一种油层防砂液及其制备方法和应用
技术领域
本申请涉及油田开发技术领域，特别涉及一种油层防砂液及其制备方法和应用。
背景技术
我国疏松砂岩油气储层分布范围广、储量大、产量高，在油田开发上占有重要地位。一般开采条件下，由于油气井出砂经常造成砂卡、砂埋、砂堵等问题，致使采油井的躺井，进而影响采油井的正常生产。
相关技术中，主要采用机械防砂(割缝管防砂)和化学防砂(人工胶结地层防砂)对油层进行防砂处理。割缝管防砂是在采油井的油管底部安装割缝管，把从油层进入油井套管的油层砂挡在油管外部，避免油层砂进入抽油泵泵筒而造成砂卡或砂堵。人工胶结地层防砂是向油层注入树脂或其它化学固砂剂，直接将油层砂固结。
在实现本申请的过程中，申请人发现相关技术中至少存在以下问题：
采用割缝管防砂会使进油面减少，泵效降低，且对于粒径小于割缝管缝隙的细沙，防砂效果不理想。采用人工胶结地层防砂成本高，在固结砂体的同时也堵塞了油层孔隙，使得固结后油层渗透率明显下降。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种油层防砂液及其制备方法和应用。
具体而言，包括以下的技术方案：
第一方面，提供了一种油层防砂液，所述油层防砂液由可降解颗粒和硅酸盐水泥制备得到；
所述可降解颗粒为淀粉颗粒、植物蛋白颗粒、纤维素颗粒和木质素颗粒中的至少一种。
在一种可选的实施例中，所述可降解颗粒与所述硅酸盐水泥的质量比为(5-35)：100。
在一种可选的实施例中，所述油层防砂液的含水率为55-85％。
在一种可选的实施例中，所述可降解颗粒为小麦粉颗粒、玉米粉颗粒、大豆粉颗粒、谷子粉颗粒和黍子粉颗粒中的至少一种。
在一种可选的实施例中，所述可降解颗粒的平均粒径小于所述油层中的油层疏松砂或流砂的平均粒径。
第二方面，提供了一种油层防砂液的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
将可降解颗粒和硅酸盐水泥干粉料混合并搅拌均匀，得到油层防砂液干料；
将水添加到所述油层防砂液干料中，搅拌均匀，制备得到所述油层防砂液。
其中，所述可降解颗粒为淀粉颗粒、植物蛋白颗粒、纤维素颗粒和木质素颗粒中的至少一种。
在一种可选的实施例中，所述可降解颗粒与所述硅酸盐水泥的质量比为(5-35)：100。
在一种可选的实施例中，所述油层防砂液的含水率为55-85％。
第三方面，提供了一种根据第一方面所述的任一项的油层防砂液的应用，所述应用包括：
将所述油层防砂液注入采油井的出砂油层中。
在一种可选的实施例中，所述油层防砂液的注入量通过以下公式得到：
V＝π(r+A)2·d·Φ·k
其中，V为油层防砂液的注入量；r为采油井的半径；A为注入油层的深度；d为油层的厚度；Φ为油层的孔隙度；k为[30％-50％]之间的常数。
本申请实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：
本发明实施例提供的油层防砂液通过向油层注入含有可降解颗粒的硅酸盐水泥，实现对油层的改造，改造后的油层不仅保留了油层的连通性与渗透性，还建立了新的牢固的油层骨架，从而避免了油层出砂，保证了采油井的生产时率，实现了采油井的稳定生产。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的注入防砂液前出砂采油井的油层剖面图；
图2为本发明实施例提供的注入防砂液时出砂采油井的油层剖面图；
图3为本发明实施例提供的防砂液反应后出砂采油井的油层剖面图。
图中的附图标记分别表示为：
1-采油井；
2-油井套管管柱；
3-出砂油层；
4-油层防砂液；
5-可降解颗粒；
6-硅酸盐水泥；
7-油层骨架砂；
8-油层疏松砂或流砂；
9-插管桥塞；
10-注防砂液管柱；
11-丢手。
通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
除非另有定义，本申请实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。在对申请实施方式作进一步地详细描述之前，对理解本申请实施例一些术语进行说明。
