中等固結(jié)砂巖出砂機(jī)理與規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

劉偉，閆新江，林海，周寶，劉小剛，鄧金根

1 中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

2 中國石油大學(xué)(北京)石油工程學(xué)院，北京 102249

3 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028

4 中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300459

5 中石油塔里木油田公司，新疆 庫爾勒 841000

6 中海石油(中國)有限公司，北京 100010

0 引言

出砂一直是困擾砂巖油氣藏開采的主要技術(shù)難題之一，容易引發(fā)井下和地面設(shè)備磨蝕，縮短油氣井壽命，降低油氣井產(chǎn)量乃至迫使油氣井關(guān)井停產(chǎn)[1-2]。揭示儲層出砂機(jī)理與出砂規(guī)律是完井方式選擇以及防砂完井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計不可或缺的基礎(chǔ)[3]。根據(jù)固結(jié)程度，砂巖儲層巖石大致可按單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)劃分為未固結(jié)/弱固結(jié)砂巖(UCS＜10 MPa)﹑中等固結(jié)砂巖(10＜UCS＜50MPa)以及固結(jié)高強(qiáng)度砂巖(UCS＞50MPa)[4,5]。生產(chǎn)實(shí)踐表明，正常生產(chǎn)壓差條件下，固結(jié)高強(qiáng)度砂巖儲層孔眼周圍巖石能夠保持完整而不破壞，出砂風(fēng)險較小[4-5]。未固結(jié)/弱固結(jié)砂巖儲層在油氣生產(chǎn)過程中出砂一般不可避免，研究主要著重于揭示完井參數(shù)﹑儲層物性參數(shù)與生產(chǎn)參數(shù)對儲層出砂的影響規(guī)律[4,6-11]，從而為設(shè)計有效的防砂措施提供理論基礎(chǔ)。國內(nèi)外的物理模擬實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，疏松砂巖油藏顆粒膠結(jié)弱﹑成巖性差，孔眼附近巖石在鉆采擾動后大多處于松散狀態(tài)[8]，特別是疏松砂巖稠油熱采井，在蒸氣作用下，儲層巖石砂粒之間的膠結(jié)幾乎破壞殆盡[7,12]，出砂機(jī)理表現(xiàn)為這些離散砂粒在流體拖曳力作用下克服顆粒間的摩擦力和膠結(jié)作用而發(fā)生拉伸破壞，自井眼或射孔表面剝落，隨后運(yùn)移至井筒內(nèi)，因此影響出砂的因素主要包括儲層巖石膠結(jié)強(qiáng)度﹑地層流體黏度﹑儲層滲透率和流體滲流速度或生產(chǎn)壓差[8,12]。針對這類儲層，國內(nèi)外學(xué)者通過分析單個砂粒的受力狀態(tài)，建立了出砂臨界生產(chǎn)壓差預(yù)測理論[1,13-15]。這些理論均假設(shè)孔眼周層巖石未固結(jié)或在鉆完井?dāng)_動下已經(jīng)發(fā)生剪切破壞而處于塑性狀態(tài)，已具備出砂必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著生產(chǎn)壓差和相應(yīng)的流速達(dá)到臨界值，砂粒即在流體拖曳力作用下被產(chǎn)出。臨界生產(chǎn)壓差的大小僅與地層強(qiáng)度有關(guān)，而與原始地層應(yīng)力大小無關(guān)。

