含聚合物疏松砂岩岩心出砂形态微观模拟实验

周博 ，董长银 ，王力智 ，刘晨枫 ，赵益忠 ，魏彩霞 ，宋洋

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛 266580；2.中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东 东营 257000）

为提高油气采收率，聚合物驱被广泛应用于油气田开发。储层条件复杂的疏松砂岩油藏聚合物驱时，聚合物在向生产井流动过程中会逐步与油藏矿物和地层水相互作用，发生复杂的物理、化学反应，形成大量聚合物软胶团[1-6]。聚合物软胶团运移时，受到储层孔喉直径的限制，易造成堵塞。聚合物软胶团具有高黏性，流动性差。随着新鲜聚合物的不断注入和推进，聚合物软胶团在近井储层形成并从生产井携砂产出[7-10]。目前，对油田注聚井中聚合物堵塞物的结构组分及油层中聚合物堵塞物的堵塞机理已有初步认识[11-13]。国内外学者针对易出砂的疏松砂岩油气储层，基于岩石宏观破坏模式和宏观力学分析手段，开展了大量关于出砂机理和出砂规律预测方法的研究工作，认为储层出砂是由于岩石首先发生宏观力学破坏，然后导致砂粒产出[14-28]。然而，这些研究存在一定的局限性，目前对聚合物及其衍生物的存在是否会影响疏松砂岩储层出砂及其出砂机理、规律尚不明确。近些年来，微观尺度上的出砂可视化实验已成为出砂机理研究的重要组成部分[29-34]，但仍缺乏将其运用于聚合物驱储层出砂机理的研究。为此，笔者运用可视化的微观出砂模拟实验装置和岩心模拟驱替实验方法进行了聚合物赋存条件下注聚井和油井的出砂机理和出砂形态研究，分析了聚合物驱形成衍生物对出砂形态的影响，提出了聚合物黏附拖曳和胶团边界绕流机理，以指导聚合物驱储层出砂后的生产。

1 实验

1.1 实验原理与装置

油田现场发现聚合物驱后期油井产出包裹原油的聚合物携砂胶团，同时发现注入井注聚困难，挡砂介质堵塞严重[21]。其主要原因是：聚合物在多孔介质中与流体、矿物相互反应形成聚合物衍生物，并聚集成团；老化后的聚合物流体性质发生变化，部分衍生物聚团滞留在孔喉内，对储层微粒运移产生影响。本实验的原理主要基于岩心微观出砂机理[25]。砂粒脱落的原因主要包括流体的拖曳力引起微粒剥落和水岩反应等引起的胶结剂失效[26]。聚合物体系黏度较高，储层流体在孔喉中流动对内壁颗粒有拖曳和摩擦作用；在储层深处流速相对较低，流体的黏滞力具有优势，对于聚合物驱储层生成的衍生物聚团，这种黏滞力则更明显。另外，研究发现多数聚合物驱井堵塞是因出砂形成的砂核周围缠绕着大分子聚合物形成的胶团，其主要尺寸与实际地层的孔喉直径不匹配，进而造成堵塞[27]。基于上述油井出砂与聚合物驱堵塞机理，开展了新鲜聚合物及聚合物衍生物赋存状态下岩心出砂过程模拟实验。

本实验采用可视化微观出砂模拟实验装置（见图1）。该装置包括显微成像采集、气液泵送、岩心薄片模型及集砂等模块。气液泵送模块设置有平流泵，输出时最大流量为100 mL/min，最大压力为5 MPa；通过调节阀门可直接向岩心薄片模型注入清水，或通过活塞容器注入其他流体。岩心薄片模型模块与显微成像采集模块共同组成可视化系统：在具有透明玻璃窗口的模具中加入地层砂后，恒温固化以模拟岩心；通过显微成像采集整个实验过程中的岩心出砂形态图像及视频，最高可放大750倍。本实验选择梯形和矩形模型岩心薄片，薄片填砂面积皆为48.0 cm2，填砂厚度5 mm，约可填入实验样砂200 g。岩心薄片模型模块出入口均设置有压力传感器，出口管线为透明软胶管，方便观察出砂现象。

图1 可视化微观出砂模拟实验装置示意

1.2 实验材料与条件

本实验进口压力取决于实验排量、实验流体黏度和薄片内颗粒胶结体的孔隙度。实验驱替流量为100 mL/min。模拟地层砂样为工业石英砂和泥质模拟砂，地层砂粒径中值为0.3 mm，向其中加入少量彩色示踪砂以便显微观察。岩心胶结剂采用双酚A形环氧树脂与水性环氧固化剂，其质量比为1∶1，胶结剂的质量分数为0.5%。将加入胶结剂的砂样放入恒温箱进行固化，固化温度为80℃，固化时间为4 h。为保持实验条件一致，无聚合物胶结后的岩心需经过抗压强度测试，压力范围在0.70～0.75 MPa。

