泥質(zhì)粉細(xì)砂水合物儲(chǔ)層防砂充填礫石滲透損傷試驗(yàn)研究

余 莉， 李國偉， 何計(jì)彬， 程 曠*， 張 鈺

(1.河北大學(xué)建筑工程學(xué)院， 保定 071002； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心， 保定 071530)

天然氣在中國儲(chǔ)量豐富，且綠色環(huán)保。為實(shí)現(xiàn)2060年碳中和目標(biāo)，加快開發(fā)開采技術(shù)勢(shì)在必行[1-2]。在天然氣開采作業(yè)中，防砂安全和開采效益呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的矛盾關(guān)系。防砂精度過高會(huì)引起井壁坍塌，反之則會(huì)降低開采效益，因此防砂精度選擇是影響天然氣開采的重要因素之一。

周泓宇等[3]通過設(shè)計(jì)新型滑套篩管并完善其配套技術(shù)，提出一種水平井控水礫石充填防砂技術(shù)，配套控水充填技術(shù)切實(shí)可行，為控水防砂完井提供了新思路。董長(zhǎng)銀等[4]利用擋砂介質(zhì)堵塞評(píng)價(jià)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行了礫石層堵塞機(jī)理和規(guī)律實(shí)驗(yàn)，著重考察了礫石層堵塞滲透率比隨驅(qū)替時(shí)間、礫砂中值比、流體流速、流體黏度、黏土含量、細(xì)質(zhì)含量等生產(chǎn)條件的定量變化規(guī)律。Li等[5]提出了一種新的防砂礫石充填方法——“保粗除細(xì)”，詳細(xì)描述了如何計(jì)算用于支護(hù)粗顆粒和剔除細(xì)顆粒時(shí)的礫石粒徑。Dong等[6]提出了保砂能力、防堵能力和流動(dòng)能力的概念，描述了篩管的綜合性能，建立了一種針對(duì)不同防砂精度開采效果的綜合性能分析評(píng)價(jià)方法。董長(zhǎng)銀等[7]為選擇合適的水平井二次防砂機(jī)械篩管類型并優(yōu)化擋砂精度，根據(jù)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出篩管的流通性能、擋砂性能及其評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法。余莉等[8]基于泥質(zhì)粉細(xì)砂水合物儲(chǔ)層和礫石充填防砂結(jié)構(gòu)，采用自行研制的防砂試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行防砂試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)了整體防砂試驗(yàn)四個(gè)階段的特征其出砂演化規(guī)律，為實(shí)際工程防砂提供理論參考。張洪寶等[9]針對(duì)部分區(qū)塊井壁垮塌、砂樣非均質(zhì)性嚴(yán)重、細(xì)粉砂及泥質(zhì)含量高的出砂特點(diǎn),首次提出超深碳酸鹽巖油井復(fù)合防砂技術(shù)對(duì)策,利用樹脂砂再造人工井壁防止地層垮塌,同時(shí)井筒懸掛兩級(jí)防砂篩管,形成二次擋砂屏障。增產(chǎn)效果明顯,防砂效果較好。孫曉娜等[10]通過對(duì)比和分析防砂管柱防砂、礫石充填防砂、化學(xué)防砂、壓裂防砂、復(fù)合防砂和連續(xù)封隔體防砂技術(shù)的特點(diǎn)和適用性,發(fā)現(xiàn)礫石充填防砂強(qiáng)度高、有效期長(zhǎng)、產(chǎn)能損失相對(duì)較小,壓裂防砂具有防砂和增產(chǎn)的雙重作用。李彥龍等[11]針對(duì)水合物儲(chǔ)集層流體抽取法開采過程中面臨的出砂問題，提出了針對(duì)黏土質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)集層的防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)方法。余莉等[12]結(jié)合中國南海儲(chǔ)層實(shí)際狀況設(shè)計(jì)了物理模型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了0.23～0.32 mm的礫石可以有效阻擋0.04 mm下的細(xì)致粉細(xì)砂儲(chǔ)層大量出砂。Li等[13]發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)粉砂水合物井的防砂精度選擇應(yīng)在保留粗顆粒和避免相對(duì)細(xì)顆粒堵塞篩孔之間取得平衡。

