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化学防砂

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化学防砂化 学 防 砂 是 向 地 层 挤 入 一 定 量 的 化 学 剂 充 填 于 地 层 孔 隙 中 , 以 达 到 充 填 和 固结 地 层 , 提 高 地 层 强 度 的 目 的 。 一 般 分 为 人 工 胶 结 地 层 和 人 造 井 壁 两 种 防 砂方 法 。 前 者 是 向 地 层 注 入 各 类 树 脂 或 各 种 化 学 固 砂 剂 , 直 接 将 地 层 固 结 , 它对 疏 松 油 层 出 砂 特 别 适 用 。 后 者 是 把 具 有 特 殊 性 能 的 水 泥 、 树 脂 、 预 涂 层 砾石 、 水 带 干 灰 砂 或 化 学 剂 挤 入 井 筒 周 围 地 层 中 , 这 些 物 质 凝 固 后 形 成 一 层 既坚 固 又 有 一 定 渗 透 性 和 强 度 的 人 工 井 壁 , 达 到 防 止 油 层 出 砂 的 目 的 , 人 工 井壁 法 对 由 于 出 砂 造 成 套 管 外 油 层 部 位 坍 塌 所 造 成 的 亏 空 井 防 砂 比 较 适 宜 。 总 之 , 化 学 法 防 砂 前 题 条 件 要 求 固 井 质 量 好 , 不 能 有 套 管 外 串 槽 现 象 ,射 孔 炮 眼 畅 通 , 它 适 用 于 渗 透 率 相 对 均 匀 的 薄 层 段 地 层 防 砂 , 而 层 内 差 异 大的 厚 层 化 学 防 砂 施 工 由 于 注 入 剂 锥 进 不 均 和 重 力 作 用 易 造 成 固 结 不 均 , 影 响防 砂 效 果 。 化 学 防 砂 还 可 适 用 于 合 采 井 上 部 地 层 防 砂 。 化 学 防 砂 优 点 是 施 工后 井 内 无 遗 留 物 , 并 可 用 于 异 常 高 压 井 层 的 防 砂 ;缺 点 是 对 地 层 渗 透 率 有 一定 伤 害 , 特 别 是 重 复 施 工 时 。 另 外 注 入 剂 存 在 老 化 现 象 , 使 其 有 效 期 有 限 ,成 功 率 不 如 机 械 防 砂 , 化 学 防 砂 不 适 用 于 裸 眼 井 防 砂 。我国疏松砂岩油藏分布范围广、储量大,油气井出砂是这类油藏开采的主要矛盾。出砂往往会导致砂埋油层或井筒砂堵或油气井停产作业、使地面或井下的设备严重磨蚀、砂卡及频繁的冲砂检泵、地面清罐等维修,使工作量巨增,既提高了原油生产成本,又增加了油田管理难度。防砂是开发易出砂油气藏必不可少的工艺措施之一,对原油稳定生产及提高开发效益起着重要作用。全世界每年要花费几百万美元来研究有效的防砂措施,除此之外,还要花费几百万美元来修理因出砂而发生故障的油气井和注水井。保证疏松砂岩油藏开发过程中防砂措施的成功是十分重要的。钻井过程中大多采用割缝衬管和预充填砾石来对付地层出砂,由于其使用寿命短,砂子易堵塞缝口,液流阻力大等缺点,而且下井时操作困难,不能填充射孔孔眼,因此新的有效的防砂方法的研究与应用仍是世界石油钻采中亟待解决的难题。通过防砂可以使地层砂最大限度的保持其在地层中的原始位置而不随地层流体进入井筒,阻止地层砂在地层中的运移,使地层原始渗透率的破坏降低到最低程度,保护生产井和注水井的生产设备,最大限度的维持生产井的原始产液能力及注水井的注排能力,这是油气田防砂的目的。现阶段常用的防砂方法有机械防砂、化学防砂及砂拱防砂。近年来,砾石充填防砂技术已取得了显著的可靠施工效果,除井斜角较高的斜井之外,砾石充填防砂技术已成为应用最广泛的防砂技术方法。化学固砂方法是将化学胶结液挤入天然松散的地层,固结井眼周围出砂层段中地层砂的一种防砂方法。所形成的胶结地层具有一定的抗压强度和渗透性能。气井出砂的原因地层是否出砂取决于颗粒的胶结程度即地层强度。一般情况下,地层应力超过地层强度就可能出砂。油气井出砂的原因对于防砂及防砂剂的配方的选择有很大的影响,总的说来,油气井出砂的原因可以归结为地质和开采两种原因。