泥质粉细砂水合物储层防砂充填砾石渗透损伤试验研究

2022-01-11李国伟何计彬

科学技术与工程 2021年35期

余莉，李国伟，何计彬，程旷*，张钰

(1.河北大学建筑工程学院，保定 071002； 2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，保定 071530)

天然气在中国储量丰富，且绿色环保。为实现2060年碳中和目标，加快开发开采技术势在必行[1-2]。在天然气开采作业中，防砂安全和开采效益呈现此消彼长的矛盾关系。防砂精度过高会引起井壁坍塌，反之则会降低开采效益，因此防砂精度选择是影响天然气开采的重要因素之一。

周泓宇等[3]通过设计新型滑套筛管并完善其配套技术，提出一种水平井控水砾石充填防砂技术，配套控水充填技术切实可行，为控水防砂完井提供了新思路。董长银等[4]利用挡砂介质堵塞评价驱替实验装置，进行了砾石层堵塞机理和规律实验，着重考察了砾石层堵塞渗透率比随驱替时间、砾砂中值比、流体流速、流体黏度、黏土含量、细质含量等生产条件的定量变化规律。Li等[5]提出了一种新的防砂砾石充填方法——“保粗除细”，详细描述了如何计算用于支护粗颗粒和剔除细颗粒时的砾石粒径。Dong等[6]提出了保砂能力、防堵能力和流动能力的概念，描述了筛管的综合性能，建立了一种针对不同防砂精度开采效果的综合性能分析评价方法。董长银等[7]为选择合适的水平井二次防砂机械筛管类型并优化挡砂精度，根据动态试验数据，提出筛管的流通性能、挡砂性能及其评价指标的计算方法。余莉等[8]基于泥质粉细砂水合物储层和砾石充填防砂结构，采用自行研制的防砂试验系统进行防砂试验，研究发现了整体防砂试验四个阶段的特征其出砂演化规律，为实际工程防砂提供理论参考。张洪宝等[9]针对部分区块井壁垮塌、砂样非均质性严重、细粉砂及泥质含量高的出砂特点,首次提出超深碳酸盐岩油井复合防砂技术对策,利用树脂砂再造人工井壁防止地层垮塌,同时井筒悬挂两级防砂筛管,形成二次挡砂屏障。增产效果明显,防砂效果较好。孙晓娜等[10]通过对比和分析防砂管柱防砂、砾石充填防砂、化学防砂、压裂防砂、复合防砂和连续封隔体防砂技术的特点和适用性,发现砾石充填防砂强度高、有效期长、产能损失相对较小,压裂防砂具有防砂和增产的双重作用。李彦龙等[11]针对水合物储集层流体抽取法开采过程中面临的出砂问题，提出了针对黏土质粉砂型水合物储集层的防砂充填层砾石尺寸设计方法。余莉等[12]结合中国南海储层实际状况设计了物理模型实验，验证了0.23～0.32 mm的砾石可以有效阻挡0.04 mm下的细致粉细砂储层大量出砂。Li等[13]发现泥质粉砂水合物井的防砂精度选择应在保留粗颗粒和避免相对细颗粒堵塞筛孔之间取得平衡。

综上所述，砾石填充技术是中国天然气水合物开采中常用的防砂技术手段，现在前人的研究基础上建立防砂实验，针对泥质粉细砂储层，结合颗粒分析实验、电镜扫描实验、渗透实验，对不同精度防砂介质的防砂效果研究以及防砂介质损伤情况展开研究，为砾石填充技术中防砂精度优选提供依据。

1 实验装置与实验设计

1.1 实验装置

实验采用泥质粉细砂储层配置样本，结合不同挡砂精度的砾石，进行了防砂实验，即模拟了恒定的氮气压力(1.7 MPa)和储层含水量(125%)下的产液与出砂情况。同时对防砂实验前后不同挡砂精度的砾石进行了渗透实验，电镜扫描实验以及颗粒分析实验。

防砂实验装置如图1所示，由供压装置(氮气瓶)、稳压装置以及高压反应釜三大部分组成，其中高压反应釜内径88 mm，内置直径88 mm、高40 mm的防砂介质以及含水量为125%的100 g泥质粉细砂储层。

图1 防砂实验装置图Fig.1 Sand control experimental device diagram

1.2 实验设计

实验流程具体如下。

(1)将100 g泥质粉细砂烘干，配制成质量含水量为125%的样品待用。

(2)在防砂实验前，对不同挡砂精度的砾石(30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目)，首先进行渗透实验、电镜扫描实验以及颗粒分析实验。

(3)先在底部放入小于防砂精度的滤网与垫片，将经过渗透实验的防砂介质(30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目)置于其上，再放入滤网与垫片并在其上倒入调配好的储层样本。

(4)开始供气，压力大小稳定于1.7 MPa时，打开阀门。

(5)对不同挡砂精度的砾石(30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目)展开防砂实验，每种两组实验。

