新疆某细粉砂油藏防膨抑砂体系室内试验研究(4)

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新疆某油田埋藏深度在970～1 404.9 m，油层为砂岩地层；其中沙湾组下部以大套疏松的含砾细砂岩、细砂岩夹灰绿色泥岩沉积为主，属于泥质胶结，泥质含量达7.4%；砂岩的支撑方式为颗粒式，接触方式主要为点线方式，地层胶结疏松；据出砂情况发现砂粒中细粉砂含量高，粒度中值只有0.17 mm。针对该油田细粉砂油藏防砂问题，常规物理充填防砂效果并不理想。油田有尝试用化学防砂应对其粉细出砂问题。但因树脂黏度高，需加入有机溶剂，至生产成本高且污染严重；且大多数树脂固结后渗透率下降严重，只能保持原始渗透率的40%～60%，导致减产，甚至堵死油井，造成油水井事故[1]。因此，研究价廉、高效、实用的复配型化学防砂剂是开发疏松砂岩的必然趋势[2]。针对该油田地质条件，通过实验筛选出具有防膨抑砂效果的高分子防膨抑砂体系，以满足该油田地层粉细砂的防砂要求，为油田现场粉细防砂施工提供参考。1实验1.1仪器和药品3PB00C型平流泵，北京卫星制造厂；UC-2102可见分光光度计，汇博仪器有限公司；填砂管驱替装置，郑州市长城科工贸有限公司；NDJ-1B黏度计，上海昌吉地质仪器有限公司； ARC120型电子天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司。KCL、NaCL，工业级，广东泰瑞新材料有限公司；碘化镉、可溶性淀粉，分析纯，天津博迪化工股份有限公司；甲酸钠、溴水，分析纯，国药集团化学试剂有限公司实验方法1.2.1吸附量的测定在一定浓度范围内，吸光度与聚合物质量浓度之间存在线性关系，并且吸附量与聚合物质量浓度之间也存在计算公式，可先采用淀粉-碘化镉法测量出待测抑砂剂溶液在被砂粒吸附前后的吸光度[3]，从而得到其被砂粒吸附前后的浓度，再计算出待测抑砂剂的吸附量。1)淀粉-碘化镉根据文献[4]绘制聚合物浓度同吸光度标准曲线。2)静态吸附量测定[5]采用浸泡法测量抑砂剂在多孔介质中的静态吸附量。称取5 g的100～120目细砂于比色管中，再加入30 mL抑砂剂，用玻璃棒充分搅拌后，静置12 h。然后测量被吸附前后抑砂剂的吸光度，通过吸光度与质量浓度的标准曲线得被吸附前后的质量浓度，根据公式1计算静态吸附量；(1)式中：q—静态吸附量，mg/g；V—抑砂剂溶液的体积，L；co—抑砂剂溶液的初始质量浓度，mg/L；ce—吸附平衡后抑砂剂溶液的最终浓度，mg/L；m—砂岩颗粒的质量动态抑砂效果测定在L=50 cm，截面积S=4.9 cm2的填砂管中填充满砂粒制成岩芯，称取此时的质量为W1，然后以1 mL/min的排量用蒸馏水饱和岩芯，直到出口端出水量均匀，读出此时的压力为P，由公式(2)计算出渗透率，再次称量填砂管的质量为W2，则孔隙度即为(W2-W1)mL；以1 mL/min的排量注入抑砂剂静置12 h，然后分别以300～4 800 mL/h的排量用水驱替岩芯，驱替体积均为10 PV，将冲出液过滤，烘干后称重。(2)式中：K为渗透率，μm2；Q为流量，mL/s；L为填砂管的长度，cm；μ为黏度，mPa·s；S为填砂管的横截面积，cm2；p为压力，0.1 MPa。2结果与讨论2.1防膨抑砂体系的确定2.1.1不同复配体系的防膨性能按照SY/T 5971—1994《注水用黏土稳定剂性能评价方法》中的离心法对比不同类型的防膨剂，优选出实验室自制有机防膨剂为BSA-101，质量分数为0.5%。将其加入到3种复合抑砂剂SW-91、GX-1和0.3%有机阳离子聚合物(相对分子质量为800万，离子度为50%)中，进行黏土防膨效果试验，以筛选出至少2种防膨效果较好的抑砂体系做动态冲砂试验，其中防膨率对比结果见表1。