溶胶-凝胶型MgO纳米材料抑砂技术

吴建平 梁伟 夏伯儒 贾维霞 陈雪

中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院

溶胶-凝胶型MgO纳米材料抑砂技术

吴建平 梁伟 夏伯儒 贾维霞 陈雪

中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院

引用格式：吴建平，梁伟，夏伯儒，贾维霞，陈雪. 溶胶-凝胶型MgO纳米材料抑砂技术［J］. 石油钻采工艺，2016，38（4）：536-539.

针对高泥质、粉细砂岩油藏地层微粒运移堵塞、冲蚀破坏挡砂屏障导致油井液量大幅下降的问题，通过实验数据和相关计算，分析了不同纳米材料的吸附效率，优选出溶胶-凝胶型MgO纳米材料涂覆支撑剂作为砾石充填层，其微粒吸附效率达78.85%，流出物的浊度仅为阳离子抑砂剂的5.5%，流出物中含砂量约为用阳离子抑砂剂的9.3%，固砂效果远优于油田常规阳离子抑砂剂。在胜利油田LNJ501井现场应用后油井采出液含砂量＜0.01%，液量是施工前的3.42倍，有效生产时间389 d，说明溶胶-凝胶型MgO纳米材料抑砂技术可达到恢复产量、延长防砂有效期的目的。

粉细砂岩；纳米材料；MgO；砾石充填；涂层；抑砂

对于高泥质粉细砂岩油藏，黏土或粉细砂微粒所携带的负电荷使得微粒彼此排斥，在地层内形成游离砂，游离砂在不断的运移过程中堵塞渗流通道使油井产能下降。针对粉细砂岩油藏油井的出砂问题，目前使用的固砂材料主要是树脂，不止价格昂贵而且往往不能达到目的，只能“防运移”而不能“治运移”。

将纳米材料加入固砂剂中，利用纳米材料的表面效应可有效吸附地层中的游离砂［1］。目前研究的纳米抑砂体系主要有以下2种：一是胶束乳液聚合低伤害储层固砂体系，该体系可在砂粒表面吸附一层阳离子表面活性剂胶束，胶束中增溶的聚合单体和引发剂发生乳液聚合，胶束转变为纳米级聚合物薄膜，将松散的砂粒胶结起来，形成具有较高机械强度的三维空间网络结构的固结体，从而固结地层砂［2］；二是选择特定的纳米颗粒作为内部破胶剂加入携砂液中，这些纳米颗粒通过电性吸引和表面吸附与携砂液胶束缔合在一起，建立一种非常强的动态网状结构，从而稳定携砂液胶束，阻止流体向多孔介质流失，即加入的纳米颗粒具有保持流体高温稳定性和明显降低流体滤失的功能［3］。这2种化学防砂方法能有效抑制储层出砂，但也存在防砂有效期短，对储层的渗透率伤害大等缺陷。

提出了一种新的纳米材料防砂技术，该技术所采用的纳米晶体是溶胶-凝胶纳米抑砂体系，将这种纳米晶体涂覆在充填砾石的表面，采用机械防砂方法，将充填砾石泵入井下，充填砾石可在近井地带形成挡砂屏障，一旦地层微粒接近砾石充填层，利用纳米级粒子极强的吸附能力，泥质及粉细砂会被迅速吸附至砾石充填层表面，防止微粒进一步运移至近井地带，从而减小地层微粒对挡砂屏障的堵塞，延长泥质粉细砂油藏的防砂有效期［4］。该技术可以用于由地层微粒造成油井堵塞的任何油藏，使油井在不出砂的情况下产量恢复至油井初期产量。特别是对于低渗透油藏，可获得高保持孔隙度（＞80%）以及高强度（单轴抗压高达10 MPa），对于低渗油气井防砂具有重大意义。

