泡沫金屬防砂介質砂粒運移規律及堵塞機理試驗*

劉晨楓 董長銀 孟召蘭 周博 王堯 王力智 黃有藝

(1.中國石油大學(華東)石油工程學院 2.中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司)

0 引 言

防砂介質是油氣井防砂機械篩管的核心擋砂部件，常規介質結構有規則縫隙類、規則濾網類和不規則金屬棉類，孔隙度在30%左右[1-5]。在油氣井開采過程中，地層砂顆粒易在孔隙度較低的常規防砂介質中堆積，減弱介質防砂效果。近年來出現一種多孔新型泡沫金屬防砂介質，中海油通過技術創新將其成功應用于油氣田開發領域。該介質孔隙分布不規則且孔隙度大于80%，孔喉結構和常規防砂介質不同[6-8]，呈現多面體“籠式”結構，實現了由二維平面到三維立體過濾的技術演變，地層砂顆粒在該介質中運移規律不同于常規防砂介質。因此，明確泡沫金屬防砂介質中砂粒運移規律及堵塞機理是一項重要內容。

近年來，國內外學者對繞絲和金屬網布等常規防砂篩管性能進行了大量研究，主要集中在地層砂通過常規防砂介質時侵入、運移和滯留機理等方面[9-12]。對泡沫金屬介質開展了部分研究，主要集中在泥質含量及介質參數對泡沫金屬介質防砂性能的影響方面[13-19]。其中部分研究者對泡沫金屬介質開展了物理模擬試驗研究，探究了介質精度、厚度和孔徑對泡沫金屬篩管防砂及流通性能的影響[14-18]，以及泥質含量對篩管防砂效果的影響[19]。上述研究提升了人們對于泡沫金屬介質防砂性能影響因素的認識，得到初步影響規律以及知道了如何對泡沫金屬介質進行參數優化，但其堵塞機理未開展深入研究，因此對于泡沫金屬介質堵塞機理尚不明確。

針對上述問題，本文對泡沫金屬介質開展了物理模擬試驗，揭示了其中砂粒運移規律及介質堵塞機理。研究結論可為泡沫金屬介質在機械防砂領域的應用提供理論支撐。

1 試驗原理與方法

1.1 試驗原理

構建了單向流防砂介質驅替模擬試驗裝置，如圖1所示。

圖1 防砂介質驅替模擬試驗裝置Fig.1 Sand control medium displacement simulation experimental device

通過實時采集得到介質兩端壓力、流量及幾何參數，利用式(1)計算整個試驗過程中泡沫金屬介質滲透率。

(1)

式中：Q為通過介質流體流量，m3/s；μ為試驗用流體的黏度，Pa·s；L為介質的厚度，m；A為過流面積，m2；Δp為介質兩側壓差，Pa。

1.2 試驗方法

試驗在室溫條件下實施，試驗驅替流體采用清水，流量1.2 m3/h，試驗利用商業地層砂人工配制試驗地層砂，復配地層砂粒徑中值為150 μm，均質系數為3.50，泥質質量分數為15%，泥質由伊利石、蒙脫石及高嶺石組成，3種組成成分相對含量比例為3∶2∶ 5，試驗采用3種泡沫金屬介質，孔密分別為沿長度每25.4 mm分布70、80和90孔，直徑55 mm，厚度6 mm，如圖2所示。

圖2 3種孔密泡沫金屬介質(直徑55 mm)Fig.2 Foam metal media with three pore densities (?55 mm)

2 泡沫金屬介質中砂粒運移規律試驗

2.1 介質中砂粒運移試驗結果

在室溫條件下使用清水攜帶粒徑中值為150 μm的人工復配地層砂,以每25.4 mm布70、80和90孔的3種泡沫金屬介質進行驅替試驗，流量和壓差曲線如圖3所示。

圖3 3種孔密介質流動壓差及流量隨時間的變化曲線Fig.3 Variation of pressure difference and flow rate of 70，80 and 90 ppi foam metal media with time

