劉晨楓 董長(zhǎng)銀 孟召蘭 周博 王堯 王力智 黃有藝

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司)

0 引 言

防砂介質(zhì)是油氣井防砂機(jī)械篩管的核心擋砂部件，常規(guī)介質(zhì)結(jié)構(gòu)有規(guī)則縫隙類、規(guī)則濾網(wǎng)類和不規(guī)則金屬棉類，孔隙度在30%左右[1-5]。在油氣井開(kāi)采過(guò)程中，地層砂顆粒易在孔隙度較低的常規(guī)防砂介質(zhì)中堆積，減弱介質(zhì)防砂效果。近年來(lái)出現(xiàn)一種多孔新型泡沫金屬防砂介質(zhì)，中海油通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新將其成功應(yīng)用于油氣田開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。該介質(zhì)孔隙分布不規(guī)則且孔隙度大于80%，孔喉結(jié)構(gòu)和常規(guī)防砂介質(zhì)不同[6-8]，呈現(xiàn)多面體“籠式”結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了由二維平面到三維立體過(guò)濾的技術(shù)演變，地層砂顆粒在該介質(zhì)中運(yùn)移規(guī)律不同于常規(guī)防砂介質(zhì)。因此，明確泡沫金屬防砂介質(zhì)中砂粒運(yùn)移規(guī)律及堵塞機(jī)理是一項(xiàng)重要內(nèi)容。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)繞絲和金屬網(wǎng)布等常規(guī)防砂篩管性能進(jìn)行了大量研究，主要集中在地層砂通過(guò)常規(guī)防砂介質(zhì)時(shí)侵入、運(yùn)移和滯留機(jī)理等方面[9-12]。對(duì)泡沫金屬介質(zhì)開(kāi)展了部分研究，主要集中在泥質(zhì)含量及介質(zhì)參數(shù)對(duì)泡沫金屬介質(zhì)防砂性能的影響方面[13-19]。其中部分研究者對(duì)泡沫金屬介質(zhì)開(kāi)展了物理模擬試驗(yàn)研究，探究了介質(zhì)精度、厚度和孔徑對(duì)泡沫金屬篩管防砂及流通性能的影響[14-18]，以及泥質(zhì)含量對(duì)篩管防砂效果的影響[19]。上述研究提升了人們對(duì)于泡沫金屬介質(zhì)防砂性能影響因素的認(rèn)識(shí)，得到初步影響規(guī)律以及知道了如何對(duì)泡沫金屬介質(zhì)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，但其堵塞機(jī)理未開(kāi)展深入研究，因此對(duì)于泡沫金屬介質(zhì)堵塞機(jī)理尚不明確。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)泡沫金屬介質(zhì)開(kāi)展了物理模擬試驗(yàn)，揭示了其中砂粒運(yùn)移規(guī)律及介質(zhì)堵塞機(jī)理。研究結(jié)論可為泡沫金屬介質(zhì)在機(jī)械防砂領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論支撐。

1 試驗(yàn)原理與方法

1.1 試驗(yàn)原理

構(gòu)建了單向流防砂介質(zhì)驅(qū)替模擬試驗(yàn)裝置，如圖1所示。

圖1 防砂介質(zhì)驅(qū)替模擬試驗(yàn)裝置Fig.1 Sand control medium displacement simulation experimental device

通過(guò)實(shí)時(shí)采集得到介質(zhì)兩端壓力、流量及幾何參數(shù)，利用式(1)計(jì)算整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中泡沫金屬介質(zhì)滲透率。

(1)

式中：Q為通過(guò)介質(zhì)流體流量，m3/s；μ為試驗(yàn)用流體的黏度，Pa·s；L為介質(zhì)的厚度，m；A為過(guò)流面積，m2；Δp為介質(zhì)兩側(cè)壓差，Pa。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在室溫條件下實(shí)施，試驗(yàn)驅(qū)替流體采用清水，流量1.2 m3/h，試驗(yàn)利用商業(yè)地層砂人工配制試驗(yàn)地層砂，復(fù)配地層砂粒徑中值為150 μm，均質(zhì)系數(shù)為3.50，泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，泥質(zhì)由伊利石、蒙脫石及高嶺石組成，3種組成成分相對(duì)含量比例為3∶2∶ 5，試驗(yàn)采用3種泡沫金屬介質(zhì)，孔密分別為沿長(zhǎng)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(zhì)(直徑55 mm)Fig.2 Foam metal media with three pore densities (?55 mm)

2 泡沫金屬介質(zhì)中砂粒運(yùn)移規(guī)律試驗(yàn)