1　溶胶-凝胶型纳米材料的制备Preparation of sol-gel nanometer material

经过调研不同纳米颗粒捕获及吸附地层微粒的能力，最终选定SiO2、Al2O3和MgO这3种溶胶-凝胶型纳米材料颗粒（均从纳米壳牌公司选购）［5］。实验装置如图1所示，将砂样加入蒸馏水中形成微粒悬浮液，在重力作用下微粒悬浮液从填砂筒（内有不同纳米材料处理过的支撑剂）的顶部流过充填层，将通过流体用滤纸过滤、烘干、称重，按照“吸附效率=（微粒原始质量-通过填砂筒后剩余微粒质量）/微粒原始质量×100%”的计算原则，得到不同纳米材料的微粒吸附效率。

图1　吸附效率实验设备示意图Fig.1 Devices for absorption efficiency test

研究所采用的砂样取自胜利临南油田LNJ501井采出砂，微粒平均粒径为10 μm，微粒X射线荧光分析结果见表1。

表1　微粒成分Table 1 Composition of fine grains

研究中所应用的充填砾石由筛目尺寸为30～40目（420～590 μm）的石英砂制成。通过相关的数据计算得到不同纳米材料的吸附效率见表2，对比SiO2和Al2O3，MgO纳米材料处理过的支撑剂具有更高的微粒吸附效率，因此选择MgO作为纳米材料来制备支撑剂涂层。

表2　不同纳米材料的吸附效率Table 2 Absorption efficiency of various nanometer materials

将MgO纳米颗粒放入40 ℃蒸馏水中搅拌2 h，然后将SDBS（十烷苯磺酸钠）作为表面活性剂添加进纳米流体中搅拌1 h，防止纳米流体中的纳米颗粒凝聚成团。之后，搅拌纳米流体1 h，来阻止纳米颗粒凝聚成团。在纳米流体准备妥当后，将石英砂沉入纳米流体中静置1 d。然后，将捞起的石英砂放入烤箱中（温度为500 ℃），蒸发介质上残留的表活剂溶液，带纳米材料的支撑剂制备完成。

2　室内试验评价Results of lab tests

2.1纳米材料吸附作用机理静态实验

Static experimental study on absorption mechanisms of nanometer materials

在实验室条件下模拟水力压裂过程，将纳米材料作为支撑剂涂层，在压裂措施的填砂阶段将纳米材料（流体形式）注入混合槽。纳米材料因为交互作用力被施加到支撑剂上，然后被泵入井下［6］。同时以未用纳米材料的普通支撑剂试验做对比。用飞利浦XL-30W仪器获得支撑剂颗粒表面的扫描电镜图像，如图2所示。

图2　试验后支撑剂扫描电镜图Fig.2 SEM graph of proppants after test

从扫描电镜图可以看出，试验后普通支撑剂聚集成团，形成砂桥，会堵塞孔喉，降低充填渗透率，而纳米材料支撑剂颗粒均匀分布，未形成砂桥和孔隙堵塞，保持了充填层的渗透率。这是因为地层微粒是疏松的亲水粒子，在水相中可自由移动和扩散，当未使用纳米材料做涂层的砾石被泵入井下时，彼此的氢键作用聚集周围的微粒，支撑剂颗粒很容易就聚集成团。使用纳米材料支撑剂时，微粒与纳米材料间的交互作用使纳米材料吸附住微粒。当微粒开始覆盖支撑剂颗粒的某些特定区域时，周围纳米材料的排斥力会将微粒推远，从而使纳米材料支撑剂颗粒均匀分布，防止形成砂桥和孔隙堵塞。

从该试验可以看出，使用纳米材料可以有效吸附地层微粒，防止地层微粒运移结块，减少孔喉堵塞和砂桥的形成，阻止微粒运移进入近井区域以及井底设备、管串、上部的设备以及工具表面，避免井下工具损害，从而提高防砂有效期。

2.2纳米材料吸附作用机理动态实验

Dynamic experimental study on absorption mechanisms of nanometer materials

2.2.1浊度测试 为了证实纳米材料吸附地层微粒的效果，开展了模拟地层微粒进入砾石层的实验。

（1）用2根竖直的透明井筒固定在试验台架上，一个井筒中装的是用纳米材料处理过的砾石，另一个井筒装的是加入胜利油田常用阳离子型抑砂剂的砾石，用作对比试验。

（2）每1 000 kg的砾石加入1 kg的纳米材料，将支撑剂加入蒸馏水中，制成混合了地层微粒的高浓度液体（质量分数为0.25%），从漏斗中将纳米流体倒入井筒中，在重力的作用下微粒悬浮液从充填柱的顶部流过每个充填层。

