氟硼酸防砂技术

氟硼酸防砂技术卿三权1、概况油井出砂是油井日常生产中经常遇到的影响油井生产的重要问题之一。一般而言，当地层应力发生改变，改变地层强度时，地层就容易出砂。地层应力包括地层结构应力、地层压力、流体流动时产生的拖曳力，地层空隙压力和生产压差形成的作用力。地层出砂的最直接原因是地层强度发生改变，因此地层强度的强弱将直接影响地层出砂的严重与否。地层强度主要取决于地层胶结物的胶结力，圈闭流体的粘着力，地层颗粒物之间的摩擦力以及地层颗粒本身的重力。由于地层出砂，将给油井的正常生产带来严重的危害，危害有以下几个方面：（1）当地层轻度的出砂时，地层砂随地层流体的开采进入油井开采系统，由于地层砂为固体颗粒物质，具有一定的强度，地层砂随流体流动时必然对流体所经设施和管线造成磨蚀，从而影响设备的使用寿命，甚至造成设施的损毁，导致油井不能正常生产。（2）当地层出砂进一步严重时，地层大量出砂，出砂导致管线砂堵、管线设施的砂堵，由于生产管线的砂堵引起油井减产，甚至停产。（3）地层严重出砂导致地层矿物骨架的完全坍塌，套管受坍塌地层砂岩挤压、撞击，导致地层堵死、套管损坏，油井报废。防砂工艺技术是油气井开采的重要工艺措施之一，防砂工艺技术随着油田开采技术的发展而逐步发展。防砂工艺技术主要包括机械防砂、化学防砂、复合防砂和压裂防砂工艺技术2、氟硼酸防砂机理氟硼酸防砂技术最早来至于油井的酸化工艺，用氟硼酸代替土酸进行地层酸化由Thomas和Crowe于1978年推荐的，当时为了解决在对地层用土酸进行酸化时，酸化过程产生的地层堵塞的问题，经研究发现，地层堵塞的原因是因为酸化过程中粘土和细小颗粒的移动导致地层的堵塞，当时发现氟硼酸进入地层后可以缓慢水解生成HF，氟硼酸水解反应速度较慢，因此用氟硼酸进行酸化要比用土酸进行酸化时的反应速度慢得多，可以使酸化范围更加深入地层深部，提高酸化范围。同时，氟硼酸通过水解产生的氢氟酸可以与地层矿物发生化学反应，其与地层粘土的化学反应能够溶解、胶结粘土颗粒，从而起到稳定粘土层和细小颗粒的位移作用。研究还发现通过不相溶流体的接触，用氟硼酸处理过的粘土敏感性下降，不易膨胀和分散。通过岩心实验证实了氟硼酸对粘土和细粉砂的稳定作用，经过现场的实验应用也表明，通过氟硼酸处理后的地层能够达到防砂、增产的作用。2.1氟硼酸的水解氟硼酸是一种强酸，其酸性与盐酸相近，其电离方程式为：HBF4+H20=H30++BF4氟硼酸通过缓慢水解反应生成HF，其水解为多级水解反应，其反应过程如下：HBF4+H2O⇋HBF3OH+HF(慢)HBF3OH+H2O⇋HBF2（OH）2+HF(快)HBF2（OH）2+H2O⇋HBF（OH）3+HF(快)HBF2（OH）3+H2O⇋HB（OH）4+HF(快)由氟硼酸水解反应可知其一级水解反应速度最慢，因此可以用氟硼酸一级水解反应来代替氟硼酸的水解反应，氟硼酸水解反应速度由一级水解反应控制。氟硼酸的水解度决定了反应过程中生成HF的浓度，该浓度决定HF与地层矿物的反应速度。试验研究表明，虽然温度升高会加快氟硼酸的水解速度，但由于氟硼酸水解度的限制，氟硼酸达到水解平衡时，系统中HF的浓度仍较低，一般都低于0.2%。正是由于氟硼酸水解反应速度的原因，决定了氟硼酸在地层中是逐渐的释放出HF，当HF被消耗后，氟硼酸可以进一步水解生成HF，因此在氟硼酸被完全消耗之前，酸液能够进入地层深部较大范围，用作地层的深部处理。2.2氟硼酸对地层矿物溶蚀作用地层矿物中粘土的组成比复杂，一般包括蒙脱石、绿泥石、高岭石、伊利石等，储层黏土具有阳离子交换、水化作用、絮凝以及吸附有机化合物等特性,而且黏土在岩石中的存在形式一般呈颗粒覆盖、粒间搭桥或在空隙中疏松填充,因此很容易与外来流体接触,发生各种物理化学反应,产生诸如水敏、酸敏、分散运移等损害作用,降低储层渗透率。