纖維復(fù)合防砂技術(shù)在疏松砂巖油藏的應(yīng)用

纖維復(fù)合防砂技術(shù)在疏松砂巖油藏的應(yīng)用

傳統(tǒng)的防砂技術(shù)，如目前廣泛應(yīng)用的防砂、壓裂防砂、防滑，應(yīng)與填充廢物篩管合作使用，達(dá)到良好的防砂效果。這樣就增加了流體流入井筒的附加阻力,影響了防砂后的油氣井產(chǎn)能,降低了經(jīng)濟(jì)效益。此外,傳統(tǒng)防砂技術(shù)對(duì)儲(chǔ)層也有一定的損害。而纖維復(fù)合防砂技術(shù)具有增產(chǎn)及防止地層出砂的雙重效果,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)防砂技術(shù)的缺陷。2000年Schlumerger公司在亞得里亞海喬凡娜氣田對(duì)其中的3口氣井進(jìn)行了纖維復(fù)合防砂,作業(yè)后產(chǎn)氣量比礫石充填防砂提高了2.5倍,并且至今無出砂現(xiàn)象報(bào)道。筆者對(duì)粉細(xì)砂巖油藏油水井纖維復(fù)合防砂工藝技術(shù)機(jī)理進(jìn)行研究。1拉伸、彎折應(yīng)力下的變形纖維對(duì)樹脂涂敷砂的增強(qiáng)機(jī)理基于纖維間距理論與復(fù)合材料理論。纖維間距理論又稱“纖維阻裂機(jī)理”。樹脂在地層溫度下的軟化固結(jié)是一個(gè)放熱過程,體積的收縮會(huì)引起樹脂涂敷砂體中出現(xiàn)大量的微裂縫,而纖維加入后在砂體中成三維亂向分布,微米級(jí)的細(xì)纖維貫穿于裂縫之間,起到了阻裂的作用。復(fù)合材料理論則是指加入的纖維起到了類似于鋼筋混凝土中鋼筋的作用,在砂體中亂向分布形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在砂體受到拉伸、彎折應(yīng)力時(shí),纖維的應(yīng)力傳遞機(jī)理使其承擔(dān)了大部分的應(yīng)力,減小了樹脂砂體的破壞幾率。纖維復(fù)合防砂技術(shù)是采用兩種可分別起“穩(wěn)砂”和“擋砂”作用的特種纖維,一種穩(wěn)砂,將細(xì)粉砂聚集成較大的細(xì)粉砂結(jié)合體,另一種擋砂,擋住細(xì)粉砂結(jié)合體進(jìn)入井筒。“軟纖維”是一種帶支鏈的長(zhǎng)鏈陽離子聚合物,在水溶液中靠支鏈帶有的陽離子基團(tuán)的電性作用而展開。當(dāng)進(jìn)入儲(chǔ)層后,因細(xì)粉砂表面帶負(fù)電,這就使得帶正電的軟纖維支鏈可以吸附在細(xì)粉砂上(圖1),從而將分散的砂粒橋接起來,使之成為細(xì)粉砂結(jié)合體(類似于大顆粒),從而增大了細(xì)粉砂的臨界流速,起到了一定的穩(wěn)砂固砂作用。起擋砂作用的是經(jīng)過選擇和特殊處理的特制無機(jī)“硬纖維”,利用它的彎曲、卷曲和螺旋交叉,相互纏繞勾結(jié)形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),可將砂粒束縛于其中,形成較為穩(wěn)定的過濾體(圖2),同時(shí)具有相當(dāng)?shù)臐B透率,從而達(dá)到防砂的目的。因其不用篩管,可起到與防砂篩管同樣的防砂目的,故又稱為無篩管防砂技術(shù)。當(dāng)?shù)貙恿黧w攜帶細(xì)粉砂流入井筒時(shí),為帶正電支鏈的“軟纖維”所吸附,形成細(xì)粉砂結(jié)合體。這種細(xì)粉砂結(jié)合體與粒徑大的砂粒隨后被卷曲和螺旋交叉而相互勾結(jié)的“硬纖維”三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)束縛于其中,從而被阻擋流入井筒,起到了“穩(wěn)砂”和“擋砂”的雙重作用,解決了防細(xì)粉砂的難題。