林日億，李兆敏，陸杏英，楊建平，譚紅旗，尹家文，趙宏寧

(1.中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院，山東青島 266555;2.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266555;3.中國石油青海油田分公司采油一廠，青海海西816400;4.遼河油田SAGD項目開發(fā)部，遼寧盤錦 124000;5.中油國際工程有限責(zé)任公司，北京 100011;6.中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司，北京 100085)

稠油熱采出砂機制試驗研究

林日億1，李兆敏2，陸杏英3，楊建平4，譚紅旗5，尹家文1，趙宏寧6

(1.中國石油大學(xué)儲運與建筑工程學(xué)院，山東青島 266555;2.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266555;3.中國石油青海油田分公司采油一廠，青海海西816400;4.遼河油田SAGD項目開發(fā)部，遼寧盤錦 124000;5.中油國際工程有限責(zé)任公司，北京 100011;6.中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司北京分公司，北京 100085)

稠油生產(chǎn)出砂是油氣田開發(fā)中制約產(chǎn)能的重要因素，高溫蒸汽沖刷、瀝青質(zhì)的熱解和水巖反應(yīng)溶解是稠油熱采出砂的主要原因。針對稠油開采出砂問題，分析稠油區(qū)塊的出砂機制，并試驗研究稠油熱采注蒸汽對巖心滲透率的影響和稠油熱采的出砂機制。結(jié)果表明:隨著注入蒸汽量的增加，巖心的滲透率都會先下降后上升，開采時需要適當(dāng)控制蒸汽流速以恢復(fù)最終滲透率到原有的80%左右;高流速下流體的流動沖刷導(dǎo)致地層的拉伸破壞而產(chǎn)生微粒的運移，破壞了骨架砂;高溫導(dǎo)致巖石的膠結(jié)強度下降，砂粒疏松;高黏度的原油在流動中阻力大，流動所需的壓力梯度大，對砂粒的摩擦攜帶作用也大;巖心初始滲透率低導(dǎo)致驅(qū)替壓差大，對巖心產(chǎn)生剪切破壞。

稠油熱采;出砂機制;試驗;巖心滲透率

大部分稠油油藏地質(zhì)情況復(fù)雜、動用難、開采成本高，這些因素制約了稠油的有效開采。地層出砂問題［1］是制約因素之一，當(dāng)蒸汽吞吐多輪次開采后高溫蒸汽反復(fù)沖刷、高溫?zé)峤獾葘Φ貙訋r石骨架的破壞作用增強，地層出砂更加嚴(yán)重。遼河油田是一個油藏類型多、成巖作用差的復(fù)雜斷塊油田，油藏泥質(zhì)含量較高，地層膠結(jié)疏松，采用蒸汽吞吐生產(chǎn)油井出砂極其嚴(yán)重。由于對其出砂機制的研究還不夠深入，使得在布置射孔位置、確定生產(chǎn)壓差與產(chǎn)量以及合理的防砂措施等方面具有一定的盲目性，造成防砂效果差。因此，加強對稠油油藏在熱采條件下巖石的破壞機制導(dǎo)致地層出砂規(guī)律方面的研究顯得十分必要。筆者通過理論和試驗的方法研究稠油熱采井的出砂機制。

1 稠油油藏出砂機制

地層砂可以分為游離砂和骨架砂［2-3］。游離砂是充填于油層孔道內(nèi)的未膠結(jié)的砂粒。當(dāng)流體流速達到一定數(shù)值時這些未膠結(jié)的砂粒將發(fā)生運移，油井開始出砂，這些砂粒必然會隨著產(chǎn)液流出地層，且能起到疏通地層孔隙通道提高產(chǎn)液滲流能力的作用;若這些充填砂粒留于地層孔隙中不能隨地層流體帶出，將會堵塞地層孔隙通道，造成地層滲透率下降，產(chǎn)能降低。當(dāng)生產(chǎn)流速和生產(chǎn)壓差達到某一臨界值時，巖石所受的應(yīng)力達到或超過其屈服極限，造成巖石骨架結(jié)構(gòu)的破壞，從而產(chǎn)生新的砂粒(骨架砂)，這些砂粒也變成可運移的游離砂，被油層流體攜帶而引起油井大量出砂，因此在生產(chǎn)過程中要控制生產(chǎn)流速和井底壓差，避免大量出砂。