2.1 介質(zhì)中砂粒運(yùn)移試驗(yàn)結(jié)果

在室溫條件下使用清水?dāng)y帶粒徑中值為150 μm的人工復(fù)配地層砂,以每25.4 mm布70、80和90孔的3種泡沫金屬介質(zhì)進(jìn)行驅(qū)替試驗(yàn)，流量和壓差曲線如圖3所示。

圖3 3種孔密介質(zhì)流動(dòng)壓差及流量隨時(shí)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(zhì)中運(yùn)移時(shí)，較細(xì)的地層砂顆粒進(jìn)入介質(zhì)堵塞內(nèi)部孔隙[20-21]，較粗的地層砂顆粒直接堵塞介質(zhì)孔隙，地層砂顆粒在介質(zhì)中運(yùn)移阻力增加，通過(guò)泡沫金屬介質(zhì)的流量逐漸降低，介質(zhì)兩端的壓差逐漸增大。為分析介質(zhì)滲透率變化情況，利用達(dá)西公式計(jì)算介質(zhì)滲透率及滲透率比，3種介質(zhì)滲透率及滲透率比隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。

圖4 3種孔密介質(zhì)滲透率及滲透率比隨時(shí)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(jù)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(wú)量綱。

利用式(2)計(jì)算3種介質(zhì)滲透率損失率，如表1所示。表1中過(guò)砂率為通過(guò)泡沫金屬介質(zhì)地層砂質(zhì)量與試驗(yàn)中加入地層砂總質(zhì)量的比值。

表1 3種孔密介質(zhì)試驗(yàn)結(jié)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(zhì)未發(fā)生堵塞階段，3種介質(zhì)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(zhì)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(zhì)滲透率均下降，每25.4 mm布70孔介質(zhì)初始滲透率下降時(shí)間最慢，但3種介質(zhì)在堵塞過(guò)程中均保持相對(duì)較高的滲透率。由圖4c和圖4d可知，3種介質(zhì)在堵塞過(guò)程中滲透率比均保持較高值，表明泡沫金屬介質(zhì)在堵塞過(guò)程中滲透率下降速度較慢。

在堵塞平衡階段，3種介質(zhì)終了滲透率分別為0.193、0.168和0.149 μm2，3種介質(zhì)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(zhì)滲透率損失率較大，3種介質(zhì)過(guò)砂率分別為53.889%、21.488%和6.828%。在介質(zhì)運(yùn)移過(guò)程中，運(yùn)移通過(guò)每25.4 mm布70孔介質(zhì)地層砂最多，對(duì)介質(zhì)滲透率造成損失最嚴(yán)重。

此外，由式(3)～式(5)計(jì)算抗堵塞性評(píng)價(jià)指標(biāo)和流通性能指標(biāo)，由此可分析3種泡沫金屬介質(zhì)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(jì)算抗堵塞性能和流通性能指標(biāo)，每25.4 mm布70、80和90孔3種介質(zhì)抗堵塞性能指標(biāo)分別為0.454 9、0.349 9和0.285 6，流通性能指標(biāo)分別為0.351 9、0.116 7和0.068 1，抗堵塞和流通性能指標(biāo)依次降低，表明抗堵塞性能和流通性能依次減弱。

2.2 介質(zhì)中砂粒運(yùn)移規(guī)律

基于砂粒運(yùn)移試驗(yàn)結(jié)果，為進(jìn)一步分析泡沫金屬介質(zhì)內(nèi)部地層砂顆粒運(yùn)移規(guī)律[22-23]，分析每25.4 mm長(zhǎng)度布70、80和90孔的3種介質(zhì)入流及流出面地層砂堆積狀態(tài)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 3種孔密泡沫金屬介質(zhì)入流面及流出面地層砂堆積狀態(tài)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(zhì)砂粒運(yùn)移試驗(yàn)中，3種介質(zhì)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(jié)形成了滲透性不同的泥餅，進(jìn)一步阻擋砂粒在介質(zhì)中的運(yùn)移。每25.4 mm布70孔介質(zhì)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(zhì)流出面，每25.4 mm布90孔介質(zhì)流出面未明顯見(jiàn)到地層砂運(yùn)移通過(guò)，而每25.4 mm布70孔介質(zhì)中有較多地層砂顆粒運(yùn)移通過(guò)并滯留在介質(zhì)流出面。收集通過(guò)介質(zhì)和介質(zhì)阻擋的地層砂，并對(duì)兩類地層砂進(jìn)行粒度分析，分析曲線如圖6所示。

