儲氣庫巖心出砂實驗研究

摘要：地下儲氣庫大吞大吐的生產特點出易造成儲層出砂，通過模擬注采氣條件，在不同地層壓力下，開展出砂實驗研究，確定合理的注采氣生產壓差和流速。為優化儲氣庫單井注采配產指標提供理論依據，對實現儲氣庫注采井最大調峰能力提供數據參考。

關鍵詞：出砂實驗;出砂機理;儲氣庫

一、巖心出砂實驗的必要性

儲氣庫注采安全的影響因素不僅包括注采井失效、損壞的風險，還包括地層出砂的風險。尤其是儲氣庫井需要注氣、采氣兩種運行方式，出砂的后果將更嚴重。出砂關系著儲氣庫配產的大小、設備壽命長短等問題。儲氣庫特殊的生產方式，要求快速短期的注入和采出大量氣體，所以控制地層出砂的問題十分重要。控制地層出砂最直接的方法就是控制合理生產壓差。通過模擬各種注采條件開展出砂實驗，可以確定合理的注采壓差和注采氣速度，防止儲層出砂，為遼地下儲氣庫配產提供理論依據。

二、出砂實驗原理

一般而言，巖石強度越低越易出砂。通過對出砂巖石力學性質實驗，得到干燥巖心及不同含水飽和度巖石破壞強度、彈性模量、泊松比，根據樣品巖石學特點，通過實驗測得的參數，以此判斷儲氣庫出砂原因是剪切破壞還是拉伸破壞。出砂為剪切破壞，則是炮孔周圍應力作用的結果，與過低的井底壓力和過大的生產壓差有關;若是拉伸破壞，則是開采過程中流體作用于炮孔周圍地層顆粒上的拖曳力所致，與過高的開采速度或過大的流體速度有關。因此，采用不同含水飽和度巖心代表不同的開采階段，分析不同開發時期出砂的影響因素。

通過實驗結果可知，巖心樣品在地層壓力8MPa時，壓力梯度為1、2、3、4、5、6MPa/m下，通過公式（1）計算出對應生產壓差分別為0.23、0.70、1.09、1.75、2.41、3.31MPa。

將巖心中氣體的線性滲流與井筒附近氣體的徑向流相結合，基于采氣強度計算公式（2），可求得注采井的實際生產壓差為：

在向巖心注氣的過程中，結合氣測滲透率公式（3），對巖心在氣驅過程中滲透率的變化進行監測，記錄實驗數據。

在比較小的生產壓差下，巖心的出砂量相對較少，當生產壓差逐漸增大，出砂量突然增大，認定此時巖心達到臨界狀態，上一驅替壓差即為臨界壓差，對應的生產壓差為臨界生產壓差1.75MPa。

由直井氣體體積流量公式（4）：

可以求得地層壓力8MPa時臨界生產壓差為1.75MPa下，最大注采氣強度為2.53×104m3/m/d。

由水平井氣體體積流量公式（5）：

可以求得地層壓力8MPa時臨界生產壓差為1.75MPa下，水平井臨界注采強度為0.39×104m3/m/d。在實際生產過程中要控制生產壓差調整注采氣量，確保儲氣庫生產運行平穩，保證注采效果。

為了便于對比分析，將1英寸干巖樣及不同含水飽和度的濕巖樣共計4大組實驗數據，繪制臨界出砂點生產壓差與地層壓力的關系曲線，將全直徑干巖樣及不同含水飽和度濕巖樣共計4大組實驗數據繪制臨界出砂點生產壓差與地層壓力的關系曲線，

（1）在相同地層壓力下干砂巖臨界出砂點生產壓差高于含水砂巖臨界出砂點生產壓差，同時含水率越高，臨界出砂點生產壓差越小。分析認為在沒有水流動的條件下，出砂形式主要是微粒運移，但骨架砂未遭破壞，出砂輕微。當有水流動時，則易產生巖石破壞出砂，使出砂加劇，所以臨界出砂點生產壓差在無水時最低，濕砂巖的臨界出砂點壓差隨含水率的增加而降低。

（2）在臨界出砂點生產壓差和地層壓力關系曲線上都出現了明顯的拐點，干巖樣的拐點大約在16MPa，濕巖樣的拐點大約在18MPa。隨著地層壓力升高臨界出砂點生產壓差不斷增大，地層壓力大于拐點處壓力時，直線斜率變大，臨界出砂點生產壓差增長速度加快。分析認為地層壓力越小，地層骨架拉伸破壞及微粒運移越容易，地層砂易被氣體攜帶出，反之地層壓力越大，地層砂越不容易被攜帶出。

三、結論及建議

1.在相同地層壓力下干砂巖臨界出砂點生產壓差高于含水砂巖臨界生產壓差，同時含水率越高，臨界生產壓差越小。分析認為，地層壓力越小，地層骨架拉伸破壞及微粒運移越容易，地層砂易被氣體攜帶出，反之地層壓力越大，地層砂越不容易被攜帶出。

2.物理模擬實驗分析可知，具有大孔隙的砂質巖類易于微粒運移出砂。出砂對儲層的滲透性產生影響，微粒隨流體運移初期，微粒堵塞孔隙，巖石滲透率降低。隨著生產壓差不斷增大，微粒隨流體流出后，巖石滲透性改善，滲透率提高，同時也容易造成地層砂埋等影響正常生產運行。

參考文獻

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作者簡介：鄭世紅，（1968.07.28-），黑龍江大慶人，副研究員，大學本科，主要從事高職教學、培訓、科研。專長：石油鉆井教學與培訓、課程開發。