CN111577215B - 针对细粉砂用高分子与低分子聚合物相结合的防砂体系 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种针对细粉砂用高分子与低分子聚合物相结合的防砂体系，包括高分子聚合物体系和低分子聚合物体系，高分子聚合物体系和低分子聚合物体系的体积比为1：1.25～8；所述防砂体系在使用时，按照先低分子聚合物体系，后高分子聚合物体系的注入顺序注入地层。低分子聚合物能使细粉砂自聚成砂团，之后通过高聚物形成具有一定强度的高弹性高渗透率的挡砂屏障，能有效解决细粉砂的出砂问题。高分子与低分子聚合物相结合的防砂体系，溶液性能稳定，安全环保、现场施工程序少，工作量低，且注入工序简单，适用于粒径低于100μm的细粉砂出砂问题。该防砂体系中不含固体成分，不含树脂，所含高分子与低分子聚合物的成本低、原材料来源广。
Description
技术领域
本发明属于石油工业油气田开发技术领域，涉及一种针对细粉砂的高分子与低分子聚合物相结合的防砂体系。
背景技术
随着科学技术的不断发展，新技术的产生也需要原材料提供研发保证，石油被称为液体黄金，在各个国家都有很高的政治经济地位，一个国家的油气产量有时甚至能决定一个国家在世界上的地位。中国作为新兴大国，世界上最大的发展中国家，对石油的依赖尤其重要，目前国内生产的石油仅够国内石油消耗的40％，其他都需要依赖进口，如何充分的开发本国的油气资源就显得格外重要，国家政策也在不断推进油气行业的技术研发，好的技术能够产生巨大的经济效益。在油气井生产的整个过程中，油气井出砂是十分常见的问题。据了解，全世界范围内，70％以上的油气藏为疏松地层，疏松地层由于砂粒胶结物含量低，胶结方式多为接触式胶结，在生产过程中出现的影响地层应力或流体运移等因素的影响下，砂粒极易脱离岩石，之后随流体流入井筒，这种现象即成为出砂。出砂的危害主要有，埋没生产层，导致油气产量降低；磨损井底与地面设备，造成开发成本变大；同时大面积的出砂，有可能导致地层的坍塌，是十分危险的。
目前的防砂方式主要是机械防砂与化学防砂，机械防砂是通过向出砂层段下防砂管柱，通过筛网，将地层砂挡在井筒以外。这种防砂方式对筛网的优选有着很高的要求，目数太大，会极大的影响产能，同时细粉砂会逐渐堵塞孔眼，造成油气井停产；目数太小，又无法有效防住砂粒进入井筒。机械防砂的最大的缺点就是难以防住粒径小的细粉砂。化学防砂是向出砂地层注入化学药剂，增强地层岩石的胶结强度，形成高强度挡砂屏障，但是任何一种化学防砂方式都不可避免的对地层渗透率有一定影响，这就需要优选出最佳的化学药剂，好的化学药剂，能有效防砂，同时对地层的影响在可以接受的范围内。国内外常用的固砂剂是以树脂为主体的一系列产品，树脂通过加入固化剂，在一定温度和时间下，形成高强度的胶结体，不仅能增强疏松岩层的胶结强度，更能通过形成的挡砂屏障，将远处的砂粒挡在地层较深的位置。但是树脂固砂，对细粉砂的防砂效果较差，这是由于细粉砂粒径在100μm以下，而树脂固砂需要在砂粒表面粘附一层薄膜，再通过交联作用形成强度。但是由于细粉砂颗粒太小，且彼此紧密，树脂这种粘稠的液体很难进入细粉砂颗粒之间的缝隙，这就导致细粉砂很难形成薄膜。即使形成薄膜，因为表面附着着一层树脂，树脂固化之后是固态，就在砂粒表面形成粒径的增量，也会导致砂粒半径的增大，地层孔隙度降低，影响流体流动；同时由于细粉砂比表面面积大，想形成高强度，树脂的用量会急剧增大几个数量级，这务必导致防砂成本的大幅提升。