中等固結(jié)砂巖介于未固結(jié)/弱固結(jié)砂巖與固結(jié)高強(qiáng)度砂巖之間，國內(nèi)外學(xué)者利用中等固結(jié)砂巖厚壁筒巖樣開展的出砂物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，井底流壓降低造成孔眼內(nèi)壁應(yīng)力集中引發(fā)剪切破壞是出砂的先決條件，流體流動僅起到將砂粒運(yùn)移至井筒的作用[3,16-20]。目前國內(nèi)外普遍采用彈性力學(xué)或孔隙介質(zhì)彈性力學(xué)理論預(yù)測孔眼周圍的應(yīng)力狀態(tài)，然后結(jié)合一定的出砂準(zhǔn)則計算出砂臨界條件。最常見的是將儲層巖石峰值強(qiáng)度作為破壞和出砂條件[21-22]，然而由此計算的臨界生產(chǎn)壓差明顯低于實(shí)驗(yàn)實(shí)測結(jié)果。部分學(xué)者采用等效塑性應(yīng)變作為巖石剪切破壞程度的指標(biāo)，以孔眼周圍等效塑性應(yīng)變達(dá)到某一臨界值作為儲層出砂準(zhǔn)則[18-19]，然而對于塑性應(yīng)變達(dá)到臨界值與出砂之間的關(guān)系認(rèn)識尚不清楚。另外一些研究人員則采用物模實(shí)驗(yàn)實(shí)測的厚壁筒(TWC)強(qiáng)度替代巖石峰值強(qiáng)度作為出砂準(zhǔn)則，從而隱含考慮孔眼周圍巖石在出砂前的非線性彈性和塑性變形[23-25]。除了臨界生產(chǎn)差壓預(yù)測，目前出砂速率定量預(yù)測已經(jīng)成為中等固結(jié)砂巖出砂研究的重要方面，其中以沖蝕模型為代表[26-28]，認(rèn)為孔眼周圍巖石進(jìn)入一定的塑性狀態(tài)后達(dá)到出砂條件，通過假定沖蝕速率與塑性應(yīng)變﹑流速的關(guān)系，基于孔隙介質(zhì)彈塑性力學(xué)理論建立出砂速率定量預(yù)測模型。應(yīng)該認(rèn)識到，巖石應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度僅說明巖石開始發(fā)生破壞，并不一定代表已經(jīng)形成了可供產(chǎn)出的離散砂，目前對于中等固結(jié)砂巖在什么條件下形成了可供產(chǎn)出的離散砂而不僅僅是發(fā)生了破壞并無深入的理解，對于形成的離散砂數(shù)量與地應(yīng)力﹑井底壓力﹑流體流速之間的關(guān)系并無明確的認(rèn)識，制約了中等固結(jié)砂巖出砂臨界條件和出砂速率的準(zhǔn)確預(yù)測。此外，中等固結(jié)砂巖破壞過程中形成的離散砂特征，如大小和粒度分布，是防砂方式選擇與參數(shù)設(shè)計的重要依據(jù)，然而現(xiàn)有的研究也并未予以足夠的關(guān)注。

本文利用一種中等固結(jié)砂巖露頭，綜合開展常規(guī)單﹑三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)以及不同變形破壞階段的卸載實(shí)驗(yàn)，揭示中等固結(jié)砂巖剪切破裂過程中產(chǎn)生離散砂粒的時機(jī)與特征，在此基礎(chǔ)上設(shè)計和開展應(yīng)力和流體滲流共同作用下的出砂模擬物理實(shí)驗(yàn)，并通過CT掃描﹑電鏡觀察及粒度測試等方法，揭示中等固結(jié)砂巖的出砂機(jī)理﹑出砂規(guī)律以及產(chǎn)出物特征，為研究中等固結(jié)砂巖儲層孔眼破壞機(jī)理及出砂預(yù)測模型構(gòu)建提供進(jìn)一步的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與巖樣制備

實(shí)驗(yàn)所使用的巖樣為采自四川盆地自貢地區(qū)的一種黃褐色露頭砂巖，如圖1(a)所示。基于X射線衍射儀的全巖分析結(jié)果顯示該砂巖主要成分為石英(94.1%)和方解石(5.9%)，屬于鈣質(zhì)膠結(jié)，巖石固結(jié)程度中等。孔隙度為17.85%～20.25%，滲透率82.78～182.33 mD。

為開展單﹑三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)及不同變形破壞階段的卸載實(shí)驗(yàn)，加工制備了如圖1(b)所示的直徑25 mm﹑長度50 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖心柱。

出砂模擬實(shí)驗(yàn)所用厚壁筒巖樣如圖1(c)所示，試樣外徑為95 mm﹑長度120 mm，內(nèi)孔直徑20 mm﹑深度80 mm，頂部未鉆穿，保留40 mm。為確保內(nèi)孔居于試樣中心，制備時將露頭大塊巖心固定，先鉆取一個內(nèi)徑為20 mm，深度為80 mm的孔，再用內(nèi)徑為95 mm的取芯鉆頭在同一位置鉆取高120 mm巖樣。