地層砂顆粒在泡沫金屬介質中運移時，較細的地層砂顆粒進入介質堵塞內部孔隙[20-21]，較粗的地層砂顆粒直接堵塞介質孔隙，地層砂顆粒在介質中運移阻力增加，通過泡沫金屬介質的流量逐漸降低，介質兩端的壓差逐漸增大。為分析介質滲透率變化情況，利用達西公式計算介質滲透率及滲透率比，3種介質滲透率及滲透率比隨時間變化的曲線如圖4所示。

圖4 3種孔密介質滲透率及滲透率比隨時間的變化曲線Fig.4 Variation of permeability and permeability ratio of 70，80 and 90 ppi foam metal media with time

依據圖4a和圖4b，定義初始滲透率和終了滲透率差值與初始滲透率比值為滲透率損失率，即有：

(2)

式中：kso為初始滲透率，μm2；ksf為終了滲透率，μm2；RPL為滲透率損失率，無量綱。

利用式(2)計算3種介質滲透率損失率，如表1所示。表1中過砂率為通過泡沫金屬介質地層砂質量與試驗中加入地層砂總質量的比值。

表1 3種孔密介質試驗結果分析匯總Table 1 Experimental results of 70，80 and 90 ppi foam metal media

由圖4a和圖4b可知，在介質未發生堵塞階段，3種介質初始滲透率分別為146.985、63.391和45.282 μm2，每25.4 mm布70孔泡沫金屬介質初始滲透率最大，流通性能最好。

在堵塞階段，3種泡沫金屬介質滲透率均下降，每25.4 mm布70孔介質初始滲透率下降時間最慢，但3種介質在堵塞過程中均保持相對較高的滲透率。由圖4c和圖4d可知，3種介質在堵塞過程中滲透率比均保持較高值，表明泡沫金屬介質在堵塞過程中滲透率下降速度較慢。

在堵塞平衡階段，3種介質終了滲透率分別為0.193、0.168和0.149 μm2，3種介質滲透率損失率分別為0.998 7、0.997 3和0.996 7。堵塞后3種介質滲透率損失率較大，3種介質過砂率分別為53.889%、21.488%和6.828%。在介質運移過程中，運移通過每25.4 mm布70孔介質地層砂最多，對介質滲透率造成損失最嚴重。

此外，由式(3)～式(5)計算抗堵塞性評價指標和流通性能指標，由此可分析3種泡沫金屬介質抗堵塞性能及流通性能[15-16]。

(3)

ks=(1-Xs)ksa+Xskso

(4)

(5)

利用式(3)～式(5)計算抗堵塞性能和流通性能指標，每25.4 mm布70、80和90孔3種介質抗堵塞性能指標分別為0.454 9、0.349 9和0.285 6，流通性能指標分別為0.351 9、0.116 7和0.068 1，抗堵塞和流通性能指標依次降低，表明抗堵塞性能和流通性能依次減弱。

2.2 介質中砂粒運移規律

基于砂粒運移試驗結果，為進一步分析泡沫金屬介質內部地層砂顆粒運移規律[22-23]，分析每25.4 mm長度布70、80和90孔的3種介質入流及流出面地層砂堆積狀態，結果如圖5所示。

圖5 3種孔密泡沫金屬介質入流面及流出面地層砂堆積狀態Fig.5 State of sand accumulation at the inflow surface and outflow surface of 70，80 and 90 ppi foam metal media

在泡沫金屬介質砂粒運移試驗中，3種介質入流面均阻擋了大量不同粒徑的地層砂顆粒，地層砂顆粒間相互膠結形成了滲透性不同的泥餅，進一步阻擋砂粒在介質中的運移。每25.4 mm布70孔介質入流面阻擋的地層砂粒徑最大，形成的泥餅滲透率最小，在介質流出面，每25.4 mm布90孔介質流出面未明顯見到地層砂運移通過，而每25.4 mm布70孔介質中有較多地層砂顆粒運移通過并滯留在介質流出面。收集通過介質和介質阻擋的地層砂，并對兩類地層砂進行粒度分析，分析曲線如圖6所示。