在生產(chǎn)過程中，巖石受到的上覆巖層壓力、水平地應(yīng)力和地層孔隙壓力三者平衡被打破而導(dǎo)致巖石應(yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，致使巖石發(fā)生破壞。一般將巖石的破壞形式分為兩種:剪切破壞和拉伸破壞，在生產(chǎn)過程中兩種破壞機制同時起作用并相互影響。剪切破壞被認(rèn)為是大多數(shù)現(xiàn)場出砂的基本機制:當(dāng)巖石出現(xiàn)剪切作用達到屈服極限后，巖石產(chǎn)生破裂面，進而使巖石承載能力降低，破裂面進一步破碎和向外擴張，同時剪切引起地層破壞后，地層顆粒更容易在產(chǎn)液拖拽力作用下發(fā)生運移而出砂。拉伸破壞是巖石出砂的另一機制:當(dāng)產(chǎn)液流速超過一定數(shù)值，黏性產(chǎn)生的徑向拉應(yīng)力超過巖石抗拉強度時，巖石產(chǎn)生屈服導(dǎo)致拉伸破壞。

通常，稠油油藏屬疏松砂巖，地層膠結(jié)強度低，原油黏度高，極易出砂。開發(fā)時常利用加大生產(chǎn)壓差來提高產(chǎn)量，這樣易產(chǎn)生剪切破壞;在同樣的產(chǎn)量下，稠油流動作用于炮孔周圍地層顆粒上的拖曳力要比普通稀油大得多，使得炮眼孔壁巖石徑向應(yīng)力大于其本身的抗拉強度，脫離基體而導(dǎo)致拉伸破壞;高溫蒸汽對瀝青質(zhì)的熱解、水巖反應(yīng)產(chǎn)生的礦物和膠結(jié)物溶解、儲層的不斷激勵破壞作用是稠油熱采出砂的另一重要原因［1，4］。

2 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。試驗儀器和材料包括蒸汽驅(qū)線性模型、真空泵、壓力表、電子天平、一維巖心管、真實巖心、控制系統(tǒng)等。通過設(shè)計的自動控制系統(tǒng)對試驗進行控制并采集試驗數(shù)據(jù)，從而完成稠油熱采巖心滲透率試驗和稠油岀砂機制試驗。

圖1 蒸汽驅(qū)線性模型Fig.1 Linear model of steam flooding

3 巖心滲透率試驗

通過試驗研究稠油熱采時高溫蒸汽注入速率、蒸汽溫度和稠油黏度對巖心滲透率的影響，可以分析出油層的出砂機制——游離砂和骨架砂在這些因素影響下的變化。

3.1 高溫蒸汽對滲透率的影響

通過蒸汽驅(qū)線性模型測試高溫蒸汽作用下巖心滲透率的變化規(guī)律［5-7］，模擬不同蒸汽注入速度、溫度對巖心滲透率的影響。

采用遼河曙一區(qū)真實巖心制作一維巖心管(不含油巖心1根，含油巖心4根);巖心抽真空后進行飽和，并測初始液相滲透率k0。維持溫度不變，測量并記錄不同流量下巖心的滲透率;維持流量不變，測量并記錄不同蒸汽溫度下的巖心滲透率。

3.1.1 蒸汽流速

利用真實巖心粉末人工夯填填制不含油巖心1根(巖心號為S1)和含油巖心2根(巖心號分別為S5和S6)，其性質(zhì)見表1。在210℃下分別用2、4、6 mL/min流速蒸汽進行驅(qū)替，測試巖心滲透率的變化，試驗結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出，隨著蒸汽注入量的增加，含油巖心及不含油巖心的滲透率都發(fā)生了較大的變化，呈現(xiàn)出先降低后升高的規(guī)律。原因是在蒸汽注入過程中，開始由于水敏、泥質(zhì)膨脹、砂粒運移等原因，堵塞巖石中的孔隙通道，使巖石滲透率發(fā)生了不同程度的下降。后來，隨著注入蒸汽量的不斷增加，砂粒不斷被帶出，同時部分剩余油被蒸汽驅(qū)出，滲流孔道變大，巖心滲透率出現(xiàn)一定程度的回升，但回升后的滲透率始終沒有超過最初滲透率，有的甚至遠(yuǎn)小于最初滲透率?？梢钥闯觯瑤r心流出的砂是游離砂，這部分的出砂是不可避免的，在實際生產(chǎn)中也希望這部分砂流出，有利于原油的流動，從而可以提高采收率。由圖2還可知，當(dāng)含油巖心流速為6 mL/min、不含油巖心流速為2 mL/min時，最終滲透率可以恢復(fù)到初始滲透率的80%左右。當(dāng)流速過大時，巖石受到的應(yīng)力達到或超過其強度，造成巖石骨架結(jié)構(gòu)破壞，顆粒剝離骨架被流體帶走而引起油井大量出砂，此時巖心滲透率會持續(xù)變小然后急劇增大，大于最初的巖心滲透率。通過S5和S6的對比可以看出S5的出砂少，且最后巖心滲透率較低，可以推斷出其游離砂流出很少，實際生產(chǎn)中不應(yīng)采取這一流速。

