防砂井投产初期砾石层渗透率损害规律

高凯歌董长银高聚同周崇何海峰董云彬

1.中国石油大学（华东）石油工程学院；2.中国石化胜利油田分公司孤东采油厂

防砂井投产初期砾石层渗透率损害规律

高凯歌1董长银1高聚同2周崇1何海峰2董云彬2

1.中国石油大学（华东）石油工程学院；2.中国石化胜利油田分公司孤东采油厂

砾石充填防砂井在投产后经常在短期内发生产量明显下降的现象。通过压实条件下砾石层渗透率变化规律实验和砾石层吸附堵塞实验，对投产初期砾石层渗透率损害规律进行研究。实验结果表明，砾石充填防砂井的井下压实作用与原油吸附堵塞作用是导致投产初期砾石层渗透率下降的主要原因，随着外加压力的增大，砾石堆积渗透率明显降低，40 MPa压实下的砾石层渗透率约为初始渗透率的5%～11%；砾石层进行交替驱替后水相渗透率迅速下降，渗透率损害系数约在0.75～0.85之间；短时间内堵塞渗透率比随驱替时间及驱替温度变化不大。根据实验结果建立了投产初期砾石层渗透率损害程度预测模型与方法，对相关领域的生产研究具有一定指导意义。

砾石充填；防砂；挡砂介质；投产初期；渗透率损害；吸附堵塞

砾石充填防砂工艺施工后经常由于砾石层的渗透率损害而导致油井产量短期内明显下降［1-3］。国内外学者针对砾石层堵塞规律展开研究，王志刚、李彦超等人使用不同粒度的砾石和地层砂对生产过程中砾石层堵塞机理与规律进行实验研究，认为砾石层堵塞规律与GSR、流体黏度、砾石层厚度及泥质含量有关，未考虑投产初期砾石层原油吸附堵塞作用及井下压力压实作用而导致的渗透率下降［4-7］。吴诗平对注聚井砾石层投产前后样品进行分析，认为砾石层堵塞原因主要是聚合物与沥青质的吸附作用，该结论只是对堵塞机理进行定性分析，并没有给出渗透率损害规律的定量解释［8］。

投产初期是砾石充填防砂井投产后地层出砂之前的一个较短时间段，砾石层不会受到地层砂的侵入堵塞作用，因此砾石层到达井下后渗透率降低主要是由于投产初期的井下压力压实作用与原油的吸附堵塞作用。针对砾石层在投产初期的渗透率损害问题，对两种不同尺寸砾石在不同压力下的堆积渗透率进行测量，并得到压力对砾石层堆积渗透率的定量影响规律；砾石层吸附堵塞实验通过模拟不同驱替时间、驱替液条件下的交替驱替过程，得到井液侵入对砾石层的渗透率影响规律。通过定义渗透率损害系数对损害情况进行定量分析并建立了投产初期砾石层渗透率损害程度预测模型［3］。

1 砾石层渗透率损害过程

Process of permeability loss in gravel-packing layers

砾石充填防砂工艺使用携砂液将充填砾石携带至井下充填段，砾石层从到达井下到投产，渗透率都会不断发生变化，其损害过程主要分为3部分。

（1） 砾石的破碎和压实过程。在泵送携砂液的过程中，部分砾石在机械碰撞和高压压实作用下发生破碎。投产后砾石层在油井生产压差的压实作用下自身的堆积渗透率发生明显降低。若生产压差高于石英砂的破碎应力，石英砂会发生明显破碎现象，且破碎程度随压力增大而加剧，进一步降低砾石层渗透率。Sperlin经过实验研究发现，砾石由于破碎产生的细粒成分会导致砾石层渗透率下降［9］。

（2） 投产初期原油吸附堵塞过程。充填砾石首先被携砂液携带进入井下，因此砾石最初被携砂液所饱和并发生压实作用，直至投产后，砾石层先后被地层水、稠油侵入。在原油开采过程中，沥青质在石英砂上吸附会使砾石润湿性发生改变，并在热力学条件下在表面沉积形成有机垢造成堵塞［10-11］。因此，砾石充填防砂井投产初期多种井液的交替侵入会使砾石层渗透率发生明显变化，特别是原油侵入而导致的原油重质组分在砾石层内的吸附堵塞作用会导致砾石层渗透率发生明显下降。

（3） 生产过程中微粒运移堵塞过程。防砂井生产过程中，地层流体携带的地层细砂及其他机械杂质冲击砾石层若无法顺利通过，则会附着或侵入砾石层内部造成砾石层渗透率降低，形成堵塞从而严重影响油井产量。笔者针对上述前两点渗透率损害过程，进行压实条件下砾石层渗透率变化规律实验及投产初期砾石层吸附堵塞实验，对投产初期砾石层挡砂介质层渗透率损害规律进行研究。