通過泡沫金屬介質地層砂的累計質量分數10%對應的粒徑值被認為是該介質擋砂精度[15]，由圖6a可知，每25.4 mm布70、80及90孔3種介質擋砂精度分別為465、245和185 μm。由圖6b可知，運移阻力系數越大，運移阻力越大。第i個介質中地層砂顆粒運移阻力系數計算式為：

(6)

式中：D50(i)為第i個擋砂介質阻擋地層砂的粒度中值，μm；D50為試驗所用原始地層砂的粒度中值，μm；CTR為第i個防砂介質中地層砂顆粒運移阻力系數，無量綱。

由式(6)可知，每25.4 mm布70、80及90孔介質運移阻力系數分別為0.809、1.650和4.310，每25.4 mm布70孔介質運移阻力系數最小，地層砂顆粒在該介質中運移阻力最小，在每25.4 mm布90孔介質中運移阻力最大。

圖6 3種孔密介質通過及阻擋地層砂粒度分析曲線Fig.6 Size analysis of sand particles passing through and plugged by 70，80 and 90 ppi foam metal media

3 泡沫金屬介質堵塞機理分析

3.1 介質微觀堵塞形態

試驗結束后，將每25.4 mm布80孔泡沫金屬介質沿徑向切開，在微觀狀態下觀察介質入流面、內部截面及流出面3個面上地層砂堵塞情況，如圖7所示。

由圖7a可知，每25.4 mm布80孔泡沫金屬介質入流面堵塞較為嚴重，大部分孔隙被地層砂顆粒堵塞。由圖7b可知，局部放大入流面，阻擋在介質入流面的地層砂顆粒和泥質出現明顯的膠結，形成團狀膠結物，極大降低了泡沫金屬介質滲透率，增大了地層砂在介質中的運移阻力。

由圖7c可知，大量地層砂顆粒進入介質內部后，充填并堵塞在介質類十二面體孔隙結構中，介質內部截面堵塞較為嚴重，殘留大量地層砂。由圖7d可知，局部放大內部截面，大部分地層砂顆粒滯留在介質內部，砂粒之間出現橋架，并形成低滲透粗砂粒橋架層，堵塞流通孔隙，降低介質內部孔隙連通性。

由圖7e可知，介質流出面極少數孔隙被地層砂堵塞，運移通過介質地層砂顆粒較少，說明地層砂顆粒在運移過程中，大量充填在介質類十二面體孔隙結構中，堵塞了介質內部孔隙。由圖7f可知，局部放大流出面，當砂粒直徑大于介質孔隙直徑時，地層砂顆粒直接充填在構成孔隙骨架處，使孔隙進一步減小，增加了砂粒運移阻力。

3.2 介質堵塞機理

泡沫金屬介質內部呈蜂窩狀，介質連續固相為三維網格，金屬骨架相互交織形成多個相互連通的孔隙，每個孔隙類似于蜜蜂巢穴，近似呈六邊形，12個近似呈六邊形的孔隙通過交織組成一個類十二面體結構。常規防砂介質骨架占據介質大部分體積，孔隙規則且孔隙度在30%左右，泡沫金屬介質結構分布相反，孔隙占據介質大部分體積，孔隙分布不規則且孔隙度大于80%，礫石充填層、金屬網布和泡沫金屬等常規防砂介質微觀結構如圖8所示。

基于泡沫金屬介質砂粒運移規律及其特殊空間結構，提出泡沫金屬介質堵塞為粗砂粒分選架橋堵塞和泥質及細砂粒膠結堵塞兩種機制共同作用下的復合堵塞，以介質內部一個類十二面體孔隙結構為例，該介質堵塞機理示意圖如圖9所示。為分析常規防砂介質與泡沫金屬介質堵塞機理差異，以礫石充填層堵塞機理為例，繪制礫石充填層與泡沫金屬介質堵塞機理對比示意圖，如圖10所示。