1.2 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法

為揭示中等固結(jié)砂巖的力學(xué)特性，剪切破裂面的形成時機(jī)以及破裂面產(chǎn)物特征，本文除開展常規(guī)單﹑三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)外，還設(shè)計開展了自不同變形破壞階段的卸載實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中采用的加卸載應(yīng)力路徑示意圖如圖2 所示，其中設(shè)置了5 個卸載點(diǎn)，分別是峰值強(qiáng)度前﹑峰值強(qiáng)度點(diǎn)﹑峰值強(qiáng)度后﹑殘余強(qiáng)度前﹑殘余強(qiáng)度點(diǎn)。

1.3 出砂物理模擬實(shí)驗(yàn)方法

圖1 (a) 實(shí)驗(yàn)所用的露頭砂巖；(b) 巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)試樣；(c)出砂模擬實(shí)驗(yàn)厚壁圓筒試樣Fig. 1 (a) Outcrop sandstone used in the experiments; (b)Samples for rock mechanical tests; (c) Thick hollow cylinder samples for sanding experiments.

圖2 巖石力學(xué)測試不同變形破壞階段的卸載路徑示意圖Fig. 2 Unloading paths from different stages of deformation and failure during the rock mechanical tests

本文設(shè)計和開展的出砂物理模擬實(shí)驗(yàn)中的出砂單元構(gòu)型如圖3 所示。實(shí)驗(yàn)所用的厚壁筒巖樣置于直徑為100 cm的下部底座，在巖樣與底座的外部套好熱縮套后，向熱縮套與巖樣外表面之間的環(huán)空以及巖樣上表面充填抗壓陶粒，陶粒厚度約為3～4 mm，然后將上端蓋裝配于陶粒頂端，加熱熱縮套使出砂單元處于密封狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)開始前，將上述出砂單元安裝于如圖4 中所示的TAW-1000 深水孔隙壓力伺服系統(tǒng)的圍壓腔內(nèi)。實(shí)驗(yàn)過程中該系統(tǒng)能夠?qū)Τ錾皢卧┘訃鷫?0～80 MPa)和軸壓(0～120 MPa)，以滿足試樣發(fā)生破壞所需的應(yīng)力條件。加載的同時，通過外部連接的SP3010 型高壓高精度雙柱塞輸液泵從圖3 中所示的注入口提供流量穩(wěn)定的液流，流體注入后通過巖樣頂部以及巖樣和熱縮套之間環(huán)空的高滲礫石層，隨后沿徑向流入巖樣的中心孔，以模擬地層流體在儲層中的流動。如圖3 和圖4 所示，出口處通過軟管連接，使用量筒在固定時間間隔將流出的流體和產(chǎn)出固相物質(zhì)進(jìn)行收集。實(shí)驗(yàn)中的采用的流體為10#白油(室溫下黏度為10 mPa·s)。

圖3 出砂物理模擬實(shí)驗(yàn)中的出砂單元構(gòu)型Fig. 3 Configuration of the sanding cell in the sanding experiments

圖4 出砂物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 4 Sanding experiment setup

出砂實(shí)驗(yàn)結(jié)束后采用馬爾文激光粒度分析儀對產(chǎn)出物進(jìn)行粒度測試，該設(shè)備測量的粒度范圍為0.02～2000 mm。采用GE Brivo CT385 醫(yī)用16 排CT對實(shí)驗(yàn)后的厚壁筒試樣進(jìn)行掃描，刻畫孔眼內(nèi)壁的巖石破壞形貌特征，該設(shè)備的可視空間分辨率0.30 mm。采用日立臺式電鏡TM3030Plus觀察產(chǎn)出砂粒的微觀特征，該設(shè)備的放大倍數(shù)為15～60 000 倍。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 中等固結(jié)砂巖巖石力學(xué)特性與剪切破裂面產(chǎn)物特征