(6)记录质量与体积的变化，分析其出液及产砂情况。

(7)在防砂实验后，对不同挡砂精度的砾石(30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目)，用样本1进行渗透实验，将样本2分层收集，每层高度为10 mm，共分四层，分层情况见图2，然后进行电镜扫描实验和颗粒分析实验，分析其堵塞情况。

图2 防砂介质分层图Fig.2 Layering diagram of sand control medium

1.3 实验结果分析

在防砂实验前，首先用激光粒度仪测量不同挡砂精砾石的级配，结果见图3。

如图3所示，30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目的级配曲线图由内而外依次展开，细颗粒所占百分比随之增大，粒度中值依次减小。粒径中值依次为508 、433 、387 、339 、317 μm。

图3 防砂实验前砾石级配曲线Fig.3 Gravel gradation curve before sand control experiment

2 实验分析

2.1 防砂实验后电镜扫描实验分析

图4为电镜扫描实验图，从左到右依次为1层到4层。其中灰黑色部分为泥质粉细砂颗粒侵入所造成为淤塞部分。

图4 电镜扫描实验图Fig.4 Electron microscope scanning experiment

对采集图片在MATLAB中处理分析，可以得到30～50目黑色淤塞面积占比依次为78%、62%、55%、25%，第3、第4层黑色深度明显淡化，40～60目黑色淤塞面积占比依次为66%、59%、42%、21%，第2层、第3层开始黑色深度明显淡化，50～70目的黑色淤塞面积占比依次为39%、31%、22%、9%。黑色深度渐次变浅，至60～80目和70～90目的防砂介质电镜扫描实验图，已经难以观察到黑色部分，各层黑色淤塞面积占比平均值分别为5%、3%，储层颗粒几乎没有侵入其中。说明随砾石目数增大，防砂精度减小，防砂介质细颗粒含量增大，储层颗粒侵入程度减弱。

图5为防砂试验后介质各层平均淤堵面积比随粒径中值变化图，粒径中值依次为317、339、387、433、508 μm。黑色淤塞面积占比平均值分别为3%、5%、25.25%、47%、55%，防砂介质内部堵塞程度依次增强。

图5 淤堵面积比随粒径中值变化图Fig.5 Variation of blockage area ratio with median particle size

曲线图像在粒径中值达到339 μm后曲线斜率变大，之前斜率则相对平缓，淤堵面积所占的比例随粒度中值的增大无明显变化，说明泥质粉细砂颗粒几乎无法通过粒径中值小于339 μm的砾石介质，当粒度中值达到433 μm后曲线斜率变小，粒度中值的增大而淤堵面积所占的比例变化不大，这是由于泥质粉细砂颗粒可以大量侵入粒度中值超过433 μm的砾石，导致淤堵面积达到一定比例时迅速改变了砾石介质第1层、第2层原本的级配情况，使得泥质粉细砂颗粒无法继续大量侵入此后的砾石，分析图像可知该比例为47%。

2.2 颗粒实验分析

根据颗粒粒径分析，得到如图6所示为不同精度防砂介质分层级配曲线图。

图6(a)为30～50目防砂介质分层级配图，第1层与第2层曲线几乎重叠，位于最外侧。向内依次是第3层、第4层的级配曲线。说明防砂实验后第1层与第2层中泥质粉细砂含量相同且最多，细颗粒含量多，则级配曲线位于外侧。且第1层、第2层与第3层级配曲线相近，第3层与第4层级配曲线间隔较远。说明堵塞程度至第4层才开始有明显减弱。

图6(b)为40～60目防砂介质分层级配图，第1层、第2层、第3层、第4层依次由外而内排开。第1层与第2层曲线没有重叠但轨迹依旧趋于接近，位于外侧。第3层、第4层的级配曲线位于内侧，轨迹同样趋于接近。说明防砂实验后第1层与第2层中泥质粉细砂含量较多并且相接近，第3层、第4层质粉细砂含量少亦相接近。即堵塞程度从第3层开始减弱，第4层弱于第3层，但差异不大。

图6(c)为50～70目防砂介质分层级配图，整体趋势依旧是第1层、第2层、第3层、第4层级配曲线由外而内排开，但曲线层次分明，第1层与第2层曲线间隔最大，说明由第2层开始泥质粉细砂颗粒含量大量减少，即堵塞程度显著减弱。第2层与第3层、第3层与第4层间的级配曲线间隔依旧明显，说明细砂颗粒含量自上而下持续减少，即堵塞程度持续减弱。

图6 不同精度防砂介质分层级配图Fig.6 Layered gradation diagram of sand control media with different precision

