机械防砂的不足，此外化学 防砂对出砂不严重的地层和低含水油井防砂成功率高。但化学防砂一般只 适用于短井段的防砂，防砂有效期短，存在老化现象，对油层的渗透率有 一定的损害，而且防砂成本相对较高，其应用受到一定的限制，特别是化 学防砂用于高温井、低温井、高含水油井、定向井和水平井时，固化强度 相对较小，作业周期较长，防砂有效期短，此外对长井段和多井段的防砂 成本较高，防砂成功率低。 研究廉价实用高效的新型化学防砂剂及其工艺技术成为开发疏松砂岩 油藏的必然趋势。主要研究方向和发展趋势有以下几方面f 2 0 】： 9 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文第l 章前言 ( 1 ) 研制开发既可在低温又可在高温条件下固化且固结强度较高的各 类有机或无机胶结剂； ( 2 ) 完善和改进防砂用的各类助剂，如偶联剂、稀释剂、分散剂和乳化 剂等，以满足特殊地层的防砂要求： ( 3 ) 优化组合胶结剂、防砂助剂和其它入井流体的配伍性，较好的处理 防砂作业和其它作业( 化学防砂工艺实施前后的地层清洗液、地层解堵液、 粘土稳定剂等) 之间的矛盾； ( 4 ) 根据油藏物性特点、井筒条件、生产条件和作业条件等具体情况， 继续完善复合防砂技术； ( 5 ) 重视出砂预测技术和防砂基础理论的研究，同时对防砂效果进行准 确有效的评价： ( 6 ) 应该在如何降低防砂的综合成本，延长防砂有效期等方面加强科研 力度。 随着石油开发进入中后期，出砂油水井将越来越多，油田将把防砂技 术作为一项重要的技术来研究，防砂工作者将不断改进和发展各种防砂技 术，使之满足新时期不同条件下的防砂要求。 1 4 研究的目的意义与研究内容 1 4 1 选题依据及目的意义 对于出砂稠油层，既要防住砂，又要尽量避免增加稠油流动阻力。常 规防砂工艺不能有效地解除油层堵塞，或者防砂后注蒸汽压力过高甚至注 不进去，或者防砂后供液不足，产量较低。特别是特、超稠油注蒸汽井和 粉细砂岩地层，常规化学防砂工艺有效率低。目前热采井采用的化学防砂 方法固结强度低、有效期短、成本高等缺点。因此，对于稠油热采井而言 迫切的需要一种廉价而又耐高温的防砂技术。为了解决上述问题。对无机 i o 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文第l 章前言 硅酸盐进行筛选并改性，研制出一种改性硅酸盐固砂剂，提高固砂剂的强 度和渗透率。同时，减少配制固砂剂所用的养护时间，进一步降低防砂成 本，拓宽固砂剂使用范围。 1 4 2 主要研究内容 针对热采井防砂存在的这些问题，提出了“稠油热采井防砂技术研究” 的课题，开发稠油热采井防砂新技术，提高油水井防砂成功率，缩短作业 周期，延长防砂有效期，降低防砂成本，提高油田开发的综合经济效益。 该研究的主要内容如下： ( 1 ) 无机硅酸盐防砂体系中硅酸盐的表面改性技术，选用廉价的无机材 料进行改性，提高水化性能和固结强度； ( 2 ) 无机硅酸盐防砂体系孔隙连通剂的筛选和表面处理：通过对孔隙连 通剂的种类、直径、长度和加量的实验研究，确定孔隙连通剂合理的应用 参数，并对其表面处理工艺进行实验探讨； ( 3 ) 无机硅酸盐防砂体系增孔剂的研究：为提高防砂体的渗透率和孔隙 连通性，研究并筛选出合适的增孔剂； ( 4 ) 无机硅酸盐防砂体系增强剂的研究：为提高硅酸盐防砂体的固结强 度，研究并筛选出合适的增强剂； ( 5 ) 无机硅酸盐复合防砂体系作用机理探讨：从硅酸盐水化固结、硅酸 盐改性、固砂剂增渗和增强等方面对防砂作用机理进行探讨。 生垦石油大学( 华鸯) 硕十学位论文第2 章实验材料与测试方法 第2 章实验材料与测试方法 2 1 主要实验材料与仪器 。 