深层特稠油复合防砂技术研究与实践

2020-03-04郎成山

特种油气藏 2020年6期

郎成山

(中国石油辽河油田分公司，辽宁盘锦 124010)

0 引言

辽河油田洼38块边部的洼79井区、洼25-新12块等区块属于典型的中高孔高渗深层特稠油油藏，主力生产层位为东营组，油层埋深为1 330～1 400 m，因其储层具有胶结疏松、成岩作用差、泥质含量高、出砂粒径细、原油黏度大等特点，1994年投产后，区块内油井普遍存在出砂问题；同时受热采开发方式等综合因素影响，在高温蒸汽多轮冲蚀和负压开采过程中，砂粒间的胶结物遭到严重的破坏，近井地带频繁出现井壁失稳、地层坍塌情况，出砂问题极为复杂，增大了防砂治砂难度。尽管先后应用了筛管防砂、砾石充填等防砂技术，但防砂投产后均出现产量快速下降、稳产期短、再次出砂的问题，平均检泵周期不足30 d[1]。1998年后区块长期处于低产低效开发状态，濒临废弃。2017年以来，开展了压裂防砂、筛管防砂的复合防砂技术研究与试验，成功解决了区块严重出砂问题，难采储量重获有效动用。

1 出砂原因及技术思路

1.1 出砂原因

(1) 地质因素。主力生产层段属中高孔高渗储层，岩石强度极低，胶结程度差，储层松散易碎，呈流砂形态特征。随着生产的进行，胶结物逐步破碎脱落，地层岩石失去支撑而坍塌，是造成油井出砂的主要原因[2-5]。

(2) 开发因素。研究区原油具有高密度、高黏度(38 700 mPa·s)的特点，携砂能力强。蒸汽吞吐生产过程中，高温蒸汽频繁冲刷，加之泄压生产导致油层压力激动，是油井出砂的重要原因。

1.2 防砂难点

(1) 出砂严重，平均单井累计作业返砂量为9.1 m3，平均单井冲砂检泵7.1次，检泵周期不足30 d。地层返砂的平均粒度中值为0.160 mm，部分油井甚至已返出泥质粉砂。

(2) 储层埋藏深，生产层段具有跨度大、层多层薄特点，采取大段合采方式进行生产后，常规化学固砂效果差；如果采用压裂防砂技术，则存在充填不均、局部大量出砂的风险。

针对以上问题，先后实施高温固砂、高温树脂防砂、人工井壁和筛管防砂等措施，防砂有效率仅为20%～50%，检泵周期为21～58 d，未根本解决出砂问题。

1.3 技术思路

针对区块层多层薄、砂细、油稠等特点，为解决防砂处理半径小、长井段充填不均等难题，实现区块有效动用，2017年以来，开展了防砂投产技术研究。通过对区块出砂特点和各项防砂技术对比分析，认为常规单一防砂手段适应性差，必须采用复合防砂方式根治区块严重出砂问题[6-10]。

压裂防砂+筛管防砂复合防砂工艺具有压裂防砂和筛管防砂的技术优势：一方面，可通过高压、高排量对地层进行压裂，提高泄油面积和注汽波及体积，快速解除近井地带堵塞，同时将大量树脂覆膜砂充填入地层内，在高温蒸汽作用下固化，形成具有一定渗透率的固砂屏障；另一方面，为克服压裂防砂中因防砂井段长、层间物性差异大而导致充填不均的问题，应用高导流能力的防砂筛管，在井筒内形成二次挡砂屏障，过滤粗颗粒，降低筛网被泥质粉砂堵塞的风险。最终，通过“远固近挡、疏挡结合”的方式，构建多级挡砂屏障[11]，保证油井正常生产。

对比常规砾石充填工艺，该技术的优势在于充填过程中，井筒内仅有油管，携砂液流动通道远大于砾石充填的筛套环空，可采用更高排量进行施工，降低砂堵等风险。同时，采用后下入筛管方式，避免了砾石卡死防砂管柱事故的发生。

2 复合防砂技术

2.1 树脂覆膜砂

针对以往树脂砂固化需采用泵入盐酸等具有腐蚀性固化剂的问题，研制了可高温固化的树脂覆膜砂。在压裂防砂泵注树脂覆膜砂后，即可采用注蒸汽的方式实现固化，简化了压裂防砂工艺流程，降低了固化过程中盐酸对套管的损坏和对稠油增稠的影响。

2.1.1 骨架砂筛选

热采开发方式要求充填骨架砂除满足常规骨架砂性能(强度、粒度等)外，还须具备耐高温、不易被高温蒸汽溶蚀的特点，保证对压裂缝的充填支撑效果，提高和延长裂缝的渗流能力。因此，优选了重金属矿物作为骨架砂材料。该骨架砂为金属铜、铝冶炼后的生成物，具备耐高温、低溶蚀率等优势。室内模拟了不同骨架砂材料蒸汽溶蚀实验，设计7 d为一个周期，以350 ℃蒸汽反复冲刷5个周期。结果表明：石英砂和火山岩颗粒溶蚀率达到19.5%和6.0%，陶粒则彻底泥化，而重金属矿物在350 ℃高温蒸汽反复冲刷下基本不溶蚀。