本文所采用的中等固結(jié)砂巖單﹑三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果見表1，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系如圖5 所示。單軸壓縮測試結(jié)果顯示，該砂巖試樣的彈性模量為3.98～4.2 GPa，泊松比為0.25～0.26，峰值強(qiáng)度為18.89～19.27 MPa，屬于中等固結(jié)砂巖。圖5 中5 MPa﹑7.5 MPa和10 MPa圍壓條件的常規(guī)三軸測試結(jié)果表明，該中等固結(jié)砂巖在圍壓下表現(xiàn)出塑性變形特征，在差應(yīng)力作用下經(jīng)歷了典型的彈性變形階段﹑峰前塑性變形階段﹑應(yīng)變軟化階段，最終達(dá)到殘余變形階段。5 MPa圍壓下巖石的峰值強(qiáng)度為48.67～49.07 MPa，10 MPa圍壓下巖石的峰值強(qiáng)度為66.81～67.36 MPa。試驗(yàn)后的部分試樣如圖6 所示，從圖中可以看到，試樣主要發(fā)生了剪切破裂，實(shí)驗(yàn)后的試樣中形成與軸線呈一定夾角的橢圓形剪切裂縫面，隨圍壓升高，破裂面與軸線夾角增大，剪切破裂面長軸長度減小。

表1 中等固結(jié)砂巖試樣單、三軸巖石力學(xué)測試結(jié)果Table 1 Results of the uniaxial and tri-axial tests on the moderately consolidated sandstone

圖5 中等固結(jié)砂巖單軸、三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig. 5 Stress-strain curves from the uniaxial and tri-axial tests on the moderately consolidated sandstone

圖6 中等固結(jié)砂巖單軸、三軸試驗(yàn)后的巖樣及剪切破裂面產(chǎn)物: (a) 單軸；(b) 5 MPa圍壓；(c) 10 MPa圍壓Fig. 6 Moderately consolidated sandstone samples as well as debris from the shear fracture surfaces after mechanical tests: (a)uniaxial；(a) 5 MPa confining pressure；(a) 10 MPa confining pressure

從圖6 可以到，中等固結(jié)砂巖剪切破裂過程中由于膠結(jié)破壞和摩擦效應(yīng)，在裂縫面上形成了一定量的離散砂和少量的碎塊，裂縫面兩側(cè)的基質(zhì)巖塊仍然較為完整。剪切破裂面產(chǎn)出離散砂激光粒度測試結(jié)果見圖7，其中原始砂為試樣經(jīng)過分散處理后的顆粒，結(jié)果顯示原始地層砂的粒度中值D50 為69.2 mm，剪切破裂面產(chǎn)出砂粒度中值D50 約為183.9～230.0 mm，為原始地層砂粒度中值的2.6～3.3 倍。其原因在于剪切破裂面形成及摩擦過程中，盡管大部分砂粒間的膠結(jié)遭到破壞，但仍有部分顆粒間的膠結(jié)未遭破壞，見圖8 中的破裂面產(chǎn)出砂掃描電鏡觀察結(jié)果，存在數(shù)個顆粒團(tuán)聚的現(xiàn)象，因此粒度中值比原始地層砂的粒度中值高。

圖7 中等固結(jié)砂巖單軸、三軸剪切破裂面產(chǎn)出砂與原始地層砂粒度分布Fig. 7 Grain size distribution of the sands generated from the shear fracture surfaces and the virgin sands of the moderately consolidated sandstone

圖8 中等固結(jié)砂巖(a)原始地層砂與(b)單軸、三軸剪切破裂面產(chǎn)出砂掃描電鏡圖Fig. 8 SEM images of (a) the virgin sands and (b) sands generated from the shear fracture surfaces

