可脱离式充填筛管用降解剂的研制及降解机制

齐 宁, 刘 帅, 李柏杨, 方明君, 田壮壮

(中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580)

可脱离式充填筛管用降解剂的研制及降解机制

齐 宁, 刘 帅, 李柏杨, 方明君, 田壮壮

(中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580)

研制一种新型的油田防砂用可脱离式充填筛管,其技术关键是实现井下PLA-T管体的快速有效脱离。以PLA-T的降解程度和降解速率为评价指标优选出一种降解剂配方,并在模拟油藏条件下对降解剂进行耐温、耐盐、耐稀释等性能的评价。通过扫描电镜观察反应过程中PLA-T表面的微观变化,分析PLA-T的降解机制。结果表明:最优降解剂配方为w(丙酮)∶w(二甲基甲酰胺)∶w(乙二胺)=3∶2∶5;在温度为50～80 ℃、矿化度为10～100 g/L、稀释质量分数为70%～90%的模拟油藏条件下,PLA-T管体降解时间为6～92 min,表明该体系在复杂环境中具有优良的降解性能;在降解剂的作用下,PLA-T的表面结构形态从光滑表面逐步向裂纹、裂缝、不规则裂缝、裂缝-孔洞形态转变,导致PLA-T的降解速率先增大后减小;这种高效降解剂可以通过对PLA-T管体快速降解,实现井下充填筛管的有效脱离,达到疏松砂岩油气藏无筛管防砂的目的。

可脱离式充填筛管; 降解剂; 降解程度; 降解速率; 无筛管防砂

孤岛油田主力油层具有渗透率高、胶结疏松、非均质性强、强亲水的特点,胶结物以泥质为主,油层的地质和岩石特征决定了孤岛油田易出砂的特点[1],防砂是维持油井正常生产的一项重要措施[2-3]。目前主要采用的防砂方法有环氧树脂滤砂管防砂[4-5]和筛管砾石充填防砂[6-9]。从主力单元防砂效果统计看,环氧树脂滤砂管液量较高、稳定性好。但随着油田开发的深入,井筒状况恶化套损加剧,复杂结构井逐年增多[10],环氧树脂滤砂管因管体材质较脆,下井过程中容易损坏,导致适应性变差。笔者研制一种新型的可脱离式充填筛管,可以在井筒油层部位生成类似滤砂管防砂体系,避免下井过程损坏的风险,提高防砂成功率。

1 可脱离式充填筛管的结构特点

可脱离式充填筛管表面有割缝,两端分别为凸缘和凹缘结构,见图1。将可脱离管体套覆固定在充填筛管(绕丝筛管或割缝衬管)外表面,组成可脱离式充填筛管管柱[11]。

可脱离式充填筛管防砂采用一种新型防砂理念,即下入井筒中防砂层位的管柱,在可脱离式充填筛管与井壁之间形成类似滤砂管的防砂体系,而后将可脱离管体降解,在树脂涂覆砂充填体与筛管之间形成“环空”,使筛管实现有效“脱离”,将筛管从井筒中起出,实现无筛管防砂。

可脱离式充填筛管防砂的技术关键在于可脱离管体的降解,为使充填筛管成功脱离:一方面采用新型PLA-T材料制作套覆于充填筛管外的可脱离管体,其中PLA-T为碳酸钙改性聚乳酸[12-14],由一定比例的碳酸钙和聚乳酸[15-16]熔融共混制得,强度高且可降解[17-18];同时,另一方面须研制一种能够快速降解PLA-T管体的化学降解剂。

图1 可脱离式充填筛管立体模型Fig.1 3D model of separated filling screen tube

2 PLA-T管体降解试验

2.1 试验药品及仪器

(1)试验药品。PLA-T为实验室自制,碳酸钙(分析纯,国药集团化学试剂有限公司),聚乳酸为NatureWorks 3052D,氢氧化钠、乙酸、盐酸、苯酚、乙醇、甘油、丙酮、乙酸乙酯、二甲基甲酰胺、二甲亚砜、丁酮、乙二胺、氯化钠(分析纯,国药集团化学试剂有限公司),YDBE(多元醇混合酯,主要成分为二乙酸乙二酯,常州海正化工有限公司),去离子水等。