图1为本发明实施例提供的一种注入防砂液前出砂采油井的油层剖面图，采油井1为出砂采油井，出砂采油井1的出砂油层3除具有油层骨架砂7外，还具有油层疏松砂或流砂8。当在油井套管管柱2中下入油管管柱进行采油时，出砂油层3中的油气液在抽油机的作用下，由油井套管管柱2下端的进油孔进入油管管柱中，此时油层骨架砂7不动，而油层疏松砂或流砂8则会随油气液的流动而进入油管管柱中，进而可造成砂卡、砂埋、砂堵等问题。
基于此，第一方面，本发明实施例提供了一种油层防砂液，该油层防砂液由可降解颗粒和硅酸盐水泥制备得到；可降解颗粒为淀粉颗粒、植物蛋白颗粒、纤维素颗粒和木质素颗粒中的至少一种。
应用时，将该油层防砂液注入到出砂油层3中(如图2所示)。图2为本发明实施例提供的注入防砂液时出砂采油井的油层剖面图。
具体实施方式：先在采油井1的油井套管管柱2的出砂油层3的下部下入丢手11，然后下入带插管桥塞9的注防砂液管柱10，插管桥塞9到出砂油层3的上部指定位置后座封，再用高压泵车把油层防砂液4经注防砂液管柱10注入采油井1，并由注防砂液管柱10下端的进油孔进入出砂油层3，混合均匀的油层防砂液4充填在油层骨架砂7和油层疏松砂或流砂8之间，使得可降解颗粒5和硅酸盐水泥6均匀分布于出砂油层3的孔隙中。
一段时间后，硅酸盐水泥6在出砂油层3中凝固，同时，使得油层疏松砂或流砂8和可降解颗粒5也固结其中。
又一段时间后，固结的可降解颗粒5在出砂油层3中降解消失(如图3所示)，图3为本发明实施例提供的防砂液反应后出砂采油井的油层剖面图，可降解颗粒5降解后让出所占据的空间体积，而油层疏松砂或流砂8仍然被硅酸盐水泥6固定在原有位置难以流动，从而起到防砂固砂作用。硅酸盐水泥6在油层内部形成纵横交错的网状结构，不仅保留了油层的油流孔隙，同时还形成了新的牢固的油层骨架。
本发明实施例提供的油层防砂液通过向油层注入含有可降解颗粒的硅酸盐水泥，实现对油层的改造，改造后的油层不仅保留了油层的连通性与渗透性，还建立了新的牢固的油层骨架，从而避免了油层出砂，保证了采油井的生产时率，实现了采油井的稳定生产。
在上述的油层防砂液中，硅酸盐水泥可以为以硅酸钙为主的硅酸盐水泥熟料、5％以下的石灰石或粒化高炉矿渣，以及适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料。
硅酸盐水泥的主要矿物组成是:硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、氧化钙等等。其中硅酸三钙决定着硅酸盐水泥四个星期内的强度；硅酸二钙四星期后才发挥强度作用，约一年左右达到硅酸三钙四个星期的发挥强度；铝酸三钙强度发挥较快，但强度低，其对硅酸盐水泥在1至3天或稍长时间内的强度起到一定的作用；铁铝酸四钙的强度发挥也较快，但强度低，对硅酸盐水泥的强度贡献小。其中，加入硅酸钠(俗称泡花碱或水玻璃)可加快硅酸盐水泥的凝结硬化。
硅酸盐水泥具有凝结硬化快、抗冻性好、干缩小、耐磨性好等优点。在本发明的实际应用中，硅酸盐水泥可以为纯熟料硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、符合硅酸盐水泥等中的任一种或几种。
更具体地，硅酸盐水泥可以根据油井温度、压力和层内流体性质选择国标《GB/T10238-2015油井水泥》的六个级别中A级、B级、C级、D级、G级、H级的一级。
为了提高油层砂岩骨架强度，避免油层改造后稳定性差问题，也可以根据实际需求定制硅盐含量高而钙盐含量低的硅酸盐水泥。
在本发明中的可降解颗粒是指能够在水溶液中自然降解的有机颗粒，示例地，可降解颗粒可以为淀粉颗粒、植物蛋白颗粒、纤维素颗粒和木质素颗粒中任意一种，也可以是其中两种或两种以上的组合。
淀粉是一种多糖，可看作是葡萄糖的高聚体，结构简式为(C6H10O5)n。淀粉可由小麦、玉米、谷子、黍子等含淀粉的物质中提取而得到。淀粉颗粒是指含有淀粉的颗粒物。在本发明的实际应用中，淀粉颗粒可直接通过研磨小麦、玉米、谷子、黍子而得到。淀粉颗粒在水中可自然降解，其降解的反应包括：
淀粉(颗粒)+水→葡萄糖；
葡萄糖→乙醇→乙醛→乙酸(溶解于水)。
当可降解颗粒为淀粉颗粒时，可降解颗粒水解后溶解于水，让出占据的空间体积。
