纖維復合防砂技術在疏松砂巖油藏的應用

傳統的防砂技術，如目前廣泛應用的防砂、壓裂防砂、防滑，應與填充廢物篩管合作使用，達到良好的防砂效果。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能,降低了經濟效益。此外,傳統防砂技術對儲層也有一定的損害。而纖維復合防砂技術具有增產及防止地層出砂的雙重效果,彌補了傳統防砂技術的缺陷。2000年Schlumerger公司在亞得里亞海喬凡娜氣田對其中的3口氣井進行了纖維復合防砂,作業后產氣量比礫石充填防砂提高了2.5倍,并且至今無出砂現象報道。筆者對粉細砂巖油藏油水井纖維復合防砂工藝技術機理進行研究。1拉伸、彎折應力下的變形纖維對樹脂涂敷砂的增強機理基于纖維間距理論與復合材料理論。纖維間距理論又稱“纖維阻裂機理”。樹脂在地層溫度下的軟化固結是一個放熱過程,體積的收縮會引起樹脂涂敷砂體中出現大量的微裂縫,而纖維加入后在砂體中成三維亂向分布,微米級的細纖維貫穿于裂縫之間,起到了阻裂的作用。復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狀結構,在砂體受到拉伸、彎折應力時,纖維的應力傳遞機理使其承擔了大部分的應力,減小了樹脂砂體的破壞幾率。纖維復合防砂技術是采用兩種可分別起“穩砂”和“擋砂”作用的特種纖維,一種穩砂,將細粉砂聚集成較大的細粉砂結合體,另一種擋砂,擋住細粉砂結合體進入井筒。“軟纖維”是一種帶支鏈的長鏈陽離子聚合物,在水溶液中靠支鏈帶有的陽離子基團的電性作用而展開。當進入儲層后,因細粉砂表面帶負電,這就使得帶正電的軟纖維支鏈可以吸附在細粉砂上(圖1),從而將分散的砂粒橋接起來,使之成為細粉砂結合體(類似于大顆粒),從而增大了細粉砂的臨界流速,起到了一定的穩砂固砂作用。起擋砂作用的是經過選擇和特殊處理的特制無機“硬纖維”,利用它的彎曲、卷曲和螺旋交叉,相互纏繞勾結形成穩定的三維網狀結構,可將砂粒束縛于其中,形成較為穩定的過濾體(圖2),同時具有相當的滲透率,從而達到防砂的目的。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。當地層流體攜帶細粉砂流入井筒時,為帶正電支鏈的“軟纖維”所吸附,形成細粉砂結合體。這種細粉砂結合體與粒徑大的砂粒隨后被卷曲和螺旋交叉而相互勾結的“硬纖維”三維網狀結構束縛于其中,從而被阻擋流入井筒,起到了“穩砂”和“擋砂”的雙重作用,解決了防細粉砂的難題。2專用纖維的制備和性能評價2.1儲層砂粒的材質及表面處理目前纖維主要有無機纖維(如陶瓷纖維、金屬纖維等)和有機纖維(如碳纖維、尼龍纖維等)兩大類。各種纖維的穩定性和強度不同,作為防砂用的纖維,要求其在儲層條件下穩定,并能抗溫、抗鹽、抗酸堿液的腐蝕。在選擇纖維時,須綜合考慮纖維強度、密度、成本等因素。無機纖維的強度一般要大于有機纖維,并且穩定性也較好。在選擇纖維密度時,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)。根據密度相近易混合的原理,在不同材質的物質相混合時,密度相近的容易混合均勻。在防砂時應選用與儲層砂粒相一致的充填材料,從而根據地層砂粒的密度來考慮纖維材質,再根據成本擇優選擇。國內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,可以選用陶瓷纖維和G纖維。由于G纖維的價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合效果。因此,必須對纖維的表面進行處理,增加其與樹脂的親合能力,保證纖維復合體的強度。選擇GR-100作為纖維表面處理劑,GR-100的基團分別與樹脂和纖維表面形成化學鍵橋接,從而改善了樹脂和纖維之間的粘結,其化學鍵狀態見圖3。