表1防膨抑砂体系的防膨效果防膨体系黏土初始高度/cm黏土最终高度/cm黏土防膨率/%0.5%BSA-101+%BSA-101+%BSA-101+0.3%有机阳离子聚合物%有机阳离子聚合物煤油水1.28.00将0.5%BSA-101+SW-91命名为BS-95，将0.5%BSA-101+0.3%有机阳离子聚合物命名为BY-53。由表1可知，BS-95和BY-53的防膨效果最好，防膨率分别为89.7%和83.82%。通过试验初步筛选出BS-95和BY-53作防膨抑砂体系的防膨效果较好体系的静态稳砂效果评价1)防膨抑砂剂静态稳砂效果配制出BY-53、BS-95防膨抑砂体系，与油田现有复配防膨抑砂体系SW-91、GX-1和0.3%有机阳离子聚合物抑砂剂做静态抑砂效果对比实验。将相同浓度BY-53、BS-95、SW-91、GX-1、0.3%有机阳离子聚合物5种抑砂剂置于100 mL比色管中，加入100～120目细砂，在静置24 h，反复翻转10次倒置于试管架上观察细砂沉降情况。BY-53抑砂体系和BS-95抑砂的沉降砂子较少，稳砂效果好；但单从宏观方面观察2种防膨抑砂体系稳砂效果，不足以充分证明体系的稳砂性能。2) 防膨抑砂剂体系静态吸附量的测定为了进一步证明体系的稳砂性能，从微观方面设计了体系静态吸附量的测定实验；聚合物质量浓度与吸光度的关系标准曲线见图1。图1聚合物浓度与吸光度标准曲线由图1可以看出，聚合物抑砂剂的质量浓度与吸光度的关系曲线为y=0.006x+0.023(其中y为吸光度，x为聚合物的质量浓度)，根据此式可以由吸光度求出聚合物抑砂剂的浓度。其中，用淀粉-碘化镉法测定BY-53、BS-95、SW-91、GX-1、0.3%有机阳离子聚合物5抑砂剂静态吸附前后的吸光度，其结果及5种抑砂剂静态吸附量见表2。表2抑砂剂吸附量测定试验结果防砂剂加砂前吸光度加砂后吸光度静态吸附量/(mg·g-1)0.3%有机阳离子聚合物 8由表2可知，吸附量最大的BY-53可达0.264 mg/g，BS-95的吸附量达0.170 mg/g，均呈现出较好的静态吸附效果。这是因为防膨剂BSA-101含有阳离子成分，能够和抑砂剂良好互溶，形成具有较高阳离子度和较长的高分子链，能在松散砂粒、黏土颗粒表面形成一层吸附保护膜，防止砂粒和黏土颗粒分散运移[6]，还能够和抑砂剂争相吸附在带负电的砂粒表面上，既有竞争又有协同作用[7]。故优选出BY-53和BS-95抑砂体系进行动态冲砂实验体系的动态稳砂效果评价常温下，选择40-60目的砂粒做填砂管，进行冲砂实验。BS-95和BY-53与清水对比冲砂实验结果见表3。表3BS-95和BY-53与清水对比冲砂试验结果排量/(mL·h-1)现场流速/(m3·d-1)清水冲砂压力×103/MPa出砂量/gBS-95冲砂压力×103/MPa出砂量/gBY-53冲砂压力×103/MPa出砂量/无砂5.1无砂4.9无砂.64.1无砂9.2无砂8.6无砂1 .无砂19.0无砂1 .无砂2 . . . .由表3可知，当清水冲砂排量3 000 mL/h时，发生坍塌性出砂，出砂量为41.13 g，出口端砂体亏空；在注入BS-95抑砂剂后，当排量达到3 600 mL/h时，填砂管端部大量出砂，抑砂率为67.62%，测得其渗透率保留率为84.4%。此外，由于BS-95抑砂剂对砂粒间的吸附力较差，在冲砂过程中形成了流动通道，抑砂效果不太理想。而注入BY-53抑砂体系后，在排量为4 800 mL/h情况下，该体系才出现少量出砂，其抑砂率达85.42%，渗透率保留率达到86.2%。因此，通过动态冲砂实验最终筛选出抑砂效果最好的防膨抑砂体系BY--53抑砂体系适应性分析防膨抑砂体系必须满足该油田地层地下情况。