2 压实条件下砾石层渗透率变化规律实验

Regularity of permeability loss in compacted gravel-packing layers

2.1 实验原理与方法

Principles and methods

选择尺寸分别为0.4～0.8 mm、0.6～1.2 mm的标准工业砾石进行测试得到不同压力下砾石层渗透率。根据标准工业砾石尺寸及渗透率关系计算得到初始渗透率，再将压实后的砾石层实际渗透率转化为相对渗透率比，最终得到井下压实条件下砾石层渗透率（渗透率比）变化规律。由计算结果可知0.4～0.8 mm和0.6～1.2 mm的砾石原始堆积渗透率分别为105 120 mD和167 763 mD。

2.2 实验结果与分析

Results and analyses

选取压力范围2～39.31 MPa进行实验，根据实验结果计算得到不同压力下的砾石层压实渗透率比。由表1可以看出，随着压力逐渐增大，砾石层的堆积渗透率明显降低；压力相同时尺寸较大的砾石随压力增大渗透率下降幅度较大；40 MPa下的砾石层渗透率约为初始渗透率的5%～11%，且渗透率随压力的变化特征与固相颗粒材料特性有关。

表1 砾石层渗透率比随压力变化结果Table 1 Changes of permeability with pressure in gravel-packing layer

通过拟合得到0.6～1.2 mm以及0.4～0.8 mm的砾石在生产压差大于2 MPa压实情况下的渗透率比变化规律经验公式为

式中，kr为砾石层堆积渗透率比；Δp为砾石层在井下的压实压力，MPa。

3 投产初期砾石层吸附堵塞实验

Test for absorption and plugging of gravelpacking layer during initial production

3.1 实验原理与实验材料

Principles and materials

根据对砾石充填层投产前后饱和或侵入流体的分析，模拟携砂液—地层水—原油交替驱替下砾石层渗透性变化，定量分析投产初期砾石充填层渗透率损害程度。

将砾石填入填砂管后在模拟地层温度条件下使用不同流体交替驱替填砂管中的砾石段，在驱替过程中测量填砂管两端驱替压差和驱替流量，计算砾石层的渗透率变化。根据砾石层初始渗透率和最终渗透率可以计算得到渗透率损害系数。渗透率损害程度系数可以定义为渗透率差异比值的百分数，即砾石层初始水相渗透率与驱替完成后最终水相渗透率之差和初始水相渗透率的比值为［3］

式中，D为渗透率损害系数；kw0为砾石层初始水相渗透率，mD；kwp为砾石层最终水相渗透率，mD。

实验所用充填砾石、稠油、携砂液及地层水均取自胜利油田孤东采油厂某区块。砾石为0.4～0.8 mm的石英砂，粒度中值为0.613 mm；携砂液黏度范围27～36 mPa·s。稠油的黏温曲线如图1所示。

图1 实验稠油黏温曲线Fig.1 Viscosity and temperature plots of heavy oil used in the test

3.2 实验装置与实验方法

Test devices and methods

高温高压多功能驱替实验装置包括：恒温烘箱、填砂模型、恒速恒压泵、4个中间容器及其他附件；温度范围50～120℃，填砂管长度为29 cm，内径为2.5 cm；填砂管入口端连接压力传感器，出口端连接大气。实验装置如图2所示。

图2 砾石层驱替实验装置Fig.2 Devices for displacement test in gravel-packing layers

首先向填砂管中填入定量砾石保证所有实验渗透率基本一致。连接完成后打开恒温箱加热开关调至实验温度，向填砂模型注入清水直至达到稳定状态测量砾石层初始水相渗透率，按实验要求向填砂模型依次注入携砂液、地层水、稠油中的几种或全部，并驱替一定时间，驱替过程中实时记录填砂模型两端压差用于计算填砂模型渗透率变化规律。最后再次使用清水驱替直至稳定测量填砂模型最终水相渗透率，并计算其渗透率损害系数。

3.3 实验结果与分析

Test results and analyses

（1） 砾石层基本吸附堵塞现象分析。实验完成后取出砾石层与干净砾石层对比如图3所示，驱替后砾石表面大部分呈黑褐色，说明存在砾石层表面吸附稠油重质组分（沥青质）现象，且砾石层中依然存在大量未被水驱出的剩余油。由于稠油吸附作用，干净石英砂一旦投产，有效渗透率会明显下降。

图3 实验前后砾石层对比Fig.3 Conditions of gravel-packing layer before and after test

（2）砾石层吸附堵塞基准实验结果分析。为方便进行实验结果的对比分析，设置砾石层吸附堵塞基准实验，在70 ℃恒温条件下，对充填砾石填砂管依次使用清水、携砂液、地层水、稠油、清水驱替一定的时间，结果如图4、5所示。