中国专利文献CN108949132A(201710390271.6)公开了一种用于细粉砂油藏油井防砂的固砂解堵处理液、防砂处理液体系和用其防砂的方法，所述的固砂解堵处理液包含以下质量含量的各组分：8～12％固砂解堵剂、0.5～1.5％助排剂、0.5～1.5％缓蚀剂、1～2％铁离子稳定剂、1～2％互溶剂、1～2％氯化铵，余量为水。所述的防砂处理液体系由预处理液、前置液、处理液和顶替液组成，其体积比依次为：4～6：1～2：2～3：1～2，同时还公开了用该防砂处理液体系防砂的方法。但是，该防砂体系会污染储层，且还加入了其他缓蚀剂、稳定剂等，即不能处理固化后的树脂材料，还会造成地层的渗透率降低，固化之后的树脂甚至能使得地层无产液的情况，且该防砂处理体系没有稳定粘土膨胀的能力，不能适用于粘土含量大于10％的地层。该体系的主要作用是解堵，其防砂效果一般，具有细粉砂出现的可能性。
G.Dupuis等介绍了一种水溶性聚合物用于海上油井的防砂措施(SPE-179825-MS)，共聚物为PowelgelTM P100，水溶液为2％KCl。该防砂体系与传统树脂防砂相比，具有降低储层伤害、水基体系环境友好，不需要额外防砂管柱施工等优点，在海上油井的防砂上应用了九口井，防砂效果较好，成功率100％。但是，由于该技术使用的聚合物是通过氢键或离子键形成砂粒的聚集效果，防止砂粒的运移来降低出砂。所以在较高的生产压差和较大的日产液量的情况下，效果并不理想，且该技术现场应用仅限于为海上出砂量低的油井，在目前石油公司以提高产量的要求的背景下，该方法的应用局限性很大。因此，目前针对细粉砂，还没有很有效的防砂手段。
发明内容
为了解决现有技术中存在的针对细粉砂防砂效果差，树脂很难有效地将细粉砂粒固结的问题，本发明提供一种针对细粉砂用高分子与低分子聚合物相结合的防砂体系。该防砂体系用于解决地层砂粒粒径在100μm以下的细粉砂出砂问题。该防砂体系能实现细粉砂本身的自我团聚，之后通过化学反应增强砂团强度，形成的高渗透砂团耐冲刷，且砂团具有一定的强度和自我修复功能。该防砂体系的处理半径为1.5m，既能形成足够厚的挡砂屏障，又能不污染远处的原始地层性质，保证最好的施工和生产效果；同时添加了防膨剂，能有效防止黏土膨胀，粘土含量40％以内的地层都能起到很好的防砂固砂效果。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种针对细粉砂用高分子与低分子聚合物相结合的防砂体系，包括高分子聚合物体系和低分子聚合物体系，高分子聚合物体系和低分子聚合物体系的体积比为1：1.25～8，所述防砂体系在使用时，按照先低分子聚合物体系，后高分子聚合物体系的注入顺序注入地层。
优选的，所述高分子聚合物体系为包括一种或多种水溶性有机高分子化合物的水溶液，所述有机高分子化合物溶于水中时，其粘度为300～500mPas，该有机高分子化合物在室温下的溶解度大于2g/100g水；该有机高分子化合物能与阳离子发生化学反应，形成具有抗冲刷性能的固态物质。进一步优选的，所述有机高分子化合物在水中能与二价阳离子发生反应；进一步优选的，二价阳离子为钙离子。
进一步优选的，形成的具有抗冲刷性能的固态物质在1000mL/min水流下，持续冲刷2小时，出砂率低于0.02％。
优选的，高分子聚合物体系和低分子聚合物体系的体积比为1：1.4～8。
优选的，高分子聚合物体系中有机高分子化合物的质量分数为0.7～1.5％。
优选的，所述有机高分子化合物为海藻酸钠。
优选的，低分子聚合物体系包括以下主要组成成分：聚乙二醇、非离子型聚丙烯酰胺、氯化钾、氯化钙。
优选的，所述低分子聚合物体系中，聚乙二醇的质量分数为0.1～1％，非离子型聚丙烯酰胺的质量分数为0.2～4％，氯化钾的质量分数为1％～20％，氯化钙的质量分数为0.5～5％，余量为水。
进一步优选的，所述低分子聚合物体系中，聚乙二醇的质量分数为0.1～0.3％，非离子型聚丙烯酰胺的质量分数为0.5～1.5％，氯化钾的质量分数为2～10％，氯化钙的质量分数为0.8～3％。
