新疆某细粉砂油藏防膨抑砂体系室内试验研究

王 泉，李洁冰

中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院公司，新疆克拉玛依 834000

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。

1.2 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，g。

1.2.2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

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。

2.1.2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

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。

2.1.3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3 BS-95和BY-53与清水对比冲砂试验结果

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。

2.2 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。

2.2.1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

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。

2.2.2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

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。

2.2.3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

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

2.3 BY-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

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

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10 100～120目混砂后的清水冲砂试验

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。