深層特稠油復(fù)合防砂技術(shù)研究與實(shí)踐

郎成山

(中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

遼河油田洼38塊邊部的洼79井區(qū)、洼25-新12塊等區(qū)塊屬于典型的中高孔高滲深層特稠油油藏，主力生產(chǎn)層位為東營(yíng)組，油層埋深為1 330～1 400 m，因其儲(chǔ)層具有膠結(jié)疏松、成巖作用差、泥質(zhì)含量高、出砂粒徑細(xì)、原油黏度大等特點(diǎn)，1994年投產(chǎn)后，區(qū)塊內(nèi)油井普遍存在出砂問(wèn)題；同時(shí)受熱采開發(fā)方式等綜合因素影響，在高溫蒸汽多輪沖蝕和負(fù)壓開采過(guò)程中，砂粒間的膠結(jié)物遭到嚴(yán)重的破壞，近井地帶頻繁出現(xiàn)井壁失穩(wěn)、地層坍塌情況，出砂問(wèn)題極為復(fù)雜，增大了防砂治砂難度。盡管先后應(yīng)用了篩管防砂、礫石充填等防砂技術(shù)，但防砂投產(chǎn)后均出現(xiàn)產(chǎn)量快速下降、穩(wěn)產(chǎn)期短、再次出砂的問(wèn)題，平均檢泵周期不足30 d[1]。1998年后區(qū)塊長(zhǎng)期處于低產(chǎn)低效開發(fā)狀態(tài)，瀕臨廢棄。2017年以來(lái)，開展了壓裂防砂、篩管防砂的復(fù)合防砂技術(shù)研究與試驗(yàn)，成功解決了區(qū)塊嚴(yán)重出砂問(wèn)題，難采儲(chǔ)量重獲有效動(dòng)用。

1 出砂原因及技術(shù)思路

1.1 出砂原因

(1) 地質(zhì)因素。主力生產(chǎn)層段屬中高孔高滲儲(chǔ)層，巖石強(qiáng)度極低，膠結(jié)程度差，儲(chǔ)層松散易碎，呈流砂形態(tài)特征。隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，膠結(jié)物逐步破碎脫落，地層巖石失去支撐而坍塌，是造成油井出砂的主要原因[2-5]。

(2) 開發(fā)因素。研究區(qū)原油具有高密度、高黏度(38 700 mPa·s)的特點(diǎn)，攜砂能力強(qiáng)。蒸汽吞吐生產(chǎn)過(guò)程中，高溫蒸汽頻繁沖刷，加之泄壓生產(chǎn)導(dǎo)致油層壓力激動(dòng)，是油井出砂的重要原因。

1.2 防砂難點(diǎn)

(1) 出砂嚴(yán)重，平均單井累計(jì)作業(yè)返砂量為9.1 m3，平均單井沖砂檢泵7.1次，檢泵周期不足30 d。地層返砂的平均粒度中值為0.160 mm，部分油井甚至已返出泥質(zhì)粉砂。

(2) 儲(chǔ)層埋藏深，生產(chǎn)層段具有跨度大、層多層薄特點(diǎn)，采取大段合采方式進(jìn)行生產(chǎn)后，常規(guī)化學(xué)固砂效果差；如果采用壓裂防砂技術(shù)，則存在充填不均、局部大量出砂的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)以上問(wèn)題，先后實(shí)施高溫固砂、高溫樹脂防砂、人工井壁和篩管防砂等措施，防砂有效率僅為20%～50%，檢泵周期為21～58 d，未根本解決出砂問(wèn)題。

1.3 技術(shù)思路

針對(duì)區(qū)塊層多層薄、砂細(xì)、油稠等特點(diǎn)，為解決防砂處理半徑小、長(zhǎng)井段充填不均等難題，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊有效動(dòng)用，2017年以來(lái)，開展了防砂投產(chǎn)技術(shù)研究。通過(guò)對(duì)區(qū)塊出砂特點(diǎn)和各項(xiàng)防砂技術(shù)對(duì)比分析，認(rèn)為常規(guī)單一防砂手段適應(yīng)性差，必須采用復(fù)合防砂方式根治區(qū)塊嚴(yán)重出砂問(wèn)題[6-10]。