表1 S1、S5、S6填砂巖心的性質(zhì)Table 1 Features of filled core S1，S5 and S6

圖2 210℃時不同巖心液相滲透率變化及滲透率變化比例Fig.2 Core liquid permeability changes and permeability in the proportion of change for different core at 210 ℃

3.1.2 蒸汽溫度

利用2根含油巖心(巖心編號為S3和S2)，以5 mL/min的蒸汽流速進行蒸汽溫度對巖心滲透率的影響試驗，表2為巖心性質(zhì)，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 相同蒸汽流速下不同巖心液相滲透率變化及其變化比例Fig.3 Core liquid permeability changes and permeability in the proportion of change in the same steam flow rate

表2 S3和S2填砂巖心的性質(zhì)Table 2 Features of filled core S3 and S2

由圖3可見，隨著蒸汽注入量的增加，在相同蒸汽流速下，兩塊含油巖心的液相滲透率也發(fā)生較大的變化，呈現(xiàn)先降低后升高的類似規(guī)律。蒸汽開始注入時，巖石水敏導(dǎo)致滲透率下降。隨著蒸汽注入量的不斷增加，巖心滲流孔道逐漸通暢變大，使巖心滲透率出現(xiàn)不同程度的回升。通過上述試驗可以看出:隨著溫度的升高，巖心滲透率增大，出砂量也增大;當(dāng)蒸汽溫度達240℃時，高溫蒸汽加熱使巖心孔隙內(nèi)的黏土礦物與非礦物熱膨脹程度不同，巖石內(nèi)出現(xiàn)熱應(yīng)力集中現(xiàn)象，巖石膠結(jié)結(jié)構(gòu)及泥質(zhì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)均遭到破壞，巖石結(jié)構(gòu)變得松散。其次，地層熱應(yīng)力就會變成切應(yīng)力使井壁處的巖石顆粒向井筒擠壓，同時由于疏松砂巖的膠結(jié)質(zhì)一般為泥質(zhì)和硅質(zhì)，硅質(zhì)膠結(jié)硬度較大。在高溫下，硅質(zhì)膠結(jié)易變脆，而泥質(zhì)則易于結(jié)塊，在一定的壓力下又會很容易破碎。高溫物化反應(yīng)也可導(dǎo)致巖石孔隙度的降低，從而堵塞蒸汽流道，降低滲透率，并有可能導(dǎo)致巖石的最終滲透率達到甚至超過初始滲透率，這在實際生產(chǎn)中應(yīng)當(dāng)避免。

3.2 原油黏度對巖心滲透率的影響

在一維蒸汽驅(qū)線性模型試驗中，通過測試不同原油黏度在驅(qū)替過程中巖心滲透率的變化來說明原油黏度對巖心的影響。

利用遼河曙一區(qū)含油巖心填制一維巖心管;巖心抽真空并飽和，測初始液相滲透率;準(zhǔn)備模擬油并用黏溫流變測試儀測定模擬油的黏度;最后測量不同黏度下巖心的滲透率。

但學(xué)生對此培養(yǎng)的要素理解不夠，認(rèn)同度不夠，他們無法理解剛進入大學(xué)階段，本應(yīng)該好好體驗大學(xué)安逸休閑的大學(xué)生活，卻要以準(zhǔn)職業(yè)人來度過，導(dǎo)致心態(tài)失衡，認(rèn)為此種培養(yǎng)時間過早，所以學(xué)生的意識接受與校企合作的要求是有偏差的，他們無法從自身的意識上去正確認(rèn)識，也無法做好職業(yè)定位，對自己的未來所需認(rèn)識不清晰，導(dǎo)致校企合作的實施不夠順暢，教師在實施過程中還無法深入下去，無法收到較好的效果。