质因素地质因素指疏松砂岩地层的地质条件,如胶结物含量及分布、胶结类型、成岩压实作用和地质年代等。通常而言,地质年代越晚,地层胶结矿物越少,砂粒胶结程度越差,分布越不均匀的地层在开采时出砂越严重;地层的类型不同,地层胶结物的胶结力,圈闭内流体的粘着力,地层颗粒物之间的摩擦力以及地层颗粒本身的重力所决定的地层胶结强度就不同,地层胶结强度越小,地层出砂越严重。根据地层胶结强度的大小把地层出砂分为三种类型:(1)流砂地层:即未胶结地层。颗粒之间无胶结物,地层砂的胶结强度仅取决于很小的流体附着力和周围环境圈闭的压实力,地层砂在一定的条件下可以流动。当遭遇此种地层时易发生井壁坍塌,引起卡钻、埋钻等井下事故,用常规的裸眼砾石充填法完井时,易出现地层吐砂现象,造成油气层砂埋筛管下不到井底炮眼砂堵,砾石与地层砂互混,甚至还有地层砂通过筛管缝隙进入筛管内腔,卡住油管造成的事故。因此,必须采用沉砂封隔器,高密度且稠化的完井液等特殊的完井工艺措施。出砂规律如图 6示 投产后立即出砂并连续不断,井口含砂量相对稳定。图 6砂地层出砂规律(2)部分胶结地层:这类地层胶结物含量较少,地层砂部分被胶结,胶结差,强度低。钻遇这种地层时,可以在钻井液中加入适宜的暂堵剂来稳定井壁,防止地层坍塌,避免钻速剧降和井下事故发生,在一定条件下,可以采用裸眼砾石充填法进行完井。穿过这种地层的油气井在开采过程中地层会在炮眼附近剥落,逐渐发展而形成洞穴。剥落的小块地层砂进入井筒极易填满井底口袋,堵塞油管,掩埋油气层。油井投产后出砂规律如图 6示,表现为含砂量波动变化大。如不及早加以控制,那么产层附近的泥岩,页岩夹层出会因空穴增大而剥落,从而造成近井区域泥岩、页岩和砂岩三种剥落物互混,渗透率降低,产量下降。如任其发展,有可能造成地层坍塌、盖层下降、套管损坏、油气井报废的严重后果。图 6分胶结地层出砂规律(3)脆性砂地层:此类地层胶结物含量较多,地层砂之间的胶结力较强,地层强度较好,但因胶结物的脆性比砂粒强,故这种地层易破碎。钻遇这种地层时,可在钻井液中加入适宜的护胶剂及暂堵剂来稳定井壁,防止地层破碎垮塌,保证顺利钻井。这种地层的油气井在开采过程中的出砂规律如图 6示。图 6性地层出砂规律流体产出时能把砂岩表面颗粒冲刷带走,出砂规律呈周期性变化。这种规律是因为在出砂过程中导管外部地层冲蚀空穴突然增大,过流面积成倍增加,使地层流体的流速大幅度下降,致使出砂量明显下降。随着油井条件变化,又会形成新的油砂环境而开始出砂。周而复始,任其发展,洞穴越来越大,到一定的时候,就有可能形成灾难性的地层坍塌,使油气井导管变形而报废。采原因开采原因指在油气开发时因开采速度以及采油速度的突然变化,落后的开采技术(包括不合理的完井参数和工艺技术) 低质量和频繁的修井作业,设计不良的酸化作业和不科学的生产管理等造成油气井出砂。大体归纳如下:(1)采油过程中由于液体渗流而产生的对砂粒的拖曳力是出砂的重要原因。在其他条件相同时,生产压差愈大、渗透率愈高,在井壁附近液流对地层的冲刷力就愈大。(2)油层见水。油层胶结物以粘土为主,一般占 70%左右,而粘土矿物成分中蒙脱石含量达 80%左右的砂岩地层注水后,注入水浸泡地层,都会使粘土遇水膨胀变松散,降低胶结强度,进而发生颗粒位移,大大加剧地层出砂程度。(3)频繁作业及不恰当的开采速度以及作业过程措施不当,也是造成严重出砂的原因之一。例如,进行压裂、酸化、大修等特殊作业,如果没有保护油层的措施,就容易导致出砂加剧。(4)对油井管理不善,频繁地开关井,造成地层激动,使稳定的砂桥破坏,都会造成地层出砂。随着油气田开发期延续,油气层压力自然下降,油气层砂岩体承载力的负荷逐渐增加,致使砂粒间的应力平衡破坏,胶结破坏造成地层出砂,另外,地层注水可能使油气层中的粘土膨胀分散,有的还会随着地层流体迁移使油气层胶结力下降。注水开发中为了保持产量必定要提高采液量,这就会增加地层流体的流速,加大流体对地层砂的冲刷和携带能力(速敏效应 ),因此,注水有可能造成地层出砂。