上述單﹑三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示中等強(qiáng)度砂巖剪切破裂過程中在破裂面上形成離散砂，為出砂提供物質(zhì)基礎(chǔ)。為了在構(gòu)建出砂臨界條件預(yù)測模型時合理確定出砂準(zhǔn)則，需要進(jìn)一步明確剪切破裂面是在變形破壞過程的哪一階段產(chǎn)生的。圖9 與圖10 分別給出了10 MPa圍壓條件下，不同變形破壞階段卸載實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線以及相應(yīng)實(shí)驗(yàn)后的巖樣。從圖9 可以看到，各巖樣應(yīng)力應(yīng)變曲線在卸載前一致性較好，表明巖樣較為均質(zhì)，峰值強(qiáng)度大約為67 MPa。從圖10卸載后的巖樣可以看到，巖樣應(yīng)力狀態(tài)到達(dá)峰值破壞點(diǎn)及其前后附近時(圖10(a)～(c))巖心仍然較為完整，尚未形成宏觀剪切破裂面。應(yīng)力狀態(tài)處于應(yīng)變軟化﹑但尚未達(dá)到殘余變形階段時(圖10(d))，巖心出現(xiàn)了一條粘連縫，然而巖心表觀上整體性仍然較好，裂縫面之間膠結(jié)已經(jīng)遭到一定程度的破壞，然而尚未形成離散砂。應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到和進(jìn)入殘余變形階段后(圖10(e)﹑(f))，巖心出現(xiàn)宏觀剪切裂縫，且裂縫面間發(fā)生了顯著的相對滑移錯動，進(jìn)一步破壞了裂縫面附近的顆粒膠結(jié)，形成了數(shù)量可觀的離散砂。

圖9 中等固結(jié)砂巖沿不同變形破壞階段的卸載的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig. 9 Stress-strain curves from rock mechanical tests of the moderately consolidated sandstone with unloading from different stages of deformation and failure

2.2 中等固結(jié)砂巖出砂物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為研究應(yīng)力與流體對中等固結(jié)砂巖出砂過程的影響，開展了8 組對比實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)條件見表2。其中編號D1 至D5 的巖樣，開展了不同圍壓加載水平的出砂模擬實(shí)驗(yàn)，流體流速為100 mL/min。編號D6 至D8 巖樣在給定圍壓的情況下，首先在200 mL/min流速下開展實(shí)驗(yàn)20～30 min觀察出砂情況，隨后提升流速至300 mL/min。

圖10 中等固結(jié)砂巖沿不同加卸載應(yīng)力路徑實(shí)驗(yàn)后的巖樣：(a) M10；(b) M11；(c) M12；(d) M13；(e) M14；(f) M5(進(jìn)入殘余變形階段后卸載)Fig. 10 Moderately consolidated sandstone samples after rock mechanical tests with unloading from different stages of deformation and failure: (a) M10; (b) M11; (c) M12; (d) M13;(e) M14; (f) M5

表2 中等固結(jié)砂巖出砂物理模擬實(shí)驗(yàn)條件Table 2 Settings of the sanding experiments of moderately consolidated sandstones

圖11 所示為出砂模擬實(shí)驗(yàn)中形成和搜集的固相產(chǎn)出物，其中圖11(a)是不同時刻隨流體攜帶產(chǎn)出的離散砂，經(jīng)過石油醚清洗后晾干見圖11(b)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在應(yīng)力集中作用下，孔眼周圍發(fā)生破壞的區(qū)域較大時，不僅產(chǎn)生離散砂，還產(chǎn)生了尺寸較大的掉塊，由于實(shí)驗(yàn)裝置出口處的軟管管徑為10 mm，這部分尺寸較大的掉塊被滯留在試樣的孔眼內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后搜集并進(jìn)行稱量，見圖11(c)與圖11(d)。本文中將實(shí)驗(yàn)過程中流體攜帶出的砂稱為產(chǎn)出砂，通過在實(shí)驗(yàn)過程中定期收集能夠得到產(chǎn)出砂質(zhì)量隨時間的變化規(guī)律，而滯留在孔眼內(nèi)的掉塊在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后收集并使用石油醚清洗﹑自然干燥。