2專用纖維的制備和性能評(píng)價(jià)2.1儲(chǔ)層砂粒的材質(zhì)及表面處理目前纖維主要有無機(jī)纖維(如陶瓷纖維、金屬纖維等)和有機(jī)纖維(如碳纖維、尼龍纖維等)兩大類。各種纖維的穩(wěn)定性和強(qiáng)度不同,作為防砂用的纖維,要求其在儲(chǔ)層條件下穩(wěn)定,并能抗溫、抗鹽、抗酸堿液的腐蝕。在選擇纖維時(shí),須綜合考慮纖維強(qiáng)度、密度、成本等因素。無機(jī)纖維的強(qiáng)度一般要大于有機(jī)纖維,并且穩(wěn)定性也較好。在選擇纖維密度時(shí),需要考慮纖維與砂粒的混合能力(部分纖維的密度值見表1)。根據(jù)密度相近易混合的原理,在不同材質(zhì)的物質(zhì)相混合時(shí),密度相近的容易混合均勻。在防砂時(shí)應(yīng)選用與儲(chǔ)層砂粒相一致的充填材料,從而根據(jù)地層砂粒的密度來考慮纖維材質(zhì),再根據(jù)成本擇優(yōu)選擇。國(guó)內(nèi)油田地層砂粒的密度一般為2.50～2.65g/m3,因此從密度因素來考慮纖維的材質(zhì),可以選用陶瓷纖維和G纖維。由于G纖維的價(jià)格較陶瓷纖維要低得多,從成本方面考慮,選用G纖維作為油田防砂用纖維。G纖維的外表呈光滑的圓柱狀,其截面呈完整的圓形。由于G纖維外表的光滑影響了其與一些粘接劑的復(fù)合效果。因此,必須對(duì)纖維的表面進(jìn)行處理,增加其與樹脂的親合能力,保證纖維復(fù)合體的強(qiáng)度。選擇GR-100作為纖維表面處理劑,GR-100的基團(tuán)分別與樹脂和纖維表面形成化學(xué)鍵橋接,從而改善了樹脂和纖維之間的粘結(jié),其化學(xué)鍵狀態(tài)見圖3。纖維表面處理劑對(duì)纖維的粘結(jié)功能以及對(duì)纖維處理后所起的主要作用如下:(1)在纖維周圍形成橋接結(jié)構(gòu)的包敷物,排除纖維表面的水分;(2)對(duì)纖維表面形成物理吸附、氫鍵連接、共價(jià)鍵連接;(3)保護(hù)纖維表面,去除細(xì)微的裂紋,防止被腐蝕、產(chǎn)生裂紋和纖維直接與地層水接觸。纖維表面處理劑與樹脂之間形成界面橋接,改善了基質(zhì)樹脂向纖維的應(yīng)力傳遞。表面處理劑與樹脂的作用改善了樹脂的潤(rùn)濕性,排除了樹脂表面的水分;形成應(yīng)力傳遞的界面層;與樹脂之間形成共價(jià)鍵。使用GR-100對(duì)特種纖維進(jìn)行表面處理,通過測(cè)定纖維-樹脂復(fù)合物濕態(tài)的彎曲強(qiáng)度研究了GR-100纖維處理劑的用量對(duì)SC-10纖維-樹脂復(fù)合材料性能的影響,結(jié)果見圖4。從圖4可以看出,當(dāng)GR-100纖維表面處理劑附著量較少時(shí),GR-100附著量的增加可明顯提高纖維-樹脂復(fù)合物濕態(tài)的彎曲強(qiáng)度,當(dāng)超過一定量后,附著量的增加對(duì)提高復(fù)合物濕態(tài)彎曲強(qiáng)度的效果不明顯。2.2室內(nèi)試驗(yàn)研究方法研制防砂用的特制纖維,要求其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。防砂纖維的化學(xué)穩(wěn)定性是指纖維抵抗酸、堿、溫度及地層水等介質(zhì)的侵蝕能力。室內(nèi)試驗(yàn)研究方法是以纖維受介質(zhì)侵蝕后的質(zhì)量損失來評(píng)價(jià)其化學(xué)穩(wěn)定性的。(1)配制5%的鹽酸溶液、pH值為9的堿性溶液、20%的高礦化度水,孤島地層水取樣;(2)取若干份10g研制好的纖維樣品;(3)將纖維樣品分別加入到200mL配制好的鹽酸、堿性溶液、高礦化度水以及孤島地層水中;(4)在90℃下煮2h;(5)取出樣品洗滌、干燥、稱重,計(jì)算其質(zhì)量損失。