泡沫金属防砂介质砂粒运移规律及堵塞机理试验*

刘晨枫 董长银 孟召兰 周博 王尧 王力智 黄有艺

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院 2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司)

0 引 言

防砂介质是油气井防砂机械筛管的核心挡砂部件，常规介质结构有规则缝隙类、规则滤网类和不规则金属棉类，孔隙度在30%左右[1-5]。在油气井开采过程中，地层砂颗粒易在孔隙度较低的常规防砂介质中堆积，减弱介质防砂效果。近年来出现一种多孔新型泡沫金属防砂介质，中海油通过技术创新将其成功应用于油气田开发领域。该介质孔隙分布不规则且孔隙度大于80%，孔喉结构和常规防砂介质不同[6-8]，呈现多面体“笼式”结构，实现了由二维平面到三维立体过滤的技术演变，地层砂颗粒在该介质中运移规律不同于常规防砂介质。因此，明确泡沫金属防砂介质中砂粒运移规律及堵塞机理是一项重要内容。

近年来，国内外学者对绕丝和金属网布等常规防砂筛管性能进行了大量研究，主要集中在地层砂通过常规防砂介质时侵入、运移和滞留机理等方面[9-12]。对泡沫金属介质开展了部分研究，主要集中在泥质含量及介质参数对泡沫金属介质防砂性能的影响方面[13-19]。其中部分研究者对泡沫金属介质开展了物理模拟试验研究，探究了介质精度、厚度和孔径对泡沫金属筛管防砂及流通性能的影响[14-18]，以及泥质含量对筛管防砂效果的影响[19]。上述研究提升了人们对于泡沫金属介质防砂性能影响因素的认识，得到初步影响规律以及知道了如何对泡沫金属介质进行参数优化，但其堵塞机理未开展深入研究，因此对于泡沫金属介质堵塞机理尚不明确。

针对上述问题，本文对泡沫金属介质开展了物理模拟试验，揭示了其中砂粒运移规律及介质堵塞机理。研究结论可为泡沫金属介质在机械防砂领域的应用提供理论支撑。

1 试验原理与方法

1.1 试验原理

构建了单向流防砂介质驱替模拟试验装置，如图1所示。

图1 防砂介质驱替模拟试验装置Fig.1 Sand control medium displacement simulation experimental device

通过实时采集得到介质两端压力、流量及几何参数，利用式(1)计算整个试验过程中泡沫金属介质渗透率。

(1)

式中：Q为通过介质流体流量，m3/s；μ为试验用流体的黏度，Pa·s；L为介质的厚度，m；A为过流面积，m2；Δp为介质两侧压差，Pa。

1.2 试验方法

试验在室温条件下实施，试验驱替流体采用清水，流量1.2 m3/h，试验利用商业地层砂人工配制试验地层砂，复配地层砂粒径中值为150 μm，均质系数为3.50，泥质质量分数为15%，泥质由伊利石、蒙脱石及高岭石组成，3种组成成分相对含量比例为3∶2∶ 5，试验采用3种泡沫金属介质，孔密分别为沿长度每25.4 mm分布70、80和90孔，直径55 mm，厚度6 mm，如图2所示。

图2 3种孔密泡沫金属介质(直径55 mm)Fig.2 Foam metal media with three pore densities (ø55 mm)

2 泡沫金属介质中砂粒运移规律试验

2.1 介质中砂粒运移试验结果

在室温条件下使用清水携带粒径中值为150 μm的人工复配地层砂,以每25.4 mm布70、80和90孔的3种泡沫金属介质进行驱替试验，流量和压差曲线如图3所示。

图3 3种孔密介质流动压差及流量随时间的变化曲线Fig.3 Variation of pressure difference and flow rate of 70，80 and 90 ppi foam metal media with time

地层砂颗粒在泡沫金属介质中运移时，较细的地层砂颗粒进入介质堵塞内部孔隙[20-21]，较粗的地层砂颗粒直接堵塞介质孔隙，地层砂颗粒在介质中运移阻力增加，通过泡沫金属介质的流量逐渐降低，介质两端的压差逐渐增大。为分析介质渗透率变化情况，利用达西公式计算介质渗透率及渗透率比，3种介质渗透率及渗透率比随时间变化的曲线如图4所示。

图4 3种孔密介质渗透率及渗透率比随时间的变化曲线Fig.4 Variation of permeability and permeability ratio of 70，80 and 90 ppi foam metal media with time

依据图4a和图4b，定义初始渗透率和终了渗透率差值与初始渗透率比值为渗透率损失率，即有：

(2)

式中：kso为初始渗透率，μm2；ksf为终了渗透率，μm2；RPL为渗透率损失率，无量纲。

利用式(2)计算3种介质渗透率损失率，如表1所示。表1中过砂率为通过泡沫金属介质地层砂质量与试验中加入地层砂总质量的比值。

表1 3种孔密介质试验结果分析汇总Table 1 Experimental results of 70，80 and 90 ppi foam metal media

由图4a和图4b可知，在介质未发生堵塞阶段，3种介质初始渗透率分别为146.985、63.391和45.282 μm2，每25.4 mm布70孔泡沫金属介质初始渗透率最大，流通性能最好。

