弱膠結儲層微觀出砂形態與出砂機理可視化實驗模擬研究

董長銀 閆切海 周博 王宇賓 鄧君宇 宋洋 王力智

1. 中國石油大學(華東)非常規油氣開發教育部重點實驗室；2. 中國石油集團工程技術研究有限公司

出砂是弱膠結石油與天然氣儲層以及天然氣水合物儲層開采過程中的棘手問題，出砂模擬與預測是研究弱膠結儲層出砂規律的主要手段［1-2］。早期針對弱膠結儲層出砂規律的研究主要基于宏觀的剪切破壞和拉伸破壞等機理［3］，國內外學者基于宏觀力學分析或連續介質原理研究建立了不同的出砂機理和出砂預測模型，包括線-彈性模型、彈-塑性模型等［4-6］。基于宏觀力學的出砂模擬模型無法考慮巖石的微觀結構及其非均質性，因此預測結果與實際情況存在一定差異［7-9］。基于宏觀出砂機理的出砂預測模型可以實現儲層出砂臨界條件和總體出砂規律的預測，但也無法揭示微觀出砂過程及其儲層出砂后的虧空形態［10-12］，而目前出砂模擬的實驗研究主要借助于巖心驅替手段，預測出砂條件、出砂量及出砂規律等影響因素［13-16］。這同樣是模擬巖心的總體或宏觀出砂規律，難以觀察和揭示顆粒運移及出砂過程的微觀本質與機理，也難以探測出砂造成的微觀虧空形態。綜上所述，無論是出砂模擬預測的數值模擬研究還是實驗模擬研究，目前主要基于宏觀出砂機理和著眼于宏觀出砂規律，而對于儲層微觀出砂的模擬尤其是實驗模擬研究較少，難以系統地揭示弱膠結儲層的微觀出砂過程、機理及其本質。

針對上述問題，使用可視化微觀出砂模擬裝置開展了系列弱膠結巖心微觀出砂過程模擬實驗，總結提出了系統的微觀出砂形態和對應的微觀出砂機理，并分析了不同出砂形態及其演變的主控因素和定量規律，以及出砂量的差異及影響因素，為后續儲層微觀出砂過程數值模擬和出砂規律的精確定量預測提供了新的參考依據。

1 微觀出砂形態模擬實驗

1.1 實驗原理與方法

為了模擬儲層巖心在流體驅替作用下的出砂過程，構建了微觀出砂可視化模擬實驗裝置，其結構如圖1所示。實驗裝置由巖心薄片模型模塊、顯微成像采集模塊、氣液泵送模塊以及集砂模塊組成。流體泵送模塊的出口與巖心薄片模型模塊的入口連接，分為供氣線路和供液線路兩部分，供氣線路通過供氣瓶、平流泵和活塞容器實現流體的恒流驅替；供液線路通過平流泵和儲液罐直接泵送流體，配合活塞容器可以實現增黏水等高黏流體(最高200 mPa · s)的恒流驅替；巖心薄片模型模塊的出口與集砂模塊的入口連接，包括矩形模型、梯形模型、徑向流模型3種模型，可以根據實驗需求選取；顯微成像采集模塊與巖心薄片模型模塊連接，視頻顯微鏡可以任意設置放大倍數、觀測位置、角度，能夠拍攝視頻及圖像，最大放大倍數750倍。流體通過薄片模型流動導致巖心樣品出砂，通過上方的高清視頻顯微鏡觀察樣品出砂情況。為了觀察樣品變化不明顯的輕微出砂情況時的現象，薄片模型出口處管線是透明的。為了不同研究目的，巖心薄片模型分為多個種類，此次實驗中為了模擬實際生產過程中，越靠近井筒流體流速越大的特點，選取梯形薄片進行實驗，薄片填砂空間厚度5 mm。

根據實驗需要將砂粒和膠結劑按一定的質量比例在同一容器中混合均勻，將混合料填入薄片模型中，置于恒溫箱內，在相同的溫度下固化相同的時間。之后將薄片模型取出后自然冷卻至室溫，然后接入實驗裝置進行流體驅替實驗。按照相同的參數制作2份成分和膠結程度相同的巖心，一個用于出砂模擬實驗，另一個用于測試抗拉強度。需要注意的是，人造巖心的制備需要參考實際目標儲層巖心的抗拉、抗壓和內聚強度以及彈性模量等力學參數。實驗的主要目的是研究不同強度下的出砂形態和規律，因此僅測試了抗拉強度參數作為巖心強度物性的表征參數。實驗時，首先設定驅替流量，通過視頻顯微鏡觀察拍攝樣品砂粒的微觀脫落行為；通過壓力傳感器實時記錄樣品兩端壓差，配合流量數據，可以計算樣品的滲透率；通過集砂系統收集驅替出的砂粒，加熱烘干后稱重得到樣品出砂量。