(2)试验仪器。试验仪器为电子天平BSA423S、电热恒温水浴锅和HITACHI S-4800 SEM。

2.2 降解剂最优配方筛选

(1)按质量比100∶1称取初选的复配降解剂与PLA-T,60 ℃水浴条件下放置3 h评价PLA-T的降解情况。

(2)以降解程度为初选指标,若3 h内PLA-T的降解质量超过70%,则将其作为降解剂备选配方,否则调整试剂种类及复配比例,重复试验直至筛选出符合试验要求的配方。

(3)以降解速率为优选指标,优化(2)中筛选出的备选配方中的各组分配比,筛选出降解速率快的体系作为降解剂优化配方。

(4)考虑井液稀释最优配方的确定:用去离子水稀释(3)中筛选出的降解剂质量分数至70%,评价稀释后降解剂水溶液的稳定性(搅拌、静置后是否分层)及其降解性能,重复步骤(2)和(3),直至筛选出可脱离式充填筛管的最优降解体系。

降解程度及降解速率的计算公式分别为

(1)

DV=Δm/ΔT.

(2)

式中,DD为降解程度, %;m1为PLA-T的初始质量,g;m2为PLA-T的剩余质量,g;DV为降解速率,mg/min;ΔT为降解时间,min;Δm为质量变化量,mg。

2.3 降解剂性能评价

(1)评价50、60、70和80 ℃不同油藏温度下降解剂的耐温性能。

(2)在60 ℃条件下,加入去离子水模拟井液稀释,评价降解剂稀释后质量分别为90%、80%和70%时的降解性能。

(3)在60 ℃、降解剂质量分数为70%的条件下,配制模拟地层水,评价10、50和100 g/L不同矿化度下降解剂的耐盐性能。

2.4 降解剂降解机制

按质量比为100∶1,称取一定质量的PLA-T和降解剂,在60 ℃、质量分数为100%的条件下进行降解试验,分别制得反应时间为0、5、10、15和20 min的5组样品,采用SEM方法观察5组样品的表面结构,研究降解剂的降解机制。

3 PLA-T管体降解试验

3.1 降解剂最优配方

按照试验方法进行降解剂最优配方的筛选试验,结果见表1～3。

根据表1～3的试验结果,综合考虑降解程度(≥70%)与降解速率,确定可脱离式充填筛管降解剂配方为w(丙酮)∶w(二甲基甲酰胺)∶w(乙二胺)=3∶2∶5。

表1 降解剂初步筛选试验结果Table 1 Experimental results of highly efficient degradation agent first screening

表2 降解剂优化配比试验结果Table 2 Experimental results of highly efficient degradation agent optimizing proportion

表3 降解剂最优配方试验结果Table 3 Experimental results of highly efficient degradation agent optimal formula

3.2 不同温度条件下降解性能的评价

降解剂的降解性能受温度影响显著。温度越高,经过相同的降解时间,PLA-T的剩余质量越少,降解程度越高;温度越高,降解速率随时间的波动越明显,峰值越大,70%降解(或100%降解)时间越短,见图2、3。在油藏温度为50～80 ℃时,降解时间为6～24 min,降解剂的温度适用范围较广,降解效率高,具有良好的耐温性能。

图2 50～80 ℃时PLA-T的质量、降解程度及降解速率与时间的关系Fig.2 Relative curves of PLA-Ts mass, degradation degree and degradation velocity changing with time at temperature of 50-80 ℃

图3 PLA-T的降解时间(70%或100%)与温度的关系曲线Fig.3 Relative curves of PLA-Ts degradation time (70% or 100%) changing with temperature