此外,地层中的两相或三相流动状态能增加对地层砂的携带力。气井出砂的机理 生产条件下地层稳定性与地层基质所受应力场作用有关。基质以复杂的方法适应应力场状态。地层基质所受应力是上覆地层压力、孔隙压力、近井地带地层流体流动压力梯度、界面张力、流体通过基质颗粒间空隙流动时与颗粒摩擦而形成的摩阻。地应力适应地层稳定性的方式是在一定条件下由地层介质本征强度和地层产能系数这两个相互关联因数所决定的,这种条件下原地应力场在生产过程中因各种因数而破坏失稳后便形成了井眼周围的稳定砂拱和砂桥。如图 6示图 6气井出砂的危害油气井出砂是疏松砂岩油气藏面临的重要问题之一。出砂的危害主要表现在以下四方面:气井减产或停产油气井出砂,极易造成砂埋产层,油管砂堵及地面管汇和储油罐积砂,从而被迫停产作业。冲洗被砂埋的油层,清除油管砂堵,既费时又耗资,问题还不能彻底解决。恢复生产不久又需重新作业,周而复始,生产周期越来越短,使油气田产量大减,作业成本巨增,经济损失严重。面和井下设备及管线磨蚀加剧油气流中携带的地层砂粒主要成分是二氧化硅,硬度很高,是一种破坏性很强的磨蚀剂,能使抽油泵阀座磨损而不密封,阀球点蚀,杆塞和泵缸拉伤,地面阀门失灵,输油泵叶轮严重冲蚀,从而被迫关井作业,更换或维修设备,造成产量下降、成本上升。管损坏使油气井报废长期严重的出砂在套管外形成巨大的空穴,内外受力不平衡导致突发性地层坍塌,轻则造成套管变形,重则套管被错断挤毁,导致油气井报废。坏地层的原始构造或造成近井地带地层的渗透率严重下降油气井出砂后,地层砂运移加剧,近井地带地层砂沉积较多,远井地带则变得结构疏松加剧。近井地带地层渗透率显著下降,引起油气井的产能下降。解决油气井出砂问题,必须立足于早期防治,以减少对油层胶结的破坏,气井防砂的方法随着我国石油工业的高速发展,防砂技术不断地趋于完善和成熟,逐步形成了化学防砂和机械防砂两大类。学防砂化学防砂在 20 世纪 60 年代开始研究应用并很快形成能力,它大致可以分为三大类:第一类是树脂胶结地层,第二类是人工井壁,第三类是其它化学固砂法。 液型化学剂固砂用有机或无机化学剂挤入疏松油层或预充填砂层,使砂粒与砂粒间胶结成具有一定强度、渗透性好的砂层的固砂工艺。它包括:地面注入树脂溶液固砂、地下合成树脂溶液固砂及水玻璃溶液固砂。工井壁防砂它的种类很多,如预涂层砾石、树脂砂浆、水带干灰、水泥沙浆、 乳化水泥、树脂壳等。这些人工井壁材料都要经过管柱泵送到产层,并挤入到导管以外的空穴中去,形成密实充填,使地层恢复或部分恢复原始应力,待这些充填材料凝固,形成具有一定强度的挡砂屏障后,再把井筒中多余的充填物铣掉,使油气井具备开井生产的条件。人工井壁防砂是化学防砂中的一大类,属于颗粒防砂。它是利用有特定性能的胶结剂和一定粒径的颗粒物质按比例在地面混合均匀,也可以直接用可固结的颗粒,用油基或水基携砂液泵入井内,通过炮眼,在油层套管外堆积填满出砂洞穴,在井温及固化剂作用下,凝固后形成具有一定强度和渗透性的人工井壁阻挡地层砂井进入井筒,达到防砂目的。此类方法适用油井已大量出砂,井壁形成洞穴的油水井防砂。它化学固砂法其它化学固砂法,制约条件较多,使用不广泛。主要有以下几种:焊接玻璃固砂法、 氢氧化钙固砂法、四氯化硅固砂法、水泥乙烯固砂法和氧化有机化合物固砂法。械防砂机械防砂也可以分为两类:一类是下防砂管柱挡砂,如割缝衬管、绕丝筛管、胶结成型的滤砂管、 双层或多层砂管等,这类防砂方法简单易行,但效果差,寿命短,原因在于防砂管柱的缝隙或孔隙易被进入井筒的细地层砂所堵塞;另一类是下入防砂管柱后再进行充填,它能有效地把地层砂限制在地层内,并能使地层保持稳定的力学结构,防砂效果好,寿命长。管防砂衬管防砂是一种使用最早、简单而普遍的机械防砂方法,也叫滤砂管防砂或筛管防砂。该工艺是在出砂油层射孔井段对应下入防砂衬管,当油井投入生产时,在油层压力的驱动下,液流克服各种阻力流入井筒。如液流速度超过临界速度,地层砂桥就会破坏,带砂液流通过炮眼进入井筒,开始有少量细粉砂通过滤砂套,随液流排出地面,还有一些堵塞于滤砂套的孔隙中,较粗的砂粒在滤砂套表面堆积,一直到堆满环形空间及炮眼形成砂桥,才能阻止油井出砂,起到防砂作用。