在堵塞阶段，3种泡沫金属介质渗透率均下降，每25.4 mm布70孔介质初始渗透率下降时间最慢，但3种介质在堵塞过程中均保持相对较高的渗透率。由图4c和图4d可知，3种介质在堵塞过程中渗透率比均保持较高值，表明泡沫金属介质在堵塞过程中渗透率下降速度较慢。

在堵塞平衡阶段，3种介质终了渗透率分别为0.193、0.168和0.149 μm2，3种介质渗透率损失率分别为0.998 7、0.997 3和0.996 7。堵塞后3种介质渗透率损失率较大，3种介质过砂率分别为53.889%、21.488%和6.828%。在介质运移过程中，运移通过每25.4 mm布70孔介质地层砂最多，对介质渗透率造成损失最严重。

此外，由式(3)～式(5)计算抗堵塞性评价指标和流通性能指标，由此可分析3种泡沫金属介质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)计算抗堵塞性能和流通性能指标，每25.4 mm布70、80和90孔3种介质抗堵塞性能指标分别为0.454 9、0.349 9和0.285 6，流通性能指标分别为0.351 9、0.116 7和0.068 1，抗堵塞和流通性能指标依次降低，表明抗堵塞性能和流通性能依次减弱。

2.2 介质中砂粒运移规律

基于砂粒运移试验结果，为进一步分析泡沫金属介质内部地层砂颗粒运移规律[22-23]，分析每25.4 mm长度布70、80和90孔的3种介质入流及流出面地层砂堆积状态，结果如图5所示。

图5 3种孔密泡沫金属介质入流面及流出面地层砂堆积状态Fig.5 State of sand accumulation at the inflow surface and outflow surface of 70，80 and 90 ppi foam metal media

在泡沫金属介质砂粒运移试验中，3种介质入流面均阻挡了大量不同粒径的地层砂颗粒，地层砂颗粒间相互胶结形成了渗透性不同的泥饼，进一步阻挡砂粒在介质中的运移。每25.4 mm布70孔介质入流面阻挡的地层砂粒径最大，形成的泥饼渗透率最小，在介质流出面，每25.4 mm布90孔介质流出面未明显见到地层砂运移通过，而每25.4 mm布70孔介质中有较多地层砂颗粒运移通过并滞留在介质流出面。收集通过介质和介质阻挡的地层砂，并对两类地层砂进行粒度分析，分析曲线如图6所示。

通过泡沫金属介质地层砂的累计质量分数10%对应的粒径值被认为是该介质挡砂精度[15]，由图6a可知，每25.4 mm布70、80及90孔3种介质挡砂精度分别为465、245和185 μm。由图6b可知，运移阻力系数越大，运移阻力越大。第i个介质中地层砂颗粒运移阻力系数计算式为：

(6)

式中：D50(i)为第i个挡砂介质阻挡地层砂的粒度中值，μm；D50为试验所用原始地层砂的粒度中值，μm；CTR为第i个防砂介质中地层砂颗粒运移阻力系数，无量纲。

由式(6)可知，每25.4 mm布70、80及90孔介质运移阻力系数分别为0.809、1.650和4.310，每25.4 mm布70孔介质运移阻力系数最小，地层砂颗粒在该介质中运移阻力最小，在每25.4 mm布90孔介质中运移阻力最大。

图6 3种孔密介质通过及阻挡地层砂粒度分析曲线Fig.6 Size analysis of sand particles passing through and plugged by 70，80 and 90 ppi foam metal media

3 泡沫金属介质堵塞机理分析

3.1 介质微观堵塞形态

试验结束后，将每25.4 mm布80孔泡沫金属介质沿径向切开，在微观状态下观察介质入流面、内部截面及流出面3个面上地层砂堵塞情况，如图7所示。

由图7a可知，每25.4 mm布80孔泡沫金属介质入流面堵塞较为严重，大部分孔隙被地层砂颗粒堵塞。由图7b可知，局部放大入流面，阻挡在介质入流面的地层砂颗粒和泥质出现明显的胶结，形成团状胶结物，极大降低了泡沫金属介质渗透率，增大了地层砂在介质中的运移阻力。

由图7c可知，大量地层砂颗粒进入介质内部后，充填并堵塞在介质类十二面体孔隙结构中，介质内部截面堵塞较为严重，残留大量地层砂。由图7d可知，局部放大内部截面，大部分地层砂颗粒滞留在介质内部，砂粒之间出现桥架，并形成低渗透粗砂粒桥架层，堵塞流通孔隙，降低介质内部孔隙连通性。

由图7e可知，介质流出面极少数孔隙被地层砂堵塞，运移通过介质地层砂颗粒较少，说明地层砂颗粒在运移过程中，大量充填在介质类十二面体孔隙结构中，堵塞了介质内部孔隙。由图7f可知，局部放大流出面，当砂粒直径大于介质孔隙直径时，地层砂颗粒直接充填在构成孔隙骨架处，使孔隙进一步减小，增加了砂粒运移阻力。