配制了常溫下黏度約為1.0 Pa·s(模擬油A)和0.3 Pa·s(模擬油B)的模擬油，A和B的黏溫曲線見圖4。為了使驅(qū)替壓力不超過模型和管線的最高工作壓力(32 MPa)，驅(qū)替試驗溫度為75℃，此試驗需要在線性模型中的保溫套中進行。填砂巖心性質(zhì)見表3，試驗結(jié)果見圖5。

圖4 模擬油黏溫曲線Fig.4 Viscosity-temperature curve of simulated oil

表3 S4-A和S4-B填砂巖心的性質(zhì)Table 3 Features of filled core S4-A and S4-B

高黏原油在地層中的流動將產(chǎn)生較大的拖曳力和沖刷力，很容易造成地層出砂。當(dāng)?shù)貙由a(chǎn)壓差越大、原油流動速度越高時，流體對巖石產(chǎn)生的拖曳力越大。當(dāng)生產(chǎn)壓差、流體拖曳力、沖刷力和上覆地層壓力合力大于巖石自然膠結(jié)、巖石顆粒之間的摩擦力等組成的合力時，巖石骨架基體被破壞，地層出砂加劇。尤其在實施蒸汽吞吐稠油開采的地層中，注入階段高溫高壓蒸汽的強力沖擊，回采階段的大幅度提液及高黏流體的黏性拖曳和強攜砂能力刺激，使地層巖石遭受液體的雙向反復(fù)沖刷破壞，巖石顆粒更易松動而出砂。

圖5 不同黏度原油巖心驅(qū)替過程中滲透率變化Fig.5 Permeabiliy change during core flooding for crude oil of different viscosity

4 出砂機制試驗

4.1 高溫蒸汽對巖石出砂的影響

針對稠油開采過程中出現(xiàn)的出砂現(xiàn)象，模擬了高溫、高強度的蒸汽吞吐采油所造成的油層膠結(jié)骨架的破壞，通過測試不同溫度、不同流量作用下的巖心出砂量的變化，分析高溫蒸汽對巖心出砂機制的影響。

4.1.1 蒸汽流量

試驗用的蒸汽溫度為210℃;巖心采用遼河曙一區(qū)巖心砂子填制而成，滲透率為1.73 μm2，孔隙度為35.2%。試驗結(jié)果見圖6(a)(圍壓為2 MPa，驅(qū)替壓力盡量保持在0.5 MPa，每間隔5 h測一次出砂量)。

由圖6(a)可以看出，蒸汽的動力沖刷的速度越高，出砂量越大。在臨界出砂速度下，固體顆粒才會移動，而在較高的流體速度沖刷作用下會導(dǎo)致地層拉伸破壞而產(chǎn)生微粒運移。在臨界出砂速度以上，隨著流速增加，出砂速度迅速增加，同時也導(dǎo)致滲透率的急劇增加。

4.1.2 蒸汽溫度

蒸汽流量為6 mL/min，巖心滲透率為1.69 μm2，孔隙度為34.7%。試驗結(jié)果見圖6(b)。

由圖6(b)可以看出，隨著溫度升高，巖心出砂量明顯增加。同樣可以解釋為，高溫蒸汽使巖心孔隙內(nèi)的黏土礦物與非礦物熱膨脹程度不同，巖石膠結(jié)結(jié)構(gòu)及泥質(zhì)膠結(jié)結(jié)構(gòu)均遭到破壞，巖石內(nèi)出現(xiàn)熱應(yīng)力集中現(xiàn)象，巖石結(jié)構(gòu)變得松散。這說明高溫蒸汽的注入對巖心會產(chǎn)生一定的傷害，并且溫度越高 傷害越嚴(yán)重，出砂也越厲害。

圖6 不同蒸汽驅(qū)流量及溫度下巖心出砂量與時間的關(guān)系Fig.6 Sand production rate at different steam flooding flow and temperature

4.2 稠油對巖石出砂的影響

試驗用油黏度為40 mPa·s和一定礦化度的水(黏度為 1 mPa·s)，滲透率為 1.34 μm2，孔隙度為28.1%，在常溫下，流量為1.0 mL/min，試驗結(jié)果見圖7(a)(圍壓為2 MPa，驅(qū)替壓力盡量保持在0.5 MPa，驅(qū)替巖心)。