2.2.1防砂纖維堿侵蝕反應(yīng)機(jī)理受酸侵蝕后,纖維中的Na+與侵蝕介質(zhì)酸中H+進(jìn)行離子交換,侵蝕的速度由介質(zhì)中的H+決定。在侵蝕過程中,生成≡Si—OH保護(hù)膜,阻止了酸對(duì)其侵蝕,反應(yīng)機(jī)理為≡Si—O—Na+H+→≡Si—OH+Na+.纖維受堿侵蝕后,纖維中的硅氧骨架破壞,反應(yīng)機(jī)理為≡Si—O—Si+OH-→≡SiOH+HOSi≡.對(duì)3批防砂纖維樣品IF-1、IF-2和IF-3進(jìn)行酸液、堿液、高礦化度水腐蝕實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表2。由表2可以看出,所研制的纖維在酸、堿、高礦化度水中的腐蝕程度基本在5.0%左右,說明其抗酸、堿、鹽腐蝕能力強(qiáng),能夠滿足防砂用纖維的要求。2.2.2防砂纖維熱穩(wěn)定性能研制的特種纖維具有很好的耐熱性,G纖維的軟化點(diǎn)為550～750℃。對(duì)特種纖維加熱時(shí)的強(qiáng)度變化進(jìn)行研究,將所要研究的纖維加熱到規(guī)定溫度,在規(guī)定溫度下保持5min并隨時(shí)測(cè)定纖維的斷裂強(qiáng)力。對(duì)防砂纖維IF-1、IF-2和IF-3進(jìn)行的耐熱性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可以看出,所研制纖維的斷裂強(qiáng)力隨溫度升高而增大(實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)),由于孤島油田的儲(chǔ)層溫度低于100℃,3個(gè)纖維樣品均可滿足防砂用纖維的要求。3砂體強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果實(shí)驗(yàn)方法:加入1%的纖維,使其在孤島樹脂涂敷砂中均勻分散,在60℃水浴中固化,制成直徑為2.50cm、長(zhǎng)2.50cm的復(fù)合砂體,磨平兩端面,測(cè)其抗壓強(qiáng)度及14MPa下的氣測(cè)滲透率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可以看出,涂層砂強(qiáng)度基本在4MPa左右,加入纖維后砂體強(qiáng)度達(dá)到了6MPa,抗壓強(qiáng)度提高了49.65%。在14MPa的地層條件下,纖維復(fù)合砂體滲透率仍比涂層砂滲透率高11.13%,說明纖維的加入可以在較大程度上改善復(fù)合砂體的滲透性,能夠滿足油田防砂增產(chǎn)的需求。4纖維復(fù)合砂膠結(jié)充填井GDN7N6井位于注聚區(qū),防砂層位為Ng54-5,平均孔隙度30%,滲透率1.61μm2,粒度中值0.103mm,泥質(zhì)含量9.6%,地面原油粘度4.655Pa·s,地層水礦化度8g/L,油層溫度71℃,射孔厚度7.5m。該井于2003年12月18日進(jìn)行地面摻水,日摻水量21m3,日產(chǎn)液量22.81m3。由于注聚,粉細(xì)砂大量產(chǎn)出,2004年7月6日因砂卡關(guān)井,關(guān)井前實(shí)施了繞絲篩管礫石充填防砂工藝。2005年12月20日進(jìn)行了纖維復(fù)合防砂,防砂施工排量為900～1000L/min,平均攜砂比為29.5%,實(shí)際擠入纖維復(fù)合砂體12t,施工泵壓由6MPa上升至15MPa。該井于2005年12月23日開井,最高日產(chǎn)液量12.5m3,日產(chǎn)油量1.5t,目前日產(chǎn)液量8m3,日產(chǎn)油量1.0t,含水率90%,至今仍未有出砂現(xiàn)象發(fā)生。5纖維復(fù)合防砂技術(shù)(1)纖維復(fù)合防砂無須下入篩管,不會(huì)對(duì)滲透率造成傷害,防砂成本低,對(duì)于粘土含量