壓裂防砂+篩管防砂復(fù)合防砂工藝具有壓裂防砂和篩管防砂的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：一方面，可通過(guò)高壓、高排量對(duì)地層進(jìn)行壓裂，提高泄油面積和注汽波及體積，快速解除近井地帶堵塞，同時(shí)將大量樹脂覆膜砂充填入地層內(nèi)，在高溫蒸汽作用下固化，形成具有一定滲透率的固砂屏障；另一方面，為克服壓裂防砂中因防砂井段長(zhǎng)、層間物性差異大而導(dǎo)致充填不均的問(wèn)題，應(yīng)用高導(dǎo)流能力的防砂篩管，在井筒內(nèi)形成二次擋砂屏障，過(guò)濾粗顆粒，降低篩網(wǎng)被泥質(zhì)粉砂堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。最終，通過(guò)“遠(yuǎn)固近擋、疏擋結(jié)合”的方式，構(gòu)建多級(jí)擋砂屏障[11]，保證油井正常生產(chǎn)。

對(duì)比常規(guī)礫石充填工藝，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于充填過(guò)程中，井筒內(nèi)僅有油管，攜砂液流動(dòng)通道遠(yuǎn)大于礫石充填的篩套環(huán)空，可采用更高排量進(jìn)行施工，降低砂堵等風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，采用后下入篩管方式，避免了礫石卡死防砂管柱事故的發(fā)生。

2 復(fù)合防砂技術(shù)

2.1 樹脂覆膜砂

針對(duì)以往樹脂砂固化需采用泵入鹽酸等具有腐蝕性固化劑的問(wèn)題，研制了可高溫固化的樹脂覆膜砂。在壓裂防砂泵注樹脂覆膜砂后，即可采用注蒸汽的方式實(shí)現(xiàn)固化，簡(jiǎn)化了壓裂防砂工藝流程，降低了固化過(guò)程中鹽酸對(duì)套管的損壞和對(duì)稠油增稠的影響。

2.1.1 骨架砂篩選

熱采開發(fā)方式要求充填骨架砂除滿足常規(guī)骨架砂性能(強(qiáng)度、粒度等)外，還須具備耐高溫、不易被高溫蒸汽溶蝕的特點(diǎn)，保證對(duì)壓裂縫的充填支撐效果，提高和延長(zhǎng)裂縫的滲流能力。因此，優(yōu)選了重金屬礦物作為骨架砂材料。該骨架砂為金屬銅、鋁冶煉后的生成物，具備耐高溫、低溶蝕率等優(yōu)勢(shì)。室內(nèi)模擬了不同骨架砂材料蒸汽溶蝕實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)7 d為一個(gè)周期，以350 ℃蒸汽反復(fù)沖刷5個(gè)周期。結(jié)果表明：石英砂和火山巖顆粒溶蝕率達(dá)到19.5%和6.0%，陶粒則徹底泥化，而重金屬礦物在350 ℃高溫蒸汽反復(fù)沖刷下基本不溶蝕。

2.1.2 樹脂包覆劑的研制

包覆劑所用樹脂是樹脂覆膜砂研制的關(guān)鍵，要求樹脂與骨架砂親和能力強(qiáng)，以保證固化后的抗壓強(qiáng)度及滲透率滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，同時(shí)滿足350 ℃蒸汽高溫反復(fù)沖刷。通過(guò)不同樹脂(YJ型呋喃樹脂、DY-501有機(jī)硅樹脂、改性呋喃樹脂、有機(jī)硅改性呋喃、219酚醛樹脂)包覆骨架砂固結(jié)效果對(duì)比可知：DY-501有機(jī)硅樹脂的固結(jié)體抗壓強(qiáng)度、耐高溫性能最好，而219酚醛樹脂在涂覆率及固結(jié)體滲透率方面的性能指標(biāo)更佳。因此，采用復(fù)配方式，以219酚醛樹脂作為主體樹脂，DY-501有機(jī)硅樹脂作為輔助樹脂。

將不同質(zhì)量比例的219酚醛樹脂和DY-501有機(jī)硅樹脂的復(fù)配體系在高溫下固化，測(cè)試樹脂固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度與滲透率。結(jié)果表明：當(dāng)219酚醛樹脂與DY-501有機(jī)硅樹脂質(zhì)量比為1∶1時(shí)，抗壓強(qiáng)度超過(guò)5.0 MPa，樹脂固結(jié)體的滲透率超過(guò)18.4 D，滿足工程需要。