对BY-53进行了温度、矿化度和不同目数砂粒适应性分析温度适应性经测得该油田地层属于低温油层，其温度范围在46～73 ℃。设定填砂管水浴温度为70 ℃和80 ℃条件下，选择40～60目的砂粒进行冲砂试验。由表4可知，在水浴70 ℃条件下，当排量大于4 200 mL/h时，出砂开始增多，测得抑砂率大于75%；在水浴80 ℃条件下，排量1 200 mL/h时，开始出砂并且出砂量逐渐增大，BY-53的吸附随温度的升高而减少。表4不同温度下的BY-53冲砂结果排量/(mL·h-1)现场流速/(m3·d-1)70 ℃压力×103/MPa出砂量/g80 ℃压力×103/MPa出砂量/无砂2.51无砂.69.1无砂5.10无砂1 .210.0无砂 . . . . .这主要因为在岩石上的吸附是放热的，且吸附与其反方向解吸存在竞争，当温度升高时，解吸过程加剧[8]，冲刷作用下，部分砂粒开始脱落形成运移造成出砂。但BY-53能够适应油田70 ℃下的出砂油层矿化度适应性该油田地层平均矿化度为2.3×104mg/L，选择40～60目砂粒填充填砂管，用矿化度为2×104mg/L和3×104mg/L的模拟地层水饱和岩心后，注入BY-53静置12 h，进行冲砂试验，结果见表5。表5不同浓度矿化度的地层水饱和后的BY-53冲砂结果排量/(mL·h-1)现场流速/(m3·d-1)矿化度为2×104 mg/L压力×103/MPa出砂量/g矿化度为3×104 mg/L压力×103/MPa出砂量/无砂5.1无砂.68.6无砂9.2无砂1 .219.0无砂17.0无砂1 .824.0无砂 . . . .由表5可见，矿化度2×104mg/L下BY-53的抑砂性能变化不大，但在3×104mg/L的较高矿化度下，BY-53的耐冲刷性能减弱，这是由于高矿化度使聚合物的长分子链发生卷缩，从而黏度降低，吸附胶结作用减弱[9]，在大排量下出砂量增多。另测得用2×104mg/L和3×104mg/L的地层水饱和后其渗透率保留率分别为85.1%和82.1%，因此，建议BY-53抑砂剂用在矿化度小于3×104mg/L的地层对不同目数砂粒冲砂试验不同目数的砂粒冲砂试验，以表征BY-53防膨抑砂体系对该油田地层粉细砂粒粒径的适应性。冲砂试验结果见表6。表6不同目数砂粒的冲砂试验结果排量/(mL·h-1)现场流速/(m3·d-1)40～60目压力×103/MPa出砂量/g60～80目压力×103/MPa出砂量/g80～100目压力×103/MPa出砂量/g100～120目压力×103/MPa出砂量/无砂5.2无砂36无砂42无砂.68.00无砂6.2无砂621..341 .218.00无砂15.0无砂 . ..0.533 ..573 ...624 ...124 ...75由表6可以看出，随着砂粒粒径的减小，出砂量会逐渐增大，其对应临界出砂量逐渐减小，当砂粒目数为60～80目和80～100目时，对应临界流速为3 000 mL/h；当砂粒目数为100～120时，对应临界流速仅为600 mL/h，而且出砂量呈线性逐渐递减，分析认为这可能是由于填砂管端口出砂导致的，说明仅用相同目数粉细砂制成的填砂管进行冲砂试验不足以证明BY-53对粉细砂的适应性，因此有必要模拟油田粉细砂条件进行含黏土的混砂冲砂实验。不同目数填砂管渗透率保留率见表7。BY-53对目数粒不同的砂渗透率保留率也大不相同；随着砂粒粒径的减小，渗透率保留率逐渐减小。这是因为聚合物分子具有长链结构，吸附在砂粒表面，且长链结构相互缠绕形成网状结构，使小沙粒变成大沙团，从而不易出砂；同时由于砂粒粒径越小，体表面积越大，被更多的长链聚合物充填，所以渗透率变小。