2.2.1 不同圍壓條件下的出砂實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖12 所示為不同圍壓條件下，累計產(chǎn)出砂量隨時間變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。巖樣D1 的實(shí)驗(yàn)中，圍壓加載至40 MPa時開始通入流體，流體流速為100 mL/min，出口端無出砂現(xiàn)象，持續(xù)增大圍壓至42 MPa時才觀察到出砂現(xiàn)象，此后保持圍壓不變直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，隨著時間增加，出砂速率經(jīng)歷了增加—平穩(wěn)—減小的過程，0～10 min內(nèi)出砂速率增加，10～20 min內(nèi)出砂速率保持平穩(wěn)，20～30 min內(nèi)出砂速率逐漸減小至零，30 min后累計出砂量幾乎不再增加。巖樣D2～D5 均在圍壓加載至40 MPa時開始通入流體，隨后圍壓分別增大至43～46 MPa并保持不變直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，總體上看，出砂量隨時間的變化規(guī)律基本類似，出砂速率經(jīng)歷增加—平穩(wěn)—減小至零的過程。圍壓越高，出砂持續(xù)時間越長，最終累計產(chǎn)出砂量大致上隨著圍壓增加而增加。其中，巖樣D2 與D3 的實(shí)驗(yàn)中，由于掉塊大量堵塞在孔眼內(nèi)，流體攜帶出的累計產(chǎn)出砂質(zhì)量低于圍壓較低的D1 試樣，但是包含產(chǎn)出砂與堵塞在孔眼內(nèi)的掉塊的固相產(chǎn)出物總質(zhì)量隨圍壓增高而增加(見圖13)。

圖11 (a)出砂模擬實(shí)驗(yàn)不同時刻的產(chǎn)出砂；(b)清洗、烘干后的產(chǎn)出砂；(c)滯留在孔眼內(nèi)的片狀掉塊；(d)滯留在孔眼內(nèi)的掉塊及堵塞物Fig. 11 (a) Produced sand at different time instances; (b)Produced sand after washing and drying; (c) Flaky pieces trapped within the hole of the TWC samples. (d) Pieces and plugs trapped within the hole of the TWC samples

圖12 不同圍壓下產(chǎn)出砂質(zhì)量—時間關(guān)系Fig. 12 Mass of produced sand versus time under different confining pressures

出砂實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將孔內(nèi)殘余物收集后，對孔眼破壞情況進(jìn)行直接觀察和CT掃描，結(jié)果如圖14 所示。可以看到，圍壓為42 MPa時，內(nèi)孔周圍僅出現(xiàn)小規(guī)模破壞，內(nèi)孔兩個部位沿著內(nèi)孔軸線方向出現(xiàn)連續(xù)的崩落現(xiàn)象，形成了不規(guī)則的破壞區(qū)域；隨圍壓升高，孔眼周圍出現(xiàn)連續(xù)崩落區(qū)域增大，形成的空腔體積增大，垂直于孔眼方向上形成近似對稱的破壞區(qū)域，破化區(qū)域呈“V”形；當(dāng)圍壓為46 MPa時，孔眼擴(kuò)大至試樣直徑的一半，如圖14(e)所示。

2.2.2 不同流量條件下的出砂實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖13 不同圍壓條件下的固相產(chǎn)出物質(zhì)量Fig. 13 Mass of produced solids under different confining pressure

圖14 不同圍壓條件下孔眼破壞情況：(a) D1；(b) D2；(c) D3；(d) D4；(e) D5Fig. 14 Failure of the inner hole under different confining pressure: (a) D1; (b) D2; (c) D3; (d) D4; (e) D5

除了圍壓直接影響巖石的變形破壞與出砂，另一個可能影響出砂的因素為流體流速。本文進(jìn)一步開展了固定圍壓條件下變化攜砂流體流速的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用的200 mL/min和300 ml/min流量對應(yīng)的孔眼表面流速分別為6.63×10-4m/s和9.95×10-4m/s，換算成8-1/2”裸眼井單位長度井段產(chǎn)量為38.8 m3/d和58.3 m3/d，顯著高于正常的實(shí)際油井產(chǎn)量。