2 1 1 主要实验药品与材料 ( 1 ) 主要实验药品 硅酸盐、氟硅酸盐、硅铝酸盐、碳酸盐、氯化钙、氧化钙、碳酸钙、 氢氧化钙、氢氧化钠、氯化钡、无水硫酸钠、丙酮、草酸、苯甲酸、柠檬 酸、硼酸、盐酸、增孔剂( if 、p a 、n l 、b j s 、y s y 、t s q a 、t s q n 等) 、 悬浮剂、分散剂、降失水剂、尿素、六次甲基四胺、e d t a 、乙醇、碳酸氢 铵、氯化铵、碳酸氢钠等均为市售化学试剂( c r ) 。 c 2 ) 主要实验材料 不同规格的纤维( 聚酯、尼龙、玻璃、塑料、木制纤维等，均为市售产 品) ：不同规格的硅酸盐；热固性酚醛树脂、热塑性酚醛树脂、脲醛树脂、 呋喃树脂、环氧树脂及它们的改性树脂；煤油；柴油；不同粒径的石英砂； 孤东油田污水；玻璃管( 4 , 2 5 x 6 0 8 0 m m ) 。 2 1 2 主要实验仪器 j h r 岩心流动实验装置( 江汉石油学院科技开发公司) ； 万能材料实验机( 威海实业仪器厂) ； 电热恒温水浴锅( 龙口市先科仪器公司) ； 循环水式多用真空泵( 郑州长成科贸有限公司) ； 电热套( 山东郓城华鲁仪器公司) ； 恒温水浴锅( 龙口市先科仪器公司) ； 7 6 - 1 玻璃恒温水浴( 上海昌吉地质仪器有限公司) ； 红外干燥烘箱( 10 1 a - i e 型，上海市实验仪器总厂) ； 分析天平( 上海天平仪器厂) ： 1 2 中国机油人学( 华东) 硕十学侍论文第2 章实验材料与测试方法 o 2 0 0 m m 游标卡尺( 上海量具刃具厂) ： 标准筛( 2 0 2 0 0 目) ； 常规玻璃仪器和器皿。 2 2 主要实验与测试方法 ( 1 ) 硅酸盐固结体的制备 将硅酸盐浆体装入毋2 5 6 0 8 0 m m 的玻璃管中，将其下端用金属丝网 或纱布压实封堵，然后置于恒温水浴中，在一定温度( 除非特别注明，实验 温度均为6 0 c ) 下恒温同结一段时间，去除玻璃管，两端除糙磨平后备用。 ( 2 ) 抗压强度的测定 将硅酸盐固结体两端除糙磨平后，用材料压力实验机，按标准 s y 5 2 7 6 9 1 测其抗压强度。将测定数据代入公式( 2 1 ) 计算抗压强度： z t = f a 9 8 1 1 0 ( 2 - 1 ) 式中：2 l 试样抗压强度，m p a ： f 一试样压碎时的载荷，k g f ： 彳一试样截面积，t i l l 2 。 当每块试样固结强度的测量值最大相对误差5 1 5 时，以它们的平均值 作为测定结果。当某块试样固结强度的测量值相对误差 1 5 时重新取样测 定。 ( 3 ) 抗折强度的测定 将硅酸盐固结体两端除糙磨平后，用材料压力实验机，按标准 s y 5 2 7 6 9 1 测固结体的抗折强度。将测量数掘代入公式( 2 2 ) 计算出抗折强 度： r t = 9 8 1 口f t d 3 ( 2 - 2 ) 式中：r f _ 一试样在常温下的抗折强度，m p a ； 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文第2 章实验材料与测试方法 n 式样折断时的载荷，k 瓯 d 一试样折断处的直径，g m ： 口抗折强度系数，取值为2 4 9 7 c m 。 当每块试样的抗折强度测量值最大相对误差5 1 5 时，以它们的平均值 作为测定结果。当某块试样固结强度的测量值相对误差 1 5 时重新取样测 定。 ( 4 ) 渗透率的测定 将硅酸盐固结体先抽真空饱和水，再置于岩心夹持器中，在岩心流动 试验仪上用水测定通过硅酸盐固结体的流量，用达西公式计算出固结体的 水相渗透率。将测定数据代入公式( 2 - 3 ) 计算出渗透率： k = ( q p z ( 么p 制1 0 “( 2 - 3 ) 式中：j ( 一液相渗透率( “m 2 ) ； 9 一液体流量( c m 3 ，s ) ； 炉流体粘度( m p a - s ) 厶一固结体的长度( c m ) ； 4 p 一压差( m p a ) 4 一固结体的横截面积( c m 2 ) 。 ( 5 ) 耐介质浸泡实验 将硅酸盐固结体在一定温度下，浸入到不同的介质中，在密闭的条件 下恒温放置一段时间，取出后测定固结体浸入前后的抗压强度的变化，来 判断该防砂体的耐介质性的好坏。 ( 6 ) 抗老化性实验 将硅酸盐固结体在不同温度下，浸入到介质( 一般为地层水) 中，在密闭 的条件下恒温放置一段时间，取出后测定浸入前后的抗压强度的变化，来 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文第2 章实验材料与测试方法 判断该防砂体的抗老化性的好坏。 ( 7 ) 硅酸盐材料浆体密度测定方法 将按比例配制好的硅酸盐浆体注入密度计的浆体杯中，移动游码，并 读出游码表示数即为硅酸盐复合材料浆体的密度。 ( 8 ) 硅酸盐材料浆体析水率的测定 将配制好的硅酸盐浆体注入有刻度的玻璃量筒中，并密封以避免蒸发。 静止放置2 小时后，测定浆体上部析出的自由水，用析出自由水的体积除 以硅酸盐浆体的体积，就得硅酸盐浆体的析水率( ) 。一般浆体的析水率不 得超过1 4 ，否则浆体会出现沉降分层，影响防砂效果。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文第3 章改性硅酸盐固砂剂的研究 第3 章改性硅酸盐固砂剂的研究 3 1 高温固砂剂基料的确定及其物性分析 3 1 1 硅酸盐基料的选取依据 ( 1 ) 常用热采井固砂剂存在的问题 目前，防砂的方法一般可分为机械防砂和化学防砂。化学防砂技术近 年来发展很快，常用的化学防砂工艺有两种，一是向井眼周围充填树脂涂 敷的石英砂、陶粒砂等颗粒物质，使其固化后形成人工井壁；二是向出砂 层直接注入固砂剂。常用的固砂剂大都为有机树脂类，这些固砂剂具有固 结体抗压强度高，耐冲刷能力强等特点，但其耐温性能较差( 最高不超过 2 5 0 ( 2 ) ，而且防砂成本相对较高，有机溶剂也有一定的毒性，对环境和施工 人员伤害比较大。因此，有必要丌展高温固化，且固结强度高，毒性小或 无毒性的高温防砂剂的研究，来满足稠油热采井的防砂要求。 c 2 ) 硅酸盐基料选取的依据 针对以上存在的问题，通过大量的文献调研，最终确定选取以硅酸盐 为主要材料，并添加一定的硅铝酸盐和碳酸盐作为防砂用基料，一是因为 硅酸盐来源广泛，价格便宜，固结后强度较高；二是因为硅酸盐不但在低 温下有一定的固结强度，而且在高温下也可以固结，且具有一定的强度和 渗透性。所以硅酸盐是一种很有发展前途的可用于防砂的材料。 但由于硅酸盐在分散性、渗透性和固结强度等方面仍存在一些不足， 所以，必须对其进行表面改性，以改善其分敖性，提高固结强度。而且为 了增加硅酸盐固结体的渗透性，可在硅酸毹中加入各种增孑l 剂和孔隙连通 剂。将改往后的硅酸赫、增孔剂和孔隙连通剂及其它添加剂按比例混合均 匀后，配成改性硅酸盐浆体，在注蒸汽静注入井下需施工层段，待其固结 后即可进行注蒸汽作业，由于加入了增孔剂和孔隙连通剂等添加剂，在注 1 6 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文第3 章改性硅酸盐固砂剂的研究 完蒸汽以后，硅酸盐固结体的渗透性由于蒸汽的高温作用和原油的溶解作 用，可使渗透性得到一定程度的提高，从而起到较好的防砂效果。 3 1 2 硅酸盐基料的物性分析 ( 1 ) 粒度分布对硅酸盐性能的影响 硅酸盐强度的产生主要是由于硅酸盐颗粒及水化物之间相互连生、搭 接、硬化从而产生可以抵抗外力的作用。硅酸虢颗粒的大小与水化速度和 程度有着直接的联系，不同粒径硅酸盐的水化速度和程度差异很大【2 ”。在 组成硅酸盐的所有颗粒中，3 3 0 p m 的颗粒对硅酸盐强度增长起主导作用。 其间各粒级的分布应是连续的，且总的含量不应低于6 5 。进一步研究发 现，1 6 2 4 1 t m 之间的颗粒对硅酸盐性能的影响更为重要，它们的含量愈多 愈好。