余莉，陳艷平，何計(jì)彬，葉成明

(1.河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)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(qū)替實(shí)驗(yàn)是研究防砂機(jī)理和防砂技術(shù)的重要手段.已有研究表明，不同地層的出砂機(jī)理不同，應(yīng)采取不同的防砂措施.對(duì)于膠結(jié)較強(qiáng)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(fā)剪切破壞的防砂措施.對(duì)于疏松砂巖地層，主要因土層顆粒運(yùn)移而出砂，一般采取控制開采壓差的防砂措施.

針對(duì)油氣井的防砂原理，Hall等[1]發(fā)現(xiàn)當(dāng)儲(chǔ)層處于圍巖壓力狀態(tài)時(shí)其自身可形成砂拱結(jié)構(gòu)而防砂，張建國等[2]在Hall的基礎(chǔ)上建立了砂拱模型并得到驗(yàn)證，適用于一定條件的疏松砂巖地層.在油氣井的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究方面，部分專家學(xué)者投入了大量的科研工作并得到了一系列結(jié)論.鄧好[3]以彬長(zhǎng)礦區(qū)4號(hào)煤層作為研究對(duì)象，通過室內(nèi)模擬驅(qū)替煤層氣實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，獲取最優(yōu)注氣方案.陳星宇[4]設(shè)計(jì)了一種高溫高壓巖心動(dòng)態(tài)驅(qū)油實(shí)驗(yàn)CT掃描裝置 ，并進(jìn)行了油水驅(qū)替CT掃描實(shí)驗(yàn),獲得了較好的動(dòng)態(tài)油水分布實(shí)驗(yàn)效果.楊富祥等[5]選取了該儲(chǔ)層的巖心進(jìn)行室內(nèi)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為低滲透儲(chǔ)層巖心在進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)驅(qū)替速度與中高滲儲(chǔ)層巖心有所差異，速度不宜過大等.李佳燁[6]利用地質(zhì)及動(dòng)態(tài)資料,對(duì)儲(chǔ)層砂體發(fā)育規(guī)模和儲(chǔ)層性質(zhì)、裂縫發(fā)育特征、驅(qū)替特征、微觀孔隙結(jié)構(gòu)以及油水分布規(guī)律等開展了模擬實(shí)驗(yàn)與分析,明確了不同儲(chǔ)層微觀剩余油分布及水驅(qū)油特征,定量表征孔隙結(jié)構(gòu)分布.董長(zhǎng)銀等[7]對(duì)4種充填密實(shí)程度進(jìn)行礫石層擋砂徑向流驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，通過滲透率、過砂率和沖蝕形態(tài)變化評(píng)價(jià)礫石層擋砂效果及其穩(wěn)定性.呂成遠(yuǎn)等[8]通過水驅(qū)前后CO2混相過程微觀實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為高含水飽和度會(huì)對(duì)CO2與原油的接觸過程產(chǎn)生一定的屏蔽作用，導(dǎo)致高含水條件下CO2驅(qū)見效時(shí)間被推遲.狄勤豐等[9]利用油藏?cái)?shù)值模擬方法模擬了重力對(duì)水驅(qū)油過程中流體流動(dòng)形態(tài)的影響，并提出了一種獲得產(chǎn)生重力舌進(jìn)特征臨界密度差的新方法.董長(zhǎng)銀等[10]利用機(jī)械篩管控砂效果綜合模擬與評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置,開展了系統(tǒng)的篩管和擋砂介質(zhì)擋砂機(jī)制的研究，認(rèn)為天然氣水合物儲(chǔ)層的高泥質(zhì)含量對(duì)有效控砂具有一定的可行性.何計(jì)彬等[11]通過理論計(jì)算分析了礫石顆粒的粒徑比對(duì)礫石堆積孔隙直徑尺寸的定量影響.余莉等[12]結(jié)合中國南海海域試采儲(chǔ)層的粒徑分布范圍和充填混合礫石的特點(diǎn),建立了混合粒徑組合等效孔隙尺寸模型,計(jì)算得出部分工業(yè)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(duì)黏土質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)集層的“防粗疏細(xì)”式防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)方法.