圖1 微觀出砂可視化模擬實驗裝置流程Fig. 1 Flow chart of the visual simulation experimental device of microscopic sand production

1.2 實驗材料與實驗條件

本實驗使用的主要材料為模擬地層砂和環氧樹脂膠結劑。實驗砂粒準備了粗砂和細砂2種不同的白色工業石英砂，分別標號S1和S2，如圖2所示。S1砂樣粒度中值0.28 mm，均勻系數2.18；S2砂樣粒度中值0.06 mm，均勻系數2.21。2種砂粒粒度分布曲線如圖3所示。為了便于顯微觀察，2種砂樣中均加入質量分數1%的藍色示蹤砂。制備巖心樣品使用的膠結劑為常規e44環氧樹脂，因其黏度很高，實驗前用乙醇進行稀釋以便準確控制每次的加入量和膠結強度。因需要可視觀察，薄片模型開有觀察窗并連接透明管路，不能承受過大壓力，實驗在常溫常壓下進行。膠結劑的固化溫度80 ℃，固化時間約2.5 h。

圖2 實驗用砂粒樣品Fig. 2 Sand sample used in the experiments

圖3 實驗用砂粒樣品粒度分布曲線Fig. 3 Particle size distribution curve of sand sample used in the experiments

2 微觀出砂形態與機理實驗結果分析

2.1 典型微觀出砂形態分析

根據不同實驗條件下，實驗過程中樣品顆粒的微觀行為特點和實驗后樣品的宏觀虧空形態，歸納總結出了連續垮塌式出砂、孔隙液化式出砂和類蚯蚓洞式出砂3種典型出砂微觀形態。

(1)連續垮塌式出砂形態。在100 mL/min的流量下對膠結強度0 MPa(無膠結物的自然壓實)的S1砂樣樣品和膠結強度0 MPa、0.11 MPa的S2砂樣樣品進行清水驅替實驗，其樣品宏觀虧空和顆粒微觀行為特點如圖4和圖5所示。實驗時的流體入流口位于梯形容器的寬端，出口位于容器的窄端，由于沿流動方向流動面積越來越小，流體流速變高，這樣設置的目的是模擬實際近井地帶向井流動流體流速逐漸增加的特征。圖4和圖5所示實驗顯示典型的連續垮塌式出砂模式。在流體驅替作用下，巖心樣品模型內靠近流出口處的顆粒先開始運移，隨后顆粒脫落前沿著驅替流體的來流方向，從流出口迅速推進到入流口附近，這個過程時間很短，脫落前沿經過的區域，大量顆粒從原位脫落最終形成寬度很大、波及面積廣的較大虧空，作為流體流動的優勢通道(圖4)。微觀上局部顆粒在流體驅替作用下幾乎同時發生脫落運移，顯微鏡微觀察視野中的顆粒幾乎全部都在移動(圖5)。

圖4 連續垮塌式出砂虧空形態模擬結果Fig. 4 Simulated sand-production voided morphology of progressive collapse type

圖5 連續垮塌式出砂樣品顆粒微觀形態Fig. 5 Microscopic particle morphology in the sand production sample of progressive collapse type

(2)類蚯蚓洞式出砂形態。在100 mL/min的流量下對膠結強度0.16 MPa、0.33 MPa的S1砂樣樣品和膠結強度0.39 MPa、0.61 MPa的S2砂樣樣品進行清水驅替實驗，其虧空和顆粒微觀行為特點如圖6和圖7所示。圖6和圖7為典型的類蚯蚓洞式出砂形態。在流體驅替條件下，在流速較高的流出口附近，顆粒在高流速沖刷下首先發生脫落形成局部虧空，但虧空范圍較小；隨后虧空邊緣處流體來流方向的顆粒發生脫落，形成孔洞形狀；繼續驅替進行，顆粒脫落形成的孔洞從流出口處開始逐漸向流入口方向沿膠結弱面延伸，形成類似蚯蚓洞的孔道型虧空(圖6)。蚯蚓洞形成過程中，下游顆粒不脫落，上游顆粒保持不動。微觀上樣品顆粒在流體驅替作用下順著流體流動方向依次脫落，直接形成宏觀可見的類蚯蚓洞；有時則會先在宏觀孔洞末端形成幾個或十幾個顆粒寬度的微觀孔道(圖7)，這些微觀孔道也會隨流體驅替逐漸延伸，最終靠近宏觀類蚯蚓洞的微觀孔道兩側的顆粒會發生坍塌脫落，致使宏觀孔洞延伸。