3.3 不同矿化度条件下降解性能评价

降解剂的降解性能受矿化度的影响较小:矿化度为10、50和100 g/L的条件下,PLA-T的剩余质量和降解程度随时间的变化规律基本一致,70%降解时间和100%降解时间略有下降;矿化度为10和50 g/L的条件下,降解速率随时间的变化规律基本一致,当矿化度为100 g/L时,降解速率的峰值略有增大。

矿化度为10～100 g/L,其降解时间在80～92 min,降解剂在矿化度高达100 g/L的地层水(或井筒积液)中依然具有良好的降解性能,在矿化度为10～100 g/L时,PLA-T的质量、降解程度和降解速率与时间的关系曲线如图4所示,降解时间(70%或100%)与矿化度的关系曲线如图5所示。降解时间基本不变,降解性能受矿化度的影响较小,降解剂具有良好的耐盐性能。

图4 10～100 g/L矿化度时PLA-T的质量、降解程度和降解速率与时间的关系Fig.4 Relative curves of PLA-Ts mass, degradation degree and degradation velocity changing with time at salinity of 10-100 g/L

图5 PLA-T的降解时间(70%或100%)与矿化度的关系曲线Fig.5 Relative curves of PLA-Ts degradation time (70% or 100%) changing with salinity

3.4 不同质量分数条件下降解性能的评价

降解剂的降解性能受质量分数影响较为显著:质量分数越大,经过相同的降解时间,PLA-T的剩余质量越小,降解程度越高;质量分数越大,降解速率随时间的波动越明显,峰值越大,70%降解(或100%降解)时间越短,如图6、7所示。

降解剂质量分数为70%～90%时,降解时间为38～66 min,降解剂质量分数稀释到70%时依然能够对PLA-T实现高效降解,具有良好的耐稀释性能。

图6 降解剂质量分数为70%～90%时PLA-T的质量、降解程度降解速率与时间的关系曲线Fig.6 Relative curves of PLA-Ts mass, degradation degree and degradation velocity changing with time at the concentration of 70%-90%

图7 PLA-T的降解时间(70%或100%)与降解剂质量分数的关系Fig.7 Relative curves of PLA-Ts degradation time (70% or 100%) changing with concentration

3.5 降解机制分析

PLA-T的主体成分是聚乳酸,降解剂的加入能够使聚乳酸的酯键水解成乳酸单体,实现PLA-T的降解。

从表面结构形态变化看,在降解剂的作用下,PLA-T的表面结构随时间的变化如图8所示。

反应前PLA-T的表面结构光滑平整,无明显裂纹;反应5 min时,PLA-T的表面产生明显裂纹,并逐渐开始产生裂缝;当反应进行到10 min时,PLA-T表面的裂纹发育成裂缝;随着反应进行,降解剂开始作用于缝口边缘,同时沿裂缝深入到PLA-T内部,对缝壁及内部结构产生破坏,从15 min的反应情况可以看出此时的裂缝结构：裂缝宽度变大,裂缝边缘及壁面变得粗糙;而后随着反应的继续进行,降解剂不断沿裂缝进入到PLA-T的内部,同时继续破坏已有的裂缝结构,导致裂缝结构变得不规则(20 min)，这种趋势逐渐向四周扩散,最终形成裂缝-孔洞结构(25 min);当反应进行到30 min时,PLA-T几乎完全降解(图2,60 ℃,30 min),不能观察其表面结构。

在降解的0～20 min,PLA-T表面结构经历的变化过程为光滑表面-裂纹-裂缝-不规则裂缝。在此过程中,PLA-T与降解剂反应的接触面积逐渐增大,虽然降解剂的质量分数一直在减小,但是显然反应接触面积的影响强于质量分数的变化,因此反应速率逐渐增大;从20 min开始,PLA-T的表面结构从不规则裂缝过渡到裂缝-孔洞结构,虽然这一结构变化过程增加了反应接触面积,但是相比0～20 min,其增加量明显减小,与此同时降解剂的质量分数一直降低,其对降解速率的影响逐渐增强,反应20 min时降解速率达到峰值,从20 min开始降解速率逐渐降低,这与3.2节中60 ℃时的宏观降解规律相符(图3)。