綜上所述，礫石填充技術(shù)是中國天然氣水合物開采中常用的防砂技術(shù)手段，現(xiàn)在前人的研究基礎(chǔ)上建立防砂實(shí)驗(yàn)，針對(duì)泥質(zhì)粉細(xì)砂儲(chǔ)層，結(jié)合顆粒分析實(shí)驗(yàn)、電鏡掃描實(shí)驗(yàn)、滲透實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同精度防砂介質(zhì)的防砂效果研究以及防砂介質(zhì)損傷情況展開研究，為礫石填充技術(shù)中防砂精度優(yōu)選提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用泥質(zhì)粉細(xì)砂儲(chǔ)層配置樣本，結(jié)合不同擋砂精度的礫石，進(jìn)行了防砂實(shí)驗(yàn)，即模擬了恒定的氮?dú)鈮毫?1.7 MPa)和儲(chǔ)層含水量(125%)下的產(chǎn)液與出砂情況。同時(shí)對(duì)防砂實(shí)驗(yàn)前后不同擋砂精度的礫石進(jìn)行了滲透實(shí)驗(yàn)，電鏡掃描實(shí)驗(yàn)以及顆粒分析實(shí)驗(yàn)。

防砂實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由供壓裝置(氮?dú)馄?、穩(wěn)壓裝置以及高壓反應(yīng)釜三大部分組成，其中高壓反應(yīng)釜內(nèi)徑88 mm，內(nèi)置直徑88 mm、高40 mm的防砂介質(zhì)以及含水量為125%的100 g泥質(zhì)粉細(xì)砂儲(chǔ)層。

圖1 防砂實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Sand control experimental device diagram

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)流程具體如下。

(1)將100 g泥質(zhì)粉細(xì)砂烘干，配制成質(zhì)量含水量為125%的樣品待用。

(2)在防砂實(shí)驗(yàn)前，對(duì)不同擋砂精度的礫石(30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目)，首先進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn)、電鏡掃描實(shí)驗(yàn)以及顆粒分析實(shí)驗(yàn)。

(3)先在底部放入小于防砂精度的濾網(wǎng)與墊片，將經(jīng)過滲透實(shí)驗(yàn)的防砂介質(zhì)(30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目)置于其上，再放入濾網(wǎng)與墊片并在其上倒入調(diào)配好的儲(chǔ)層樣本。

(4)開始供氣，壓力大小穩(wěn)定于1.7 MPa時(shí)，打開閥門。

(5)對(duì)不同擋砂精度的礫石(30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目)展開防砂實(shí)驗(yàn)，每種兩組實(shí)驗(yàn)。

(6)記錄質(zhì)量與體積的變化，分析其出液及產(chǎn)砂情況。

(7)在防砂實(shí)驗(yàn)后，對(duì)不同擋砂精度的礫石(30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目)，用樣本1進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn)，將樣本2分層收集，每層高度為10 mm，共分四層，分層情況見圖2，然后進(jìn)行電鏡掃描實(shí)驗(yàn)和顆粒分析實(shí)驗(yàn)，分析其堵塞情況。

圖2 防砂介質(zhì)分層圖Fig.2 Layering diagram of sand control medium

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在防砂實(shí)驗(yàn)前，首先用激光粒度儀測(cè)量不同擋砂精礫石的級(jí)配，結(jié)果見圖3。

如圖3所示，30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目的級(jí)配曲線圖由內(nèi)而外依次展開，細(xì)顆粒所占百分比隨之增大，粒度中值依次減小。粒徑中值依次為508 、433 、387 、339 、317 μm。

圖3 防砂實(shí)驗(yàn)前礫石級(jí)配曲線Fig.3 Gravel gradation curve before sand control experiment

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 防砂實(shí)驗(yàn)后電鏡掃描實(shí)驗(yàn)分析