綜上所述，主要是針對(duì)較致密巖體的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究，針對(duì)疏松巖體的研究較少，其中針對(duì)泥質(zhì)粉砂巖層的驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的研究較少，沒有較成熟的研究成果供參考.筆者針對(duì)這一問題，展開了大量的泥質(zhì)粉砂巖驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這種疏松泥質(zhì)粉砂巖，在氣體驅(qū)替過程中，巖層固相顆粒會(huì)發(fā)生重新排列組合，形成新的動(dòng)態(tài)平衡結(jié)構(gòu)，建立了自我防砂構(gòu)造.高含水巖層顆粒在氣驅(qū)的作用下逐漸失水形成砂拱，初步構(gòu)建了固體顆粒穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，隨著氣驅(qū)進(jìn)一步進(jìn)行，大量氣體和液體會(huì)攜帶較細(xì)顆粒發(fā)生運(yùn)移，沉積于防砂結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層之間，并形成穩(wěn)定的擋砂結(jié)構(gòu).這種擋砂結(jié)構(gòu)，不同于砂拱的分層特征，是一種新的結(jié)構(gòu)，因此揭露它的形成演化規(guī)律對(duì)油氣井開采防砂具有重要意義.因而，筆者針對(duì)N2驅(qū)替實(shí)驗(yàn)后的泥質(zhì)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(zhì)粉砂巖在氣驅(qū)條件下的分層演化規(guī)律，為氣藏的開采提供理論基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

整體實(shí)驗(yàn)方案：首先進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)后泥質(zhì)粉砂巖層進(jìn)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(jié)構(gòu)特征.

1.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1)共設(shè)計(jì)了9組驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，驅(qū)替壓差分別為0.5、1、2 MPa，每個(gè)壓差重復(fù)3次.

2)顆粒粒徑分析，共設(shè)計(jì)了45組實(shí)驗(yàn).驅(qū)替實(shí)驗(yàn)后將泥質(zhì)粉砂巖層取出驅(qū)替井筒，分5層取樣見圖1，每層取3個(gè)樣，求其平均值以避免其偶然性結(jié)果.

3)電鏡掃描分析，共設(shè)計(jì)了45組實(shí)驗(yàn)見圖2.在驅(qū)替實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行烘干，將烘干樣分3層取樣，每層取樣5個(gè)，每個(gè)壓差取樣15個(gè)，共計(jì)3個(gè)壓差45個(gè)樣本，而后進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析.

圖1 顆粒粒徑實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置

驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置為高壓裝置，該裝置包括N2注入系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、高壓驅(qū)替井筒系統(tǒng)(高壓反應(yīng)釜系統(tǒng))和采集系統(tǒng)4部分.注入系統(tǒng)采用高壓N2和穩(wěn)壓裝置進(jìn)行恒壓的N2注入.高壓反應(yīng)釜系統(tǒng)主要有進(jìn)氣口、高含水泥質(zhì)粉砂型巖層、防砂礫石和濾網(wǎng)及排泄口組成.高壓反應(yīng)釜系統(tǒng)的最高工作壓力為20 MPa.采集系統(tǒng)為接收驅(qū)替過程中的液體產(chǎn)出收集和計(jì)量裝置.實(shí)驗(yàn)裝置流程見圖3.實(shí)驗(yàn)后泥質(zhì)粉砂巖層的分層顆粒粒徑分析采用激光粒度儀進(jìn)行分析，它的微觀結(jié)構(gòu)采用電鏡掃描儀進(jìn)行分析.

圖3 高壓驅(qū)替實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of high pressure displacement test system

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)?zāi)噘|(zhì)粉砂巖樣的粒徑為1～50 μm，粒徑中值為4.5 μm，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為120%，實(shí)驗(yàn)室溫度為20 ℃，實(shí)驗(yàn)條件下用穩(wěn)壓N2驅(qū)替，防砂濾料為50～60目(0.25～0.30 mm)；濾網(wǎng)上部為50目(0.25 mm)，下部為60目(0.30 mm),驅(qū)替實(shí)驗(yàn)巖心滲透率為20×10-2D；孔隙度為45%，實(shí)驗(yàn)用N2為工業(yè)級(jí)，純度為99.9%.