本实验采用聚合物原液和聚合物衍生物分别模拟实际聚合物驱过程中储层内注入的新鲜和老化的聚合物。聚合物原液采用聚丙烯酰胺配制，质量浓度为1200 mg/L。聚合物衍生物来自现场油井产出物，对不同井返排出的聚合物衍生物用燃烧法和经粉末衍射进行成分分析。分析测定结果表明，聚合物衍生物主要由原油、老化的聚丙烯酰胺、无机组分组成，其中聚合物质量分数为70%～90%，聚合物中还裹挟着质量分数为10%～20%的黏土、砂粒及垢等。

2 实验结果分析

本文的实验研究着重于注聚井和油井出砂过程模拟，分别在新鲜聚合物和聚合物衍生物赋存条件下开展微观尺度驱替实验。为了便于进行实验结果对比，附加无聚合物条件下的岩心实验。

2.1 无聚合物条件下的出砂形态

将无聚合物条件下的出砂模拟作为基准对照实验。该实验采用质量分数0.5%的胶结剂胶结条件下的梯形和矩形岩心薄片。通过清水驱替，在弱胶结区域出现出砂亏空，呈现不规则孔洞形态，薄片亏空区域面积为1.6 cm2。通过驱替过程视频分析，驱替初期出口透明管道内出现微量颗粒运移，一段时间后集砂器内砂粒数量略有增加，长时间驱替后出砂量不再变化。分析其原因主要是：出口处压力低、流速快，流速增大到临界出砂流速后，砂体结构破坏，出现出砂现象；出砂后，孔道疏通，入口压力逐渐下降，出口高流速区附近出砂加剧；最终，能够从岩心脱落的颗粒越来越少，骨架核趋于稳定。

2.2 注聚井新鲜聚合物驱替条件下的出砂形态

利用上述同等胶结条件下的梯形岩心薄片，通过新鲜聚合物驱替，观察驱替后岩心的出砂情况，出砂形态如图2所示。可以看出，新鲜聚合物驱后砂粒在流体作用下大量运移，并逐渐在液体入流口和出流口之间形成主要渗流通道，孔道呈现多弯曲的类蚯蚓洞式，出砂亏空区域面积约10.6 cm2。

图2 新鲜聚合物驱替后的岩心出砂形态

从微观照片可看出，随着新鲜聚合物持续驱替，孔道边壁颗粒随液体流出，扩大优势通道，在同等实验条件下比无聚合物实验岩心出砂严重，最终出砂亏空区域面积是无聚合物条件下（即基准对照实验条件下）的6.62倍（面积比），表现出高黏流体促进携砂出砂的效应。

2.3 油井聚合物衍生物堵塞条件下的出砂形态

为明确油井近井地带聚合物衍生物对出砂的影响，用直径0.1～2.0 cm的聚合物衍生物聚团和地层砂共同胶结成岩心薄片进行驱替实验。最终根据实验后的岩心渗透率，将不同尺寸、数量聚合物衍生物的岩心分为堵塞程度不同的3类进行对比分析（见图3）。

图3 不同堵塞程度聚合物衍生物聚团赋存下的岩心出砂形态

由图3可以看出，相对于新鲜聚合物驱替后，聚合物衍生物堵塞情况下聚团黏结砂呈现相对轻微的出砂亏空形态。对于轻微堵塞的岩心（见图3a），出砂亏空区域面积约为7.9 cm2，是无聚合物条件下的4.93倍。出砂亏空区域延伸到流体入口，孔道在较大尺寸的衍生物聚团外侧绕行，呈环绕聚合物衍生物聚团类蚯蚓洞式出砂亏空形态，且出现较明显的扩展。对于中度堵塞的岩心（见图3b），通过变换衍生物聚团位置的多组实验验证，聚合物衍生物的确会增加其邻近位置的出砂风险，位于通道处的聚团边缘出砂更为明显，形成环状出砂亏空形态。由于聚合物衍生物本身没有流通性，聚合物衍生物聚团堵塞时，黏结部分从骨架脱离的可动砂会降低黏结区域的出砂风险，但会加剧衍生物胶结范围再向外一层区域的出砂程度。中等堵塞岩心的出砂亏空区域面积累计约4.1 cm2，是无聚合物条件下的2.56倍；而重度堵塞岩心的出砂亏空区域面积约3.7 cm2（见图3c），是无聚合物条件下的2.31倍。