圖6 類蚯蚓洞式微觀出砂形態模擬結果Fig. 6 Simulated microscopic sand production morphology of similar worm hole type

圖7 類蚯蚓洞式出砂樣品顆粒微觀行為Fig. 7 Microscopic particle behavior in the sand production sample of of similar worm hole type

(3)孔隙液化式出砂形態。在100 mL/min的流量下對膠結強度0.56 MPa的S2砂樣樣品進行清水驅替實驗，其樣品宏觀虧空和顆粒微觀行為特點如圖8所示。圖8的實驗模擬結果為典型的孔隙液化式出砂形態模式。在流體驅替條件下，宏觀上樣品外觀保持完整，沒有目視可見的顆粒脫落，也未形成明顯的虧空，如圖8(a)所示。但實際上，在巖心樣品內部，膠結相對較弱且尺寸小的顆粒在流體作用下發生脫落運移，因為發生在樣品內部，且脫落顆粒的數量及尺寸較小，顯微鏡中觀察不到明顯現象，但在出口透明管道內能夠看到運移的顆粒，如圖8(b)所示。

圖8 孔隙液化式出砂樣品宏觀形態與顆粒運移Fig. 8 Macroscopic morphology and particle migration in the sand production sample of pore fluid type

2.2 微觀出砂形態與機理分析

對于弱膠結巖心，砂粒的產出分為3個過程并必須達到3個條件：一是顆粒從巖石骨架或基質上剝落的條件，或者砂粒原本以游離砂形式存在；二是砂粒從砂源地(即砂粒原始存在的地方)，必須具有比自身尺寸大的產出物理通道；三是砂粒在產出通道中必須達到被流體攜帶的條件。根據實驗結果，不同的巖心膠結強度和流體攜帶條件下，對上述3個出砂過程的影響各不相同，巖心出砂形態在微觀上表現出不同的模式和規律，并且具有一定的典型性，下面進一步總結梳理這些形態和相應的出砂機理。

(1)連續垮塌式出砂機理。根據實驗結果分析，連續垮塌式出砂形態的特點為，地層砂顆粒在流體作用下出現連續性大面積剝落和運移，顆粒脫落前沿推進速度很快，最終形成寬度較大的條帶狀虧空。這種出砂模式主要出現在極弱膠結的巖心上。膠結極弱儲層巖心的連續垮塌式出砂過程及微觀機理示意圖如圖9所示。膠結極弱儲層巖心的連續垮塌式微觀出砂機理為：極弱膠結巖心顆粒間的內聚強度較小，在流體流動沖刷攜帶下，絕大部分或幾乎全部顆粒達到從基體上剝落的條件。在靠近裸眼井壁或射孔孔眼孔壁附近的區域，流體流速最高，這些區域也處于出砂外圍區域，顆粒首先大面積剝落，造成新的出砂虧空斷面，新的出砂斷面顆粒在流體作用下繼續脫落并在虧空孔道內被流體攜帶運移，最終展現出連續垮塌出砂形態。連續垮塌式出砂形態主要發生在膠結強度極低的流砂或半流砂儲層。

圖9 連續垮塌微觀出砂機理Fig. 9 The microscopic sand production mechanism of progressive collapse type

(2) 類蚯蚓洞式出砂機理。根據實驗模擬結果，類蚯蚓洞式出砂的特點為，在巖心樣品的高流速區，局部膠結較弱的顆粒在流體沖刷作用下首先剝離脫落，形成較小的虧空通道；隨著流體驅替進行，在虧空孔道邊壁上膠結強度較弱的顆粒繼續脫落，出砂虧空孔道沿膠結弱面方向擴展，形成類似于蚯蚓洞的出砂形態，如圖10所示。實驗模擬得到的類蚯蚓洞出砂孔道寬度約為在0.5～1 cm。類蚯蚓洞式出砂機理為：儲層巖心膠結顆粒間膠結強度具有一定非均質性，孔隙度和滲透率也具有非均質性，造成流體流速分布不均。在裸眼井壁或射孔孔眼孔壁上，高流體流速區或巖心顆粒膠結強度較低的位置，地層砂顆粒首先脫落，形成微小虧空。出砂虧空處的孔隙增大，流動阻力降低，流體流速增加；使得出砂虧空孔道上周邊成為高出砂風險區域。隨著驅替進行，虧空孔道壁面上膠結強度較弱的顆粒繼續脫落出砂，使得出砂孔道沿非均質的膠結弱面延伸擴展。由于巖心膠結和顆粒尺寸的非均質性，導致出砂虧空孔道不規則，形成類似蚯蚓洞狀的出砂孔道形態。類蚯蚓洞出砂形態主要發生在膠結強度較弱、非均質性較強的半流砂或弱固結儲層中。

