礫石充填層滲透率實(shí)驗(yàn)研究

朱春明，王希玲，張海龍，鄧金根

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450；2.中國(guó)石化國(guó)際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100083；3.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249）

礫石充填層滲透率實(shí)驗(yàn)研究

朱春明1，王希玲2，張海龍1，鄧金根3

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300450；2.中國(guó)石化國(guó)際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100083；3.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249）

摘 要：針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程中礫石充填層會(huì)被地層砂侵入的問題，通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，深入研究礫石充填層被地層砂侵入之后的滲透率變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：礫石充填層的防砂效果與礫石和地層砂匹配程度有密切關(guān)系；礫石充填層滲透率與地層砂的粒度中值、不均勻系數(shù)、泥質(zhì)含量和生產(chǎn)壓差等因素有關(guān)，在其它影響因素不變的情況下，礫石層滲透率與地層砂粒度中值成正比，與不均勻系數(shù)、泥質(zhì)含量和生產(chǎn)壓差成反比。該研究為礫石充填井產(chǎn)能預(yù)測(cè)中礫石充填層滲透率的變化提供依據(jù)，對(duì)指導(dǎo)工程實(shí)踐具有一定意義。

關(guān)鍵詞：礫石層；滲透率；地層砂；粒度參數(shù)；模擬實(shí)驗(yàn)

Experimental Study of the Permeability of Gravel Layer

ZHU Chunming1, WANG Xiling2, ZHANG Hailong1, DENG Jingen3

（1. China Oilfield Services Limited, Tianjin 300450, China; 2. International Petroleum Exploration and Development Company Ltd., SINOPEC, Beijing 100083, China; 3. China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

Abstract:In view of invasion problem of gravel layer by formation sand in actual production process, through the indoor simulation experiment, further study has been conducted on permeability variation of gravel layer after invasion by formation sand. The experimental results show that sand control result of gravel layer is closely related with matching degree between gravel and formation sand. The permeability of gravel layer is related with formation median grain size, nonuniformity coefficient, shale content and drawdown pressure, under the case of other influence factor unchanged, gravel layer permeability is proportional to formation median grain size; is inversely proportional to shale content, nonuniformity coefficient and drawdown pressure. The study provides a basis for forecasting the productivity with the change of gravel layer permeability, which has certain significance for guiding engineering practice.

Keywords:gravel layer; permeability; formation sand; grain size parameter; simulation experiment

目前，礫石充填防砂是機(jī)械防砂常用技術(shù)之一，對(duì)原油的穩(wěn)定開采起著重要作用[1-5]。而礫石充填防砂的關(guān)鍵是礫石尺寸的優(yōu)選[6-10]，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)此開展了大量研究，但他們都是用比較均勻的地層砂進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，因此得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果差別較大。本文利用不同粒度分布的地層砂進(jìn)行試驗(yàn)，分析不同粒度分布下地層砂侵入礫石層后滲透率變化規(guī)律，從而為礫石充填防砂中礫石尺寸優(yōu)選提供依據(jù)。

1　室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及條件

礫石充填層滲透率實(shí)驗(yàn)裝置是由玻璃鋼材料

所制，它主要由四部分組成：砂體填料筒、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、穩(wěn)壓供液系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)。通過測(cè)定填砂筒的進(jìn)、出口壓力和流量，根據(jù)達(dá)西定律，可以得出礫石充填層的滲透率變化。

按照不同的砂配比，得到地層砂不均勻系數(shù)（地層砂篩析曲線上占累積質(zhì)量40%的地層砂粒徑與占累積質(zhì)量90%的地層砂粒徑比值，一般用Uc表示，Uc≤3為均勻砂；Uc≥5為不均勻砂）、地層砂粒度中值d50和泥質(zhì)含量均不同的地層砂樣品。地層砂粒度分布曲線如圖1所示。根據(jù)Saucier礫石尺寸選擇標(biāo)準(zhǔn)[D50=（5～6）d50，D50為礫石的粒度中值]來選擇礫石的尺寸。實(shí)驗(yàn)所用流體為機(jī)油，黏度為50～100 mPa·s。

圖1　地層砂粒度分布曲線

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。砂體填料筒直徑為5 cm，礫石充填段長(zhǎng)度為15 cm，地層砂段長(zhǎng)度為35 cm。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將礫石充填在填料筒中，地層砂充填在填料筒另一端，并充分震動(dòng)，以得到固定的阻力特性，使礫石層和地層砂均處于自然堆積狀態(tài)，減少氣體對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。利用供液泵給填砂筒供液，保持供液壓力為定值。利用測(cè)得的實(shí)驗(yàn)壓差和流量，計(jì)算得到礫石充填層的滲透率。取不同的砂樣和礫石，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 礫石層滲透率與地層砂粒度中值的關(guān)系

將地層砂分為均勻（Uc≤3）和不均勻（Uc≥5）兩種，限定地層砂泥質(zhì)含量在某一范圍（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%），改變地層砂的粒度中值d50，通過實(shí)驗(yàn)得出礫石充填層的滲透率與地層砂粒度中值的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