通過(guò)泡沫金屬介質(zhì)地層砂的累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%對(duì)應(yīng)的粒徑值被認(rèn)為是該介質(zhì)擋砂精度[15]，由圖6a可知，每25.4 mm布70、80及90孔3種介質(zhì)擋砂精度分別為465、245和185 μm。由圖6b可知，運(yùn)移阻力系數(shù)越大，運(yùn)移阻力越大。第i個(gè)介質(zhì)中地層砂顆粒運(yùn)移阻力系數(shù)計(jì)算式為：

(6)

式中：D50(i)為第i個(gè)擋砂介質(zhì)阻擋地層砂的粒度中值，μm；D50為試驗(yàn)所用原始地層砂的粒度中值，μm；CTR為第i個(gè)防砂介質(zhì)中地層砂顆粒運(yùn)移阻力系數(shù)，無(wú)量綱。

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

圖6 3種孔密介質(zhì)通過(guò)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(zhì)堵塞機(jī)理分析

3.1 介質(zhì)微觀堵塞形態(tài)

試驗(yàn)結(jié)束后，將每25.4 mm布80孔泡沫金屬介質(zhì)沿徑向切開(kāi)，在微觀狀態(tài)下觀察介質(zhì)入流面、內(nèi)部截面及流出面3個(gè)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(zhì)入流面堵塞較為嚴(yán)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(zhì)入流面的地層砂顆粒和泥質(zhì)出現(xiàn)明顯的膠結(jié)，形成團(tuán)狀膠結(jié)物，極大降低了泡沫金屬介質(zhì)滲透率，增大了地層砂在介質(zhì)中的運(yùn)移阻力。

由圖7c可知，大量地層砂顆粒進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部后，充填并堵塞在介質(zhì)類十二面體孔隙結(jié)構(gòu)中，介質(zhì)內(nèi)部截面堵塞較為嚴(yán)重，殘留大量地層砂。由圖7d可知，局部放大內(nèi)部截面，大部分地層砂顆粒滯留在介質(zhì)內(nèi)部，砂粒之間出現(xiàn)橋架，并形成低滲透粗砂粒橋架層，堵塞流通孔隙，降低介質(zhì)內(nèi)部孔隙連通性。

由圖7e可知，介質(zhì)流出面極少數(shù)孔隙被地層砂堵塞，運(yùn)移通過(guò)介質(zhì)地層砂顆粒較少，說(shuō)明地層砂顆粒在運(yùn)移過(guò)程中，大量充填在介質(zhì)類十二面體孔隙結(jié)構(gòu)中，堵塞了介質(zhì)內(nèi)部孔隙。由圖7f可知，局部放大流出面，當(dāng)砂粒直徑大于介質(zhì)孔隙直徑時(shí)，地層砂顆粒直接充填在構(gòu)成孔隙骨架處，使孔隙進(jìn)一步減小，增加了砂粒運(yùn)移阻力。

3.2 介質(zhì)堵塞機(jī)理

泡沫金屬介質(zhì)內(nèi)部呈蜂窩狀，介質(zhì)連續(xù)固相為三維網(wǎng)格，金屬骨架相互交織形成多個(gè)相互連通的孔隙，每個(gè)孔隙類似于蜜蜂巢穴，近似呈六邊形，12個(gè)近似呈六邊形的孔隙通過(guò)交織組成一個(gè)類十二面體結(jié)構(gòu)。常規(guī)防砂介質(zhì)骨架占據(jù)介質(zhì)大部分體積，孔隙規(guī)則且孔隙度在30%左右，泡沫金屬介質(zhì)結(jié)構(gòu)分布相反，孔隙占據(jù)介質(zhì)大部分體積，孔隙分布不規(guī)則且孔隙度大于80%，礫石充填層、金屬網(wǎng)布和泡沫金屬等常規(guī)防砂介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)如圖8所示。

基于泡沫金屬介質(zhì)砂粒運(yùn)移規(guī)律及其特殊空間結(jié)構(gòu)，提出泡沫金屬介質(zhì)堵塞為粗砂粒分選架橋堵塞和泥質(zhì)及細(xì)砂粒膠結(jié)堵塞兩種機(jī)制共同作用下的復(fù)合堵塞，以介質(zhì)內(nèi)部一個(gè)類十二面體孔隙結(jié)構(gòu)為例，該介質(zhì)堵塞機(jī)理示意圖如圖9所示。為分析常規(guī)防砂介質(zhì)與泡沫金屬介質(zhì)堵塞機(jī)理差異，以礫石充填層堵塞機(jī)理為例，繪制礫石充填層與泡沫金屬介質(zhì)堵塞機(jī)理對(duì)比示意圖，如圖10所示。