图8 60 ℃、100%质量分数时通过SEM观察PLA-T表面结构随反应时间的变化Fig.8 Observing PLA-Ts surface structure changing with reaction time by SEM at condition of 60℃,100% mass fraction

根据试验结果可知,降解剂首先作用于PLA-T表面,破坏其结构,致使其产生裂缝;然后纵向上沿裂缝深入到PLA-T的内部并破坏其内部结构,同时横向上沿裂缝壁面、裂缝边缘破坏PLA-T的表面结构,这两者几乎同时进行,此过程中裂缝进一步发育为不规则裂缝、裂缝-孔洞;随着反应的进行,微观上PLA-T的结构由表及里逐渐被破坏,宏观上PLA-T的体积和质量逐渐减小,最终PLA-T的结构被破坏完全,其体积和质量减小为零,降解过程结束。

4 结 论

(1)PLA-T管体的最优降解剂配方为丙酮、二甲基甲酰胺和乙二胺,比例为3∶2∶5。

(2)优选出的降解剂具有良好的耐温、耐稀释和耐盐性能,在温度为50～80 ℃、矿化度为10～100 g/L、质量分数为70%～90%的油藏条件下,在6～92 min内可充分降解,具有优良的降解性能。

(3)在降解剂的作用下,PLA-T的表面结构形态从光滑表面逐步向裂纹、裂缝、不规则裂缝、裂缝-孔洞形态转变,这也从微观角度解释了PLA-T降解速率先增大后减小的宏观降解规律。

(4)所研制的降解剂可将PLA-T管体快速降解,实现井下充填筛管的有效脱离,能够满足疏松砂岩油气藏无筛管防砂的需求。

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(编辑 李志芬)

Design and performance of degradation agent for detachable filling screen tubes in oilfield sand control

QI Ning, LIU Shuai, LI Boyang, FANG Mingjun, TIAN Zhuangzhuang

(SchoolofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

A novel detachable filling screen tube was developed for oilfield sand control. The key to this technology is to detach the PLA-T tube quickly and effectively downhole. In this study, an efficient degradation agent of PLA-T was proposed and its performance was evaluated under various oilfield conditions. Microscopic changes of the PLA-T surface structure were observed by SEM to analyze the degradation mechanism. The experimental results show that an optimized formula of the agent consists ofw(acetone)∶w(DMF)∶w(ethylenediamine)=3∶2∶5. Under simulated reservoir conditions with temperature of 50-80 ℃, salinity of 10-100 g/L and diluted mass fraction of 70%-90%, the degradation time of the PLA-T tube is 6-92 min, which indicates that the agent has a good degradation performance in rigorous environments. The SEM results reveal that the surface of the PLA-T can be gradually transformed from smooth to cracks, and then successively to crevices, irregular crevices and crevice-holes induced by the degradation agent, which leads to the degradation rate of the PLA-T increasing firstly and then decreasing. This degradation agent can dissolve the PLA-T tube downhole so that the filling screen tube can be quickly and effectively detached, therefore screenless sand control can be applied in unconsolidated sandstone reservoirs.

detachable filling screen tube; degradation agent; degradation degree; degradation rate; screenless sand control

2016-05-23

国家自然科学青年基金项目(51204199)

齐宁(1980-),男,副教授,博士,硕士生导师,研究方向为采油工程及油田化学。E-mail:qining@upc.edu.cn。

1673-5005(2016)06-0087-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2016.06.011

TE 358

A

齐宁,刘帅,李柏杨,等. 可脱离式充填筛管用降解剂的研制及其降解机制[J].中国石油大学学报(自然科学版),2016,40(6):87-93.

QI Ning, LIU Shuai, LI Boyang, et al. Design and performance of degradation agent for detachable filling screen tubes in oilfield sand control[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2016,40(6):87-93.