化學(xué)防砂的方法與原理及其適用性

1、化學(xué)防砂的方法與原理及其適用性隨著近年來油田各種出砂問題的出現(xiàn)，對(duì)原油生產(chǎn)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，對(duì)于出砂油藏，防砂是油氣藏開采不可缺少的環(huán)節(jié)，對(duì)原油的穩(wěn)定開采起著重要的作用。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，隨著加工工藝的不斷進(jìn)步以及防砂認(rèn)識(shí)的深化，積極研發(fā)出了大量的新工藝、新方法，特別是在機(jī)械防砂方面，取 得飛速的發(fā)展。由于機(jī)械防砂較化學(xué)防砂價(jià)格便宜，且對(duì)地層無污染，目前國內(nèi)外防砂是以機(jī)械防砂和化學(xué)防砂為主?；瘜W(xué)防砂是向地層擠入一定量的化學(xué)劑充填于地層孔隙中以達(dá)到充填和固結(jié)地層提高地層強(qiáng)度的目的。一般分為人工膠結(jié)地層和人造井壁兩種防砂方法。前者是向地層注入各類樹脂或各種化學(xué)固砂劑直接將地層固結(jié)它對(duì)疏松油

2、層出砂特別適用。后者是把具有特殊性能的水泥、樹脂、預(yù)涂層礫石、水帶干灰砂或化學(xué)劑擠入井筒周圍地層中這些物質(zhì)凝固后形成一層既堅(jiān)固又有一定滲透性和強(qiáng)度的人工井壁達(dá)到防止油層出砂的目的人工井壁法對(duì)由于出砂造成套管外油層部位坍塌所造成的虧空井防砂比較適宜。 總之化學(xué)法防砂前題條件要求固井質(zhì)量好不能有套管外串槽現(xiàn)象射孔炮眼暢通它適用于滲透率相對(duì)均勻的薄層段地層防砂而層內(nèi)差異大的厚層化學(xué)防砂施工由于注入劑錐進(jìn)不均和重力作用易造成固結(jié)不均影響防砂效果?；瘜W(xué)防砂還可適用于合采井上部地層防砂?；瘜W(xué)防砂優(yōu)點(diǎn)是施工后井內(nèi)無遺留物并可用于異常高壓井層的防砂缺點(diǎn)是對(duì)地層滲透率有一定傷害特別是重復(fù)施工時(shí)。另外注入劑存在老

3、化現(xiàn)象使其有效期有限成功率不如機(jī)械防砂化學(xué)防砂不適用于裸眼井防砂。 我國疏松砂巖油藏分布范圍廣、儲(chǔ)量大油氣井出砂是這類油藏開采的主要矛盾。出砂往往會(huì)導(dǎo)致砂埋油層或井筒砂堵或油氣井停產(chǎn)作業(yè)、使地面或井下的設(shè)備嚴(yán)重磨蝕、砂卡及頻繁的沖砂檢泵、地面清罐等維修使工作量巨增既提高了原油生產(chǎn)成本又增加了油田管理難度。防砂是開發(fā)易出砂油氣藏必不可少的工藝措施之一對(duì)原油穩(wěn)定生產(chǎn)及提高開發(fā)效益起著重要作用全世界每年要花費(fèi)幾百萬美元來研究有效的防砂措施除此之外還要花費(fèi)幾百萬美元來修理因出砂而發(fā)生故障的油氣井和注水井。 保證疏松砂巖油藏開發(fā)過程中防砂措施的成功是十分重要的。鉆井過程中大多采用割縫襯管和預(yù)充填礫石來對(duì)

4、付地層出砂由于其使用壽命短砂子易堵塞縫口液流阻力大等缺點(diǎn)而且下井時(shí)操作困難不能填充射孔孔眼因此新的有效的防砂方法的研究與應(yīng)用仍是世界石油鉆采中亟待解決的難題。 通過防砂可以使地層砂最大限度的保持其在地層中的原始位置而不隨地層流體進(jìn)入井筒阻止地層砂在地層中的運(yùn)移使地層原始滲透率的破壞降低到最低程度保護(hù)生產(chǎn)井和注水井的生產(chǎn)設(shè)備最大限度的維持生產(chǎn)井的原始產(chǎn)液能力及注水井的注排能力這是油氣田防砂的目的?，F(xiàn)階段常用的防砂方法有機(jī)械防砂、化學(xué)防砂及砂拱防砂。近年來礫石充填防砂技術(shù)已取得了顯著的可靠施工效果除井斜角較高的斜井之外礫石充填防砂技術(shù)已成為應(yīng)用最廣泛的防砂技術(shù)方法。 化學(xué)固砂方法是將化學(xué)膠結(jié)液擠入