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)選偶聯(lián)劑、耐熱助劑、調(diào)和劑和增韌劑等樹脂處理劑，最終得到樹脂包覆劑配方為：24.75% 219酚醛樹脂+24.75% DY-501有機(jī)硅樹脂+40.00%耐熱助劑+10.00%調(diào)和劑+0.20%偶聯(lián)劑+0.30%增韌劑。

2.1.3 充填砂粒度分布及樹脂砂配方

難采區(qū)塊地層砂平均粒度中值為0.160 mm，根據(jù)索西埃公式及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[12]，樹脂覆膜砂粒度應(yīng)為地層砂粒度中值的3～5倍，計(jì)算出樹脂覆膜砂粒度中值為0.480～0.800 mm。樹脂包覆劑的厚度約為0.010～0.025 mm，可忽略。因此，確定骨架砂粒度中值為0.400～0.800 mm。

按照上述配方制備樹脂包覆劑，并按不同質(zhì)量比例將樹脂包覆劑與骨架砂制備成樹脂覆膜砂，將樹脂覆膜砂制備成巖心，測(cè)定其抗壓強(qiáng)度和滲透率(表1)。由表1可知：當(dāng)樹脂包覆劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～25%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到6.7～7.6 MPa，實(shí)驗(yàn)巖心的滲透率為23.5～34.6 D，滿足工程需要。

表1 樹脂覆膜砂配方實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1.4 樹脂覆膜砂性能評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)樣品為樹脂覆膜砂高溫固化后制備成的巖心。

(1) 抗壓強(qiáng)度及滲透率。實(shí)驗(yàn)巖心的抗壓強(qiáng)度及滲透率見表2。

表2 樹脂覆膜砂抗壓強(qiáng)度和滲透率

由表2可知：樹脂覆膜砂固結(jié)后平均抗壓強(qiáng)度為6.6 MPa，巖心平均滲透率為35.3 D，滿足工程需要。

(2) 擋砂性能。測(cè)試實(shí)驗(yàn)巖心對(duì)不同粒度中值砂粒的擋砂性能(表3)。由表3可知：巖心可以擋住粒度中值大于0.070 mm的地層砂，并保持巖心的滲透性，使其發(fā)揮良好的導(dǎo)流作用。

表3 巖心擋砂實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

(3) 抗老化性能。對(duì)實(shí)驗(yàn)巖心進(jìn)行抗老化性能實(shí)驗(yàn)，一是放置于15%的鹽酸和土酸溶液中浸泡8 h(實(shí)驗(yàn)溫度為20 ℃)，二是放置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%的NaOH溶液中分別浸泡8、10、24 h，三是放置于現(xiàn)場(chǎng)油樣和地層水樣中浸泡150 d(實(shí)驗(yàn)溫度為50 ℃)，分別測(cè)試巖心的抗壓強(qiáng)度和滲透率。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：浸泡于酸液、油樣和水樣中的巖心，實(shí)驗(yàn)后抗壓強(qiáng)度和滲透率變化都較??；浸泡于NaOH溶液中的巖心未發(fā)生溶解。說(shuō)明其抗老化性能滿足工程要求。

(4) 耐溫性能。耐溫性能直接影響熱采井防砂成功率及防砂有效期，為此，利用高溫高壓防砂材料檢測(cè)模型，模擬多周期蒸汽吞吐對(duì)實(shí)驗(yàn)巖心的沖刷和溶蝕，蒸汽溫度為350 ℃，注汽壓力為11 MPa，每一周期注汽時(shí)間為7 d。各周期蒸汽吞吐后巖心的抗壓強(qiáng)度分別為6.5、6.3、6.3、6.3、6.3 MPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，樹脂覆膜砂具有很強(qiáng)的耐溫性能，經(jīng)過(guò)多個(gè)蒸汽吞吐周期后，其固結(jié)強(qiáng)度幾乎未發(fā)生改變。