2.1.2 树脂包覆剂的研制

包覆剂所用树脂是树脂覆膜砂研制的关键，要求树脂与骨架砂亲和能力强，以保证固化后的抗压强度及渗透率满足现场要求，同时满足350 ℃蒸汽高温反复冲刷。通过不同树脂(YJ型呋喃树脂、DY-501有机硅树脂、改性呋喃树脂、有机硅改性呋喃、219酚醛树脂)包覆骨架砂固结效果对比可知：DY-501有机硅树脂的固结体抗压强度、耐高温性能最好，而219酚醛树脂在涂覆率及固结体渗透率方面的性能指标更佳。因此，采用复配方式，以219酚醛树脂作为主体树脂，DY-501有机硅树脂作为辅助树脂。

将不同质量比例的219酚醛树脂和DY-501有机硅树脂的复配体系在高温下固化，测试树脂固结体的抗压强度与渗透率。结果表明：当219酚醛树脂与DY-501有机硅树脂质量比为1∶1时，抗压强度超过5.0 MPa，树脂固结体的渗透率超过18.4 D，满足工程需要。

通过正交实验优选偶联剂、耐热助剂、调和剂和增韧剂等树脂处理剂，最终得到树脂包覆剂配方为：24.75% 219酚醛树脂+24.75% DY-501有机硅树脂+40.00%耐热助剂+10.00%调和剂+0.20%偶联剂+0.30%增韧剂。

2.1.3 充填砂粒度分布及树脂砂配方

难采区块地层砂平均粒度中值为0.160 mm，根据索西埃公式及相关经验[12]，树脂覆膜砂粒度应为地层砂粒度中值的3～5倍，计算出树脂覆膜砂粒度中值为0.480～0.800 mm。树脂包覆剂的厚度约为0.010～0.025 mm，可忽略。因此，确定骨架砂粒度中值为0.400～0.800 mm。

按照上述配方制备树脂包覆剂，并按不同质量比例将树脂包覆剂与骨架砂制备成树脂覆膜砂，将树脂覆膜砂制备成岩心，测定其抗压强度和渗透率(表1)。由表1可知：当树脂包覆剂质量分数为20%～25%时，抗压强度达到6.7～7.6 MPa，实验岩心的渗透率为23.5～34.6 D，满足工程需要。

表1 树脂覆膜砂配方实验数据

2.1.4 树脂覆膜砂性能评价

实验样品为树脂覆膜砂高温固化后制备成的岩心。

(1) 抗压强度及渗透率。实验岩心的抗压强度及渗透率见表2。

表2 树脂覆膜砂抗压强度和渗透率

由表2可知：树脂覆膜砂固结后平均抗压强度为6.6 MPa，岩心平均渗透率为35.3 D，满足工程需要。

(2) 挡砂性能。测试实验岩心对不同粒度中值砂粒的挡砂性能(表3)。由表3可知：岩心可以挡住粒度中值大于0.070 mm的地层砂，并保持岩心的渗透性，使其发挥良好的导流作用。

表3 岩心挡砂实验数据

(3) 抗老化性能。对实验岩心进行抗老化性能实验，一是放置于15%的盐酸和土酸溶液中浸泡8 h(实验温度为20 ℃)，二是放置于质量分数为5%、10%、15%的NaOH溶液中分别浸泡8、10、24 h，三是放置于现场油样和地层水样中浸泡150 d(实验温度为50 ℃)，分别测试岩心的抗压强度和渗透率。由实验结果可知：浸泡于酸液、油样和水样中的岩心，实验后抗压强度和渗透率变化都较小；浸泡于NaOH溶液中的岩心未发生溶解。说明其抗老化性能满足工程要求。

(4) 耐温性能。耐温性能直接影响热采井防砂成功率及防砂有效期，为此，利用高温高压防砂材料检测模型，模拟多周期蒸汽吞吐对实验岩心的冲刷和溶蚀，蒸汽温度为350 ℃，注汽压力为11 MPa，每一周期注汽时间为7 d。各周期蒸汽吞吐后岩心的抗压强度分别为6.5、6.3、6.3、6.3、6.3 MPa，实验结果表明，树脂覆膜砂具有很强的耐温性能，经过多个蒸汽吞吐周期后，其固结强度几乎未发生改变。

2.2 高黏携砂液

常规压裂防砂施工多采用低黏携砂液，其具有配制工艺简单、对储层伤害小等优势，主要成分为瓜胶和氯化钾。难采区块为中高渗、松软的稠油储层，岩石强度极低，基本成流砂形态。根据历史施工经验，为确保有效防砂，必须实施“饱和填砂”。由于目前主要采用低砂比充填工艺(平均携砂比为25%)，整个施工的携砂液用量巨大。另外，因低黏携砂液携砂能力有限，存在填砂半径有限、纵向填砂不均和单层突进等问题。为解决以上问题，进一步提升近井地带填砂密实程度，开展了端部脱砂工艺试验，通过提高携砂液黏度和携砂性能，大幅提高充填效果。