5、天然松散的地層固結(jié)井眼周圍出砂層段中地層砂的一種防砂方法。所形成的膠結(jié)地層具有一定的抗壓強(qiáng)度和滲透性能地層是否出砂取決于顆粒的膠結(jié)程度即地層強(qiáng)度。一般情況下地層應(yīng)力超過地層強(qiáng)度就可能出砂。油氣井出砂的原因?qū)τ诜郎凹胺郎皠┑呐浞降倪x擇有很大的影響總的說來油氣井出砂的原因可以歸結(jié)為地質(zhì)和開采兩種原因。1地質(zhì)因素 地質(zhì)因素指疏松砂巖地層的地質(zhì)條件如膠結(jié)物含量及分布、膠結(jié)類型、成巖壓實(shí)作用和地質(zhì)年代等。通常而言地質(zhì)年代越晚地層膠結(jié)礦物越少砂粒膠結(jié)程度越差分布越不均勻的地層在開采時(shí)出砂越嚴(yán)重地層的類型不同地層膠結(jié)物的膠結(jié)力圈閉內(nèi)流體的粘著力地層顆粒物之間的摩擦力以及地層顆粒本身的重力所決定的地層膠結(jié)強(qiáng)度

6、就不同地層膠結(jié)強(qiáng)度越小地層出砂越嚴(yán)重。開采原因指在油氣開發(fā)時(shí)因開采速度以及采油速度的突然變化落后的開采技術(shù)包括不合理的完井參數(shù)和工藝技術(shù)低質(zhì)量和頻繁的修井作業(yè)設(shè)計(jì)不良的酸化作業(yè)和不科學(xué)的生產(chǎn)管理等造成油氣井出砂。大體歸納如下: 采油過程中由于液體滲流而產(chǎn)生的對(duì)砂粒的拖曳力是出砂的重要原因。在其他條件相同時(shí)生產(chǎn)壓差愈大、滲透率愈高在井壁附近液流對(duì)地層的沖刷力就愈大。 油層見水。油層膠結(jié)物以粘土為主一般占70左右而粘土礦物成分中蒙脫石含量達(dá)80左右的砂巖地層注水后注入水浸泡地層都會(huì)使粘土遇水膨脹變松散降低膠結(jié)強(qiáng)度進(jìn)而發(fā)生顆粒位移大大加劇地層出砂程度。 頻繁作業(yè)及不恰當(dāng)?shù)拈_采速度以及作業(yè)過程措施不當(dāng)

7、也是造成嚴(yán)重出砂的原因之一。例如進(jìn)行壓裂、酸化、大修等特殊作業(yè)如果沒有保護(hù)油層的措施就容易導(dǎo)致出砂加劇。 對(duì)油井管理不善頻繁地開關(guān)井造成地層激動(dòng)使穩(wěn)定的砂橋破壞都會(huì)造成地層出砂。 隨著油氣田開發(fā)期延續(xù)油氣層壓力自然下降油氣層砂巖體承載力的負(fù)荷逐漸增加致使砂粒間的應(yīng)力平衡破壞膠結(jié)破壞造成地層出砂另外地層注水可能使油氣層中的粘土膨脹分散有的還會(huì)隨著地層流體遷移使油氣層膠結(jié)力下降。注水開發(fā)中為了保持產(chǎn)量必定要提高采液量這就會(huì)增加地層流體的流速加大流體對(duì)地層砂的沖刷和攜帶能力速敏效應(yīng)因此注水有可能造成地層出砂。此外地層中的兩相或三相流動(dòng)狀態(tài)能增加對(duì)地層砂的攜帶力。 油氣井出砂的機(jī)理 生產(chǎn)條件下地層穩(wěn)定

8、性與地層基質(zhì)所受應(yīng)力場作用有關(guān)?；|(zhì)以復(fù)雜的方法適應(yīng)應(yīng)力場狀態(tài)。地層基質(zhì)所受應(yīng)力是上覆地層壓力、孔隙壓力、近井地帶地層流體流動(dòng)壓力梯度、界面張力、流體通過基質(zhì)顆粒間空隙流動(dòng)時(shí)與顆粒摩擦而形成的摩阻。地應(yīng)力適應(yīng)地層穩(wěn)定性的方式是在一定條件下由地層介質(zhì)本征強(qiáng)度和地層產(chǎn)能系數(shù)這兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)因數(shù)所決定的這種條件下原地應(yīng)力場在生產(chǎn)過程中因各種因數(shù)而破壞失穩(wěn)后便形成了井眼周圍的穩(wěn)定砂拱和砂橋。出砂的危害主要表現(xiàn)在以下四方面 油氣井減產(chǎn)或停產(chǎn) 油氣井出砂極易造成砂埋產(chǎn)層油管砂堵及地面管匯和儲(chǔ)油罐積砂從而被迫停產(chǎn)作業(yè)。沖洗被砂埋的油層清除油管砂堵既費(fèi)時(shí)又耗資問題還不能徹底解決。恢復(fù)生產(chǎn)不久又需重新作業(yè)周而復(fù)始