小于3 1 a m 的细颗粒的水化速度很快，有的甚至在搅拌过程中就已经 完成，所以这些细颗粒仅对早期强度有利。3 0 6 0 p m 颗粒的水化程度较低， 某型号硅酸豁在搅拌成型一个月后其水化程度仅为5 4 。而大于6 0 9 m 粗 颗粒的活性很小，水化作用甚微，仅起填料作用。可见硅酸盐中大于3 0 肛m 颗粒的含量越多。熟料的利用率就越低，硅酸盐的性能就越差。通过对硅 酸盐进行筛分分级，再分别测定不同粒度区段的硅酸盐各龄期的强度，试 验结果如表3 - 1 所示。 表3 - 1 不同粒径区间硅酸盐强度的罚定结果 抗压强寅2 m p a 序号 粒度区, f ：9 l t m 3 d7 d2 8 d l5 2 06 2 l7 4 28 5 4 22 0 5 05 0 45 9 07 4 2 3 5 0 7 02 2 33 4 45 1 3 47 0 8 0o o oo o oo 引 5矿渣硅酸盐4 0 54 9 27 5 s 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文第3 章改性硅酸盐固砂剂的研究 由表3 1 可见，粒径大于7 0 p , m 的硅酸盐，3 d 的抗压强度竞为0 ，2 8 d 抗压强度也只有0 8 1 m p a ；粒径在5 0 7 0 9 m 的硅酸盐，3 d 抗压强度仅为 2 2 3 m p a ，2 8 d 的抗压强度也只有5 1 3 m p a ，为原硅酸盐同龄期强度的6 0 ； 而细颗粒端的各项强度指标较原硅酸盐有较大提高。由此可见，降低硅酸 盐中粗颗粒的含量，改善硅酸赫的粒度分布是提高硅酸盐性能的有效途径。 在国外，某些先进的硅酸盐厂的硅酸盐产品中大于3 0 p , m 的颗粒的含量仅为 1 7 ，有的甚至控制在7 以下。这种3 3 0 岫之间颗粒含量较高，粒度分 布比较集中的硅酸赫称为“窄粒径硅酸盐”，反之称为“宽粒径硅酸盐”。“窄 粒径硅酸盐”可以充分发挥熟料的潜能，提高熟料的利用率，从而大大提高 硅酸盐的各龄期的强度指标。目前国内硅酸盐的性能与国外先进水平还有 较大差距，原因之一就是国内硅酸盐多为宽粒径硅酸盐，它们的粗颗粒含 量多，粒度分稚宽。 ( 2 ) 颗粒形貌对硅酸盐性能的影响 硅酸盐颗粒形貌对硅酸盐性能的影响比较复杂 2 2 1 。一方面多角形等不 规则形状的颗粒有助于颗粒之间的搭接，可以提高硅酸盐强度；而另一方 面多角形颗粒间的摩擦阻力大，流动性差，要达到一定的流动性就需要多 加水，导致硅酸盐标准稠度需水量增加，这又会降低硅酸豁强度并影响硅 酸盐的其它性能。表3 _ 2 是对具有同样的比表面积和颗粒构成但圆形度的两 种硅酸盐的强度测定结果。 由表3 - 2 可见，颗粒圆形度高的硅酸盐，即颗粒呈接近圆形或椭圆形 的硅酸盐，表现为较高的后期强度。因此提高硅酸盐颗粒的圆形度也将对 硅酸盐性能的提高具有积极意义。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕七学位论文第3 章改性硅酸盐固砂剂的研究 表3 - 2 圆形度不同的硅酸盐强度测定结果 比表面积均匀性圆形度标准稠度 抗压强度m p a 序号 ，m 2 培。 系数 ， 3 d7 d l3 4 50 8 94 7 o o3 0 4 35 2 47 8 3 23 4 80 9 27 3 o o3 6 7 24 1 26 4 4 综上所述，在硅酸赫选择过程中应尽可能增加3 3 0 9 m 颗粒的含量， 减少3 0 9 i n 以上颗粒的含量，同时设法提高硅酸盐颗粒的圆形度。这些方面 的改善将对提高硅酸盐性能产生积极的影响。 ( 3 ) 孔隙结构对硅酸盐性能的影响 硅酸盐是一种多相、高度非均质体系。内部结构上存在着大量的孑l 隙 和微孔道。特别是硅酸盐在凝结时往往伴随着体积收缩使孔隙增大，渗透 率也随之增高。