从显微镜放大的微观视频分析发现，聚合物衍生物堵塞后，流体向聚合物衍生物聚团周围绕流，聚团边缘存在多处砂粒剥离后的小坑洞，明显地看到边缘的砂粒随流体驱替产生波动，砂粒逐个脱离岩心随流体排出。通过拍摄的显微照片（见图4）也发现，在聚合物衍生物聚团附近，均出现了砂粒剥离产生的坑洞，多组实验发现堵塞在岩心中的聚团边缘均存在轻微出砂现象。——这表明驱替流体遇到堵塞聚团存在绕流现象，并在聚合物衍生物聚团周围形成不连续的环形孔道，而出口处流速更大，出砂亏空区域也更明显。也就是说，聚合物衍生物聚团周边出砂较为严重，形成局部高流速区，出现出砂孔道。同时，在薄片入口处的聚合物衍生物聚团周围未发生明显变化，但通过显微照片（见图4d）发现，其周围仍有砂粒剥离，形成可动砂，但因没有明显出砂通道，未出现宏观出砂现象。

图4 聚合物衍生物聚团赋存状态下微观出砂形态

根据出砂形态分析，新鲜聚合物赋存和不同堵塞程度聚合物衍生物赋存状态下的出砂亏空区域面积，与无聚合物条件下相比，出砂亏空区域面积均有所增大。新鲜聚合物赋存时，出砂孔道宽度在0.5～1.0 cm，出砂亏空区域面积是无聚合物条件下的7～10倍；聚合物衍生物赋存时，出砂孔道宽度在0.1～2.0 cm，出砂亏空区域面积是无聚合物条件下的2～5倍（见图5）：因此，聚合物及衍生物的存在会影响疏松砂岩储层出砂。

图5 不同聚合物及衍生物赋存下出砂亏空区域面积及面积比

根据实验液路压差绘制聚合物衍生物聚团赋存（选择中度堵塞程度的岩心）、新鲜聚合物赋存和无聚合物条件下的岩心渗透率动态变化曲线（见图6）。在同等驱替流量条件下，聚合物衍生物赋存状态下的岩心渗透率比新鲜聚合物赋存和无聚合物状态下更低，表明聚合物衍生物的堵塞作用更明显。聚合物衍生物聚团赋存状态下的岩心渗透率在驱替后小幅升高，在稳定阶段提高了11.11%；新鲜聚合物赋存与无聚合物条件下的起始渗透率较高，驱替到稳定阶段渗透率分别提高了23.80%和58.90%，表明新鲜聚合物赋存与无聚合物状态下出砂严重。尤其是新鲜聚合物赋存状态下的岩心，其微观出砂形态出现较大规模类蚯蚓洞和连续垮塌，是岩心渗透率大幅提高的主因。

图6 不同条件下实验岩心渗透率随时间的变化曲线

由此说明，与新鲜聚合物相比，聚合物衍生物更易发生堵塞，这对出砂孔道的延伸造成了一定影响。未出现堵塞时，孔道朝一个方向弯曲延伸，而在聚合物衍生物赋存时，孔道多呈环状并向外扩张。另外，这种不连续环状的亏空，不仅存在于大尺寸的聚合物衍生物聚团附近，在小尺寸聚团的微观照片中也有发现。当聚合物衍生物聚团尺寸较大时，环状扩张式亏空明显，但总体亏空区域面积相对较小；当聚合物衍生物分布较多且不集中时，出砂孔道呈现出在聚合物衍生物外侧环绕的趋势，同时出砂亏空区域面积更大。

3 岩心微观出砂机理

3.1 新鲜聚合物黏附拖曳出砂

根据新鲜聚合物驱替下的出砂模拟实验结果展示的出砂亏空形态，本文提出新鲜聚合物对微观出砂的影响机理——聚合物黏附拖曳出砂。

聚合物具有良好的延伸性和黏滞性[35]，砂粒在聚合物的黏附作用下被施加拖曳力，当拖曳力大于胶结强度时，就会出现出砂亏空现象。由于新鲜聚合物不易发生堵塞且波及效率较高，在储层内运移过程中，出砂从初始砂粒剥离的孔道末端向入流方向逐渐延伸，最终形成多弯曲的类蚯蚓洞式孔道。对于弱胶结储层，出砂首先会在高流速剪切区发生，出砂后的亏空区域阻力降低，聚合物流体更易占据亏空。聚合物趋向于沿大孔道或高渗透带流动，加之其携砂能力较强，会扩大出砂范围，直至在驱替区域的出入口之间形成优势通道。因此，注入井附近注入新鲜聚合物后形成类蚯蚓洞式孔道网络，可以提高储层渗透率；同时，出砂量也会随储层亏空区域扩张而增大，游离砂被聚合物卷携至储层下游，促进了聚合物衍生物聚团的生成和堵塞的发生。