圖7 不同黏度流體驅(qū)替和初始滲透率下出砂量與時間的關(guān)系Fig.7 Sand production rate for different steam flooding viscosity and initial permeability

由圖7(a)可以看出，黏度高的流體驅(qū)替更易出現(xiàn)微粒的運移，從而造成孔道通暢甚至增大，使巖心滲透率增加。這是因為高黏度原油在流動中阻力大，流動所需的壓力梯度大，對砂粒的摩擦攜帶作用也大，同時高黏原油也阻止砂體顆粒在運移過程中沉降，使砂體顆粒比較均勻地分布在原油中，易于隨原油流動。

4.2.2 初始滲透率

采用相同黏度的流動介質(zhì)，先以1.0 mL/min流速驅(qū)替低滲透的巖心，然后以3.0 mL/min驅(qū)替高滲透的巖心，試驗每間隔5 h測一次出砂量，結(jié)果見圖7(b)。

由圖7(b)可以看出，出砂量隨著初始滲透率的增加而變小，說明滲透率越大，地層微粒運移越困難。原因是地層滲透率越大，相同的滲流速度下流動壓差越小，砂粒受到的啟動運移作用力越小，砂粒運移啟動越困難。

5 結(jié)論

(1)隨著注入蒸汽量增加，巖心的滲透率都會先下降后上升，但其影響程度要看變化后的滲透率與巖心初始滲透率之間的關(guān)系，開采時需要適當(dāng)控制蒸汽流速，當(dāng)最終滲透率恢復(fù)到原有的80%左右時有利于原油的開發(fā)。

(2)高流速、高溫度的蒸汽、高黏度的原油及低初始滲透率的巖心都會加劇出砂。高流速下流體的流動沖刷導(dǎo)致地層的拉伸破壞而產(chǎn)生微粒的運移，破壞了骨架砂;高溫導(dǎo)致巖石的膠結(jié)強度下降，砂粒疏松;高黏度的原油在流動中阻力大，流動所需的壓力梯度大，對砂粒的摩擦攜帶作用也大;巖心初始滲透率低導(dǎo)致驅(qū)替壓差大，對巖心產(chǎn)生剪切破壞。

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Experimental study on sand production mechanism of heavy oil thermal recovery

LIN Ri-yi1，LI Zhao-min2，LU Xing-ying3，YANG Jian-ping4，TAN Hong-qi5，YIN Jia-wen1，ZHAO Hong-ning6

(1.College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China;2.College of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China;3.1st Oil Production Plant of Qinghai Oilfield Company，PetroChina，Haixi 816400，China;4.SAGD Project Development Department in Liaohe Oilfield，Panjin 124000，China;5.CNPC International Engineering Company Limited，Beijing 100011，China;6.Beijing Branch of China Petroleum Engineering Group Company Limited，Beijing 100085，China)

The sand production is an important factor controlling heavy oil production capacity in the development of heavy oil recovery.High-temperature steam erosion，asphaltene pyrolysis and dissolution of water-rock reactions are important factors of sand production of thermal recovery.Aimed at the problem of heavy oil sand production，the sand production mechanism was analyzed.The effects of steam injection on the real core permeability and the sand production mechanism of heavy oil thermal recovery were studied experimentally.The results show that the core permeability decreases and then increases with the injected steam increasing，so it is required to restore the final permeability to about 80%of the original by controlling the steam flow rate in exploitation.And the tensile failure of formation results in the migration of particles and skeletal sand damaged by high velocity fluid flow.The bond strength of rocks decreases and sand looses by high temperature of the steam.High viscosity crude oil shows large flow resistance，high flow pressure gradient and high portability.The low initial permeability results in great pressure difference in displacement，which caused shear failure of the core.

heavy oil thermal recovery;sand production mechanism;experiment;core permeability

TE 345

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.04.023

1673-5005(2011)04-0123-06

2010－10－22

國家科技重大專項課題(2008ZX05009－004);山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2010EL021);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(10CX04014A)

林日億(1973－)，男(漢族)，湖南桂陽人，副教授，博士，從事熱力采油和熱能利用的教學(xué)與科研工作。

(編輯 沈玉英)