3.2 介质堵塞机理

泡沫金属介质内部呈蜂窝状，介质连续固相为三维网格，金属骨架相互交织形成多个相互连通的孔隙，每个孔隙类似于蜜蜂巢穴，近似呈六边形，12个近似呈六边形的孔隙通过交织组成一个类十二面体结构。常规防砂介质骨架占据介质大部分体积，孔隙规则且孔隙度在30%左右，泡沫金属介质结构分布相反，孔隙占据介质大部分体积，孔隙分布不规则且孔隙度大于80%，砾石充填层、金属网布和泡沫金属等常规防砂介质微观结构如图8所示。

基于泡沫金属介质砂粒运移规律及其特殊空间结构，提出泡沫金属介质堵塞为粗砂粒分选架桥堵塞和泥质及细砂粒胶结堵塞两种机制共同作用下的复合堵塞，以介质内部一个类十二面体孔隙结构为例，该介质堵塞机理示意图如图9所示。为分析常规防砂介质与泡沫金属介质堵塞机理差异，以砾石充填层堵塞机理为例，绘制砾石充填层与泡沫金属介质堵塞机理对比示意图，如图10所示。

图10 砾石充填层与泡沫金属介质堵塞机理对比示意图Fig.10 Comparison of plugging mechanism between gravel pack layer and foam metal medium

从图10a可知，在未堵塞阶段，因为充填陶砾尺寸较大，陶砾间形成的孔隙尺寸小于泡沫金属骨架间形成的孔隙尺寸，泥质、细砂粒及中砂粒均可以通过泡沫金属介质，砾石充填层中仅能使泥质通过。由图10b可知，在堵塞开始阶段，因为砾石充填层中孔喉尺寸较小，泥质通过之后，细砂粒优先被阻挡在充填陶砾间形成的孔喉处，随着细砂粒堵塞程度的加剧，细砂粒之间形成桥架，降低了孔喉尺寸，减弱了砾石充填层的渗透性。泡沫金属介质中孔隙尺寸较大，泥质、细砂粒及中砂粒均可以通过，部分粗砂粒优先被介质中孔隙阻挡并且相互之间产生桥架，形成低渗透粗砂粒堵塞层。从图10c可知，在堵塞平衡阶段，细砂粒堵塞砾石充填层孔喉之后，孔隙连通性急剧减弱，砾石充填层渗透率急剧降低，随着地层砂颗粒在介质中的持续运移，大量细砂粒及泥质无法通过孔隙，在陶砾间形成的孔喉中发生胶结并形成团状胶结物，胶结物逐渐占据孔喉内全部空间，最终堵塞砾石充填层。与砾石充填层不同，泡沫金属介质孔隙率较高且连通性较好，类十二面体孔隙结构中一个面上的孔隙发生桥架堵塞，部分面上的孔隙未发生堵塞，仍然保持较高渗透率，地层砂颗粒可以继续运移通过该类十二面体孔隙结构，当类十二面体孔隙结构中各个流出面上孔隙均发生桥架堵塞，使类十二面体孔隙结构渗透率急剧降低，细砂粒及泥质难以通过十二面体孔隙结构时，在桥架后，粗砂粒与中砂粒间形成的孔隙处将发生胶结，从而堵塞泡沫金属介质。

4 结 论

(1)在试验条件下，经过测试得到每25.4 mm布70、80和90孔的3种孔密泡沫金属介质挡砂精度(通过介质地层砂的累计质量分数10%对应粒径)分别为465、245和185 μm，未堵塞时渗透率分别为146.985、63.391和45.282 μm2，堵塞平衡后渗透率分别为0.193、0.168和0.149 μm2，渗透率损失率分别为0.998 7、0.997 3和0.996 7，渗透率损失率较高，但在堵塞过程中，渗透率降低速率较慢且始终保持较高值。

(2)在砂粒运移过程中，细砂粒进入介质内部，粗砂粒堵塞介质，形成低渗透粗砂粒桥架层，增大砂粒运移阻力，使细砂粒在粗砂粒堵塞层外大量堆积并发生胶结。每25.4 mm布70、80和90孔的3种孔密泡沫金属介质流通性能指标分别为0.351 9、0.116 7和0.068 1，运移阻力系数分别为0.809、1.650和4.310，随着介质精度的降低，介质流通性能不断减弱，地层砂在介质中运移阻力越大，地层砂颗粒侵入介质程度越弱，通过介质的地层砂颗粒越少。

(3)泡沫金属介质基质体积占有率低，孔隙率高，常规防砂介质基质体积占有率高，孔隙率低，针对泡沫金属介质提出粗砂粒分选架桥和泥质及细砂粒胶结两种堵塞机制。对于泡沫金属介质，粗砂粒桥架堵塞介质，降低孔喉尺寸，使介质阻挡更细的砂粒，并使细砂粒和泥质在孔隙中发生胶结，而常规防砂介质中泥质优先通过，细砂粒堵塞介质，粗砂粒堵塞介质后的渗透性优于细砂粒，加之泡沫金属介质孔隙度高且连通性好，使泡沫金属介质具有更优异的防砂性能。