2.2 高黏攜砂液

常規(guī)壓裂防砂施工多采用低黏攜砂液，其具有配制工藝簡(jiǎn)單、對(duì)儲(chǔ)層傷害小等優(yōu)勢(shì)，主要成分為瓜膠和氯化鉀。難采區(qū)塊為中高滲、松軟的稠油儲(chǔ)層，巖石強(qiáng)度極低，基本成流砂形態(tài)。根據(jù)歷史施工經(jīng)驗(yàn)，為確保有效防砂，必須實(shí)施“飽和填砂”。由于目前主要采用低砂比充填工藝(平均攜砂比為25%)，整個(gè)施工的攜砂液用量巨大。另外，因低黏攜砂液攜砂能力有限，存在填砂半徑有限、縱向填砂不均和單層突進(jìn)等問(wèn)題。為解決以上問(wèn)題，進(jìn)一步提升近井地帶填砂密實(shí)程度，開展了端部脫砂工藝試驗(yàn)，通過(guò)提高攜砂液黏度和攜砂性能，大幅提高充填效果。

根據(jù)敏感性分析，難采區(qū)塊為水敏儲(chǔ)層，為降低水敏導(dǎo)致的黏土水化膨脹，選用KCl作為黏土穩(wěn)定劑?？紤]延遲交聯(lián)問(wèn)題，交聯(lián)劑選用有機(jī)硼。另外，區(qū)塊主要采用蒸汽吞吐方式開發(fā)，攜砂液中無(wú)需考慮破膠反排，即不加入破膠劑、助排劑。因此，攜砂液基液由稠化劑(羥丙基瓜膠)、交聯(lián)劑(有機(jī)硼)和黏土穩(wěn)定劑(KCl)組成。

低黏攜砂液黏度約為50 mPa·s，平均攜砂比約為25%。為將攜砂比提高至40%，應(yīng)提高稠化劑用量。以170 s-1的剪切速率測(cè)定加入不同質(zhì)量比例稠化劑后攜砂液體系的表觀黏度，結(jié)果表明：當(dāng)稠化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.40%～0.45%時(shí)，基液黏度可達(dá)100 mPa·s，濾失系數(shù)為7.0×10-2～8.0×10-2，攜砂性能滿足端部脫砂要求[13-15]。

根據(jù)難采區(qū)塊油層埋深(1 300 m)和施工排量(2.5 m3/min)等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，攜砂液在管柱中的滯留時(shí)間約為138 s，為降低攜砂液在管柱內(nèi)黏度，且不影響其攜砂能力，要求攜砂液的延遲交聯(lián)時(shí)間必須要超過(guò)70 s。利用挑掛法進(jìn)行有機(jī)硼溶液交聯(lián)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)有機(jī)硼溶液體積比為0.05%～0.06%時(shí)，交聯(lián)時(shí)間為70～100 s，滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

難采區(qū)塊儲(chǔ)層巖心為弱水敏，水敏指數(shù)為0.110。在攜砂液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.00%的KCl，浸泡后的儲(chǔ)層巖心的水敏指數(shù)為0.036，為無(wú)水敏，說(shuō)明當(dāng)KCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)2.00%時(shí)，攜砂液的防膨效果較好。

綜合以上研究結(jié)果，最終得到攜砂液的配方為：基液為0.40%～0.45%稠化劑(羥丙基瓜膠)+1.00%～2.00%黏土穩(wěn)定劑(KCl)，交聯(lián)液為有機(jī)硼溶液；基液與交聯(lián)液的體積比為100.00∶0.05～100.00∶0.06。

2.3 填砂工藝

整個(gè)填砂過(guò)程主要分為3段：前期泵入熱水和未交聯(lián)攜砂液，驅(qū)替油套環(huán)空內(nèi)的稠油，對(duì)近井地帶進(jìn)行預(yù)處理；隨后泵入交聯(lián)攜砂液，攜砂比逐步由10%提高至50%，將樹脂覆膜砂充填入壓裂縫中；最后以未交聯(lián)攜砂液將填砂管柱內(nèi)的交聯(lián)攜砂液頂替至油套環(huán)空[16-18]。施工排量為2.0～2.5 m3/min，填砂強(qiáng)度為2～3 m3/m。

考慮到石英砂具有抗壓強(qiáng)度高、便于泵送、費(fèi)用相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì)，采用“石英砂前置+樹脂覆膜砂封口”的組合填砂工藝。根據(jù)總填砂量，設(shè)計(jì)原則為：如總填砂量不大于20 m3，全部采用樹脂覆膜砂；如總填砂量為20～30 m3，石英砂與樹脂覆膜砂的質(zhì)量比為1∶2或1∶3；當(dāng)填砂量不小于30 m3，石英砂與樹脂覆膜砂的質(zhì)量比為1∶1。