石充填防砂砾石充填防砂是重要的机械防砂方法,已被世界各油田广泛采用。该方法是在防砂油层部位放置型号和规格合适的筛管,在筛管外面的空间填充并压实粒度合适的高质量砾石。对套管射孔完成井,筛管外的空间包括套管与筛管内的环形空间,射孔孔眼及套管外油层表面之间的空间,对裸眼完井,则是指筛管外至扩孔井壁之间空间。这样,就形成了砾石阻挡油层砂,而筛管保障形成稳定的砾石桥,构成一个坚固的高渗透防砂屏障。但是总的来说,化学防砂适用于渗透率相对均匀的薄层段,在粉细砂岩地层中的效果比在机械防砂更优。而机械防砂对于地层的适应能力强,无论产层厚薄,渗透率高低,夹层多少都能有效的实施,在老井作业中,还可以起到恢复地层应力的作用。但是,它不适用细粉砂岩地层和高压地层,在无钻机或修井机的情况下也无法施工;对于化学防砂,它可以适用于双层完井作业中的上部地层防砂,但对地层渗透率有一定的伤害作用,同时它的成功率不如机械防砂,还存在老化现象, 相对成本较高等缺点,其应用程度远不如机械防砂广泛。因此,研究一种新的无污染而且成本低的高效化学防砂方法是十分有必要的。从国内外现有的化学防砂方法的报道来看,大多数人都采用在酸性或中性条件下进行实验。如果在酸性条件下进行实验,由于酸与树脂反应后会产生氢气,在一定的温度下,加上酸的挥发,形成一种刺激性的气体,不利于人的健康,还会对环境产生污染。因此考虑在碱性条件下的固砂不仅有利于防止对人的伤害,还有利于防止对自然的污染。据国外文献报道,在美国的加利福尼亚州的威明顿油田,它是以碳酸钠的碱溶液为固化剂,使用取自威明顿油田塔焦油区的砂样,在 250~260℃的高温下通过特殊的装置使砂样固结,这一项目为威明顿油田上的出砂井节约成本为每口井 90000~150000 美圆,获得了很好的经济效益。田化学防砂技术向井眼周围地层和射孔孔眼中挤入一定数量的化学剂和固体颗粒(如预涂层砾石) 以胶固地层砂运动,减轻油井出砂,实现长期生产的固砂技术称为化学防砂。化学防砂最大优点是井筒内部不留下任何机械装备,施工工艺简便,只需泵入化学剂即可。它对细粉砂尤为有效,对未严重出砂的地层和低含水油井成功率较高。化学固砂法最适于相对不含粘土和微粒矿物成分的厚度通常小于 5m 米且渗透率均匀的目的层段。但化学防砂对地层渗透率有一定的伤害,成功率不如机械防砂,相对成本较高。油田化学防砂早在 20 世纪 60 年代就开始了研究和较广泛的应用,到了 70 年代末,随着砾石填充绕丝筛管防砂技术的不断发展和完善,化学防砂的应用范围逐步缩小,应用程度不如机械防砂广泛。但是,化学防砂的优越性是其他防砂方法所不能取代的,在某些情况下仍为一种有效的防砂方法。因此,新的无污染且成本低的高效化学防砂方法的研究与应用是十分必要的。化学防砂可以分为三大类:第一类是树脂固砂法、第二类是人工井壁防砂法、第三类是其它化学固砂法。具体分类见图 脂固砂法树脂固砂法主要有两种,一种是直接向近井疏松出砂层段挤注树脂以固结近井地带的砂粒;另一种是在地面制备预涂层砾石,即在经筛析后的石英砂表面通过物理或化学方法均匀涂敷一层极薄的树脂,在常温下阴干,形成分散的颗粒,简称覆膜砂。施工时,用携带液泵入井内,挤入油层和射孔孔眼内。在一定温度和固化剂存在下,使颗粒表面软化,相互粘结成具有一定强度和渗透率的人工井壁作为挡砂屏障。图 6出了树脂固砂示意图。图 6脂固结地层砂示意图图 6树脂固砂法(1)树脂性能要求化学防砂树脂固砂人工井壁防砂有机物防砂原油固砂其他固砂方法胶乳固砂四氯化硅固砂氢氧化钙固砂尿醛树脂呋喃树脂水泥和碳酸钙颗粒亚麻油类物质聚合反应固砂聚乙烯烃固砂原硅酸四乙酯物理方法固砂低温氧化固砂沥青石油固砂原油硫化固砂水泥砂浆乳化水泥环氧树脂酚醛树脂树脂涂层砂树脂果壳挤树脂固砂法所使用的树脂包括:环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、糠醇树脂及它们的混合物。其中以糠醇树脂为最好。固砂用树脂所必须具有的重要性能如下:①常温下树脂粘度低于 20s。