3.2 聚合物衍生物聚团边界绕流出砂

根据聚合物衍生物聚团赋存条件下的出砂模拟实验结果展示的出砂亏空形态，本文提出聚合物衍生物聚团对微观出砂的影响机理——聚团边界绕流出砂。

聚合物易黏附从骨架剥离的砂粒。微观照片显示，聚合物对游离砂粒有一定携带作用，当它在孔道中发生运移时，孔道边缘将要剥离的砂粒也会受到聚合物拖曳力的作用而破坏原有胶结体系。新鲜聚合物在储层中运移，与地层水反应并老化，使其黏度、所含固体质量明显增大[36]，缠绕在砂粒、矿物、泥质等内核上逐渐形成新的衍生物，最终变成聚合物衍生物聚团。聚合物衍生物聚团赋存时的出砂形态呈类蚯蚓洞式，其形成与驱替流量、岩心胶结强度有关[37]。实验发现，聚合物衍生物聚团附近的类蚯蚓洞具有明显环状亏空扩张的现象，即类蚯蚓洞环绕着聚合物衍生物聚团延伸。分析认为，由于聚合物衍生物聚团本身没有流通性，驱替流体到达聚合物衍生物聚团位置即形成流动死区，流体随即在聚合物衍生物聚团边缘形成高速剪切流动区（见图7），加速其边缘砂粒的剥离，加剧相邻区域出砂，增加出砂亏空区域面积。这就是聚合物衍生物聚团对微观出砂的影响机理——聚团边界绕流出砂。另外，不论聚合物衍生物聚团大小，孔道在其附近均呈环状的类蚯蚓洞式，只是当聚团较大时，聚团对出砂孔道延伸的影响更加明显。

图7 聚合物衍生物聚团赋存状态下微观出砂机理示意

4 聚合物驱后储层出砂应对策略

储层经过长时间聚合物驱替，生产井近井地带聚合物衍生物的聚集会造成储层堵塞，油井产量严重下降，防砂效果变差。由于对注聚井近井地带出砂亏空形态、聚合物及其衍生物赋存状态、储层物性变化认识不清，无法为防砂工艺设计和实施提供技术支撑，因此，准确预测聚合物驱的疏松砂岩储层中近井地带出砂亏空形态，是预测出砂和适度防砂的关键问题之一。本文开展的聚合物赋存条件下疏松砂岩岩心微观出砂形态模拟实验，为聚合物驱出砂储层生产提供了如下思路。

——反演聚合物驱老井近井地带出砂亏空形态，指导后续聚合物驱防控砂优化。聚合物驱油层出砂过程模拟和反演技术，是根据油井地层物性、生产历史模拟而获得近井地带出砂形态和亏空剖面的，这有助于后续生产和防控砂作业优化。例如：基于出砂亏空形态的挤压充填过程模拟，可提高筛管外挤压充填程度；同时，开展以介质稳定性为目的的防控砂参数优化，可进一步提高防控砂效果，减少聚合物驱井堵塞降产问题。

——掌握聚合物驱后期储层出砂规律，指导聚合物驱储层开采优化。聚合物驱油井近井地带容易形成聚合物衍生物聚集，造成近井地带堵塞。根据实验结果，聚合物衍生物聚集的黏结作用会减缓储层出砂程度和趋势，但同时会降低产能。适当提高筛管介质精度和充填砾石尺寸，可以增强流通性，以减缓堵塞。除此之外，可以通过材料表面改性，改进固相充填材料和筛管材料，减轻防砂层的聚合物堵塞，或通过高饱和充填缓解近井堵塞。

5 结论

1）针对注聚井的模拟实验结果表明，出砂亏空区域多为弯曲类蚯蚓洞式，实验条件下其宽度在0.5～1.0 cm，亏空区域面积是无聚合物条件下的7～10倍。因新鲜聚合物黏性流体的拖曳作用增加了出砂风险。

2）针对油井的模拟实验结果表明，出砂亏空区域多呈环状类蚯蚓洞式，实验条件下其宽度在0.1～2.0 cm，出砂亏空区域面积是无聚合物条件下的2～5倍。聚合物衍生物聚团会阻挡出砂的类蚯蚓洞延伸，堵塞程度越严重，单个出砂亏空区域范围越小，可从一定程度上减缓出砂；但由于边界绕流，加剧聚合物衍生物聚团堵塞区边缘出砂，出砂在近井高流速区尤为严重。

3）利用岩心微观模拟方法，可实现对不同聚合物赋存状态下出砂形态的刻画，可开展对储层出砂形态微观模拟实验的研究；同时，利用该方法有助于建立聚合物驱油藏出砂过程动态模型，进而利用模型反演聚合物驱老井近井地带出砂亏空形态，进行储层出砂预测，对今后聚合物驱防控砂和聚合物驱储层开采优化具有一定的指导意义。