海上油田用自生泡沫复合固砂体系性能评价

郑继龙，吴彬彬

中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452

海上油田的防砂技术主要以机械防砂为主，但存在很多问题，如施工工艺复杂，容易发生复杂事故；疏松地层泥砂运移在筛管表面形成“包裹”效应，导致筛管破漏堵塞［1-2］。随着海上油田进入中高含水期的中后期开发，油水井出砂越来越严重，导致油田开发效果变差。以渤中25-1南油田为例，有25口井因出砂而降低产液量，部分出砂严重的井则直接关停。目前的解决办法是在油井常规大修的同时采取化学防砂措施，已取得了一定的效果。但由于常规大修存在难度大、时间长以及费用高等问题，因此亟待探索并采用新型油田防砂技术，实现快速治理，释放产能。化学防砂是将一定量的化学胶结物挤入地层，使其吸附在砂粒上，待其固化后，与砂粒固结在一起，从而防止砂粒脱落运移，达到防砂的目的，很好地弥补机械防砂存在的问题［3-6］。由于化学防砂使用的是分子量较大的树脂类材料，其流动性较差且固结后会导致地层渗透性变差，容易堵塞地层，故不适用于长井段水平井和大级差非均质地层。

针对海上油田防砂技术需求和存在问题，将自生泡沫体系与树脂固砂体系复配，形成一种新型的自生泡沫复合固砂体系［7-11］。本文主要研究在渤中25-1南油田的实际条件下，通过室内实验对自生泡沫复合固砂体系进行性能评价，分析其对目标油田防砂的技术适应性。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

自生泡沫体系（由NH4Cl、NaNO2、醋酸钠和表面活性剂组成）、树脂固砂体系（由氨基树脂、NH4Cl和硅烷偶联剂组成），中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司研发；实验用水为渤中25-1南油田现场注入水；石英砂（106～380 μm），市售。

多点磁力搅拌器，美国Variomag公司；电子天平，德国赛多利斯公司；吴茵剪切机，美国Waring Blender公司；恒温水浴搅拌器，苏州威尔实验室用品有限公司；恒温水浴槽，优莱博技术（北京）有限公司；鼓式流量计，德国Ritter公司；岩石力学测试装置，江苏海安发达石油仪器科技有限公司；泡沫调驱体系动静态评价装置、水测岩心渗透率装置，江苏华安科研仪器有限公司；玻璃填砂管，自主设计组装。

1.2 实验方法

1.2.1 填砂岩心制作方法

1）取适量不同粒径的石英砂水洗后放入65℃恒温箱中烘干，分段填入直径38 mm、长300 mm的玻璃填管中，并用玻璃棒在玻璃管外壁轻敲振荡数次，填制完成后在石英砂前后端面放置75 μm钢网，拧紧前后端螺栓盖。

2）先用驱替泵注入水使石英砂表面润湿，然后恒速注入固砂体系1～2 PV，注入过程中观察体系的运移情况。

3）将填完砂的玻璃管放入目标温度恒温箱中静置24 h，固化完成后将填砂管取出冷却至常温，使用铁器将玻璃管敲碎后取出固结岩心。

4）使用砂纸将固结岩心端面研磨平整且与岩心中轴线垂直，即完成填砂岩心的制作。

5）为模拟地层高温高压条件下的固砂效果，可采用钢质填砂管制作填砂岩心，恒温固结后使用同规格的钢质假岩心敲击顶替出固结岩心。

1.2.2 抗压强度评价方法

按照SY 5276—1991标准测量固结岩心的抗压强度。

1.2.3 渗透率测量方法

按照SY 5276—1991标准测量固结岩心的水测渗透率。

2 结果与讨论

2.1 生气效果评价

使用渤中25-1南油田现场注入水分别配制自生泡沫体系和树脂固砂体系，然后同时快速加入泡沫调驱体系于动静态评价装置中，设置搅拌速度为100 r/min，收集不同时间复合体系的生气量，并在相同条件下与等量自生泡沫体系的生气量进行对比。

图1为自生泡沫体系中加入树脂固砂体系前后的生气量随时间的变化曲线。由图1可以看出：自生泡沫体系加入树脂固砂体系前后的生气量随时间的变化规律基本一致，说明树脂固砂体系对自生泡沫体系的生气效果影响不大。