根据敏感性分析，难采区块为水敏储层，为降低水敏导致的黏土水化膨胀，选用KCl作为黏土稳定剂。考虑延迟交联问题，交联剂选用有机硼。另外，区块主要采用蒸汽吞吐方式开发，携砂液中无需考虑破胶反排，即不加入破胶剂、助排剂。因此，携砂液基液由稠化剂(羟丙基瓜胶)、交联剂(有机硼)和黏土稳定剂(KCl)组成。

低黏携砂液黏度约为50 mPa·s，平均携砂比约为25%。为将携砂比提高至40%，应提高稠化剂用量。以170 s-1的剪切速率测定加入不同质量比例稠化剂后携砂液体系的表观黏度，结果表明：当稠化剂质量分数为0.40%～0.45%时，基液黏度可达100 mPa·s，滤失系数为7.0×10-2～8.0×10-2，携砂性能满足端部脱砂要求[13-15]。

根据难采区块油层埋深(1 300 m)和施工排量(2.5 m3/min)等数据进行计算，携砂液在管柱中的滞留时间约为138 s，为降低携砂液在管柱内黏度，且不影响其携砂能力，要求携砂液的延迟交联时间必须要超过70 s。利用挑挂法进行有机硼溶液交联实验，实验结果表明：当有机硼溶液体积比为0.05%～0.06%时，交联时间为70～100 s，满足现场要求。

难采区块储层岩心为弱水敏，水敏指数为0.110。在携砂液中加入质量分数为2.00%的KCl，浸泡后的储层岩心的水敏指数为0.036，为无水敏，说明当KCl质量分数超过2.00%时，携砂液的防膨效果较好。

综合以上研究结果，最终得到携砂液的配方为：基液为0.40%～0.45%稠化剂(羟丙基瓜胶)+1.00%～2.00%黏土稳定剂(KCl)，交联液为有机硼溶液；基液与交联液的体积比为100.00∶0.05～100.00∶0.06。

2.3 填砂工艺

整个填砂过程主要分为3段：前期泵入热水和未交联携砂液，驱替油套环空内的稠油，对近井地带进行预处理；随后泵入交联携砂液，携砂比逐步由10%提高至50%，将树脂覆膜砂充填入压裂缝中；最后以未交联携砂液将填砂管柱内的交联携砂液顶替至油套环空[16-18]。施工排量为2.0～2.5 m3/min，填砂强度为2～3 m3/m。

考虑到石英砂具有抗压强度高、便于泵送、费用相对较低等优势，采用“石英砂前置+树脂覆膜砂封口”的组合填砂工艺。根据总填砂量，设计原则为：如总填砂量不大于20 m3，全部采用树脂覆膜砂；如总填砂量为20～30 m3，石英砂与树脂覆膜砂的质量比为1∶2或1∶3；当填砂量不小于30 m3，石英砂与树脂覆膜砂的质量比为1∶1。

2.4 烧结滤网筛管

目前，压裂防砂技术对于层多层薄井出砂治理具有较好效果，但当防砂井段过长，层间差异明显时，极易造成纵向充填不均现象。因此，必须在井筒内建立二次挡砂屏障，降低因充填不均造成的局部出砂风险。

针对区块出砂粒径偏细、泥质含量较高的特点，防砂筛管的筛选必须遵循如下原则：既可阻挡地层中多数大颗粒砂，同时要避免挡砂介质被泥质堵塞的风险[19-20]。通过调研，烧结滤网筛管在处理泥质粉砂堵塞问题上效果较好，因此，选择该型筛管[21-22]。该筛管属于典型的滤网型筛管，包括基管、过滤网、保护套3层结构。基管采用标准套管，在其表面交错打孔，作为储层流体进入筛管内的主要通道[23]；基管外包裹由4～5层不同筛网孔径的不锈钢金属筛网烧结而成的组合滤网，具有挡砂性能好、紧密度高、抗堵塞能力强、过滤面积大、耐腐蚀、耐冲蚀性等特点；最外层为螺旋冲缝结构的外保护套，采用侧向进液方式，改变液体流动方向，避免直接对过滤层进行冲蚀，从而起到了防冲蚀作用，延长筛管的使用寿命[24]。烧结滤网筛管有2种型号，参数见表4。

表4 烧结滤网筛管技术参数

3 现场应用效果

2017年以来，在难采区块累计实施复合防砂技术62井次，措施有效率为97%，油井平均检泵周期由不足30 d延长至150 d以上，阶段累计产油8.3×104t，区块日产油由16 t/d升至172 t/d，采油速度由0.16升至0.90。

洼38-26-44井位于难采区块洼79井区，生产井段为1 376～1 432 m，射开15个薄油层，油层厚度为16.8 m。2019年2月28日完钻，应用复合防砂技术投产。累计填入石英砂26 t、树脂砂22 t、携砂液140 m3，施工排量为2.5 m3/min，最高施工压力为16 MPa，最高砂比为40%，截至目前，已无砂生产426 d，最高日产油为5.9 d/t，阶段累计产液4 640 m3，累计产油1 417 t。