纖維表面處理劑對纖維的粘結功能以及對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構的包敷物,排除纖維表面的水分;(2)對纖維表面形成物理吸附、氫鍵連接、共價鍵連接;(3)保護纖維表面,去除細微的裂紋,防止被腐蝕、產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,改善了基質樹脂向纖維的應力傳遞。表面處理劑與樹脂的作用改善了樹脂的潤濕性,排除了樹脂表面的水分;形成應力傳遞的界面層;與樹脂之間形成共價鍵。使用GR-100對特種纖維進行表面處理,通過測定纖維-樹脂復合物濕態的彎曲強度研究了GR-100纖維處理劑的用量對SC-10纖維-樹脂復合材料性能的影響,結果見圖4。從圖4可以看出,當GR-100纖維表面處理劑附著量較少時,GR-100附著量的增加可明顯提高纖維-樹脂復合物濕態的彎曲強度,當超過一定量后,附著量的增加對提高復合物濕態彎曲強度的效果不明顯。2.2室內試驗研究方法研制防砂用的特制纖維,要求其具有良好的化學穩定性。防砂纖維的化學穩定性是指纖維抵抗酸、堿、溫度及地層水等介質的侵蝕能力。室內試驗研究方法是以纖維受介質侵蝕后的質量損失來評價其化學穩定性的。(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,計算其質量損失。2.2.1防砂纖維堿侵蝕反應機理受酸侵蝕后,纖維中的Na+與侵蝕介質酸中H+進行離子交換,侵蝕的速度由介質中的H+決定。在侵蝕過程中,生成≡Si—OH保護膜,阻止了酸對其侵蝕,反應機理為≡Si—O—Na+H+→≡Si—OH+Na+.纖維受堿侵蝕后,纖維中的硅氧骨架破壞,反應機理為≡Si—O—Si+OH-→≡SiOH+HOSi≡.對3批防砂纖維樣品IF-1、IF-2和IF-3進行酸液、堿液、高礦化度水腐蝕實驗,結果見表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,能夠滿足防砂用纖維的要求。2.2.2防砂纖維熱穩定性能研制的特種纖維具有很好的耐熱性,G纖維的軟化點為550～750℃。對特種纖維加熱時的強度變化進行研究,將所要研究的纖維加熱到規定溫度,在規定溫度下保持5min并隨時測定纖維的斷裂強力。對防砂纖維IF-1、IF-2和IF-3進行的耐熱性實驗結果見表3。由表3可以看出,所研制纖維的斷裂強力隨溫度升高而增大(實驗溫度范圍內),由于孤島油田的儲層溫度低于100℃,3個纖維樣品均可滿足防砂用纖維的要求。3砂體強度測定結果實驗方法: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2.50cm的復合砂體,磨平兩端面,測其抗壓強度及14MPa下的氣測滲透率,實驗結果見表4。由表4可以看出,涂層砂強度基本在4MPa左右,加入纖維后砂體強度達到了6MPa,抗壓強度提高了49.65%。在14MPa的地層條件下,纖維復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合砂體的滲透性,能夠滿足油田防砂增產的需求。4纖維復合砂膠結充填井GDN7N6井位于注聚區,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日進行地面摻水,日摻水量21m3,日產液量22.81m3。由于注聚,粉細砂大量產出,2004年7月6日因砂卡關井,關井前實施了繞絲篩管礫石充填防砂工藝。2005年12月20日進行了纖維復合防砂,防砂施工排量為900～1000L/min,平均攜砂比為29.5%,實際擠入纖維復合砂體12t,施工泵壓由6MPa上升至15MPa。該井于2005年12月23日開井,最高日產液量12.5m3,日產油量1.5t,目前日產液量8m3,日產油量1.0t,含水率90%,至今仍未有出砂現象發生。5纖維復合防砂技術(1)纖維復合防砂無須下入篩管,不會對滲透率造成傷害,防砂成本低,對于粘土含量