氣驅防砂實驗條件下泥質粉細砂儲層遷移規律分析

余莉，陳艷平，何計彬，葉成明

(1.河北大學建筑工程學院，河北 保定 071002；2.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

出砂是油氣井開采的重要難題之一，其中驅替實驗是研究防砂機理和防砂技術的重要手段.已有研究表明，不同地層的出砂機理不同，應采取不同的防砂措施.對于膠結較強的地層，主要因地層剪切破壞而出砂，一般采取防止地層突發剪切破壞的防砂措施.對于疏松砂巖地層，主要因土層顆粒運移而出砂，一般采取控制開采壓差的防砂措施.

針對油氣井的防砂原理，Hall等[1]發現當儲層處于圍巖壓力狀態時其自身可形成砂拱結構而防砂，張建國等[2]在Hall的基礎上建立了砂拱模型并得到驗證，適用于一定條件的疏松砂巖地層.在油氣井的驅替實驗研究方面，部分專家學者投入了大量的科研工作并得到了一系列結論.鄧好[3]以彬長礦區4號煤層作為研究對象，通過室內模擬驅替煤層氣實驗和現場試驗，獲取最優注氣方案.陳星宇[4]設計了一種高溫高壓巖心動態驅油實驗CT掃描裝置 ，并進行了油水驅替CT掃描實驗,獲得了較好的動態油水分布實驗效果.楊富祥等[5]選取了該儲層的巖心進行室內驅替實驗研究，認為低滲透儲層巖心在進行驅替實驗驅替速度與中高滲儲層巖心有所差異，速度不宜過大等.李佳燁[6]利用地質及動態資料,對儲層砂體發育規模和儲層性質、裂縫發育特征、驅替特征、微觀孔隙結構以及油水分布規律等開展了模擬實驗與分析,明確了不同儲層微觀剩余油分布及水驅油特征,定量表征孔隙結構分布.董長銀等[7]對4種充填密實程度進行礫石層擋砂徑向流驅替實驗，通過滲透率、過砂率和沖蝕形態變化評價礫石層擋砂效果及其穩定性.呂成遠等[8]通過水驅前后CO2混相過程微觀實驗，認為高含水飽和度會對CO2與原油的接觸過程產生一定的屏蔽作用，導致高含水條件下CO2驅見效時間被推遲.狄勤豐等[9]利用油藏數值模擬方法模擬了重力對水驅油過程中流體流動形態的影響，并提出了一種獲得產生重力舌進特征臨界密度差的新方法.董長銀等[10]利用機械篩管控砂效果綜合模擬與評價試驗裝置,開展了系統的篩管和擋砂介質擋砂機制的研究，認為天然氣水合物儲層的高泥質含量對有效控砂具有一定的可行性.何計彬等[11]通過理論計算分析了礫石顆粒的粒徑比對礫石堆積孔隙直徑尺寸的定量影響.余莉等[12]結合中國南海海域試采儲層的粒徑分布范圍和充填混合礫石的特點,建立了混合粒徑組合等效孔隙尺寸模型,計算得出部分工業礫石混合粒徑礫石堆積的孔隙分布范圍.李彥龍等[13]提出了針對黏土質粉砂型水合物儲集層的“防粗疏細”式防砂充填層礫石尺寸設計方法.

綜上所述，主要是針對較致密巖體的驅替實驗研究，針對疏松巖體的研究較少，其中針對泥質粉砂巖層的驅替實驗的研究較少，沒有較成熟的研究成果供參考.筆者針對這一問題，展開了大量的泥質粉砂巖驅替實驗，發現這種疏松泥質粉砂巖，在氣體驅替過程中，巖層固相顆粒會發生重新排列組合，形成新的動態平衡結構，建立了自我防砂構造.高含水巖層顆粒在氣驅的作用下逐漸失水形成砂拱，初步構建了固體顆粒穩定結構，隨著氣驅進一步進行，大量氣體和液體會攜帶較細顆粒發生運移，沉積于防砂結構和儲層之間，并形成穩定的擋砂結構.這種擋砂結構，不同于砂拱的分層特征，是一種新的結構，因此揭露它的形成演化規律對油氣井開采防砂具有重要意義.因而，筆者針對N2驅替實驗后的泥質粉砂巖樣采取了顆粒粒徑分析、電鏡掃描分析，研究疏松泥質粉砂巖在氣驅條件下的分層演化規律，為氣藏的開采提供理論基礎.

1 實驗裝置和方法

整體實驗方案：首先進行驅替實驗，將實驗后泥質粉砂巖層進行分層處理，分析每層巖樣的顆粒粒徑曲線，然后采用電鏡掃描，分析其微觀結構特征.

1.1 實驗方案設計

1)共設計了9組驅替實驗，驅替壓差分別為0.5、1、2 MPa，每個壓差重復3次.