进一步地，淀粉水解糖化后再生成的乙酸还可与水泥中的氧化钙反应，生成可溶于水的乙酸钙而移出油层砂岩中水泥的骨架，从而可进一步提高油层砂岩中注入水泥的孔隙度。其反应包括：
乙酸+氧化钙→乙酸钙+水。
更进一步地，由于油层由砂岩与石灰岩组成，石灰岩化学式CaCO3，淀粉水解糖化后再生成的乙酸还可与油层中的石灰岩(碳酸钙)反应，也生成乙酸钙融入油层液中，从而重塑油层砂岩骨架，进一步增大孔隙度。其反应包括：
乙酸+碳酸钙→乙酸钙+二氧化碳+水。
由此可见，当可降解颗粒为淀粉颗粒时，一方面，其水解后生成葡萄糖溶解于水，让出占据的空间体积；另一方面，其水解糖化后再生成的乙酸又与水泥中的氧化钙和油层中的碳酸钙反应，生成可溶于水的乙酸钙，从而可重塑油层砂岩骨架，进一步提高油层砂岩中注入水泥和油层的孔隙度。
植物蛋白是蛋白质的一种，包括完全蛋白质和不完全蛋白质，可由豆类、高粱、燕麦等含植物蛋白的物质中提取而得到。植物蛋白颗粒是指含有植物蛋白的颗粒物。在本发明的实际应用中，植物蛋白颗粒可直接通过研磨大豆、高粱、燕麦而得到。植物蛋白颗粒在油层碱性环境中，碱作为催化剂，植物蛋白颗粒不断降解，其反应包括：
植物蛋白(颗粒)→氨基酸+多肽+二氧化碳等，
其产物均为可水溶性物质，一定时期之后，植物蛋白颗粒就会在油层水泥中被降解消失，进而重塑油层渗透性和孔隙结构。
纤维素是一种由葡萄糖组成的大分子多糖，其可由植物秸秆、植物叶片、植物根茎中提取得到。纤维素颗粒是指含有纤维素的颗粒物。在本发明的实际应用中，纤维素颗粒可直接通过研磨植物秸秆、叶片或根茎而得到。纤维素颗粒在油层水泥中的降解反应为：纤维素水解反应式
(C6H10O5)n(纤维素)+nH2O→nC6H12O6(葡萄糖)
其产物为水溶性物质，一定时期之后，纤维素颗粒就会在油层水泥中被水解，让出占据的空间体积。
木质素是一种广泛存在于植物体中的无定形的分子结构中含氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物。在木材的硬组织中含量较多，一般存在于植物的茎干及种子的果壳之中。木质素颗粒是包含木质素的颗粒物。在本发明的实际应用中，木质素颗粒可直接通过研磨枝干、麦麸或核桃壳粉末而得到。由于木质素的分子结构中存在着芳香基、酚羟基、醇羟基、碳基共轭双键等活性基团，因此，在不同的环境中可以进行不同的化学反应，比如：氧化、还原、水解、酸解、卤化、缩聚、接枝或共聚等许多化学反应。反应后的一些水溶性物质会在油层水泥中不断析出，进而提高油层孔隙度和渗透率。
本发明采用向出砂采油井的出砂油层注入含一定浓度的可降解颗粒的硅酸盐水泥溶液，待其在出砂油层内部完成化学反应和变化后，再作业下泵完工开井，这样既建立了新的油层砂岩骨架，也保证了油层砂岩孔隙度和油层与井筒间的连通。其中，改造后的新的油层砂岩骨架及孔隙度大小，可以由加入可降解颗粒的粒径大小及含量决定。
考虑到可降解颗粒降解后，硅酸盐水泥所形成的新的油层砂岩骨架的稳定性，可使可降解颗粒与硅酸盐水泥的质量比为(5-35)：100。示例地，可降解颗粒与硅酸盐水泥的质量比可以为：5：100、6：100、7：100、8：100、9：100……31:100、32:100、33:100、34:100、35:100等等。
同样地，考虑到油层防砂的可实施性以及可降解颗粒降解后，硅酸盐水泥所形成的新的油层砂岩骨架的稳定性，可降解颗粒的平均粒径应小于油层疏松砂或流砂的平均粒径。油层疏松砂或流砂的平均粒径范围在20μm-200μm之间，具体应用时，可根据实际油层疏松砂或流砂的平均粒径来选择可降解颗粒的平均粒径。
可以理解是，平均粒径是表示分散固体颗粒群几何尺寸的一种尺度。对于一个由大小和形状不相同的颗粒组成的实际颗粒群，与一个由均一的球形颗粒组成的假想颗粒群相比，如果两者的粒径全长相同，则称此球形粒子的直径为实际颗粒的平均粒径。
另外，考虑到油层防砂液的流动性和固结性，可使油层防砂液的含水率为55-85％。示例地，油层防砂液的含水率可以为：55％、56％、57％、58％、59％……81％、82％、83％、84％、85％等等。
第二方面，本发明实施例提供了一种油层防砂液的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
将可降解颗粒和硅酸盐水泥干粉料混合并搅拌均匀，得到油层防砂液干料；