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

1.4.1 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)

配制水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為120%的泥質(zhì)粉砂巖樣，攪拌，待用；然后將阻砂濾料和疏松泥質(zhì)粉砂土層分別裝進(jìn)高壓反應(yīng)釜內(nèi)，密封；將高壓反應(yīng)釜下面安放接收滲透液體的量筒；調(diào)節(jié)氣壓到預(yù)設(shè)值(0.5、1、2 MPa)；最后打開進(jìn)氣閥，開始實(shí)驗(yàn)并計(jì)時(shí)；實(shí)驗(yàn)完成后取出樣品進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn).

1.4.2 顆粒粒徑實(shí)驗(yàn)

在驅(qū)替實(shí)驗(yàn)前取3個(gè)泥質(zhì)粉砂層樣品進(jìn)行顆粒粒徑分析，將驅(qū)替實(shí)驗(yàn)后的泥質(zhì)粉砂土層分層取樣，取少量的蒸餾水濕潤(rùn)土樣(為了不破壞顆粒結(jié)構(gòu))，然后采用激光粒度儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖4所示.

圖4 激光粒度測(cè)量實(shí)驗(yàn)Fig.4 Laser particle size experiment

1.4.3 電鏡掃描實(shí)驗(yàn)

將驅(qū)替實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行風(fēng)干處理后，進(jìn)行切樣，然后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電鏡掃描實(shí)驗(yàn).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 驅(qū)替實(shí)驗(yàn)分析

驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象：根據(jù)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的累計(jì)濾出液體體積，將驅(qū)替實(shí)驗(yàn)濾出液體體積分為4個(gè)階段，見圖5所示，壓差為1 MPa：第1階段為無排液階段，此時(shí)無氣體和固相顆粒排出；第2階段穩(wěn)定排液階段，此時(shí)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(wěn)定氣體排出；第4階段為少量非穩(wěn)定排液階段，此時(shí)幾乎為不出砂階段，伴隨著非穩(wěn)定氣體排出，直至穩(wěn)定產(chǎn)氣.

結(jié)合固、液、氣三相耦合滲流理論與土力學(xué)的有效應(yīng)力原理，忽略過飽和階段與穩(wěn)定排氣階段，假設(shè)壓差為總應(yīng)力P，土體有效應(yīng)力為σ(固結(jié)排水)，孔隙水壓力μ(阻止水、氣排出)，孔隙氣壓力a(驅(qū)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(shí)，總壓差為P；有效應(yīng)力σ=0 ；孔隙水壓力μ=P；孔隙氣壓力a=0.

2)第2階段穩(wěn)定排液階段，土體固體顆粒固結(jié)形成泥皮，液體穩(wěn)定排出，無氣體排出，幾乎不出砂.此時(shí)，總壓差為P；有效應(yīng)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(wěn)定氣體排出.此時(shí)，總壓差為P；有效應(yīng)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(wěn)定排液階段，此時(shí)幾乎為不出砂階段，伴隨著非穩(wěn)定氣體排出，直至穩(wěn)定排氣.此時(shí)，總壓差為P；有效應(yīng)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(qū)替實(shí)驗(yàn)后的巖樣分為5層，分別進(jìn)行取樣，為了避免其偶然性，每層取3個(gè)樣進(jìn)行分析，最終取平均粒徑值，對(duì)比驅(qū)替實(shí)驗(yàn)前后顆粒粒徑的分布情況，見圖6～8.分析圖6～8可得：

1)對(duì)比驅(qū)替實(shí)驗(yàn)前的顆粒粒徑分析，實(shí)驗(yàn)后分層取樣的顆粒粒徑曲線都發(fā)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(fā)生了重新排列.