这种粘度值充分允许施工时有合理泵注时间,允许挤入后置液时可以很好地替出过多的树脂。若树脂粘度过大,就用稀释剂进行稀释达到理想的粘度。对环氧树脂来说,适合的稀释剂有苯乙烯化氧、辛烯化氧、糠醇、苯酚等。对酚醛树脂、脲醛树脂、糠醇树脂来说,合适的稀释剂有糠醇、糠醛、苯酚和甲酚。稀释剂用量一般为每一百份树脂用 50~150 份稀释剂。②树脂必须能润湿地层固相物质,这是最基本的要求。所挤入的树脂必须有毛细管力吸入砂粒间空隙中。③最终聚合树脂具有足够高的抗拉强度和抗压强度。④树脂聚合作用时间必须可控。聚合时间短使后续过程中的顶替作业很困难,而聚合时间过长则会增加施工成本。⑤最终的聚合物必须具有化学惰性,该聚合物必须允许保持与原油和盐水长时间的接触。(2)挤树脂固砂工艺过程利用树脂胶结疏松砂岩油层一般包括以下几个步骤:①用前置液预处理地层。胶结之前,需用前置液处理地层。根据砂层需要预处理目的不同,前置液也不同。若要除砂粒表面的油,前置液可用液态烃,如:柴油、煤油、原油、矿物油和芳香油。另一类是水基前置液,一般是淡水、盐水和海水,其中尤以盐水为最好。这种盐水是由一种或一种以上溶于水的无机盐构成,再加上表面活性剂如烷基磺酸钠,烷基苯磺酸钠、聚氧乙烯辛基苯酚醚砂粒表面由亲油反转为亲水,由于极性的胶结剂能润湿亲水表面,因而有好的胶结效果。 水基前置液中不应含有堵塞地层的污染物。②树脂胶结剂的注入。地层用前置液处理后,再注入胶结液。胶结液中最好要含有偶联剂,使树脂和砂粒更紧密地结合在一起。合适的偶联剂有氨基硅烷,其分子结构通式为:式中的 具有 1~8 个碳原子的直链、侧链和环链烯烃基,最好是 1~4 个碳原子的直链、侧链烯烃基。R 2 是氢或具有 1~8 个碳原子(最好是 1~4 个碳原子) 的烷基、胺烷基。R 3是甲基、乙基、丙基或异丙基( 最好是甲基或乙基) ,m 的数值为 0~10,最好是 1~4。这种氨基硅烷有 2乙基)这种偶联剂最好)、乙基)乙基)丙基)丁基)基硅烷用量每一百份重的树脂加 0 份重的氨基硅烷。若地层的渗透率比较高,则注入“纯粹的”胶结液(即不含携带液的胶结液 )。若地层的渗透率比较低,可以把胶结液和水基携带液混合在一起注入到地层中。胶结液组分中应包括表面活性剂。表面活性剂能改善砂粒对树脂的润湿性,防止胶结液稠化和在水基携带液中出现聚集现象,从而保证了胶结液的泵送性能。胶结液组分中还应有分散剂。分散剂能使胶结液成雾滴状分散在携带液中,合适的分散剂有糠醛和酞酸二乙酯的混合物。由于砂层的不均质,所以胶结剂将更多地沿高渗透层进入砂层,影响防砂效果。为了使胶结剂均匀注入,在注胶结剂前,可先注一段分散剂。由于分散剂可减少高渗透层的渗透率,使砂层各处的渗透率拉平,这样,胶结剂可以比较均匀地分散入砂层。要提高防砂效果,应注意分散剂的使用。③注入驱替液(增孔液),使地层砂粒表面涂上一层树脂材料。由于对砂粒起胶结作用的胶结剂是粘在砂粒接触点处的胶结剂,在砂粒空隙中多余的胶结剂固化后将引起砂层的堵塞,减少胶结后砂层的渗透率,因此要用驱替液把多余的胶结液顶替到地层深处。例如用极性胶结剂胶结时,就可以用煤油、柴油做增孔液。使树脂固结,形成具有渗透率的胶结地层,可通过加热和与催化剂接触就能使树脂达到固化。催化剂可以随胶结液一起注入到地层中(内催化法 ),也可以先注入胶结剂,再注入催化剂( 外催化法)。使用内催化法时值得注意的是:胶结液只有注入到地层后,树脂才能发生固化反应。最好的催化方法是外催化法。对环氧树脂来说,合适的催化剂有胺类、酸酐类催化剂,对酚醛树脂、脲醛树脂、糠醇树脂来说,无机酸、有机酸和成酸化学剂都是比较好的外催化剂。涂覆树脂砂即在树脂配方中加入催化剂或在砂浆液后顶替外固化剂,促使预涂层砾石在低温地层中固化,达到胶固地层的目的,主要包括常温和高温覆膜砂两大类。前者用于井温 60℃的油井,后者用于注蒸汽热采井( 注汽温度 300~350℃)。近年来,随着技术的进步又开发研制了低温覆膜砂(适用油井温度 30~50℃) 。(1)常温覆膜砂:其树脂配方是:石英砂:环氧树脂: 丙酮:偶联剂 =100:5:量分数)。