圖15 所示為試樣D6～D8 的出砂量隨時間變化情況。巖樣D6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖15(a)，圍壓加載至40 MPa開始通入流體，緩慢增大圍壓至42 MPa開始出砂，保持圍壓不變，攜砂流體的初始流量為200 mL/min，可以看到實(shí)驗(yàn)初期結(jié)果與流量為100 mL/min的結(jié)果類似，隨著時間增加，出砂速率逐漸降低至接近零，30 min時將流量提升至300 mL/min，新增出砂量非常少，累積出砂質(zhì)量幾乎沒有增加。巖樣D7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖15(b)，20 min時出砂速率已基本將至零，隨后將攜砂流體流速提升至300 mL/min，累計出砂質(zhì)量開始少量增加，40 min后出砂速率再次減少至零。巖樣D8實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖15(c)，25 min時出砂速率已基本降至零，隨后將攜砂流體流速提升至300 mL/min，累計出砂質(zhì)量開始少量增加，55 min后出砂速率再次減少至零。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，即便在遠(yuǎn)高于正常油井實(shí)際產(chǎn)量的流速條件下，并未出現(xiàn)持續(xù)的出砂現(xiàn)象，流體流動僅能將孔眼周圍已經(jīng)發(fā)生破壞形成的離散砂產(chǎn)出，而不能將砂粒從未破裂的巖石基質(zhì)上進(jìn)行剝落，中等固結(jié)砂巖出砂先決條件是由于孔眼破壞產(chǎn)生了可供產(chǎn)出的離散砂。

2.2.3 出砂實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出物特征分析

中等固結(jié)砂巖出砂實(shí)驗(yàn)固相產(chǎn)出物包括殘留在孔內(nèi)的掉塊﹑由于掉塊堵塞在孔眼的離散砂及被流體攜帶出孔眼的產(chǎn)出砂。為觀察產(chǎn)出砂粒度分布特征，對產(chǎn)出砂進(jìn)行了激光粒度測試，使用電子顯微鏡對出砂模擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出砂微觀特征進(jìn)行觀察。將中等固結(jié)砂巖進(jìn)行分散處理得到的原始地層砂與產(chǎn)出砂粒度分布進(jìn)行對比，結(jié)果見圖16。原始地層砂粒度中值D50 約為76.1 mm，產(chǎn)出砂的粒度中值D50 在200～274 μm之間，即產(chǎn)出砂粒度中值為原始地層砂粒度中值的2.6～3.6 倍。掃描電鏡下觀察到出砂實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出砂中存在與三軸壓縮實(shí)驗(yàn)破裂面離散砂類似的顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象，見圖17。針對中等固結(jié)砂巖儲層，應(yīng)考慮產(chǎn)出砂的粒度特征值，而不是原始地層砂的粒度特征值進(jìn)行防砂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。

圖15 不同流量條件下出砂量隨時間變化：(a) D6；(b) D7；(c) D8Fig. 15 Mass of produced sand versus time: (a) D6; (b) D7; (c) D8

圖16 中等固結(jié)砂巖出砂模擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出砂粒度分布Fig. 16 Grain size distribution of the produced sands from sanding experiments of the moderately consolidated sandstone

圖17 中等固結(jié)砂巖(a)原始地層砂與(b)出砂模擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)出砂掃描電鏡圖Fig. 17 SEM images of the virgin sands and the produced sands from sanding experiments of the moderately consolidated sandstone

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

本文的出砂實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)圍壓不高于40 MPa時，即使持續(xù)注入流體，出口端也無離散砂產(chǎn)出，當(dāng)圍壓高于42 MPa時，開始出現(xiàn)出砂現(xiàn)象，但一段時間后出砂速率逐漸降至零，累計出砂量不再增加，即便提升流體速度也不會出現(xiàn)持續(xù)出砂現(xiàn)象，說明中等固結(jié)砂巖顆粒之間膠結(jié)良好，僅靠流體拖曳力難以將顆粒之間的膠結(jié)破壞而使顆粒從巖石基質(zhì)上剝落，中等固結(jié)砂巖出砂過程中的產(chǎn)出物來源于孔眼周圍巖石在高應(yīng)力條件下的剪切破壞。如圖18 所示，孔眼周圍應(yīng)力水平以及巖石強(qiáng)度決定了破壞區(qū)域的大小及產(chǎn)出物總質(zhì)量，流速對于總產(chǎn)出物質(zhì)量并不是控制因素，產(chǎn)出物總質(zhì)量總體上受圍壓控制，圍壓越大，巖樣破壞區(qū)域越大，產(chǎn)出物總質(zhì)量越大。剪切破壞過程中，孔眼周圍共軛剪切破裂面連通時會形成尺寸相對較大的掉塊(見圖11(c)﹑(d))及離散砂，共同為中等強(qiáng)度砂巖出砂提供物質(zhì)來源。剪切破壞區(qū)域形成后，若應(yīng)力狀態(tài)不再改變，巖樣會進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，不會持續(xù)出砂。