圖10 類蚯蚓洞微觀出砂機理及過程示意圖Fig. 10 Sketch of the microscopic sand production mechanism and process of similar worm hole type

(3) 孔隙液化式出砂機理。根據實驗結果，孔隙液化式出砂的特點為，巖心樣品在外觀并未發生明顯的變化，在表面也觀察不到地層砂粒的明顯運移，但在驅替流體中觀察到產出砂粒的存在，巖心確實出現了出砂現象。孔隙液化出砂機理為：由于巖心具有一定的膠結強度，在流體沖刷作用下，從裸眼井壁或射孔孔眼孔壁壁面開始，只有少量膠結強度較低、粒徑較細的地層砂粒脫落產出；砂粒產出起到疏通孔隙的作用，降低流動阻力和增大局部流體流速，使得周邊達到出砂條件的細小砂粒持續產出。由于產出砂粒徑較細，砂量較小，不會對儲層巖心結構產生影響，只是使得出砂區域的巖心孔隙度增大，相當于一部分固相顆粒變為流動相而“液化”。孔隙液化出砂過程及機理如圖11所示，這種出砂模式一般發生在中高固結強度的儲層中。

圖11 孔隙液化微觀出砂機理及過程Fig. 11 The microscopic sand production mechanism and process of pore fluid type

3 出砂微觀形態影響因素分析

弱膠結儲層的連續垮塌、類蚯蚓洞和孔隙液化出砂形態和機理受地層砂顆粒粒徑、膠結強度、流體流速等多種因素及其非均質性影響，影響規律和機理復雜。通過實驗主要探究砂粒粒徑、膠結強度和流體流速對3種微觀出砂形態的影響規律。

3.1 砂粒尺寸與膠結強度對微觀出砂形態的影響

為探究顆粒尺寸與膠結強度對樣品出砂微觀形態的復合影響，向S1砂樣和S2砂樣分別加入膠結劑(質量比0%、0.05%、0.1%、0.15%和0.2%)，混合后填入梯形薄片裝置置于恒溫箱內，在80 ℃的溫度下固化2.5 h。之后將樣品分別接入驅替裝置進行同流量驅替實驗，驅替流量100 mL/min，檢測記錄樣品兩端壓差計算樣品的滲透性能。因為實驗使用相同的薄片模型，采用流量Q(mL/min)與壓差Δp(kPa)的比值Q/Δp(下稱流量壓差比)表征巖心樣品的滲透性變化，得到出砂量與實驗中樣品滲透性能的變化結果如圖12所示。

由圖12可看出，隨膠結強度的增加，S1砂樣品和S2砂樣品的出砂量都減小，而且呈現比較明顯的階梯狀變化。結合實驗樣品的宏觀虧空形態分析可知，在膠結強度增加的過程中，S1砂樣品的出砂形態經歷了從連續垮塌式出砂，到類蚯蚓洞式出砂，再到孔隙液化式出砂的3個階段轉變，如圖13所示；S2砂樣品的出砂形態經歷了從連續垮塌式出砂到類蚯蚓洞式出砂的2個階段轉變，如圖14所示。

圖12 不同粒徑地層砂出砂規律對比Fig. 12 Comparison between sand production laws of formation sands with different particle sizes

圖13 不同膠結強度下S1砂樣的的出砂形態Fig. 13 Sand production morphology of S1 sand sample under different bonding strengths

結果分析表明，弱膠結樣品的出砂形態和出砂量受膠結強度與顆粒尺寸的共同影響，2個因素之間有協同作用。從圖12還可以看出，類蚯蚓洞式出砂和孔隙液化式出砂的S1樣品平衡流量壓差比(即滲透性能)基本相同，但后者的出砂量僅為前者的15%左右。出砂量是現場實際生產中衡量出砂程度的一個重要指標，因此辨別儲層出砂微觀形態具有顯著的工程意義。