进一步优选的，所述聚乙二醇为聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇600中一种或几种；非离子型聚丙烯酰胺的分子量低于或等于100万。
聚乙二醇起到降低表面张力作用，有助于降低液体对砂团的冲击，同时能提到产液量和产油量；聚丙烯酰胺能实现砂粒的自我团聚，是一种絮凝剂；氯化钾起到防止黏土膨胀的作用，氯化钙起到和高分子聚合物反应的作用。
细粉砂一般位于井的远端，细粉砂由于本身带电荷，会使得相互之间有斥力，这是细颗粒不能团在一起的原因，而本发明通过处理液(低分子聚合物)降低细粉砂表面的电荷，使得细粉砂颗粒之间带有吸引力。而且本发明采用的低分子量聚合物，能有效的黏连在砂粒表面，聚合物同时具有羟基，能使得颗粒之间除了颗粒本身的吸引力外，还有氢键，这样能实现自聚成团。但是仅使用低分子聚合物处理的防砂体系强度低，近井地带，由于向心流，流速急剧增大，容易将自聚成团的砂团冲散并冲入近井地带。本发明在近井地带采用高分子聚合体系来实现挡砂，高分子聚合物能通过化学反应，形成三维网状结构，在24～48小时下，该结构强度达到最高，最终形成高强度挡砂屏障(示意图如如1、2所示)。该防砂体系所成砂团渗透率在μm2级别，砂团具有一定的强度和优良的弹性在外界压力下能够产生塑性变形，使得砂团中的颗粒很难脱离，即使脱离砂团，颗粒间还是具有相互吸附力，能多次自聚成团。砂团的稳定性高，在110℃下可有效存在13个月以上。砂团在耐流体冲击方面具有比树脂防砂有更好的优势。
本发明采用了低分子量聚合物实现砂粒的自我团聚成团，之后通过高分子聚合物的化学反应来增强砂团的强度，通过形成的化学键将砂粒捕捉成团，具有耐冲刷，高渗透的性能，本发明所用材料清洁环保，已通过CNAS(中国合格评定国家认可委员会)认证。粘度可控，可以有效的处理不同渗透率下的地层。
如果仅使用高分子聚合体系进行防砂，一是由于粘度高，导致处理半径低，防砂效果变差；二是高分子聚合物没有使砂团自我团聚的效果，砂粒还是离散的形态，这将导致高分子聚合物没有接触的砂粒，很容易堵塞地层的孔隙，降低渗透率。
而仅使用低分子聚合物进行防砂时，所形成的自聚砂团的强度低，耐水流的冲击能力差，在近井地带高流速的情况下，很容易使得砂团冲散，导致出砂。
本发明还提供上述防砂体系的应用，其使用方法为：
(1)向井内注入前置液，(2)注入低分子聚合物体系，(3)注入中间段塞，(4)注入高分子聚合物体系；(5)注入顶替液，(6)关井24～72小时。
高分子聚合物体系和低分子聚合物体系的体积比为1：1.25～8。
前置液注入量是和处理地层的孔隙体积有关，一般每米油层1.5m3～2m3。中间段塞是和整个井深有关系，一般2m3～3m3。顶替液的注入量与井筒体积及地面管线容积有关，为井筒体积及地面管线容积的1～1.2倍。
低分子和高分子聚合物的注入量和地层孔隙度、厚度、处理半径来设计总量。
高分子处理半径是指高分子聚合物所处理的半径，总处理半径是指高分子聚合物和低分子聚合物处理的总半径；高分子处理半径一般为总处理半径的0.3～0.7倍之间。
优选的，所述前置液、中间段塞、顶替液均为清水。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供一种高分子聚合物与低分子聚合物相结合的防砂体系，低分子聚合物能使细粉砂自聚成砂团，之后通过高聚物形成具有一定强度的高弹性高渗透率的挡砂屏障，能有效解决细粉砂的出砂问题。
(2)形成的砂团具有良好的弹性，耐流体冲击，室内实验证明在1000mL/min下，持续冲刷2小时，出砂率低于0.02％。
(3)高分子与低分子聚合物相结合的防砂体系，溶液性能稳定，安全环保、现场施工程序少，工作量低，且注入工序简单，适用于粒径低于100μm的细粉砂出砂问题。
(4)该防砂体系中不含固体成分，不含树脂，所含高分子与低分子聚合物的成本低、原材料来源广、可行性高。