圖3　礫石層滲透率與地層砂粒度中值的關(guān)系

從圖3可以看出：對(duì)于均勻程度不同的地層砂，礫石層滲透率都隨著地層砂粒度中值的增加而增大，均勻地層砂對(duì)應(yīng)的礫石層滲透率降幅較不均勻地層砂的明顯；對(duì)于粒度中值小于150 μm的地層砂，建議根據(jù)Saucier礫石尺寸選擇標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)縮小礫石尺寸，即D50=（4～5）d50；對(duì)于粒度中值大于150 μm的地層砂，建議根據(jù)Saucier礫石尺寸選擇標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)放大礫石尺寸，即D50=（6～7）d50。

2.2 礫石層滲透率與地層砂不均勻系數(shù)的關(guān)系

將地層砂粒度中值限定在某一值（d50= 150 μm），根據(jù)Saucier礫石尺寸選擇標(biāo)準(zhǔn)，得到礫石尺寸為16～30目，地層砂泥質(zhì)含量限定在某一范圍（質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～10%），改變地層砂的不均勻系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)得出礫石充填層的滲透率與地層砂不均勻系數(shù)的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出：礫石層滲透率隨著地層砂不均勻系數(shù)的增加而降低，對(duì)于不均勻系數(shù)小于10的地層砂，礫石層的滲透率降幅比較明顯，建議根據(jù)Saucier礫石尺寸選擇標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)放大礫石尺寸，即D50=（6～7）d50；對(duì)于不均勻系數(shù)大于10

的地層砂，礫石層滲透率降幅比較緩慢，建議根據(jù)Saucier礫石尺寸選擇標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)縮小礫石尺寸，即D50=（4～5）d50。

圖4　礫石層滲透率與地層砂不均勻系數(shù)的關(guān)系

2.3 礫石層滲透率與地層砂泥質(zhì)含量的關(guān)系

將地層砂分為均勻（Uc≤3）和不均勻（Uc≥5）兩種，限定地層砂粒度中值在某一值（d50=150 μm），根據(jù)Saucier礫石尺寸選擇標(biāo)準(zhǔn)，得到礫石尺寸為16～30目，改變地層砂泥質(zhì)含量，通過實(shí)驗(yàn)得出礫石充填層的滲透率與地層砂泥質(zhì)含量的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。

圖5　礫石層滲透率與地層砂泥質(zhì)含量的關(guān)系

從圖5可以看出：對(duì)于均勻程度不同的地層砂，礫石層滲透率隨著地層砂泥質(zhì)含量的增加而降低，對(duì)于泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%的地層砂，礫石層的滲透率降幅比較明顯，建議根據(jù)Saucier礫石尺寸選擇標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)放大礫石尺寸，即D50=（6～7）d50；對(duì)于泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%的地層砂，礫石層滲透率降幅比較緩慢，建議根據(jù)Saucier礫石尺寸選擇標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)縮小礫石尺寸，即D50=（4～5）d50。

2.4 礫石層滲透率與生產(chǎn)壓差的關(guān)系

將地層砂分為均勻（Uc≤3）和不均勻（Uc≥5）兩種，限定地層砂粒度中值在某一值（d50=150 μm），根據(jù)Saucier礫石尺寸選擇標(biāo)準(zhǔn)，得到礫石尺寸為16～30目，改變生產(chǎn)壓差，通過實(shí)驗(yàn)得出礫石充填層的滲透率與生產(chǎn)壓差的關(guān)系，結(jié)果如圖6所示。

圖6　礫石層滲透率與生產(chǎn)壓差的關(guān)系

從圖6可以看出：礫石層滲透率隨著生產(chǎn)壓差的增加而降低，生產(chǎn)壓差小于4 MPa，礫石層滲透率降幅比較明顯；生產(chǎn)壓差大于4 MPa，礫石層滲透率降幅比較緩慢；建議在實(shí)際生產(chǎn)過程中要控制生產(chǎn)壓差，避免壓差過大造成礫石層的堵塞。

3　結(jié)論與建議

（1）礫石充填層滲透率與地層砂的粒度中值，不均勻系數(shù)和泥質(zhì)含量等因素有密切關(guān)系，在其它影響因素不變的情況下，礫石層滲透率隨地層砂粒度中值減小而降低；隨地層砂不均勻系數(shù)的增加而降低；隨地層砂泥質(zhì)含量增加而降低。

（2）通過觀察實(shí)驗(yàn)后礫石層和地層砂的交界面，可以得出地層砂侵入礫石層的距離與地層砂粒度中值成反比；與不均勻系數(shù)、泥質(zhì)含量和生產(chǎn)壓差成正比。

（3）隨著生產(chǎn)壓差的增加，礫石層滲透率明顯下降，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，建議初期的生產(chǎn)壓差不要超過4 MPa，從而可以降低地層砂對(duì)礫石層的侵入程度，避免礫石層的堵塞。

（4）對(duì)于不同的儲(chǔ)層，建議在礫石尺寸優(yōu)選時(shí)要根據(jù)地層砂的粒度中值、不均勻系數(shù)和泥質(zhì)含量進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而能夠降低礫石層堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：第一朱春明，男，1983年生，完井工程師，碩士，2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）油氣井工程專業(yè)。E-mail：zhuchunming27@163.com。

收稿日期：2014-07-01；改回日期：2014-09-17

基金項(xiàng)目：中海油田服務(wù)股份有限公司項(xiàng)目“渤海地區(qū)油氣井防砂方式優(yōu)選”部分研究成果（C201009）。

文章編號(hào)：1008-2336（2015）01-0067-03

中圖分類號(hào)：TE358+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2015.01.067