按配比将树脂溶于丙酮中,再加偶联剂均匀混合,配好后撒入石英砂中并均匀搅拌,使颗粒表面涂上一薄层树脂,待丙酮挥发后,分散过筛备用。其质量标准参见 274——91 行业标准,主要包括:①强度:对 20~40 目常规涂层砂,固化后要求:二级品 一级品抗折强度不小于 温下保存为单颗粒分散状态,分散率大于 98%;③表面涂覆均匀,颗粒涂覆率大于 98%;④覆膜厚度:当石英颗粒为 ,厚度不大于 石英颗粒为 ,厚度不大于 覆膜砂粒度:若石英颗粒为 ,覆膜最大颗粒度不大于 石英颗粒为 ,覆膜最大颗粒度不大于 渗透率不小于 50µ耐温性:常温砂小于 100℃,高温砂=350℃;⑧粉尘含量:小于 1%(质量分数)。(2)高温覆膜砂:其防砂机理是将耐高温预涂层砾石用携砂液按一定砂比,通过施工管柱泵送到井下,并强迫挤入套管外周围地层中,在井底温度或特定外界条件下固化,形成一个具有一定强度,又具有较高渗透率的人工井壁从而阻止地层出砂。该方法最大优点是井底不留任何机械装置,后期处理和补救作业十分方便。技术关键在于解决耐高温树脂配方及预涂层工艺。经实验研究,高温预涂层砾石已经在国内外市场商品化应用,由于工艺简便,可以作为传统绕丝筛管砾石防砂工艺补充手段。该方法常用于严重出砂地层,挤入量由累计出砂量确定,但处理井段一般不超过 20m。胜利油田的高温预涂层砾石产品技术性能指标见表 6 6高温树脂涂层的性能指标抗压强度 胶结介质 的影响规格250℃ 350℃ 加速固结 正常固结 阻止固 结(3)应用条件及技术评价①适用于每米地层出砂量大于 50L 的油、气井后期防砂。②射孔井段不宜超过 20m。③覆膜砂已形成温度系列,对不同井温适应性强。若地层温度大于 60℃,用常规覆膜砂,若低于 60℃,选用低温覆膜砂(内催化系统) 或常规覆膜砂加入外固化剂( ),注汽井选用高温覆膜砂。④若地层吸收能力太低,则应先解堵后,再挤覆膜砂。⑤施工简便,易操作,无需特殊设备。⑥固化后,抗压强度可大于 5~9透率保持为原砾石渗透率的 80%左右。⑦防砂成功率一般大于 80%,对油井的含水适应性好。⑧高孔密射孔(20 孔/m 以上),大直径孔眼( φ1620助于改善覆膜砂在处理井段上的均匀分布,是提高防砂成功率的重要措施。工井壁防砂法人工井壁防砂是化学防砂中的一大类,属于颗粒防砂。它是利用有特定性能的胶结剂和一定粒径的颗粒物质按比例在地面混合均匀,或风干后再粉碎成颗粒。也可直接用可固结的颗粒,用油基或水基携砂液泵入井内通过炮眼,在油层套管外堆积填满出砂洞穴,在井温及固化剂作用下,凝固后形成具有一定强度和渗透性的防砂屏障,即人工井壁。这些人工井壁阻挡地层砂进入井筒,达到防砂目的。图 6出了人工井壁示意图。此类方法适用油井已大量出砂,井壁形成洞穴的油水井防砂。图 6工井壁示意图如需要把机械设备留在井筒里,此方法用在较上部地层中。这种方法比砾石填充后再作固结处理要便宜。在已大量出砂和套管损坏的井段,有些作业者先挤入可固结的填充物,再在套管内作普通砾石填充。泥砂浆人工井壁水泥砂浆人工井壁是以水泥为胶结剂,以英砂为支撑剂,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性的人工井壁,防止油层出砂。这种人工井壁适用于已出砂油井、低压油井、浅井(井深在 1000m 左右)、薄油层油井(油层井段小于 20m)的防砂。带干灰砂人工井壁水带干灰砂人工井壁防砂是以水泥为胶结剂,以石英砂为支撑剂,按比例在地面拌合均匀,用水携至井下,挤入套管外,堆积于出砂层位,凝固后形成具有一定强度和渗透性的人工井壁。这种方法适用于处于后期的低压油水井、已出砂的油水井、多油层、高含水油井及防砂井段在 50m 以内的油水井的防砂。油乳化水泥浆人工井壁以活性水配制水泥浆,按比例加入柴油,充分搅拌形成柴油水泥浆乳化液,泵入井内挤入出砂层位,水泥凝固后形成人工井壁。由于柴油为连续相,凝固后的水泥具有一定的渗透性,使液流能顺利地通过人工井壁进入井筒,达到防砂的目的。该方法适用于浅井、地层出砂量小于 500L/m 的井、油层井段在 内的油、水井和油水井早期的防砂。