（3）收集处理后充填层的流出物如图3所示。由图中实验现象可以看出，用纳米材料处理的充填层的流出物在流经了多个孔隙空间后仍然是干净的，而作为对照的阳离子抑砂剂处理的充填层的流出物和注入液体很少甚至没有差别。当地层流体流经充填砾石层时，用纳米材料处理过的砾石可有效吸附地层中的微粒，因此流出物中微粒浓度较低，肉眼可见液体清澈，而阳离子抑砂剂吸附微粒效果较差，导致流出物中微粒浓度较高，肉眼可见液体浑浊。将流出物装入测试管中放入Turb 550型浊度仪，分别测试其浊度，用阳离子抑砂剂处理过的充填层的流出物浊度为289 NTU，用纳米材料处理过的充填层的流出物的浊度为16 NTU，仅为用阳离子的5.5%。实验结果证明在地层微粒浓度较大的情况下，相对于普通抑砂剂，纳米抑砂剂可有效吸附清除流经砾石充填层的微粒。

图3　处理后充填层的流出物Fig.3 Outflow of treated packing layer

2.2.2含砂量测试 用LDY-1岩心流动实验仪进行驱替实验，测试不同流量下不同充填层流出物的含砂量，对砾石充填层的固砂性能进行评价。分别将排出液样摇匀，在搅拌的条件下倒入已恒量的滤纸中过滤，将滤纸连同滤出物移入烧杯中，放入105 ℃±2 ℃烘箱中烘干2 h，取出放入干燥器中冷却至室温后称重，含砂量按式（1）计算，实验数据见表3。用纳米材料抑砂剂处理用的流体含砂量约为用阳离子抑砂剂处理过的流体含砂量的9.3%。表明用纳米材料抑砂剂处理流体含砂量远低于阳离子抑砂剂处理后的流体含砂量。这是因为纳米材料吸附地层微粒数量要远高于阳离子抑砂剂，实验结论进一步证实了纳米材料的固砂性能要优于阳离子抑砂剂。

式中，Q为含砂量，g/L；m1为滤纸的质量，g（精确至0.001 g）；m2为蒸干残余物与滤纸的质量，g（精确至0.001 g）；V为排出液体积，L。

表3　不同流量下的含砂量Table 3 Sand content at different flow rates

3　现场应用效果Performance of on-site applications

胜利临南油田LNJ501井，生产层深度3 993.8～4 011 m，为馆陶组，油藏压力63.948 MPa，温度68.89 ℃，渗透率242.165 mD，孔隙度31.665%，泥质含量高达23.5%，岩性以粉细砂岩为主，粒度中值0.07～0.13，地层出砂严重。

开采初期该井日产液112.1 t，日产油49.35 t，含水49.6%；开采6个月后，该井的产量开始递减；8个月后，该井的日产液量减至32.5 t，日产油16.2 t。不久后，该井大量出砂，筛管完全失效，致使该井停产。为了继续有效开采，采油厂实施侧钻，并进行了压裂防砂完井。压裂防砂时向裂缝中加入纳米材料，每1 000 kg的支撑剂加8.35 L的纳米材料，施工排量4.0～4.5 m3/min，支撑剂用量36 m3，砂比10%～80%。开井后有效生产时间389 d，平均日产液111.2 t，平均日产油量53.1 t，平均含水52.2%，井口化验含砂量＜0.01%，生产效果较措施前有显著改善，证明支撑剂充填层中的纳米材料成功清除了产出液中的微粒。为了评价纳米材料在防砂领域更强的适应性，需要进一步现场验证，改进纳米材料抑砂性能、提高应用效果。