圖4為電鏡掃描實(shí)驗(yàn)圖，從左到右依次為1層到4層。其中灰黑色部分為泥質(zhì)粉細(xì)砂顆粒侵入所造成為淤塞部分。

圖4 電鏡掃描實(shí)驗(yàn)圖Fig.4 Electron microscope scanning experiment

對(duì)采集圖片在MATLAB中處理分析，可以得到30～50目黑色淤塞面積占比依次為78%、62%、55%、25%，第3、第4層黑色深度明顯淡化，40～60目黑色淤塞面積占比依次為66%、59%、42%、21%，第2層、第3層開始黑色深度明顯淡化，50～70目的黑色淤塞面積占比依次為39%、31%、22%、9%。黑色深度漸次變淺，至60～80目和70～90目的防砂介質(zhì)電鏡掃描實(shí)驗(yàn)圖，已經(jīng)難以觀察到黑色部分，各層黑色淤塞面積占比平均值分別為5%、3%，儲(chǔ)層顆粒幾乎沒有侵入其中。說明隨礫石目數(shù)增大，防砂精度減小，防砂介質(zhì)細(xì)顆粒含量增大，儲(chǔ)層顆粒侵入程度減弱。

圖5為防砂試驗(yàn)后介質(zhì)各層平均淤堵面積比隨粒徑中值變化圖，粒徑中值依次為317、339、387、433、508 μm。黑色淤塞面積占比平均值分別為3%、5%、25.25%、47%、55%，防砂介質(zhì)內(nèi)部堵塞程度依次增強(qiáng)。

圖5 淤堵面積比隨粒徑中值變化圖Fig.5 Variation of blockage area ratio with median particle size

曲線圖像在粒徑中值達(dá)到339 μm后曲線斜率變大，之前斜率則相對(duì)平緩，淤堵面積所占的比例隨粒度中值的增大無明顯變化，說明泥質(zhì)粉細(xì)砂顆粒幾乎無法通過粒徑中值小于339 μm的礫石介質(zhì)，當(dāng)粒度中值達(dá)到433 μm后曲線斜率變小，粒度中值的增大而淤堵面積所占的比例變化不大，這是由于泥質(zhì)粉細(xì)砂顆粒可以大量侵入粒度中值超過433 μm的礫石，導(dǎo)致淤堵面積達(dá)到一定比例時(shí)迅速改變了礫石介質(zhì)第1層、第2層原本的級(jí)配情況，使得泥質(zhì)粉細(xì)砂顆粒無法繼續(xù)大量侵入此后的礫石，分析圖像可知該比例為47%。

2.2 顆粒實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)顆粒粒徑分析，得到如圖6所示為不同精度防砂介質(zhì)分層級(jí)配曲線圖。

圖6(a)為30～50目防砂介質(zhì)分層級(jí)配圖，第1層與第2層曲線幾乎重疊，位于最外側(cè)。向內(nèi)依次是第3層、第4層的級(jí)配曲線。說明防砂實(shí)驗(yàn)后第1層與第2層中泥質(zhì)粉細(xì)砂含量相同且最多，細(xì)顆粒含量多，則級(jí)配曲線位于外側(cè)。且第1層、第2層與第3層級(jí)配曲線相近，第3層與第4層級(jí)配曲線間隔較遠(yuǎn)。說明堵塞程度至第4層才開始有明顯減弱。

圖6(b)為40～60目防砂介質(zhì)分層級(jí)配圖，第1層、第2層、第3層、第4層依次由外而內(nèi)排開。第1層與第2層曲線沒有重疊但軌跡依舊趨于接近，位于外側(cè)。第3層、第4層的級(jí)配曲線位于內(nèi)側(cè)，軌跡同樣趨于接近。說明防砂實(shí)驗(yàn)后第1層與第2層中泥質(zhì)粉細(xì)砂含量較多并且相接近，第3層、第4層質(zhì)粉細(xì)砂含量少亦相接近。即堵塞程度從第3層開始減弱，第4層弱于第3層，但差異不大。