图1 自生气体系加入固砂体系前后生气效果

2.2 起泡性能评价

2.2.1 机械剪切法

使用渤中25-1南油田现场注入水分别配制100 mL质量浓度为5 g/L的起泡剂溶液和自生泡沫复合固砂体系，采用吴茵剪切机在7 500 r/min条件下搅拌5 min，评价起泡剂溶液和自生泡沫复合固砂体系的起泡性能，结果见表1。

由表1可知：与起泡剂溶液相比，加入树脂固砂体系后，复合体系的起泡体积稍有降低，但半衰期明显延长。这是由于复合体系组分中的NH4Cl呈弱酸性，一定程度上抑制了泡沫的生成，而复合体系组分中的氨基树脂具有弱增黏性，表现出稳泡的效果，最终复合体系的泡沫综合值要大于单纯的起泡剂溶液，表明自生泡沫复合固砂体系具有良好的起泡性能。

表1 起泡性能评价

2.2.2 岩心驱替法

使用渤中25-1南油田现场注入水配制自生泡沫复合固砂体系，恒速注入可视化填砂管中，通过肉眼观察评价自生泡沫复合固砂体系在填砂管中的起泡效果，并拍照记录，结果见图2～3。

由图2～3可知：注入自生泡沫复合固砂体系后，玻璃填砂管中明显有气泡产生，随着后续体系的注入，气泡运移至出口端管线，说明自生泡沫复合固砂体系注入地层后，经孔喉的剪切作用可有效生成泡沫。收集从出口端产出的泡沫，观察发现泡沫的稳定性较好，15 min内未见液体析出。

图2 复合体系在填砂管中起泡性能评价

图3 填砂管中自生泡沫复合固砂体系的效果

2.3 抗压强度和水测渗透率测定

使用渤中25-1南油田现场注入水配制自生泡沫复合固砂体系，采用钢质填砂管填制180～250 μm石英砂，完成填砂后在石英砂端面放置150 μm钢网和钢质假岩心，使用岩石力学测试设备对钢质假岩心施加压力（15.0 MPa）压实石英砂岩心30 min，以模拟地层中的高压条件，最后恒速注入自生泡沫复合固砂体系1～2 PV，放置恒温箱中固结24 h。按照以上方法填制石英砂岩心若干根，分别放入60～90℃恒温箱中固化24 h。待石英砂固结后，测定抗压强度和水测渗透率，结果见图4。由图4可以看出：该复合体系在压力为15.0 MPa、温度为60～90℃条件下，固结岩心的抗压强度为7.0～7.5 MPa、水测渗透率为4～5 μm2，表明该复合体系可以有效固结砂粒，同时保持较高的渗透率。

图4 自生泡沫复合固砂体系固砂效果评价

2.4 冲刷出砂率

使用渤中25-1南油田现场注入水配制自生泡沫复合固砂体系，使用钢质填砂管分别填制250～380、180～250、150～180和120～150 μm的石英砂，完成填砂后在石英砂端面放置75 μm钢网和钢质假岩心，同时使用岩石力学测试设备对钢质假岩心施加压力（15.0 MPa）压实石英砂岩心30 min，以模拟地层中的高压条件。

填制完成后放入60℃恒温箱中固化24 h，待岩心固结后，按照“渗透率测量方法”中所述方法连入物理模拟驱替装置中，以50 mL/min的注入速度恒速注水冲刷60 min，测定冲刷前后固结岩心的质量，并根据质量差计算冲刷出砂率，实验结果见表2。

由表2可知：使用自生泡沫复合固砂体系填制不同粒径石英砂的固结岩心，经过长期注水冲刷后，肉眼均未见产出液中含砂。由于室内条件有限，未能测试更长冲刷时间的出砂情况，所以单从本次实验结果来看，自生泡沫复合固砂体系固结石英砂后不会有出砂现象。

表2 不同粒径石英砂填制岩心固结后耐冲刷实验结果

2.5 井筒不留塞实验

自生泡沫复合固砂体系组分中的氨基树脂与石英砂、泥质表面的活性基团会发生反应而胶结，但接触其他物质后却不会固结，可以实现不动管柱固砂作业。因此，有必要开展井筒不留塞实验。

实验1：使用渤中25-1南油田现场注入水配制自生泡沫复合固砂体系，混合均匀后放入表面清洁的钢片，在60℃恒温箱中放置24 h后，取出查看钢片表面状态。

实验2：使用渤中25-1南油田现场注入水配制自生泡沫复合固砂体系，混合均匀后放入表面涂有一层细砂的钢片，在60℃恒温箱中放置24 h后，取出查看钢片表面状态，结果见图5。