2)顆粒粒徑分析，共設計了45組實驗.驅替實驗后將泥質粉砂巖層取出驅替井筒，分5層取樣見圖1，每層取3個樣，求其平均值以避免其偶然性結果.

3)電鏡掃描分析，共設計了45組實驗見圖2.在驅替實驗后進行烘干，將烘干樣分3層取樣，每層取樣5個，每個壓差取樣15個，共計3個壓差45個樣本，而后進行微觀結構分析.

圖1 顆粒粒徑實驗分層取樣示意Fig.1 Schematic diagram of stratified sampling for particle size experiment

圖2 電鏡掃描取樣分層和所取樣品Fig.2 Scanning electron microscopy sampling stratification and samples taken

1.2 實驗裝置

驅替實驗裝置為高壓裝置，該裝置包括N2注入系統、穩壓系統、高壓驅替井筒系統(高壓反應釜系統)和采集系統4部分.注入系統采用高壓N2和穩壓裝置進行恒壓的N2注入.高壓反應釜系統主要有進氣口、高含水泥質粉砂型巖層、防砂礫石和濾網及排泄口組成.高壓反應釜系統的最高工作壓力為20 MPa.采集系統為接收驅替過程中的液體產出收集和計量裝置.實驗裝置流程見圖3.實驗后泥質粉砂巖層的分層顆粒粒徑分析采用激光粒度儀進行分析，它的微觀結構采用電鏡掃描儀進行分析.

圖3 高壓驅替實驗系統示意Fig.3 Schematic diagram of high pressure displacement test system

1.3 實驗條件

實驗泥質粉砂巖樣的粒徑為1～50 μm，粒徑中值為4.5 μm，水的質量分數為120%，實驗室溫度為20 ℃，實驗條件下用穩壓N2驅替，防砂濾料為50～60目(0.25～0.30 mm)；濾網上部為50目(0.25 mm)，下部為60目(0.30 mm),驅替實驗巖心滲透率為20×10-2D；孔隙度為45%，實驗用N2為工業級，純度為99.9%.

1.4 實驗過程

1.4.1 驅替實驗

配制水質量分數為120%的泥質粉砂巖樣，攪拌，待用；然后將阻砂濾料和疏松泥質粉砂土層分別裝進高壓反應釜內，密封；將高壓反應釜下面安放接收滲透液體的量筒；調節氣壓到預設值(0.5、1、2 MPa)；最后打開進氣閥，開始實驗并計時；實驗完成后取出樣品進行下一步實驗.

1.4.2 顆粒粒徑實驗

在驅替實驗前取3個泥質粉砂層樣品進行顆粒粒徑分析，將驅替實驗后的泥質粉砂土層分層取樣，取少量的蒸餾水濕潤土樣(為了不破壞顆粒結構)，然后采用激光粒度儀進行實驗，如圖4所示.

圖4 激光粒度測量實驗Fig.4 Laser particle size experiment

1.4.3 電鏡掃描實驗

將驅替實驗樣本進行風干處理后，進行切樣，然后在實驗室進行電鏡掃描實驗.

2 實驗結果分析

2.1 驅替實驗分析

驅替實驗的現象：根據驅替實驗的累計濾出液體體積，將驅替實驗濾出液體體積分為4個階段，見圖5所示，壓差為1 MPa：第1階段為無排液階段，此時無氣體和固相顆粒排出；第2階段穩定排液階段，此時幾乎不出砂，無氣體排出；第3階段為急速排液階段，出砂主要來自于該階段，伴隨著少量非穩定氣體排出；第4階段為少量非穩定排液階段，此時幾乎為不出砂階段，伴隨著非穩定氣體排出，直至穩定產氣.

結合固、液、氣三相耦合滲流理論與土力學的有效應力原理，忽略過飽和階段與穩定排氣階段，假設壓差為總應力P，土體有效應力為σ(固結排水)，孔隙水壓力μ(阻止水、氣排出)，孔隙氣壓力a(驅替孔隙水)，可得如下公式：

P=σ+μ+a.

(1)

1 )第1階段為無排液階段，不出砂、不排氣.此時，總壓差為P；有效應力σ=0 ；孔隙水壓力μ=P；孔隙氣壓力a=0.

2)第2階段穩定排液階段，土體固體顆粒固結形成泥皮，液體穩定排出，無氣體排出，幾乎不出砂.此時，總壓差為P；有效應力σ>0；孔隙水壓力μ

3)第3階段為急速排液階段，出砂主要來自于該階段，伴隨著少量非穩定氣體排出.此時，總壓差為P；有效應力σ= 0；孔隙水壓力μ>0；孔隙氣壓力a

4)第4階段為少量非穩定排液階段，此時幾乎為不出砂階段，伴隨著非穩定氣體排出，直至穩定排氣.此時，總壓差為P；有效應力σ=0；孔隙水壓力μ=0；孔隙氣壓力a=P.

