纤维复合防砂技术在疏松砂岩油藏的应用

纤维复合防砂技术在疏松砂岩油藏的应用

传统的防砂技术，如目前广泛应用的防砂、压裂防砂、防滑，应与填充废物筛管合作使用，达到良好的防砂效果。这样就增加了流体流入井筒的附加阻力,影响了防砂后的油气井产能,降低了经济效益。此外,传统防砂技术对储层也有一定的损害。而纤维复合防砂技术具有增产及防止地层出砂的双重效果,弥补了传统防砂技术的缺陷。2000年Schlumerger公司在亚得里亚海乔凡娜气田对其中的3口气井进行了纤维复合防砂,作业后产气量比砾石充填防砂提高了2.5倍,并且至今无出砂现象报道。笔者对粉细砂岩油藏油水井纤维复合防砂工艺技术机理进行研究。1拉伸、弯折应力下的变形纤维对树脂涂敷砂的增强机理基于纤维间距理论与复合材料理论。纤维间距理论又称“纤维阻裂机理”。树脂在地层温度下的软化固结是一个放热过程,体积的收缩会引起树脂涂敷砂体中出现大量的微裂缝,而纤维加入后在砂体中成三维乱向分布,微米级的细纤维贯穿于裂缝之间,起到了阻裂的作用。复合材料理论则是指加入的纤维起到了类似于钢筋混凝土中钢筋的作用,在砂体中乱向分布形成了三维网状结构,在砂体受到拉伸、弯折应力时,纤维的应力传递机理使其承担了大部分的应力,减小了树脂砂体的破坏几率。纤维复合防砂技术是采用两种可分别起“稳砂”和“挡砂”作用的特种纤维,一种稳砂,将细粉砂聚集成较大的细粉砂结合体,另一种挡砂,挡住细粉砂结合体进入井筒。“软纤维”是一种带支链的长链阳离子聚合物,在水溶液中靠支链带有的阳离子基团的电性作用而展开。当进入储层后,因细粉砂表面带负电,这就使得带正电的软纤维支链可以吸附在细粉砂上(图1),从而将分散的砂粒桥接起来,使之成为细粉砂结合体(类似于大颗粒),从而增大了细粉砂的临界流速,起到了一定的稳砂固砂作用。起挡砂作用的是经过选择和特殊处理的特制无机“硬纤维”,利用它的弯曲、卷曲和螺旋交叉,相互缠绕勾结形成稳定的三维网状结构,可将砂粒束缚于其中,形成较为稳定的过滤体(图2),同时具有相当的渗透率,从而达到防砂的目的。因其不用筛管,可起到与防砂筛管同样的防砂目的,故又称为无筛管防砂技术。当地层流体携带细粉砂流入井筒时,为带正电支链的“软纤维”所吸附,形成细粉砂结合体。这种细粉砂结合体与粒径大的砂粒随后被卷曲和螺旋交叉而相互勾结的“硬纤维”三维网状结构束缚于其中,从而被阻挡流入井筒,起到了“稳砂”和“挡砂”的双重作用,解决了防细粉砂的难题。2专用纤维的制备和性能评价2.1储层砂粒的材质及表面处理目前纤维主要有无机纤维(如陶瓷纤维、金属纤维等)和有机纤维(如碳纤维、尼龙纤维等)两大类。各种纤维的稳定性和强度不同,作为防砂用的纤维,要求其在储层条件下稳定,并能抗温、抗盐、抗酸碱液的腐蚀。在选择纤维时,须综合考虑纤维强度、密度、成本等因素。无机纤维的强度一般要大于有机纤维,并且稳定性也较好。在选择纤维密度时,需要考虑纤维与砂粒的混合能力(部分纤维的密度值见表1)。根据密度相近易混合的原理,在不同材质的物质相混合时,密度相近的容易混合均匀。在防砂时应选用与储层砂粒相一致的充填材料,从而根据地层砂粒的密度来考虑纤维材质,再根据成本择优选择。国内油田地层砂粒的密度一般为2.50～2.65g/m3,因此从密度因素来考虑纤维的材质,可以选用陶瓷纤维和G纤维。由于G纤维的价格较陶瓷纤维要低得多,从成本方面考虑,选用G纤维作为油田防砂用纤维。G纤维的外表呈光滑的圆柱状,其截面呈完整的圆形。由于G纤维外表的光滑影响了其与一些粘接剂的复合效果。因此,必须对纤维的表面进行处理,增加其与树脂的亲合能力,保证纤维复合体的强度。选择GR-100作为纤维表面处理剂,GR-100的基团分别与树脂和纤维表面形成化学键桥接,从而改善了树脂和纤维之间的粘结,其化学键状态见图3。纤维表面处理剂对纤维的粘结功能以及对纤维处理后所起的主要作用如下:(1)在纤维周围形成桥接结构的包敷物,排除纤维表面的水分;(2)对纤维表面形成物理吸附、氢键连接、共价键连接;(3)保护纤维表面,去除细微的裂纹,防止被腐蚀、产生裂纹和纤维直接与地层水接触。