圖10 礫石充填層與泡沫金屬介質堵塞機理對比示意圖Fig.10 Comparison of plugging mechanism between gravel pack layer and foam metal medium

從圖10a可知，在未堵塞階段，因為充填陶礫尺寸較大，陶礫間形成的孔隙尺寸小于泡沫金屬骨架間形成的孔隙尺寸，泥質、細砂粒及中砂粒均可以通過泡沫金屬介質，礫石充填層中僅能使泥質通過。由圖10b可知，在堵塞開始階段，因為礫石充填層中孔喉尺寸較小，泥質通過之后，細砂粒優先被阻擋在充填陶礫間形成的孔喉處，隨著細砂粒堵塞程度的加劇，細砂粒之間形成橋架，降低了孔喉尺寸，減弱了礫石充填層的滲透性。泡沫金屬介質中孔隙尺寸較大，泥質、細砂粒及中砂粒均可以通過，部分粗砂粒優先被介質中孔隙阻擋并且相互之間產生橋架，形成低滲透粗砂粒堵塞層。從圖10c可知，在堵塞平衡階段，細砂粒堵塞礫石充填層孔喉之后，孔隙連通性急劇減弱，礫石充填層滲透率急劇降低，隨著地層砂顆粒在介質中的持續運移，大量細砂粒及泥質無法通過孔隙，在陶礫間形成的孔喉中發生膠結并形成團狀膠結物，膠結物逐漸占據孔喉內全部空間，最終堵塞礫石充填層。與礫石充填層不同，泡沫金屬介質孔隙率較高且連通性較好，類十二面體孔隙結構中一個面上的孔隙發生橋架堵塞，部分面上的孔隙未發生堵塞，仍然保持較高滲透率，地層砂顆粒可以繼續運移通過該類十二面體孔隙結構，當類十二面體孔隙結構中各個流出面上孔隙均發生橋架堵塞，使類十二面體孔隙結構滲透率急劇降低，細砂粒及泥質難以通過十二面體孔隙結構時，在橋架后，粗砂粒與中砂粒間形成的孔隙處將發生膠結，從而堵塞泡沫金屬介質。

4 結 論

(1)在試驗條件下，經過測試得到每25.4 mm布70、80和90孔的3種孔密泡沫金屬介質擋砂精度(通過介質地層砂的累計質量分數10%對應粒徑)分別為465、245和185 μm，未堵塞時滲透率分別為146.985、63.391和45.282 μm2，堵塞平衡后滲透率分別為0.193、0.168和0.149 μm2，滲透率損失率分別為0.998 7、0.997 3和0.996 7，滲透率損失率較高，但在堵塞過程中，滲透率降低速率較慢且始終保持較高值。

(2)在砂粒運移過程中，細砂粒進入介質內部，粗砂粒堵塞介質，形成低滲透粗砂粒橋架層，增大砂粒運移阻力，使細砂粒在粗砂粒堵塞層外大量堆積并發生膠結。每25.4 mm布70、80和90孔的3種孔密泡沫金屬介質流通性能指標分別為0.351 9、0.116 7和0.068 1，運移阻力系數分別為0.809、1.650和4.310，隨著介質精度的降低，介質流通性能不斷減弱，地層砂在介質中運移阻力越大，地層砂顆粒侵入介質程度越弱，通過介質的地層砂顆粒越少。

(3)泡沫金屬介質基質體積占有率低，孔隙率高，常規防砂介質基質體積占有率高，孔隙率低，針對泡沫金屬介質提出粗砂粒分選架橋和泥質及細砂粒膠結兩種堵塞機制。對于泡沫金屬介質，粗砂粒橋架堵塞介質，降低孔喉尺寸，使介質阻擋更細的砂粒，并使細砂粒和泥質在孔隙中發生膠結，而常規防砂介質中泥質優先通過，細砂粒堵塞介質，粗砂粒堵塞介質后的滲透性優于細砂粒，加之泡沫金屬介質孔隙度高且連通性好，使泡沫金屬介質具有更優異的防砂性能。