2)分層取樣的顆粒級(jí)配曲線分布于實(shí)驗(yàn)前的左、右兩側(cè)，其中，壓差0.5、1、2 MPa的顆粒粒徑曲線分布都符合此規(guī)律，其粒徑級(jí)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(guī)律見圖9.從圖9可以看出，最下層(第5層)為最細(xì)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(qū)替實(shí)驗(yàn)中，土層顆粒發(fā)生了重新排列，其排列規(guī)律不同于砂拱原理，在靠近防砂結(jié)構(gòu)附近，分布著一層細(xì)粒結(jié)構(gòu).

圖5 儲(chǔ)層含水量為120%的累計(jì)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(jí)配分析曲線Fig.6 0.5 MPa particle size distribution analysis curve

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

圖8 2 MPa顆粒級(jí)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(zhì)粉砂型巖石顆粒發(fā)生了重新排列，形成了新的防砂結(jié)構(gòu)，這時(shí)產(chǎn)能的變化情況與其通道的堵塞情況需要進(jìn)一步分析.為了研究細(xì)粒物質(zhì)在形成后是否堵塞氣、水通道，將實(shí)驗(yàn)后細(xì)粒樣品進(jìn)行電鏡掃描，微觀結(jié)構(gòu)圖如圖10，可以看出，細(xì)顆粒中形成了針孔狀貫通通道，這種通道在排液、氣時(shí)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(guī)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象演化解析

疏松泥質(zhì)粉砂巖層在N2的驅(qū)替作用下，形成了“泥皮+砂拱”的自我防砂結(jié)構(gòu)，根據(jù)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、顆粒粒徑實(shí)驗(yàn)及電鏡掃描實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等，可以推斷其形成的演化過程如下：

1)排水固結(jié).在壓差作用下，處于初始狀態(tài)的土體，在防砂結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的滲透性降低，進(jìn)而阻礙了儲(chǔ)層顆粒運(yùn)移，使得其在擋砂結(jié)構(gòu)外側(cè)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(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度較難破壞，從而達(dá)到一種滲流平衡，此時(shí)由于水流滲透速度較慢，不足以攜帶大量的儲(chǔ)層砂運(yùn)移，因此出砂現(xiàn)象不明顯.

2)出砂與產(chǎn)氣階段.隨著儲(chǔ)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(dá)到臨界攜砂速度而出砂.隨著細(xì)粒固體物質(zhì)的排出及連續(xù)氣流的產(chǎn)生，這時(shí)儲(chǔ)層形成了穩(wěn)定的具有一定滲透性能的泥皮，成為天然的阻砂結(jié)構(gòu).

3)泥皮結(jié)構(gòu)形成后，具有一定的強(qiáng)度，且具有穩(wěn)定的氣水滲流通道，較難破壞.通過多次循環(huán)防砂實(shí)驗(yàn)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(tài)，且出砂量也會(huì)隨著泥皮的增厚而減少，甚至可能不出砂.因此，泥皮結(jié)構(gòu)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(chǔ)層；4.水合物儲(chǔ)層.圖11 出砂演化機(jī)理示意Fig.11 Diagram of sand production evolution mechanism

4 結(jié)論

1)根據(jù)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，分析了該實(shí)驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，氣體驅(qū)替實(shí)驗(yàn)主要分為4個(gè)階段, 即無排液階段(不排氣)、 穩(wěn)定排液階段(不排氣)、急速排液階段(氣、液共同排泄)和穩(wěn)定產(chǎn)氣階段(不排液).說明在巖體孔隙中的排泄順序?yàn)橐?、固、氣，且每個(gè)階段都有相應(yīng)的過渡.

2)對(duì)比驅(qū)替實(shí)驗(yàn)前后固結(jié)儲(chǔ)層的顆粒級(jí)配曲線的變化規(guī)律可知，實(shí)驗(yàn)后的顆粒粒徑曲線與實(shí)驗(yàn)前不重合，且分布于實(shí)驗(yàn)前曲線的左、右兩側(cè)，說明實(shí)驗(yàn)后巖層顆粒在垂直方向上發(fā)生了分層，經(jīng)分析形成了“泥皮+砂拱”結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有防砂、產(chǎn)氣功能.

3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和電鏡掃描新形成的泥皮可知，泥皮結(jié)構(gòu)會(huì)形成針孔狀孔隙，保證了防砂產(chǎn)氣.