4　结论Conclusions

（1）溶胶-凝胶型MgO纳米材料具有吸附微粒而疏通流道的特性，微粒吸附效率达78.85%。微粒与纳米材料间的交互作用使纳米材料吸附住微粒，并使纳米材料支撑剂颗粒均匀分布，防止形成砂桥和孔隙堵塞。

（2）用溶胶-凝胶型MgO纳米材料处理过的充填层流出物的浊度为阳离子抑砂剂的5.5%，流出物中含砂量约为用阳离子抑砂剂的9.3%。相对于普通抑砂剂，溶胶-凝胶型MgO纳米抑砂剂可有效吸附清除流经砾石充填层的微粒。

（3）使用溶胶-凝胶型MgO纳米抑砂技术，可在近井地带形成有效的挡砂屏障，防止微粒运移至近井地带，减小地层微粒对挡砂屏障的堵塞，恢复油井产量，延长泥质粉细砂油藏的防砂有效期。

［1］ 朱世东，周根树，蔡锐，韩燕，田伟.纳米材料国内外研究进展Ⅰ——纳米材料的结构、特异效应与性能［J］.热处理技术与装备，2010，31（3）：1-5. ZHU Shidong， ZHOU Genshu， CAI Rui， HAN Yan， TIAN Wei.Research of the nano-materials at home and abroadⅠ—the structure， specific effects and performance of the nano-materials［J］. Heat Treatment Technology and Equipment， 2010， 31（3）: 1-5.

［2］ 刘德新，汪小平，罗耀珑.胶束乳液聚合法低伤害储层固砂技术［J］.西安石油大学学报：自然科学版，2009，24（5）：40-42. LIU Dexin， WANG Xiaoping， LUO Yaolong. Sand consolidating technology of reducing reservoir damage by the polymerization of micelle emulsion［J］. Journal of Xi’an Shiyou University: Natural Science Edition， 2009，24（5）: 40-42.

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（修改稿收到日期 2016-06-02）

〔编辑 李春燕〕

Sand-control techniques with sol-gel MgO nanometer material

WU Jianping， LIANG Wei， XIA Boru， JIA Weixia， CHEN Xue
Petroleum Engineering Technology Research Institute， SINOPEC Shengli Oilfield Company， Dongying， Shandong 257000， China

Migration of fine grains in reservoir formations with high clay and siltstone contents may plug， erode， and damage sand barriers， and cause significant reduction of fluid productivity. Absorption efficiency of various nanometer materials have been reviewed by using relevant test data and calculation results to pick out the sol-gel MgO nanometer material as coated proppant in gravel-packing layers. With absorption efficiency of 78.85% for fine grains， turbidity of its outflow fluid is only 5.5% of that obtained by using cationic sand control agent， and sand content in its out-flow fluid is only approximately 9.3% of that contained in fluid out of cationic sand control agents， which suggests its sand consolidating performance is far better than conventional cationic sand control agents currently used in oilfields. After it was applied in Well LNJ501 of the Shengli Oilfield， sand content of the produced fluid was less than 0.01%， and the fluid productivity of the well was 3.42 times of that before the treatment， and effective production time of the well was 389 d， which indicates the sol-gel MgO nanometer material can effectively enhance fluid productivity and extend effective sand control period.

fine sandstone； nanometer material； MgO； gravel packing； coating； sand control

TE243

A

1000 - 7393（ 2016 ） 04- 0536- 04

10.13639/j.odpt.2016.04.025

WU Jianping， LIANG Wei， XIA Boru， JIA Weixia， CHEN Xue. Sand-control techniques with sol-gel MgO nanometer material［J］. Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（4）: 536-539.

吴建平（1962-），2009年获中国石油大学（华东）油气田开发工学硕士学位，长期从事油气井防砂技术、采油机械等相关研究，教授级高级工程师。通讯地址：（257000）胜利油田石油工程技术研究院。电话：0546-8552225。E-mail：wujianping362. slyt@sinopec.com

梁伟（1987-），2009年毕业于西南石油大学石油工程专业，现从事油气井防砂技术研究。通讯地址：（257000）胜利油田石油工程技术研究院。E-mail：liangwei138.slyt@sinopec.com