圖10 礫石充填層與泡沫金屬介質(zhì)堵塞機(jī)理對(duì)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?yàn)槌涮钐盏[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(zhì)、細(xì)砂粒及中砂粒均可以通過(guò)泡沫金屬介質(zhì)，礫石充填層中僅能使泥質(zhì)通過(guò)。由圖10b可知，在堵塞開(kāi)始階段，因?yàn)榈[石充填層中孔喉尺寸較小，泥質(zhì)通過(guò)之后，細(xì)砂粒優(yōu)先被阻擋在充填陶礫間形成的孔喉處，隨著細(xì)砂粒堵塞程度的加劇，細(xì)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(zhì)中孔隙尺寸較大，泥質(zhì)、細(xì)砂粒及中砂粒均可以通過(guò)，部分粗砂粒優(yōu)先被介質(zhì)中孔隙阻擋并且相互之間產(chǎn)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(xì)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(zhì)中的持續(xù)運(yùn)移，大量細(xì)砂粒及泥質(zhì)無(wú)法通過(guò)孔隙，在陶礫間形成的孔喉中發(fā)生膠結(jié)并形成團(tuán)狀膠結(jié)物，膠結(jié)物逐漸占據(jù)孔喉內(nèi)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(zhì)孔隙率較高且連通性較好，類十二面體孔隙結(jié)構(gòu)中一個(gè)面上的孔隙發(fā)生橋架堵塞，部分面上的孔隙未發(fā)生堵塞，仍然保持較高滲透率，地層砂顆粒可以繼續(xù)運(yùn)移通過(guò)該類十二面體孔隙結(jié)構(gòu)，當(dāng)類十二面體孔隙結(jié)構(gòu)中各個(gè)流出面上孔隙均發(fā)生橋架堵塞，使類十二面體孔隙結(jié)構(gòu)滲透率急劇降低，細(xì)砂粒及泥質(zhì)難以通過(guò)十二面體孔隙結(jié)構(gòu)時(shí)，在橋架后，粗砂粒與中砂粒間形成的孔隙處將發(fā)生膠結(jié)，從而堵塞泡沫金屬介質(zhì)。

4 結(jié) 論

(1)在試驗(yàn)條件下，經(jīng)過(guò)測(cè)試得到每25.4 mm布70、80和90孔的3種孔密泡沫金屬介質(zhì)擋砂精度(通過(guò)介質(zhì)地層砂的累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%對(duì)應(yīng)粒徑)分別為465、245和185 μm，未堵塞時(shí)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(guò)程中，滲透率降低速率較慢且始終保持較高值。

(2)在砂粒運(yùn)移過(guò)程中，細(xì)砂粒進(jìn)入介質(zhì)內(nèi)部，粗砂粒堵塞介質(zhì)，形成低滲透粗砂粒橋架層，增大砂粒運(yùn)移阻力，使細(xì)砂粒在粗砂粒堵塞層外大量堆積并發(fā)生膠結(jié)。每25.4 mm布70、80和90孔的3種孔密泡沫金屬介質(zhì)流通性能指標(biāo)分別為0.351 9、0.116 7和0.068 1，運(yùn)移阻力系數(shù)分別為0.809、1.650和4.310，隨著介質(zhì)精度的降低，介質(zhì)流通性能不斷減弱，地層砂在介質(zhì)中運(yùn)移阻力越大，地層砂顆粒侵入介質(zhì)程度越弱，通過(guò)介質(zhì)的地層砂顆粒越少。

(3)泡沫金屬介質(zhì)基質(zhì)體積占有率低，孔隙率高，常規(guī)防砂介質(zhì)基質(zhì)體積占有率高，孔隙率低，針對(duì)泡沫金屬介質(zhì)提出粗砂粒分選架橋和泥質(zhì)及細(xì)砂粒膠結(jié)兩種堵塞機(jī)制。對(duì)于泡沫金屬介質(zhì)，粗砂粒橋架堵塞介質(zhì)，降低孔喉尺寸，使介質(zhì)阻擋更細(xì)的砂粒，并使細(xì)砂粒和泥質(zhì)在孔隙中發(fā)生膠結(jié)，而常規(guī)防砂介質(zhì)中泥質(zhì)優(yōu)先通過(guò)，細(xì)砂粒堵塞介質(zhì)，粗砂粒堵塞介質(zhì)后的滲透性優(yōu)于細(xì)砂粒，加之泡沫金屬介質(zhì)孔隙度高且連通性好，使泡沫金屬介質(zhì)具有更優(yōu)異的防砂性能。