圖14 不同膠結強度下S2砂樣的的出砂形態Fig. 14 Sand production morphology of S2 sand sample with different bonding strengths

3.2 驅替流量對微觀出砂形態的影響

為了探究驅替流量對巖心微觀出砂形態的影響，向S2砂中加入質量分數 0.1%的膠結劑，膠結后強度約為0.22 MPa，混合后填入梯形薄片裝置，在相同環境條件下進行固結制備5個相同的樣品，分別使用100、80、60、40 mL/min的流量進行驅替實驗，實驗過程中檢測記錄樣品兩端壓差，計算樣品滲透性能的變化并用記錄出砂量，得到如表1所示的出砂量結果和如圖15所示的出砂形態模擬結果。

表1 出砂量隨驅替流量的變化Table 1 Variation of sand production rate with displacement rate

分析圖15和表1可以發現，隨著驅替流量的減小，巖心出砂量明顯降低；出砂微觀形態逐漸從連續垮塌式出砂與類蚯蚓洞式出砂的過渡階段轉變為類蚯蚓洞式出砂，即驅替流量的減小會降低樣品出砂的嚴重程度。值得注意的是，驅替流量從100 mL/min降低為40 mL/min后，微觀出砂形態并沒有發生明顯改變，依然以類蚯蚓洞為主。這意味著顆粒尺寸與膠結強度及其非均質性是影響出砂微觀形態的主要因素，驅替流量對出砂微觀形態的影響相對次之，但會大幅影響出砂量。

圖15 不同驅替流量下S2砂樣的的出砂形態Fig. 15 Sand production morphology of S2 sand sample at different displacement rates

實際工程現場更關注油井出砂量與產量之間的關系。利用表1的實驗數據進行擬合，可得到類蚯蚓洞出砂模式下出砂量與流體流量的關系，如圖16所示。巖心樣品的出砂量與驅替流量Q2/3基本呈線性關系。

圖16 出砂量m與Q2/3的關系Fig. 16 Relationship between m and Q2/3

3.3 驅替時間對出砂的影響

實驗過程中發現，流體驅替時間對巖心樣品的出砂規律有一定影響。圖17為S1地層砂在摻入不同比例膠結劑后的2種膠結強度(分別為0.16 MPa和0.33 MPa)下，進行驅替實驗得到的流量壓差比隨時間變化關系，可以看出，膠結強度0.33 MPa的樣品滲透性能始終保持穩定；而膠結強度0.16 MPa的樣品在驅替初期流量壓差比維持在0.5 mL/(kPa · min)左右并持續了一段時間，隨后迅速升高到1.7 mL/(kPa · min)左右。這種滲透性的突發性較大提高說明巖心發生了短時間大量出砂。分析認為，流體對顆粒間膠結物具有軟化削弱作用，驅替時間越長膠結物的浸泡時間越長，顆粒間強度逐漸越低；當膠結強度降到出砂條件以下后，發生突發性大量出砂。巖心樣品微觀出砂形態和出砂量不僅受膠結強度和驅替流量的影響，還和驅替時間相關；長時間的驅替可能促使出砂形態向更嚴重的方向轉變。

圖17 驅替時間對樣品出砂形態的影響Fig. 17 Effect of displacement time on sand production morphology

4 結論與認識

(1) 通過可視化微觀出砂模擬實驗手段，研究提出了弱膠結儲層連續垮塌式、類蚯蚓洞式和孔隙液化式3種典型的微觀出砂形態和出砂機理。連續垮塌式出砂一般發生在流砂或半流砂地層，類蚯蚓洞式出砂一般發生在非均質性較強的半流砂或弱固結儲層，而孔隙液化出砂模式多發生在中高固結強度地層。

(2) 膠結強度和顆粒尺寸是影響微觀出砂過程和出砂形態的主要因素，且兩者間有相互耦合作用；驅替流量對微觀出砂形態的影響次之，但會明顯影響出砂量；驅替流體對顆粒間膠結強度有削弱作用，長時間的驅替過程可能誘使出砂微觀形態趨向于向出砂加劇的形態轉變。

(3) 出砂形態和驅替流量是影響出砂量的主要因素，類蚯蚓洞式出砂形態下的出砂量與驅替流量Q2/3大致呈線性關系；孔隙液化式的出砂量僅為類蚯蚓洞式出砂形態出砂量的15%。