圖18 不同圍壓、流速條件下的出砂量對比Fig. 18 Comparison of the mass of produced sand for different confining pressures and flow rates

單﹑三軸巖石力學(xué)試驗(yàn)證實(shí)了中等強(qiáng)度砂巖剪切破裂過程中破裂面上會形成離散砂，為出砂提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。而加載至不同變形破壞階段再卸載后的巖樣觀察結(jié)果進(jìn)一步明確，中等固結(jié)砂巖應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到峰值強(qiáng)度僅代表損傷開始，此時尚未形成宏觀破裂面和離散砂，只有當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到殘余變形階段后，巖心內(nèi)部才出現(xiàn)明顯剪切裂縫，且裂縫面間由于相對滑移錯動破壞了裂縫面附近的顆粒膠結(jié)，形成了數(shù)量可觀的離散砂。因此，將孔眼周圍巖石應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到峰值強(qiáng)度作為出砂準(zhǔn)則顯然是不恰當(dāng)?shù)摹？紤]均勻圍壓下孔眼周圍大約2 倍的應(yīng)力集中系數(shù)，按照摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則估計，圍壓達(dá)到單軸強(qiáng)度一半時孔眼周圍巖石應(yīng)力狀態(tài)即達(dá)到峰值強(qiáng)度，而這顯然遠(yuǎn)低于本文中實(shí)際出砂的臨界圍壓(42 MPa)。從本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在構(gòu)建中等固結(jié)砂巖出砂臨界條件預(yù)測模型時，將孔眼周圍巖石進(jìn)入殘余變形階段作為出砂準(zhǔn)則更為合理。

4 結(jié)論

本文通過對一種中等固結(jié)砂巖露頭開展單﹑三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)以及應(yīng)力和滲流共同作用下的出砂模擬實(shí)驗(yàn)，揭示了中等固結(jié)砂巖的出砂機(jī)理﹑出砂規(guī)律以及產(chǎn)出物特征，為研究中等固結(jié)砂巖儲層孔眼破壞機(jī)理及出砂預(yù)測模型構(gòu)建提供進(jìn)一步的理論依據(jù)。得到以下結(jié)論：

(1)中等固結(jié)砂巖出砂過程分為兩步。井眼或孔眼周圍應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到巖石的臨界破壞條件，巖石發(fā)生剪切破壞，共軛剪切破裂面連通時形成較大尺寸較大的掉塊，同時形成離散砂，共同為中等強(qiáng)度砂巖出砂提供物質(zhì)來源；剪切破壞區(qū)域形成后，孔眼周圍巖石應(yīng)力狀態(tài)弱不再發(fā)生改變，儲層巖石會再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，不會持續(xù)出砂。

(2)具有一定膠結(jié)強(qiáng)度的中等固結(jié)砂巖儲層出砂量由孔眼周圍巖石的力學(xué)特性及應(yīng)力狀態(tài)決定，流體的作用只是將產(chǎn)生的離散砂攜帶出孔眼，流速影響出砂速率，不影響最終的出砂量。

(3)中等固結(jié)砂巖出砂臨界條件為巖石應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到殘余變形階段，巖石出現(xiàn)明顯剪切裂縫，裂縫面間由于相對滑移錯動破壞裂縫面附近的顆粒膠結(jié)，形成可供產(chǎn)出的離散砂。

(4)中等固結(jié)砂巖產(chǎn)出砂中存在由多個顆粒聚集在一起的相對直徑較大的顆粒，因此產(chǎn)出砂的粒度中值比組成巖石的原始地層砂大，在防砂參數(shù)設(shè)計優(yōu)化時應(yīng)考慮這一特點(diǎn)。