脂核桃壳人工井壁该方法系以酚醛树脂为胶结剂,以粉碎成一定颗粒的核桃壳为支撑剂,按一定比例拌合均匀,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反应时间后使树脂固结,形成具有一定强度和渗透性的人工井壁,防止油井出砂。这种人工井壁适用于出砂量较小的油井、射孔井段小于 2全井防砂和水井早期防砂。脂砂浆人工井壁以树脂为胶结剂,石英砂为支撑剂,按比例混合均匀,用油携至井下挤入套管外,堆积于出砂层位,凝固后形成具有一定强度的渗透性人工井壁,防止油井出砂。这种人工井壁适用于吸收能力较高的油水井网、油层井段在 20m 以内的油水井后期的防砂。表 6学防砂选用参考表方法 配方(质量分数) 优缺点水泥砂浆 水:水泥:砂= 原料来源广,强度较低,有效期较短水带干灰砂 水泥:砂=1 :2 原料来源广,成本低,堵塞较严重柴油水泥浆乳化液 柴油:水泥:水=1:1 :料来源广,成本低,堵塞较严重酚醛树脂溶液 苯酚:甲醛:氨水=1:应性强,成本高,树脂储存期短树脂核桃壳 酚醛树脂:核桃壳=1 :结强度高,原料来源少,施工较复杂树脂砂浆 树脂:砂=1 :4 胶结强度较高,施工较复杂酚醛溶液地下合成 苯酚:甲醛:固化剂=1:2 :(溶液粘度低,易于泵送,可分层防砂树脂涂层砾石 树脂:砾石=1:(10~20) 强度较高,渗透率高,他化学固砂法目前使用的化学固砂方法较多,在本节主要介绍以下几种方法:氢氧化钙固砂法、四氯化硅固砂法、聚乙烯固砂法和氧化有机化合物固砂法。氧化钙饱和溶液固砂法 将氢氧化钙饱和溶液用于胶结砂岩地层,胶结机理是氢氧化钙的饱和溶液,在高于65℃ 的温度下,与油层中的粘土矿物(蒙脱石、伊利石等) 反应生成铝硅酸钙( 胶结物),把砂粒胶结在一起,实现控制出砂。胶结地层能耐高温、适用于蒸汽驱和热水驱油藏固砂作业。由于氢氧化钙的溶解度很低,所以要多次循环注入氢氧化钙饱和溶液才能使胶结地层达到所需的强度。八十年代初提出了一种改进型的方法,这种方法是向处理地层中注入含有氯化钙和氢氧化钠的氢氧化钙饱和溶液,随着胶结反应的发生,氢氧化钙从溶液中析出,使溶液中氢氧化钙的浓度降低,这时氯化钙和氢氧化钠发生化学反应,又生成新的氢氧化钙,保持氢氧化钙在水溶液中的浓度不变,从而将未固结的地层胶结在一起,形成挡砂屏障。氯化硅固砂法四氯化硅可以用来固结疏松砂岩油藏。它是利用四氯化硅注入到地层中后和地层中的水发生化学反应,生成无定形的二氧化硅。生成的二氧化硅可以将地层砂粒胶结在一起,达到固砂的目的。这一机理可用化学方程式表示为: 四氯化硅固砂,地层中一定要有水。地层含水饱和度越高,防砂效果越好,而渗透率损失不大。为了提高胶结地层的抗压强度可以采取预处理和后处理的方法,还可以在胶结剂中加入适量的中和剂,把生成的氯化氢中和掉以提高胶结强度。用四氯化硅固砂工艺简单,只需通过一般的注入工艺就能达到目的。并且该方法成本低廉,主要用于气井防砂。乙烯固砂法聚乙烯是二烯烃或三烯烃通过聚合反应的产物。聚乙烯固砂有两种工艺,一是用聚丁二烯经稀释剂稀释后加入催化剂通过化学反应胶结疏松砂岩,使用的催化剂有锆盐、钴盐及锌盐;二是利用聚丁二烯热聚合反应固砂。化有机化合物固砂法采用含不饱和烯烃的有机化合物,在氧化聚合反应过程中,氧原子把双键打开,在各分子之间形成氧桥,从而使有机物生成网状的聚合物,将疏松砂岩有效胶结在一起。这种方法一般包括以下两个连续步骤:①一种或两种以上的能起聚合反应的有机物质和催化剂混合,将混合物注入到地层中,在地层温度下,与氧化气体接触发生氧化聚合反应,生成固态物质胶结砂粒,而基本上不降低地层的渗透性能。②注入足够的氧化气体,使已注入的有机物质充分固化。使用的地层温度为 150℃~250℃。学防砂的工艺设计化学防砂的工艺设计直接关系到其施工作业的成败。因此,在设计前要充分掌握地层和油气井的资料数据,全面考虑防砂效果,防砂产能恢复和综合经济效益,提高设计水平,保证和提高施工的成功率。