9、生產(chǎn)周期越來越短使油氣田產(chǎn)量大減作業(yè)成本巨增經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。地面和井下設(shè)備及管線磨蝕加劇 油氣流中攜帶的地層砂粒主要成分是二氧化硅硬度很高是一種破壞性很強(qiáng)的磨蝕劑能使抽油泵閥座磨損而不密封閥球點(diǎn)蝕桿塞和泵缸拉傷地面閥門失靈輸油泵葉輪嚴(yán)重沖蝕從而被迫關(guān)井作業(yè)更換或維修設(shè)備造成產(chǎn)量下降、成本上升。 套管損壞使油氣井報(bào)廢 長期嚴(yán)重的出砂在套管外形成巨大的空穴內(nèi)外受力不平衡導(dǎo)致突發(fā)性地層坍塌輕則造成套管變形重則套管被錯(cuò)斷擠毀導(dǎo)致油氣井報(bào)廢。破壞地層的原始構(gòu)造或造成近井地帶地層的滲透率嚴(yán)重下降 油氣井出砂后地層砂運(yùn)移加劇近井地帶地層砂沉積較多遠(yuǎn)井地帶則變得結(jié)構(gòu)疏松加劇。近井地帶地層滲透率顯著下降引起油氣井

10、的產(chǎn)能下降。 解決油氣井出砂問題必須立足于早期防治以減少對(duì)油層膠結(jié)的破壞 隨著我國石油工業(yè)的高速發(fā)展防砂技術(shù)不斷地趨于完善和成熟逐步形成了化學(xué)防砂和機(jī)械防砂兩大類。 化學(xué)防砂 化學(xué)防砂在20世紀(jì)60年代開始研究應(yīng)用并很快形成能力它大致可以分為三大類第一類是樹脂膠結(jié)地層第二類是人工井壁第三類是其它化學(xué)固砂法。 溶液型化學(xué)劑固砂 用有機(jī)或無機(jī)化學(xué)劑擠入疏松油層或預(yù)充填砂層使砂粒與砂粒間膠結(jié)成具有一定強(qiáng)度、滲透性好的砂層的固砂工藝。它包括地面注入樹脂溶液固砂、地下合成樹脂溶液固砂及水玻璃溶液固砂。 人工井壁防砂 它的種類很多如預(yù)涂層礫石、樹脂砂漿、水帶干灰、水泥沙漿、 乳化水泥、樹脂殼等。這些人工井

11、壁材料都要經(jīng)過管柱泵送到產(chǎn)層并擠入到導(dǎo)管以外的空穴中去形成密實(shí)充填使地層恢復(fù)或部分恢復(fù)原始應(yīng)力待這些充填材料凝固形成具有一定強(qiáng)度的擋砂屏障后再把井筒中多余的充填物銑掉使油氣井具備開井生產(chǎn)的條件。人工井壁防砂是化學(xué)防砂中的一大類屬于顆粒防砂。它是利用有特定性能的膠結(jié)劑和一定粒徑的顆粒物質(zhì)按比例在地面混合均勻也可以直接用可固結(jié)的顆粒用油基或水基攜砂液泵入井內(nèi)通過炮眼在油層套管外堆積填滿出砂洞穴在井溫及固化劑作用下凝固后形成具有一定強(qiáng)度和滲透性的人工井壁阻擋地層砂井進(jìn)入井筒達(dá)到防砂目的。此類方法適用油井已大量出砂井壁形成洞穴的油水井防砂。 其它化學(xué)固砂法 其它化學(xué)固砂法制約條件較多使用不廣泛。主要有

12、以下幾種焊接玻璃固砂法、 氫氧化鈣固砂法、四氯化硅固砂法、水泥-碳酸鈣混合液固砂法、聚乙烯固砂法和氧化有機(jī)化合物固砂法。機(jī)械防砂 機(jī)械防砂也可以分為兩類一類是下防砂管柱擋砂如割縫襯管、繞絲篩管、膠結(jié)成型的濾砂管、 雙層或多層砂管等這類防砂方法簡單易行但效果差壽命短原因在于防砂管柱的縫隙或孔隙易被進(jìn)入井筒的細(xì)地層砂所堵塞另一類是下入防砂管柱后再進(jìn)行充填它能有效地把地層砂限制在地層內(nèi)并能使地層保持穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)防砂效果好壽命長。 襯管防砂 襯管防砂是一種使用最早、簡單而普遍的機(jī)械防砂方法也叫濾砂管防砂或篩管防砂。該工藝是在出砂油層射孔井段對(duì)應(yīng)下入防砂襯管當(dāng)油井投入生產(chǎn)時(shí)在油層壓力的驅(qū)動(dòng)下液流克服各