将水添加到所述油层防砂液干料中，搅拌均匀，制备得到所述油层防砂液；
其中，可降解颗粒为淀粉颗粒、植物蛋白颗粒、纤维素颗粒和木质素颗粒中的至少一种。
本发明实施例提供的制备方法制备得到的油层防砂液，通过向油层注入含有可降解颗粒的硅酸盐水泥，实现对油层的改造，改造后的油层不仅保留了油层的连通性与渗透性，还建立了新的牢固的油层骨架，从而避免了油层出砂，保证了采油井的生产时率，实现了采油井的稳定生产。
此外，该制备方法简单易行，原料易于获得，且成本低，可大大节约生产成本。
其中，在上述制备方法中所用的水可以为与防砂油层配伍的水。
在上述的制备方法中，对于硅酸盐水泥和可降解颗粒的选用，在第一方面已经做了详细说明，在此不再赘述。
在本发明实施例提供的制备方法中，为了加快硅酸盐水泥中氧化钙的溶解，还可在硅酸盐水泥溶液中加入熟化后的淀粉水溶液，以促使可降解颗粒的酸化。加快反应进程，实现快凝早强。
考虑到可降解颗粒降解后，硅酸盐水泥所形成的新的油层砂岩骨架的稳定性，可使可降解颗粒与硅酸盐水泥的质量比为(5-35)：100。示例地，可降解颗粒与硅酸盐水泥的质量比可以为：5：100、6：100、7：100、8：100、9：100……31:100、32:100、33:100、34:100、35:100等等。
考虑到油层防砂液的流动性和固结性，可使油层防砂液的含水率为55-85％。示例地，油层防砂液的含水率可以为：55％、56％、57％、58％、59％……81％、82％、83％、84％、85％等等。
第三方面，本发明实施例还提供了一种对第一方面所涉及的任一种油层防砂液的应用，该应用包括：将所述油层防砂液注入采油井的出砂油层中。
如图2-3所示，将上述油层防砂液注入到出砂油层3中(如图2所示)。图2为本发明实施例提供的注入防砂液时出砂采油井的油层剖面图。
具体实施方式：先在采油井1的油井套管管柱2的出砂油层3的下部下入丢手11，然后下入带插管桥塞9的注防砂液管柱10，插管桥塞9到出砂油层3的上部指定位置后座封，再用高压泵车把油层防砂液4经注防砂液管柱10注入采油井1，并由注防砂液管柱10下端的进油孔进入出砂油层3，混合均匀的油层防砂液4充填在油层骨架砂7和油层疏松砂或流砂8之间，使得可降解颗粒5和硅酸盐水泥6均匀分布于出砂油层3的孔隙中。
一段时间后，硅酸盐水泥6在出砂油层3中凝固，同时，使得油层疏松砂或流砂8和可降解颗粒5也固结其中。
又一段时间后，固结的可降解颗粒5在出砂油层3中降解消失(如图3所示)，图3为本发明实施例提供的防砂液反应后出砂采油井的油层剖面图，可降解颗粒5降解后让出所占据的空间体积，而油层疏松砂或流砂8仍然被硅酸盐水泥6固定在原有位置难以流动，从而起到防砂固砂作用。硅酸盐水泥6在油层内部形成纵横交错的网状结构，不仅保留了油层的油流孔隙，同时还形成了新的牢固的油层骨架。
将上述油层防砂液注入油层中，可实现对油层的改造，改造后的油层不仅保留了油层的连通性与渗透性，还建立了新的牢固的油层骨架，从而避免了油层出砂，保证了采油井的生产时率，实现了采油井的稳定生产。
在上述的应用中，油层防砂液的注入量可通过以下公式得到：
V＝π(r+A)2·d·Φ·k
其中，V为油层防砂液的注入量，单位为立方米；
r为采油井的半径，单位为米；
A为注入油层的深度，单位为米；
d为油层的厚度，单位为米；
Φ为油层的孔隙度；
k为[30％-50％]之间的常数。
采油井的半径r、注入油层的深度A、油层的厚度d、油层的孔隙度Φ均可通过查阅油井相关资料获得。
k的取值与油层有效孔隙度有关，有效孔隙度越大，k的取值越大。
示例地，当有效孔隙度相对较大时，可取k为50％；当有效孔隙度相对较小时，可取k为30％。在其他实施例中，也可根据实际情况，选择k为[30％-50％]之间的任意常数。
除此之外，还可将上述油层防砂液注入气井或注水井的出砂油层中，其技术方案和技术效果与上述注入采油井中类似，在此不再赘述。
以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本申请的技术方案，并不用以限制本申请。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