圖6(c)為50～70目防砂介質(zhì)分層級(jí)配圖，整體趨勢(shì)依舊是第1層、第2層、第3層、第4層級(jí)配曲線由外而內(nèi)排開，但曲線層次分明，第1層與第2層曲線間隔最大，說明由第2層開始泥質(zhì)粉細(xì)砂顆粒含量大量減少，即堵塞程度顯著減弱。第2層與第3層、第3層與第4層間的級(jí)配曲線間隔依舊明顯，說明細(xì)砂顆粒含量自上而下持續(xù)減少，即堵塞程度持續(xù)減弱。

圖6 不同精度防砂介質(zhì)分層級(jí)配圖Fig.6 Layered gradation diagram of sand control media with different precision

圖6(d)為60～80目防砂介質(zhì)分層級(jí)配圖，圖6(e)為70～90目防砂介質(zhì)分層級(jí)配圖。如圖所示，不同層之間的級(jí)配曲線圖沒有明顯的規(guī)律，并且間隔極小，曲線軌跡都趨于相同。這是由于防砂介質(zhì)顆粒粒徑變小，儲(chǔ)層顆粒侵入量減少，對(duì)防砂介質(zhì)顆粒原本的級(jí)配影響不大。而儲(chǔ)層的粉質(zhì)泥細(xì)砂會(huì)堵塞防砂介質(zhì)表面，不利于產(chǎn)液。

綜上分析，隨有效擋砂精度增大，儲(chǔ)層泥質(zhì)粉細(xì)砂侵入防砂介質(zhì)的程度越深。儲(chǔ)層顆粒在不同擋砂精度下，對(duì)防砂介質(zhì)不同層次的侵入程度與電鏡實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果相符合。

圖7為不同擋砂精度的礫石下，防砂實(shí)驗(yàn)后所收集液體中顆粒的粒度中值曲線圖。如圖7所見粒度中值曲線隨著擋砂精度增大而急速下降，之后趨于平穩(wěn)。數(shù)值大小分別為13.9、3.7、0.6、0.4、0.3 μm。說明有效防砂精度范圍內(nèi)，隨擋砂精度減小，出砂粒徑急劇減小。

圖7 粒徑中值曲線圖Fig.7 Median particle size curve

2.3 滲透實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)滲透試驗(yàn)得到如圖8為防砂介質(zhì)滲透損傷程度，防砂實(shí)驗(yàn)前后分布別對(duì)不同的防砂介質(zhì)進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)前后防砂介質(zhì)的滲透系數(shù)之差與實(shí)驗(yàn)前防砂介質(zhì)的滲透系數(shù)的比值表示防砂介質(zhì)的損傷程度。其中滲透系數(shù)為水溫20 ℃下的計(jì)算值。計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中：k20與kT分別為溫度20 ℃與T℃時(shí)的介質(zhì)滲透性，cm/s；Q為一定時(shí)間內(nèi)通過防砂介質(zhì)的總流量，mL；L為防砂介質(zhì)厚度，cm；A為防砂介質(zhì)橫截面積，cm2；H為平均水頭差，cm；t為時(shí)間，s；η20與ηT分別為溫度20 ℃與T℃時(shí)為液體動(dòng)力黏性系數(shù)，kPa/s。

如圖8所示，30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目防砂介質(zhì)的損傷程度，整體趨勢(shì)逐漸是逐漸減小，依次是45.82%、41.93%、23.17%、7.76%、5.42%。說明隨擋砂精度與防砂介質(zhì)的損傷程度呈現(xiàn)線性相關(guān)。

圖8 防砂介質(zhì)損傷程度圖Fig.8 Damage degree diagram of sand control medium

圖9為堵塞面積比隨礫石滲透系數(shù)變化的圖像，防砂實(shí)驗(yàn)前，常壓下不同防砂精度礫石的滲透系數(shù)依次為0.011、0.018、0.035、0.056、0.162 cm/s分別對(duì)應(yīng)淤塞面積占比為3%、5%、25.25%、47%、55%。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，整體趨勢(shì)上，淤堵面積占比隨著滲透系數(shù)的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，當(dāng)滲透系數(shù)大于0.018 cm/s，曲線趨勢(shì)陡峭，淤堵面積占比的大小隨滲透系數(shù)變大而急速增長(zhǎng)，當(dāng)滲透系數(shù)大于0.056 cm/s時(shí)，曲線開始趨于平緩，滲透系數(shù)增長(zhǎng)極大，而淤堵面積占比的增長(zhǎng)緩慢。說明當(dāng)?shù)[石滲透系數(shù)大于0.056 cm/s時(shí)，盡管防砂精度不同，但最后達(dá)到的防砂與生產(chǎn)效果相近。