图6(d)为60～80目防砂介质分层级配图，图6(e)为70～90目防砂介质分层级配图。如图所示，不同层之间的级配曲线图没有明显的规律，并且间隔极小，曲线轨迹都趋于相同。这是由于防砂介质颗粒粒径变小，储层颗粒侵入量减少，对防砂介质颗粒原本的级配影响不大。而储层的粉质泥细砂会堵塞防砂介质表面，不利于产液。

综上分析，随有效挡砂精度增大，储层泥质粉细砂侵入防砂介质的程度越深。储层颗粒在不同挡砂精度下，对防砂介质不同层次的侵入程度与电镜实验所得的结果相符合。

图7为不同挡砂精度的砾石下，防砂实验后所收集液体中颗粒的粒度中值曲线图。如图7所见粒度中值曲线随着挡砂精度增大而急速下降，之后趋于平稳。数值大小分别为13.9、3.7、0.6、0.4、0.3 μm。说明有效防砂精度范围内，随挡砂精度减小，出砂粒径急剧减小。

图7 粒径中值曲线图Fig.7 Median particle size curve

2.3 渗透实验分析

根据渗透试验得到如图8为防砂介质渗透损伤程度，防砂实验前后分布别对不同的防砂介质进行渗透实验，以实验前后防砂介质的渗透系数之差与实验前防砂介质的渗透系数的比值表示防砂介质的损伤程度。其中渗透系数为水温20 ℃下的计算值。计算公式为

(1)

(2)

式中：k20与kT分别为温度20 ℃与T℃时的介质渗透性，cm/s；Q为一定时间内通过防砂介质的总流量，mL；L为防砂介质厚度，cm；A为防砂介质横截面积，cm2；H为平均水头差，cm；t为时间，s；η20与ηT分别为温度20 ℃与T℃时为液体动力黏性系数，kPa/s。

如图8所示，30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目防砂介质的损伤程度，整体趋势逐渐是逐渐减小，依次是45.82%、41.93%、23.17%、7.76%、5.42%。说明随挡砂精度与防砂介质的损伤程度呈现线性相关。

图8 防砂介质损伤程度图Fig.8 Damage degree diagram of sand control medium

图9为堵塞面积比随砾石渗透系数变化的图像，防砂实验前，常压下不同防砂精度砾石的渗透系数依次为0.011、0.018、0.035、0.056、0.162 cm/s分别对应淤塞面积占比为3%、5%、25.25%、47%、55%。通过分析可以发现，整体趋势上，淤堵面积占比随着渗透系数的增长而增长，当渗透系数大于0.018 cm/s，曲线趋势陡峭，淤堵面积占比的大小随渗透系数变大而急速增长，当渗透系数大于0.056 cm/s时，曲线开始趋于平缓，渗透系数增长极大，而淤堵面积占比的增长缓慢。说明当砾石渗透系数大于0.056 cm/s时，尽管防砂精度不同，但最后达到的防砂与生产效果相近。

图9 堵塞面积占比随砾石渗透系数变化Fig.9 Changes of blockage area ratio with gravel permeability coefficient

2.4 防砂实验分析

根据防砂试验，图10为不同防砂精度下总出砂量图。不同挡砂精度下，30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目出砂量依次减少，其中30～50目与40～60目相近为0.57 g和0.51 g，50～70目出砂量为0.28 g，60～80目与70～90目出砂量相近0.06 g和0.04 g。说明随挡砂精度减小，出砂量降低。

图10 总出砂量Fig.10 Total sand production

图11为不同防砂精度下产液量随时间变化图，30～50目防砂介质下，一开始为液体线性流，此时产液较快。10 s后进入液体水滴流状态，产液速度相对减慢。到61 s瞬间进入气液两相流，此时产液速度激增、70 s后基本进入完全气体流动状态。

40～60目防砂介质下，开始为液态水滴流，9 s后进入液态线性流，20 s后再次恢复液态水滴流，直至59 s突然进入气液两相流。50～70、60～80、70～90目防砂介质下，分别在67 、80 、78 s进入气液两相流，此前一直处于液体水滴轮状态。气液两相流10 s内结束，此后进入完全气体流动状态，液体质量基本不变。

如图11所见，30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目稳定流动状态下产液总量依次为73.31、66.53、63.7、58.78、43.9 g。在整体趋势上，气液两相流之前稳定流动状态下防砂精度越小，产液量越小，同时其达到气液两相流的时间越长。

图12为不同防砂精度下液体渗透速率随时间变化图，可知30～50目、40～60目的防砂介质的渗透速率曲线轨迹相似，整体趋势上有效渗透速率(出现气液两相流之前的渗透速率)随时间下降，均值分别为1.22、1.10 mL/s。50～70目防砂介质的有效渗透速率变化不大，整体上趋于水平，均值为0.95 mL/s。60～80目与70～90目防砂介质的有效渗透速率曲线轨迹相似，呈现先平后升再降的趋势，平稳状态下均值分别0.73、0.54 mL/s。