在硅酸盐中存在以下几种类型的孔隙【2 3 1 ：一是水化不充分 的熟料颗粒之间的孔隙及自由水蒸发后的孔隙称为毛细孔，它主要是氢氧 化钙晶体间的孔隙；二是成型时不够致密和吸入空气等原因而带来的孔隙： 三是晶体重结晶产物罩的孔隙；四是内部结构应力产生的裂缝。它们孔径 尺寸大( 大于2 1 0 - 1 m ) 对硅酸盐渗透率有重要作用。硅酸盐中另外一种孔 隙是凝胶孔，它是水化硅酸钙内部的孔隙，尺寸较小n 5 3 0 1 0 j j i n ) ，对 硅酸盐渗透率贡献很小。而介于毛细孔和凝胶孔之间存在过渡孔，主要是 由收缩的孔隙、水化物( 水化铝酸钙、水化硫铝酸钙，水化硅酸钙连生体) 结晶结构里的孔隙、部分的被凝胶体填积了的粗大孔隙组成，其孔径尺寸 波动较大。 3 2 硅酸盐的表面改性 硅酸盐改性基于以下两个原则，一是增加硅酸赫的表面活性，提高硅 酸盐固结体的强度；二是改善硅酸盐在溶液中的分散性，并增加硅酸盐固 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文第3 章改性硅酸盐固砂剂的研究 结体的渗透性。 以上对硅酸盐、硅铝酸赫物性进行了分析，从而确定选取硅酸盐和硅 铝酸盐为基料，同时根据硅酸赫的自身不足，选取了两种硅酸盐改性剂a ( 其作用是增加硅酸盐固结体的强度) 和改性剂b ( 其作用是改善硅酸盐 的分散性和渗透性) f 2 4 彩j ，现对其加量进行实验研究。 具体筛选实验方法是：将硅酸盐与改性剂a ( 金属化合物) 和b ( 有 机硅树脂) 混合均匀、晾干压散后加入清水，并搅拌均匀，并在搅拌过程 中观察其分散性( 通过搅拌，观察硅酸盐在液体中是否容易搅拌均匀，是否 容易迅速分散和迅速润湿水化) ，然后放入玻璃管，于6 0 x 3 的恒温水浴常压 下养护2 4 h ，取出后敲碎玻璃管，两端除糙磨平后，测定固结体的强度和渗 透率等性能指标。试验结果如图3 1 、图3 2 所示。 是 倒7 鼎 幽 辐8 o24e81 01 21 41 b 改性剂a 加鼍 圈3 - l 改性剂a 加量对固结体性能的影响 n 皇 j 3 之 铸 剃 璐 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文第3 章改性硅酸盐固砂剂的研究 一 是 趟 蝮 皑 蠕 02 1 0 2t 7 改性嗣b 加霹 玉 甲 2 哥 蝈 璐 图3 - 2 改性剂b 加量对固结体性能的影响 从图3 1 可以看出，加入改性剂a 后，虽然抗压强度增加幅度较大， 但对渗透率伤害较大，综合考虑确定其加量以5 1 0 为宜：在实验过程中 发现，加入改性剂b 后，硅酸盐分散性变好，容易搅拌均匀，从图3 2 中 也可以看出，加入改性剂b 后渗透率也有所增加，但抗压强度相对未进行 改性前，有部分减小，加量以6 1 0 为宜。 3 3 硅酸盐与支撑剂比例的确定 硅酸盐中加入支撑剂，不但可以减小硅酸盐的用量，降低成本，更重 要的是可以增大固结体的渗透率，所以有必要对支撑剂的加量进行实验研 究。实验方法是将硅酸赫与支撑剂混合( 灰砂比) 均匀后，加入清水，并搅拌 均匀，然后放入玻璃管，于6 0 c 的恒温水浴压下养护4 8 h ，取出后敲碎玻 璃管，两端除糙磨平后，测定固结体的强度和渗透率等性能指标。实验结 果如图3 3 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文第3 章改性硅酸盐固砂剂的研究 2 一 是1 0 趟 暖 出 蟥。 灰砂比 2 、 = * 2 糌 1 魍 璐 图3 - 3 灰砂比对同砂剂性能的影响 从图3 3 中可以看出，支撑剂的加入使渗透率明显增大，但是支撑剂加 入太多，防砂体失去流动性，现场不容易旖工，考虑各种因素，灰砂比以 在0 5 1 0 之间为宜。 3 4 硅酸盐与水比例的确定 硅酸盐中水的比例越大，渗透率越大，