氟硼酸通过水解产生的HF与粘土矿物的化学反应是一种三次化学反应行为，实际反应行为相当复杂，通过HF与粘土的一次反应，可以起到对粘土矿物的溶解作用，减少地层中粘土矿物的含量，提高地层的渗透率，由HF与地层矿物的化学反应可知，HF与地层矿物发生一次反应的化学产物继续与粘土矿物进行二次、三次化学反应。粘土矿物的组成主要是硅铝酸盐，实验发现HF对粘土矿物中硅、铝元素的溶蚀速率不同，一般情况下对铝酸盐的溶解率强于对硅酸盐的溶解。氟硼酸通过对粘土矿物中铝离子的溶解，可以降低粘土矿物的阳离子交换能力，使粘土钝化，减少粘土矿物的膨胀，防止因粘土膨胀对地层造成的伤害。另一方面HF酸与地层矿物的二次反应本质上是次生的氟硅酸进一步与铝硅酸盐反应，并在粘土表面形成硅凝胶，硅凝胶可使粘土微粒产生化学凝聚作用，凝聚后的微粒在原地胶结，使得处理后因流量加大而引起的微粒运移受到限制，起到了稳定粘土矿物的作用。实验研究还发现HF在地层中发生化学反应过程中可以产生氟硅沉淀物，氟硅沉淀物聚集在砂岩和粘土矿物的表面可以改变了粘土和砂岩的表面结构，能够起到稳定了粘土的作用。2.3.氟硼酸通过对地层矿物的胶结作用氟硼酸通过水解产生HF和BF(OH)3，HF与地层岩石矿物进行化学反应可以对地层粘土起到溶蚀和防膨作用，而水解产生的羟基氟硼酸亦与地层岩石矿物进行反应形成硼硅酸盐和硼酸盐，硼硅酸盐在粘土表面形成一层不溶的硼硅酸盐覆盖物，硼硅酸盐能够胶结未溶解的粘土微粒和岩石，使其成为架状结构，阻止粘土颗粒位移，起到稳定粘土的作用，同时由于对粘土颗粒与岩石的胶结作用可以提高岩石的胶结强度，减少地层出砂。在HF于岩石矿物反应中，来自不溶粘土结构中的铝由于生成一种氟铝酸盐络离子（取决于F-）而在溶液中溶解，因此矿物表面富集了硅和硼，在剩余的硅酸盐和硅细粒上则形成非晶质硅和硼硅玻璃涂层，他们溶合呈骨架，这增加了未溶蚀粘土矿物的结构强度，使得形成架构结构的粘土矿物不容易被破坏，从而起到稳定粘土微粒，阻止微粒运移，防止出砂的作用。氟硼酸防砂作用是通过上面三个方面共同作用而形成的，通过对粘土的溶蚀作用减少地层中可移动微粒的数量，提高地层的渗透率，通过对粘土的溶蚀稳定作用减少由于地层微粒位移造成的地层渗透率伤害，通过对粘土矿物和岩石骨架的胶结作用提高地层强度减少地层出砂的危害。3、氟硼酸酸化防砂体系通过实验研究得到氟硼酸酸化体系如下:前置液:10%～12%ＨＣｌ+ｌ%～1.5%缓蚀剂+1%～1.5%铁稳定剂+1%粘土稳定剂+0.5%破乳剂+0.3%～0.5%助排剂+3%ＮＨ4Ｃｌ;氟硼酸:10%ＨＣｌ+8%～10%ＨＢＦ4+1%～1.5%缓蚀剂+1%～1.5%铁稳定剂+1%粘土稳定剂+0.5%破乳剂+0.3%～0.5%助排剂+3%ＮＨ4Ｃｌ后置液:5%ＨＣｌ+1%缓蚀剂+1%铁稳定剂+1%粘土稳定剂+0.5%破乳剂+0.3%～0.5%助排剂+3%ＮＨ4Ｃｌ4.氟硼酸防砂工艺技术4.1选井条件：1).油井出砂量不大,所出的砂主要为粉细砂、粘土砂或粘土类物质。2).地层温度低至中等,一般要求65℃以下。3).储层的粘土含量较高,胶结物主要为泥质胶结,且泥质胶结物中的水敏性矿物如:蒙脱石、伊利石、高岭石等占有较高的比例。4)对注水开发油藏,要求油井含水低于50%,若油井含水太高,大部分粘土矿物被溶解或随产出液带出,酸化后难以达到稳定地层的目的。4.2防砂剂用量的确定氟硼酸防砂剂的使用可以增大油层的处理深度，从而获得更加有效的长期防砂效果，在实际应用中按照油井处理半径为3-3.5m，依据油井地层孔隙度计算油井防砂剂用量，计算公式如下：Q=ПR2ФH式中：Q——每米油层需要防砂剂的用量,m³；R——处理半径,m；Ф——地层平均孔隙度，%；H——油层厚度,m。4.3施工压力出砂地层胶结疏松，为防止作业对地层造成的二次伤害，在施工时应严格控制注入压力。4.4施工方案依据油层的地质条件，选择合适的油井进行防砂治理。按照油层厚度确定防砂剂的用量，在配液站或施工现场配置防砂剂，将配制好的防砂剂泵入地层，关井48H后，开井进行冲砂作业。