附图说明
图1是本发明防砂体系防砂原理示意图；
图2是本发明防砂体系高分子聚合物网状结构挡砂团示意图；
图3是200目石英砂与所形成的砂团剖开后的外貌图；
图4是低分子聚合物溶液示意图；
图5是高分子聚合物溶液示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
一种高分子聚合体系与低分子聚合物体系相结合的防砂体系，高分子聚合体系为质量分数1％的工业级海藻酸钠溶液。
低分子聚合物体系为：含有质量分数为0.1％的聚乙二醇200，0.5％的非离子型聚丙烯酰胺，2％的氯化钾，1.5％的氯化钙，余量为水。
高分子聚合物体系与低分子聚合物体系的注入体积比是1:1.4。
实验室评价方法：
①岩心制备
称取100g直径0.075mm～0.106mm(150～200目)石英砂用清水洗净浸泡1h之后，放入110℃恒稳干燥箱中烘干1h，冷却至室温，取烘干后石英砂64.50g(精确至0.01g)，装入直径为25mm、长度为100mm(出口直径为1.5mm)的岩心管中，震实到岩心高度为88mm。
②饱和岩心
将岩心装入抽空流程，用真空泵依次饱和21mL低分子聚合物溶液和15mL高分子聚合物溶液(模拟地层先后的注入顺序)，之后将处理的岩心管密封，放入50℃烘箱处理48h。
③清水冲刷岩心
将岩心管装入驱替流程，调节柱塞泵排量为1000mL/min，驱替1h，收取所排出的液样，留作含砂量的测试。
④含砂量测试
称量含砂液质量，将排出液摇匀，在搅拌状态下倒入已称量的滤纸中过滤，将滤纸连同过滤物质放到烧杯中，放入100℃烘箱中干燥至恒重。
结果按式(1)计算：
式中：
Q——含砂量，g/L；
m2——烘干残余物与滤纸的质量，g(精确到0.001g)；
m1——滤纸的质量，g(精确到0.001g)；
v——排出液体积，L。
经计算，实施例1中出砂率(即含砂量)为0.01％，视为无出砂现象。
实施例2：
高分子与低分子聚合物相结合的防砂体系中，高分子聚合物体系为质量分数为1.5％工业级海藻酸钠溶液。
低分子聚合物体系为：含有质量分数为0.2％的聚乙二醇400，质量分数为0.8％的非离子型聚丙烯酰胺，质量分数为5％的氯化钾，质量分数为3％的氯化钙为，余量为水。高分子聚合物体系与低分子聚合物体系的注入体积比是1:5。
按照实施例1中的步骤进行评价，出砂率为0.005％，视为无出砂现象。
实施例3：
高分子与低分子聚合物相结合的防砂体系中，高分子聚合物为质量分数为0.7％的工业级海藻酸钠溶液。
低分子聚合物体系为：含有质量分数为0.3％的聚乙二醇600，质量分数为1.5％的非离子型聚丙烯酰胺，质量分数为10％的氯化钾，质量分数为0.8％的氯化钙。高分子聚合物体系与低分子聚合物体系的注入体积比是1:8。
按照实施例1中的步骤进行实验，出砂率为0.02％，视为无出砂现象。
对比例1：
高分子聚合体系选择聚乙烯醇1700浓度为1％，其他按照实施例1中进行测试，出砂率为25％，视为严重出砂。说明聚乙烯醇不能形成高强度挡砂屏障的能力，在高水流冲击下，砂柱被冲破，防砂失败。是因为聚乙烯醇不能和低分子聚合体系中的阳离子进行反应形成化学键，从而不能形成具有强度的挡砂屏障。
对比例2
高分子与低分子聚合物相结合的防砂体系中，高分子聚合物为0.5％工业级海藻酸钠溶液。其他条件如实施例1所述。
按照实施例1中的步骤进行实验，出砂率为0.95％，视为出砂。
对比例3
一种高分子聚合体系与低分子聚合物体系相结合的防砂体系，高分子聚合体系为质量分数1％的工业级海藻酸钠溶液。
低分子聚合物体系为：含有质量分数为0.1％的聚乙二醇200，0.5％的非离子型聚丙烯酰胺，2％的氯化钾，余量为水。
高分子聚合物体系与低分子聚合物体系的注入体积比是1:1.4。
按照实施例1中的步骤进行实验，出砂率为11.3％，防砂失败。