表7不同目数填砂管渗透率保留率实验数据目数孔隙度/mL原始渗透率/μm2注入BY-53后的渗透率/μm2渗透率保留率/%40～60目～80目～100目～120目2.3BY-53对地层砂冲砂试验单一粒径粉细砂填砂管冲砂试验不足以证明BY-53防膨抑砂效果，因此，加入黏土后的清水与BY-53的冲砂进行对比试验；为了混砂试验能更准确的模拟该油田地层砂，对200 g油田出砂样进行筛滤，分析结果见表8。表8油田出砂砂样数据目数/目砂粒粒径/mm砂量/g占比/%40～600.43～～800.25～～1000.18～～1200.15～～1400.125～由表8可知，油田出砂砂样中40～60目和80～100目砂粒占比为69.2%，即粒径在0.15～0.18 mm左右的砂粒量最多。在室内进行混砂冲砂试验，40～60目与80～100目混砂质量比为1∶1，黏土含量为8%。试验数据见表9。表9混砂80～100目后的清水与BY-53体系冲砂试验排量/(mL·h-1)现场流速/(m3·d-1)清水冲砂压力/MPa出砂量/gBY-53压力/MPa出砂量/无砂0.35无砂.无砂1 .无砂1 .无砂2 .无砂3 无砂3 .无砂4 .无砂4 .无砂由表9可以看出，在黏土混砂试验粉细砂目数为80～100目砂粒中，加入黏土的BY-53填砂管出砂量大量减少，当流量达到了4 800 mL/h，仍然未出砂。分析认为防膨抑砂剂吸附在黏土和砂粒表面，一方面抑制黏土膨胀减少出砂；另一方面将黏土和细粉砂粒黏附在一起，成较大的个体，砂粒流动困难，起到抑砂作用。聚合物对砂粒与黏土的黏附作用，使渗透率发生了改变，渗透率保留率降为78.9%。为进一步验证BY-53对粉细砂抑砂效果，混砂40～60目与100～120目的质量比为1∶1，黏土含量为8%，进行混砂冲砂试验。试验数据见表10。表～120目混砂后的清水冲砂试验排量/(mL·h-1)现场流速/(m3·d-1)清水冲砂压力/MPa出砂量/gBY-53压力/MPa出砂量/无砂.无砂1 .无砂1 .无砂2 .无砂3 无砂3 .无砂4 . 无砂4 . 无砂通过表10可见，BY-53对100～120目细粉砂岩混砂的抑砂效果较好，当排量达4 800 mL/h时，仍未出砂，但渗透率保留率减小到了70.8%，该油田抑砂剂渗透率保留率必须大于75%，所以BY-53未能满足该油田目数为100～120目，即粒径为0.125 mm防砂的需求，在未来工作中有待进一步提高和研究。3结论1)研制优选出了复配型防膨抑砂体系BY-53(0.5%BSA-101+0.3%有机阳离子聚合物)，黏土防膨率可达83.82%，静态吸附量为0.264 mg/g；在40～60目动态冲砂实验中，当排量为4 800 mL/h时，动态抑砂率可达85.42%。2)通过BY-53抑砂体系适应性分析，体系可适用在温度低于70 ℃、矿化度小于3×104mg/L的地层条件下，与该油田储层流体具有良好的配伍性。3)在80～100目(0.17 mm～0.15 mm)黏土混砂冲砂实验中，在排量为4 800 mL/h条件下，仍未出砂，渗透率保留率达78.9%，可有效满足该油田粒度中值0.17 mm粉细砂和渗透率保留率大于75%的抑砂要求。参考文献[1] 陈慧卿, 束华东, 刘力福，等. 春光油田化学辅助抑砂剂研究[J]. 精细石油化工进展, 2016, 4(3):15-19.[2] 刘音, 曹骕骕, 贾培娟，等. 油田开发用防膨抑砂剂技术[J]. 石油化工应用, 2013, 32(12):1-4.[3] 孔柏玲, 张红春. 淀粉-碘化镉方法测量聚丙烯酰胺水解度的研究[J]. 油田化学, 1997, 14(1):73-76.[4] SCOGGINS M W, MILLER J W. 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文章来源：《油田化学》 网址: http://www.ythxzzs.cn/qikandaodu/2020/1228/350.html