2.2 顆粒粒徑分層分析

將驅替實驗后的巖樣分為5層，分別進行取樣，為了避免其偶然性，每層取3個樣進行分析，最終取平均粒徑值，對比驅替實驗前后顆粒粒徑的分布情況，見圖6～8.分析圖6～8可得：

1)對比驅替實驗前的顆粒粒徑分析，實驗后分層取樣的顆粒粒徑曲線都發生了偏移，不再與初始顆粒粒徑曲線重合，說明巖樣的顆粒粒徑在垂直方向上發生了重新排列.

2)分層取樣的顆粒級配曲線分布于實驗前的左、右兩側，其中，壓差0.5、1、2 MPa的顆粒粒徑曲線分布都符合此規律，其粒徑級配曲線的中間段的變化較為突出.

3)在不同壓差下顆粒的分層規律見圖9.從圖9可以看出，最下層(第5層)為最細的顆粒，第4層最粗的顆粒，第1層接近原始層，而第2、3層的分布較混亂.在驅替實驗中，土層顆粒發生了重新排列，其排列規律不同于砂拱原理，在靠近防砂結構附近，分布著一層細粒結構.

圖5 儲層含水量為120%的累計濾出液體體積Fig.5 Cumulative filtrate volume with a water content of 120%

圖6 0.5 MPa顆粒級配分析曲線Fig.6 0.5 MPa particle size distribution analysis curve

圖7 1 MPa顆粒級配分析曲線Fig.7 1 MPa particle size distribution analysis curve

圖8 2 MPa顆粒級配分析曲線Fig.8 2 MPa particle size distribution analysis curve

2.3 分層顆粒電鏡掃描分析

疏松泥質粉砂型巖石顆粒發生了重新排列，形成了新的防砂結構，這時產能的變化情況與其通道的堵塞情況需要進一步分析.為了研究細粒物質在形成后是否堵塞氣、水通道，將實驗后細粒樣品進行電鏡掃描，微觀結構圖如圖10，可以看出，細顆粒中形成了針孔狀貫通通道，這種通道在排液、氣時既降低了壓差，又為流體的排出提供了通道.

圖9 不同壓差下顆粒的分層規律Fig.9 Layering rule of particles under different pressure difference

圖10 土層顆粒的放大樣品Fig.10 Enlarged samples of soil particles

3 實驗現象演化解析

疏松泥質粉砂巖層在N2的驅替作用下，形成了“泥皮+砂拱”的自我防砂結構，根據驅替實驗、顆粒粒徑實驗及電鏡掃描實驗現象等，可以推斷其形成的演化過程如下：

1)排水固結.在壓差作用下，處于初始狀態的土體，在防砂結構的阻擋作用下，有一部分顆粒侵入充填礫石孔隙中，使得防砂結構的滲透性降低，進而阻礙了儲層顆粒運移，使得其在擋砂結構外側堆積和擠密，形成孔隙度隨著距離井壁r減小而減小的天然阻砂結構，且該結構具有一定的強度較難破壞，從而達到一種滲流平衡，此時由于水流滲透速度較慢，不足以攜帶大量的儲層砂運移，因此出砂現象不明顯.

2)出砂與產氣階段.隨著儲層孔隙中水體的排出，自由氣體迅速膨脹，一方面撐開孔隙、孔喉，一方面加速了水體流速，使得流體達到臨界攜砂速度而出砂.隨著細粒固體物質的排出及連續氣流的產生，這時儲層形成了穩定的具有一定滲透性能的泥皮，成為天然的阻砂結構.

3)泥皮結構形成后，具有一定的強度，且具有穩定的氣水滲流通道，較難破壞.通過多次循環防砂實驗可知，出砂主要是由于孔隙氣壓力打破了已建立的滲流平衡狀態，且出砂量也會隨著泥皮的增厚而減少，甚至可能不出砂.因此，泥皮結構使得防砂具有了一定的可控性.

1.井管；2.礫石充填層；3.近井地段儲層；4.水合物儲層.圖11 出砂演化機理示意Fig.11 Diagram of sand production evolution mechanism

4 結論

1)根據驅替實驗，分析了該實驗的方案設計、實驗步驟和實驗結果，氣體驅替實驗主要分為4個階段, 即無排液階段(不排氣)、 穩定排液階段(不排氣)、急速排液階段(氣、液共同排泄)和穩定產氣階段(不排液).說明在巖體孔隙中的排泄順序為液、固、氣，且每個階段都有相應的過渡.

2)對比驅替實驗前后固結儲層的顆粒級配曲線的變化規律可知，實驗后的顆粒粒徑曲線與實驗前不重合，且分布于實驗前曲線的左、右兩側，說明實驗后巖層顆粒在垂直方向上發生了分層，經分析形成了“泥皮+砂拱”結構，該結構具有防砂、產氣功能.

3)根據實驗現象和電鏡掃描新形成的泥皮可知，泥皮結構會形成針孔狀孔隙，保證了防砂產氣.