图4 基准实验流量与驱替压差曲线Fig.4 Correlation between reference flow and displacement differential pressure in test

图5 基准实验渗透率曲线Fig.5 Plots for reference permeability in test

由实验曲线可知，每种流体驱替初期由于流体并未完全在砾石层内形成流动，压力随时间逐渐上升，计算渗透率值远大于实际值；由于填砂管端部压实较紧会形成局部憋压过程，在压差曲线上表现为尖峰，渗透率曲线上表现为波谷，当流体在砾石层中形成稳定流动后，驱替压力和渗透率趋于平缓。由于填砂管进行人工压实局部不均匀现象不可避免，因此所有实验曲线均有初期波动现象。填砂管砾石层初始渗透率为80 D，随着驱替过程砾石层渗透率整体表现为下降趋势，交替驱替实验结束后最终渗透率约15～20 D，渗透率降低了约80%，存在明显的由于稠油吸附造成有效渗透率下降的现象。

（3） 驱替时间对砾石层堵塞程度敏感性实验分析。通过改变稠油驱替时间进行驱替时间敏感性实验。在70 ℃恒温条件下，对于充填砾石的填砂管依次使用清水、携砂液、稠油、清水驱替一定的时间，其中稠油驱替分别为2 h、3 h、5 h（命名为T1、T2、T3），结果如图6～图8所示。

T1实验填砂管砾石层初始水相渗透率为73 D，实验结束后水相渗透率最终约10～13 D，最终渗透率比约为14.3%～18.6%；T2实验填砂管砾石层初始渗透率为85 D，实验结束后渗透率最后约10～15 D，最终渗透率比约为14.9～17.6%；T3实验填砂管砾石层初始渗透率为85 D，实验结束后渗透率最后保持为约10～17 D，渗透率比约为12～20%，3个驱替实验砾石层渗透率损失均在75%～85%之间。

图6 实验T1渗透率变化曲线Fig.6 T1permeability plot in test

图7 实验T2渗透率变化曲线Fig.7 T2permeability plot in test

图8 实验T3渗透率变化曲线Fig.8 T3permeability plot in test

由驱替时间敏感性分析实验可知，砾石层渗透率损害发生在投产初期的初始阶段，砾石层渗透率发生大幅度下降，下降幅度在75%～85%之间。渗透率损害发生后，随着时间的增大，砾石层的渗透率趋于稳定短时间内不再发生大幅下降。

（4） 驱替温度对砾石层堵塞程度敏感性实验分析。在热采过程中，地层温度不断呈周期性变化，温度不同稠油对砾石层的堵塞能力不一定相同。通过改变实验温度50～120 ℃来研究不同温度条件下砾石层的堵塞变化规律，结果如图9所示。

图9 不同温度下渗透率变化曲线Fig.9 Changes in permeability under different temperatures

由实验结果可知，在其他实验条件相同的情况下原油黏度随温度降低而增大，流动阻力明显增大，驱替压差随温度降低逐渐增大。在不同温度下，保持砾石层初始渗透率约为80 D，实验最后均保持在10～25 D左右。因此，在投产初期，开采温度对砾石层挡砂介质渗透率损害程度影响不大。

（5）投产初期砾石层吸附堵塞实验结果综合分析。将上述实验的初始渗透率、最终渗透率以及最终渗透率比进行整合并绘制成柱状图，如图10、11所示。根据实验结果可知7次实验的初始砾石层渗透率相差不大均在80 D左右，砾石层进行稠油驱替后水相渗透率迅速下降，约为原始水相渗透率的15%～25%左右，即堵塞渗透率比约为0.15～0.25；渗透率损害系数为0.75～0.85之间；最终堵塞渗透率比随稠油驱替时间及驱替温度变化不大。

图10 初始/最终渗透率柱状图Fig.10 Bar chart for initial/ultimate permeability

图11 最终渗透率比分布图Fig.11 Distribution of ultimate permeability

4 投产初期挡砂介质渗透率损害程度预测

Prediction for permeability loss in sandblocking medium during initial production

4.1 预测模型

Prediction model

根据压实条件下砾石层渗透率变化规律实验及投产初期砾石层吸附堵塞实验结果，针对砾石充填防砂井建立投产初期挡砂介质渗透率损害程度预测模型与方法，二者的定量关系为

式中，kp为投产初期挡砂介质渗透率，mD；k0为砾石层初始渗透率，mD；krb为介质吸附堵塞渗透率比，取0.15～0.25；krc为介质压实堵塞渗透率比；Ar、Br分别为实验拟合系数（根据每口井实际生产条件进行拟合的系数，生产条件不同拟合系数也不同）。