艺设计步骤进行化学防砂工艺设计时,应根据地层性质、完井方法、油气井条件、施工工艺和设备来设计不同的工艺参数与步骤。包括以下四方面:择固体颗粒的尺寸选择固体颗粒的尺寸主要基于产层所含最细砂尺寸。因此,准确确定地层砂粒粒径和范围很关键。砂粒直径确定方法常用的是泰勒(准筛分级,表 6给出了泰勒(准筛目与对应的筛孔直径。筛析数据通常以从最大孔径筛开始筛选并按筛号大小次序排列的筛网上所剩砂粒筛积百分比表示。这种曲线标绘在半对数纸上,如图 6示表 6目标号分类比较表泰勒标准筛目系列 21/2 4 6 8 10 12 14 16 18筛孔直径(㎜) 泰勒标准筛目系列 20 24 28 32 35 42 48 60 80 筛孔直径(㎜) 00 115 150 170 200 250 270 325 400筛孔直径(㎜) 0037 图 6层砂筛选分析曲线用于描述砂粒尺寸特征的数值方法有几种,一般都以砂粒尺寸和砂粒分选系数来表示砂粒尺寸特征。分选是指砂粒的均匀度。分选性度量特征参数是砂粒的均匀系数,以 示,定义式如下 粒筛积百分比曲线上标定的第 40 个百分点对应的直径数值, 粒筛积百分比曲线上标定的第 90 个百分点对应的直径数值, c< 3 时为均匀砂(分选性好), 时则为非均匀砂或分选性差的砂。确获取被胶结砂层的岩性和地层流体性质根据达西定律计算防砂前、后地层流体由地层流向井筒的流速,对比防砂前后地层的渗透性改变情况。定防砂体系的注入速度、施工压力、工程序及参数不同的防砂方法,其施工程序及参数不同,这里重点介绍油田上常用的几种化学防砂施工程序及参数。醛树脂固砂施工参数及施工程序(1)射孔:负压射孔,孔密度为 20 孔/m ,孔径不小于 102)洗井:用加有粘土防膨剂和防乳化剂的无固相清洁液体洗井。(3)通井:用小于套管内径 4~6㎜的通井规通至油层低界以下 20m,无遇阻现象。(4)下防砂管柱:全井一次防砂,用光油管完成于油层顶界以上 5~10m,装好井口进行施工;多油层长井段分层防砂,采用先下入封隔器,从下而上逐段防砂,每段控制井段长在 20 m 以内。(5)正挤活性柴油:柴油中加入 1%的聚氧乙烯烷基醇醚性剂,即活性柴油,用量为每米射孔油层不少于 500 L,排量 300 L /6)正挤盐酸:盐酸浓度 5%~7%,每米射孔油层不少于 200 L,排量 300L/7)正挤柴油:用量 2量 300L/8)正挤酚醛树脂溶液:每米射孔油层不少于 200 L,排量 300L/9)正挤增孔剂(柴油):用量为树脂量的 2~3 倍,排量 300L/10)正挤固化剂(盐酸):盐酸的浓度为 10%~12%,其用量为树脂量的 2~3 倍,排量300L/11)正挤顶替液(柴油):将盐酸全部挤入油层,排量 300L/12)关井侯凝 48h 以上。(13)压井、探树脂面、钻塞至人工井底。(14)下入生产管柱投产。涂覆树脂砂固砂施工工艺程序主要包括:(1)压井、通井、探冲砂至人工井底或设计砂面位置。(2)补孔:若有必要则进行,孔径大于 10密增加 20 孔/m 以上 。(3)光油管完成于油层顶界以上 5~10m。(4)若油稠,则用适量清洗液清洗近井地层表面,便于以后挤入预涂层砾石。(5)若地层有潜在的粘土伤害,应挤入粘土稳定剂处理液。(6)正替携砂液至套管出口返排液后,关闭套管闸门。(7)正挤携砂液求地层的吸收能力,调整好泵压、排量。当泵压稳定,排量达到500L/,开始出砂,砂比控制为(5~10) :100(体积分数 )。正常加砂要求一次加完设计砂量,若中途发生泵压高于稳定值的 50%时,应停止加砂。(8)正挤顶替液(若低温地层,又采用的是固化系统,则先顶替固化剂) ,直至将覆膜砂顶替挤入地层,不宜过量顶替。欠量顶替时,并筒内留下一段覆膜砂砂柱。(9)上提管柱 50~100m,关井候凝 72h 以上。(10)关井、探树脂面,钻塞至人工井底或设计井底。(11)下入生产管柱投产。泥砂浆人工井壁施工程序及参数施工程序:(1)压井、探砂面、冲砂至人工井底。(2)光油
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