纤维表面处理剂与树脂之间形成界面桥接,改善了基质树脂向纤维的应力传递。表面处理剂与树脂的作用改善了树脂的润湿性,排除了树脂表面的水分;形成应力传递的界面层;与树脂之间形成共价键。使用GR-100对特种纤维进行表面处理,通过测定纤维-树脂复合物湿态的弯曲强度研究了GR-100纤维处理剂的用量对SC-10纤维-树脂复合材料性能的影响,结果见图4。从图4可以看出,当GR-100纤维表面处理剂附着量较少时,GR-100附着量的增加可明显提高纤维-树脂复合物湿态的弯曲强度,当超过一定量后,附着量的增加对提高复合物湿态弯曲强度的效果不明显。2.2室内试验研究方法研制防砂用的特制纤维,要求其具有良好的化学稳定性。防砂纤维的化学稳定性是指纤维抵抗酸、碱、温度及地层水等介质的侵蚀能力。室内试验研究方法是以纤维受介质侵蚀后的质量损失来评价其化学稳定性的。(1)配制5%的盐酸溶液、pH值为9的碱性溶液、20%的高矿化度水,孤岛地层水取样;(2)取若干份10g研制好的纤维样品;(3)将纤维样品分别加入到200mL配制好的盐酸、碱性溶液、高矿化度水以及孤岛地层水中;(4)在90℃下煮2h;(5)取出样品洗涤、干燥、称重,计算其质量损失。2.2.1防砂纤维碱侵蚀反应机理受酸侵蚀后,纤维中的Na+与侵蚀介质酸中H+进行离子交换,侵蚀的速度由介质中的H+决定。在侵蚀过程中,生成≡Si—OH保护膜,阻止了酸对其侵蚀,反应机理为≡Si—O—Na+H+→≡Si—OH+Na+.纤维受碱侵蚀后,纤维中的硅氧骨架破坏,反应机理为≡Si—O—Si+OH-→≡SiOH+HOSi≡.对3批防砂纤维样品IF-1、IF-2和IF-3进行酸液、碱液、高矿化度水腐蚀实验,结果见表2。由表2可以看出,所研制的纤维在酸、碱、高矿化度水中的腐蚀程度基本在5.0%左右,说明其抗酸、碱、盐腐蚀能力强,能够满足防砂用纤维的要求。2.2.2防砂纤维热稳定性能研制的特种纤维具有很好的耐热性,G纤维的软化点为550～750℃。对特种纤维加热时的强度变化进行研究,将所要研究的纤维加热到规定温度,在规定温度下保持5min并随时测定纤维的断裂强力。对防砂纤维IF-1、IF-2和IF-3进行的耐热性实验结果见表3。由表3可以看出,所研制纤维的断裂强力随温度升高而增大(实验温度范围内),由于孤岛油田的储层温度低于100℃,3个纤维样品均可满足防砂用纤维的要求。3砂体强度测定结果实验方法:加入1%的纤维,使其在孤岛树脂涂敷砂中均匀分散,在60℃水浴中固化,制成直径为2.50cm、长2.50cm的复合砂体,磨平两端面,测其抗压强度及14MPa下的气测渗透率,实验结果见表4。由表4可以看出,涂层砂强度基本在4MPa左右,加入纤维后砂体强度达到了6MPa,抗压强度提高了49.65%。在14MPa的地层条件下,纤维复合砂体渗透率仍比涂层砂渗透率高11.13%,说明纤维的加入可以在较大程度上改善复合砂体的渗透性,能够满足油田防砂增产的需求。4纤维复合砂胶结充填井GDN7N6井位于注聚区,防砂层位为Ng54-5,平均孔隙度30%,渗透率1.61μm2,粒度中值0.103mm,泥质含量9.6%,地面原油粘度4.655Pa·s,地层水矿化度8g/L,油层温度71℃,射孔厚度7.5m。该井于2003年12月18日进行地面掺水,日掺水量21m3,日产液量22.81m3。由于注聚,粉细砂大量产出,2004年7月6日因砂卡关井,关井前实施了绕丝筛管砾石充填防砂工艺。2005年12月20日进行了纤维复合防砂,防砂施工排量为900～1000L/min,平均携砂比为29.5%,实际挤入纤维复合砂体12t,施工泵压由6MPa上升至15MPa。该井于2005年12月23日开井,最高日产液量12.5m3,日产油量1.5t,目前日产液量8m3,日产油量1.0t,含水率90%,至今仍未有出砂现象发生。5纤维复合防砂技术(1)纤维复合防砂无须下入筛管,不会对渗透率造成伤害,防砂成本低,对于粘土含量