4.2 模型应用

Application of the model

选取孤东油田 GOGDR3-19井进行砾石充填施工后油井投产初期挡砂介质堵塞程度分析，该井的防砂施工参数及油井基础数据见表2。

表2 GOGDR3-19井防砂施工参数及油井基础数据Table 2 Basic data and operation parameters for sand-control in Well GOGDR3-19

该井初始产液量为32 t/d，当生产至100 d左右时油井产液量下降为9.1 t/d，为初始产液量的28.43%；当生产至350 d左右时产液量降至6.8 t/d，为初始产液量的21.25%并逐渐稳定，该时刻砾石层渗透率为初始渗透率的21.25%，较100 d时波动不大。因此，上述投产初期挡砂介质堵塞程度预测模型适用于GOGDR3-19砾石充填防砂井。另外选取3口砾石充填防砂井产液量在投产100 d时变化情况进行验证，见表3。

表3 投产初期产液量变化Table 3 Changes in fluid productivity during initial production

3口井在投产100 d后渗透率均降至原始压实渗透率的15%～30%，模型预测内容符合实际情况且误差小于5%。因此可用该预测模型对砾石充填防砂井投产初期砾石层渗透率损害规律进行计算。

5 结论与建议

Conclusions and proposals

（1）通过实验系统分析了2种作用对砾石层渗透率的损害程度并进行定量描述。实验结果可知，随外加压力增大砾石堆积渗透率明显降低，40 MPa压实下的砾石层渗透率约为初始渗透率的5%～11%，且在压实压力相同的情况下尺寸较大的砾石层渗透率下降幅度较大。

（2）干净的石英砂一旦投产，由于稠油吸附作用和剩余油残留因素，有效渗透率会明显下降。砾石层进行驱替后水相渗透率迅速下降，约为原始水相渗透率的15%～25%左右，渗透率损害系数在0.75～0.85之间；投产后短时间内，最终堵塞渗透率比随稠油驱替时间及驱替温度变化不大。

（3）充分考虑砾石层压实作用及吸附堵塞特性，建立投产初期挡砂介质堵塞程度预测模型与方法并根据生产数据进行现场应用验证。目前未考虑不同流量条件对砾石层渗透率的影响，建议后续进行更加深入的实验及理论研究。

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（修改稿收到日期 2016-09-22）

〔编辑 李春燕〕

Regularity of permeability loss in gravel-packing layer for sand control during initial production

GAO Kaige1,DONG Changyin1,GAO Jutong2,ZHOU Chong1,HE Haifeng2,DONG Yunbin2
1.College of Petroleum Engineering,China Uniνersity of Petroleum (Huadong),Qingdao 266580,Shandong,China;
2.Gudong Oil-production Plant,SINOPEC Shengli Oilfield company,Dongying 257000,Shandong,China

Wells with gravel packing for sand control may experience dramatic productivity decline shortly after production.Tests are conducted to highlight changes in permeability of compacted gravel-packing layers and plugging of such layers due to absorption.Eventually,patterns of permeability loss in gravel-packing layers during initial production are determined.Test results show,downhole compaction and crude oil absorption and plugging are main contributors for permeability loss in gravel-packing layer during initial production.Permeability of gravel-packing layer may decrease significantly with increase in external pressure.Permeability of gravel-packing layers compacted under pressure 40 MPa may be approximately 5%～11% of original permeability;Water permeability of gravel-packing layer may decrease rapidly after alternative displacement with permeability loss factor of approximately 0.75～0.85.Ratio of permeability loss in short duration may vary slightly with changes in displacement time and temperature.Based on relevant test results,prediction model and technique for prediction of permeability loss in gravel-packing layer during initial production have been constructed.The innovative model and technique may provide valuable guidance for research and production in relevant fields.

gravel-packing;sand control;sand-blocking media;initial production;permeability loss;absorption and plugging

高凯歌，董长银，高聚同，周崇，何海峰，董云彬.防砂井投产初期砾石层渗透率损害规律［J］.石油钻采工艺，2016，38（6）：877-882.

TE358.1

A

1000-7393（ 2016 ） 06-0877-06

10.13639/j.odpt.2016.06.031

:GAO Kaige,DONG Changyin,GAO Jutong,ZHOU Chong,HE Haifeng,DONG Yunbin.Regularity of permeability loss in gravel-packing layer for sand control during initial production［J］.Oil Drilling &Production Technology,2016,38(6):877-822.

国家自然科学基金“疏松砂岩油气藏水平井管外地层砾石充填机理及模拟基础研究”（编号：51374226）。

高凯歌（1993-），2015年毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，硕士研究生，现从事采油理论、防砂完井方面的研究工作。通讯地址：（266580）山东省青岛市黄岛区中国石油大学（华东） 石油工程学院。E-mail:18266621103@163.com