2.4 燒結(jié)濾網(wǎng)篩管

目前，壓裂防砂技術(shù)對(duì)于層多層薄井出砂治理具有較好效果，但當(dāng)防砂井段過(guò)長(zhǎng)，層間差異明顯時(shí)，極易造成縱向充填不均現(xiàn)象。因此，必須在井筒內(nèi)建立二次擋砂屏障，降低因充填不均造成的局部出砂風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)區(qū)塊出砂粒徑偏細(xì)、泥質(zhì)含量較高的特點(diǎn)，防砂篩管的篩選必須遵循如下原則：既可阻擋地層中多數(shù)大顆粒砂，同時(shí)要避免擋砂介質(zhì)被泥質(zhì)堵塞的風(fēng)險(xiǎn)[19-20]。通過(guò)調(diào)研，燒結(jié)濾網(wǎng)篩管在處理泥質(zhì)粉砂堵塞問(wèn)題上效果較好，因此，選擇該型篩管[21-22]。該篩管屬于典型的濾網(wǎng)型篩管，包括基管、過(guò)濾網(wǎng)、保護(hù)套3層結(jié)構(gòu)?；懿捎脴?biāo)準(zhǔn)套管，在其表面交錯(cuò)打孔，作為儲(chǔ)層流體進(jìn)入篩管內(nèi)的主要通道[23]；基管外包裹由4～5層不同篩網(wǎng)孔徑的不銹鋼金屬篩網(wǎng)燒結(jié)而成的組合濾網(wǎng)，具有擋砂性能好、緊密度高、抗堵塞能力強(qiáng)、過(guò)濾面積大、耐腐蝕、耐沖蝕性等特點(diǎn)；最外層為螺旋沖縫結(jié)構(gòu)的外保護(hù)套，采用側(cè)向進(jìn)液方式，改變液體流動(dòng)方向，避免直接對(duì)過(guò)濾層進(jìn)行沖蝕，從而起到了防沖蝕作用，延長(zhǎng)篩管的使用壽命[24]。燒結(jié)濾網(wǎng)篩管有2種型號(hào)，參數(shù)見表4。

表4 燒結(jié)濾網(wǎng)篩管技術(shù)參數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

2017年以來(lái)，在難采區(qū)塊累計(jì)實(shí)施復(fù)合防砂技術(shù)62井次，措施有效率為97%，油井平均檢泵周期由不足30 d延長(zhǎng)至150 d以上，階段累計(jì)產(chǎn)油8.3×104t，區(qū)塊日產(chǎn)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井位于難采區(qū)塊洼79井區(qū)，生產(chǎn)井段為1 376～1 432 m，射開15個(gè)薄油層，油層厚度為16.8 m。2019年2月28日完鉆，應(yīng)用復(fù)合防砂技術(shù)投產(chǎn)。累計(jì)填入石英砂26 t、樹脂砂22 t、攜砂液140 m3，施工排量為2.5 m3/min，最高施工壓力為16 MPa，最高砂比為40%，截至目前，已無(wú)砂生產(chǎn)426 d，最高日產(chǎn)油為5.9 d/t，階段累計(jì)產(chǎn)液4 640 m3，累計(jì)產(chǎn)油1 417 t。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1) 壓裂防砂、篩管防砂復(fù)合防砂技術(shù)綜合了壓裂防砂和篩管防砂的技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，利用“遠(yuǎn)固近擋、疏擋結(jié)合”方式，解決了高壓擠注造成填砂不均和機(jī)械防砂對(duì)細(xì)粉砂適應(yīng)性差的難題。

(2) 壓裂防砂對(duì)中高滲儲(chǔ)層近井污染堵塞處理優(yōu)勢(shì)明顯，通過(guò)繼續(xù)加強(qiáng)高砂比充填工藝技術(shù)研究與探索，可進(jìn)一步改善縱向填砂效果。

(3) 該技術(shù)的實(shí)施使洼38塊邊部深層特稠油油藏得到有效動(dòng)用，為后期新井部署提供了技術(shù)保障，預(yù)計(jì)區(qū)塊未來(lái)日產(chǎn)油水平可達(dá)到220～250 t/d，具有良好的推廣前景。