13、種阻力流入井筒。如液流速度超過臨界速度地層砂橋就會(huì)破壞帶砂液流通過炮眼進(jìn)入井筒開始有少量細(xì)粉砂通過濾砂套隨液流排出地面還有一些堵塞于濾砂套的孔隙中較粗的砂粒在濾砂套表面堆積一直到堆滿環(huán)形空間及炮眼形成砂橋才能阻止油井出砂起到防砂作用。礫石充填防砂 礫石充填防砂是重要的機(jī)械防砂方法已被世界各油田廣泛采用。該方法是在防砂油層部位放置型號(hào)和規(guī)格合適的篩管在篩管外面的空間填充并壓實(shí)粒度合適的高質(zhì)量礫石。對(duì)套管射孔完成井篩管外的空間包括套管與篩管內(nèi)的環(huán)形空間射孔孔眼及套管外油層表面之間的空間對(duì)裸眼完井則是指篩管外至擴(kuò)孔井壁之間空間。這樣就形成了礫石阻擋油層砂而篩管保障形成穩(wěn)定的礫石橋構(gòu)成一個(gè)堅(jiān)固的高滲透

14、防砂屏障。 但是總的來說化學(xué)防砂適用于滲透率相對(duì)均勻的薄層段在粉細(xì)砂巖地層中的效果比在機(jī)械防砂更優(yōu)。而機(jī)械防砂對(duì)于地層的適應(yīng)能力強(qiáng)無論產(chǎn)層厚薄滲透率高低夾層多少都能有效的實(shí)施在老井作業(yè)中還可以起到恢復(fù)地層應(yīng)力的作用。但是它不適用細(xì)粉砂巖地層和高壓地層在無鉆機(jī)或修井機(jī)的情況下也無法施工對(duì)于化學(xué)防砂它可以適用于雙層完井作業(yè)中的上部地層防砂但對(duì)地層滲透率有一定的傷害作用同時(shí)它的成功率不如機(jī)械防砂還存在老化現(xiàn)象 相對(duì)成本較高等缺點(diǎn)其應(yīng)用程度遠(yuǎn)不如機(jī)械防砂廣泛。因此研究一種新的無污染而且成本低的高效化學(xué)防砂方法是十分有必要的。 從國內(nèi)外現(xiàn)有的化學(xué)防砂方法的報(bào)道來看大多數(shù)人都采用在酸性或中性條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

15、。如果在酸性條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)由于酸與樹脂反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生氫氣在一定的溫度下加上酸的揮發(fā)形成一種刺激性的氣體不利于人的健康還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。因此考慮在堿性條件下的固砂不僅有利于防止對(duì)人的傷害還有利于防止對(duì)自然的污染。 據(jù)國外文獻(xiàn)報(bào)道在美國的加利福尼亞州的威明頓油田它是以碳酸鈉的堿溶液為固化劑使用取自威明頓油田塔焦油區(qū)的砂樣在260的高溫下通過特殊的裝置使砂樣固結(jié)這一項(xiàng)目為威明頓油田上的出砂井節(jié)約成本為每口井150000美圓獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。油田化學(xué)防砂技術(shù) 向井眼周圍地層和射孔孔眼中擠入一定數(shù)量的化學(xué)劑和固體顆粒如預(yù)涂層礫石以膠固地層砂運(yùn)動(dòng)減輕油井出砂實(shí)現(xiàn)長期生產(chǎn)的固砂技術(shù)稱為化學(xué)防砂?；瘜W(xué)防砂

16、最大優(yōu)點(diǎn)是井筒內(nèi)部不留下任何機(jī)械裝備施工工藝簡便只需泵入化學(xué)劑即可。它對(duì)細(xì)粉砂尤為有效對(duì)未嚴(yán)重出砂的地層和低含水油井成功率較高。化學(xué)固砂法最適于相對(duì)不含粘土和微粒礦物成分的厚度通常小于5m米且滲透率均勻的目的層段。但化學(xué)防砂對(duì)地層滲透率有一定的傷害成功率不如機(jī)械防砂相對(duì)成本較高。 油田化學(xué)防砂早在20世紀(jì)60年代就開始了研究和較廣泛的應(yīng)用到了70年代末隨著礫石填充繞絲篩管防砂技術(shù)的不斷發(fā)展和完善化學(xué)防砂的應(yīng)用范圍逐步縮小應(yīng)用程度不如機(jī)械防砂廣泛。但是化學(xué)防砂的優(yōu)越性是其他防砂方法所不能取代的在某些情況下仍為一種有效的防砂方法。因此新的無污染且成本低的高效化學(xué)防砂方法的研究與應(yīng)用是十分必要的。 化學(xué)防砂可以分為三大類第一類是樹脂固砂法、