由图5可知：自生泡沫复合固砂体系恒温加热24 h后，溶液变为黏稠状。实验1中的钢片表面未出现明显变化，说明自生泡沫复合固砂体系没有和钢片发生作用。实验2中的钢片表面沾有一层固砂体系，用水冲洗后容易脱落，虽然钢片表面光滑，但是颜色稍变暗淡。这可能是固砂体系与细砂发生化学反应间接影响所致，但固结砂没有固结在钢板上，因此不会留塞。

图5 实验后钢片表面变化

2.6 注入性实验评价

2.6.1 非均质均匀注入分析

分别将粒径为250～380和106～220 μm的石英砂填入2根玻璃填砂管中模拟高低渗透层，先恒速注入清水测定填砂管渗透率，然后依次注入1 PV染色清水、1 PV氨基树脂溶液和1 PV自生泡沫复合固砂体系，观察注入流体在填砂管中流动情况。实验过程中观察填砂管中流体运移情况，并准确计量注入压力和出口端产液量及渗透率，结果见图6和表3。

图6 不同体系在非均质填砂管中的流动情况

表3 高低渗填砂管水测渗透率

由图6可知：采用染色水恒速注入时，水主要沿着高渗填砂管流动，舌进严重，而在低渗填砂管中流动很慢；注入氨基树脂溶液时，由于树脂溶液具有弱增黏性，降低了水的流动速度，高渗填砂管中水相渗透率有所降低，流动阻力增大，后续流体向低渗填砂管流动，低渗填砂管染色条带明显变长；注入自生泡沫复合固砂体系后，体系首先进入高渗填砂管，由于体系在填砂管中生成泡沫，泡沫的“贾敏效应”导致高渗流动阻力增加，同时表面活性剂的渗透力以及低渗层孔隙的生成加大了低渗层的渗透性。与氨基树脂溶液弱增黏性所形成的流动阻力相比，自生泡沫的多重作用使得更多的流体进入低渗填砂管，明显看到低渗填砂管的染色条带更长。由表3可知：高低渗填砂管水的渗透率极差为10倍。

2.6.2 自生泡沫堆积扩孔分析

将不同粒径石英砂分别填入2根玻璃填砂管中，填砂管的水测渗透率见表3。分别注入氨基树脂固砂体系和自生泡沫复合固砂体系，观察实验过程中自生泡沫复合固砂体系在填砂模型中的变化和固结岩心端面情况，结果如图7和图8所示。

图7 自生泡沫体系在填砂模型中的变化

图8 固结岩心端面情况对比

从图7可以看出：纯氨基树脂注入时，树脂会填充石英砂砂粒间的孔隙；而自生泡沫复合固砂体系注入填砂管后，自生气体系反应生成的气体与起泡剂、氨基树脂混合，在多孔介质孔喉的剪切作用下形成泡沫，在注入初期，由于起泡剂被吸附，形成的泡沫数量较少，尺寸较大，而注入后期，形成的泡沫数量较多且均匀。在整个注入过程中，砂粒间隙中一直存在泡沫，气泡在砂粒间隙间堆积形成渗透性通道，起到扩孔的作用，提高了固结岩心的渗透性。

从图8可以明显看到，氨基树脂固结岩心端面比较密实，存在少量的微小孔隙；而自生泡沫氨基树脂固结岩心的端面相对疏松，且分布有微大气孔，说明具有较好的渗透性。

3 结论

1）自生泡沫体系与氨基树脂固砂体系具有较好的配伍性，氨基树脂固砂体系的加入对于自生泡沫体系的生气效果和起泡性能基本没有影响，其弱增黏性甚至强化了泡沫的稳定性。在模拟地层压力条件下，温度为60～90℃、固结岩心的抗压强度为7.0～7.5 MPa、水测渗透率为4～5 μm2，同时具有较强的耐冲刷性且在井筒不留塞。

2）实验研究了自生泡沫复合固砂体系注入过程中泡沫运移和固结砂粒的过程，认识了自生泡沫复合固砂体系通过自生泡沫实现扩孔增渗以及通过泡沫的“贾敏效应”和表面活性剂的渗透性实现非均质均匀注入的作用机制。