对比例4
一种高分子聚合体系与低分子聚合物体系相结合的防砂体系，高分子聚合体系为质量分数1％的工业级海藻酸钠溶液。
低分子聚合物体系为：含有质量分数为0.1％的聚乙二醇200，2％的氯化钾，1.5％的氯化钙，余量为水。
高分子聚合物体系与低分子聚合物体系的注入体积比是1:1.4。按照实施例1中的步骤进行实验，出砂率为4.6％，防砂失败。
高分子聚合物体系和低分子聚合体系混合后会立即发生反应，所以注入时会有中间段塞隔开，防止在井筒中反应。
当高分子量聚合物的浓度大于3％时，不加热会有固体颗粒溶不了的现象，导致注入时堵塞孔隙。
对比例5
将实施例1中的防砂体系，重新进行室内评价实验，实验步骤不同在于步骤②泵入顺序为先注入15mL高分子聚合物溶液，后注入21mL低分子聚合物溶液(模拟地层先注入高分子聚合物，后注入低分子聚合物)，其他实验步骤一致。测试的结果为：用200mL/min驱替装置用水流冲击砂团，砂团的出砂率为0.08％，已经超出油田认为的出砂率大于0.03％即为出砂的标准值。说明这种注入方式效果较差。
应用例
清河油田某区块某口井，防砂施工之前，油井出砂严重。经商讨后，2016年进行机械防砂，正常生产3个月后产量急剧下降，产量降低到之前的30％，仅为之前的37％，井筒有细粉砂流出，之后起防砂管柱，发现筛网被细粉砂封堵，砂粒粒径中值为85μm。一年后进行树脂固砂，防砂后油井无油气产生。一直关井到2019年底。
2019年12月份，进行油井压裂酸洗施工，之后进行高分子与低分子聚合物相结合的防砂，注入低分子聚合物15m3，高分子聚合物10m3，注入顺序表如下表1。
表1泵注顺序表
施工后，油井通过缓慢增加生产压差，有液体产出，之后达到日产液24m3，且产出液不含地层砂。截止到2020年4月，油井已经正常生产112d，累积增油211.5t。油井生产数据在进一步跟进更新。
Claims (6)
1.一种针对细粉砂用高分子与低分子聚合物相结合的防砂体系，其特征在于，包括高分子聚合物体系和低分子聚合物体系，高分子聚合物体系和低分子聚合物体系的体积比为1：1.25~8，所述防砂体系在使用时，按照先低分子聚合物体系，后高分子聚合物体系的注入顺序注入地层；所述高分子聚合物体系为质量分数为0.7~1.5%的海藻酸钠的水溶液；所述低分子聚合物体系包括以下组成成分：聚乙二醇的质量分数为0.1~1%，非离子型聚丙烯酰胺的质量分数为0.2~4%，氯化钾的质量分数为1%~20%，氯化钙的质量分数为0.5~5%，余量为水。
2.根据权利要求1所述的防砂体系，其特征在于，海藻酸钠溶于水中时，其粘度为300~500mPas。
3.根据权利要求1所述的防砂体系，其特征在于，所述低分子聚合物体系中，聚乙二醇的质量分数为0.1~0.3%，非离子型聚丙烯酰胺的质量分数为0.5~1.5%，氯化钾的质量分数为2~10%，氯化钙的质量分数为0.8~3%。
4.根据权利要求3所述的防砂体系，其特征在于，所述聚乙二醇为聚乙二醇200、聚乙二醇400、聚乙二醇600中一种或几种；非离子型聚丙烯酰胺的分子量低于或等于100万。
5.权利要求1~4任一项所述防砂体系的应用，其特征在于，其使用方法包括以下步骤：
（1）向井内注入前置液，（2）注入低分子聚合物体系，（3）注入中间段塞，（4）注入高分子聚合物体系；（5）注入顶替液，（6）关井24~72小时。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述低分子聚合体系的注入量的计算公式=处理地层厚度×地层孔隙度φ×π×总处理半径²，高分子聚合体系的注入量的计算公式=处理地层厚度×地层孔隙度φ×π×高分子处理半径²。
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