圖9 堵塞面積占比隨礫石滲透系數(shù)變化Fig.9 Changes of blockage area ratio with gravel permeability coefficient

2.4 防砂實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)防砂試驗(yàn)，圖10為不同防砂精度下總出砂量圖。不同擋砂精度下，30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目出砂量依次減少，其中30～50目與40～60目相近為0.57 g和0.51 g，50～70目出砂量為0.28 g，60～80目與70～90目出砂量相近0.06 g和0.04 g。說明隨擋砂精度減小，出砂量降低。

圖10 總出砂量Fig.10 Total sand production

圖11為不同防砂精度下產(chǎn)液量隨時(shí)間變化圖，30～50目防砂介質(zhì)下，一開始為液體線性流，此時(shí)產(chǎn)液較快。10 s后進(jìn)入液體水滴流狀態(tài)，產(chǎn)液速度相對(duì)減慢。到61 s瞬間進(jìn)入氣液兩相流，此時(shí)產(chǎn)液速度激增、70 s后基本進(jìn)入完全氣體流動(dòng)狀態(tài)。

40～60目防砂介質(zhì)下，開始為液態(tài)水滴流，9 s后進(jìn)入液態(tài)線性流，20 s后再次恢復(fù)液態(tài)水滴流，直至59 s突然進(jìn)入氣液兩相流。50～70、60～80、70～90目防砂介質(zhì)下，分別在67 、80 、78 s進(jìn)入氣液兩相流，此前一直處于液體水滴輪狀態(tài)。氣液兩相流10 s內(nèi)結(jié)束，此后進(jìn)入完全氣體流動(dòng)狀態(tài)，液體質(zhì)量基本不變。

如圖11所見，30～50、40～60、50～70、60～80、70～90目穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)液總量依次為73.31、66.53、63.7、58.78、43.9 g。在整體趨勢(shì)上，氣液兩相流之前穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下防砂精度越小，產(chǎn)液量越小，同時(shí)其達(dá)到氣液兩相流的時(shí)間越長(zhǎng)。

圖12為不同防砂精度下液體滲透速率隨時(shí)間變化圖，可知30～50目、40～60目的防砂介質(zhì)的滲透速率曲線軌跡相似，整體趨勢(shì)上有效滲透速率(出現(xiàn)氣液兩相流之前的滲透速率)隨時(shí)間下降，均值分別為1.22、1.10 mL/s。50～70目防砂介質(zhì)的有效滲透速率變化不大，整體上趨于水平，均值為0.95 mL/s。60～80目與70～90目防砂介質(zhì)的有效滲透速率曲線軌跡相似，呈現(xiàn)先平后升再降的趨勢(shì)，平穩(wěn)狀態(tài)下均值分別0.73、0.54 mL/s。

圖12 液體滲透率圖Fig.12 Liquid permeability diagram

圖13為有效滲透速率隨粒度中值的變化圖，在整體趨勢(shì)上，穩(wěn)定狀態(tài)下原題滲透速率隨粒度中值的增大而增大，增長(zhǎng)幅度趨于減弱。說明依靠提高防砂精度來提高產(chǎn)液量的效果會(huì)逐漸降低。

圖13 有效滲透速率隨粒徑中值的變化Fig.13 The variation of effective permeability rate with the median particle size

3 結(jié)論

(1)隨著礫石擋砂精度減小，泥質(zhì)粉細(xì)砂顆粒侵入防砂介質(zhì)的程度減弱。其中60～80目與70～90目的防砂介質(zhì)幾乎不能被泥質(zhì)粉細(xì)砂顆粒侵入，故而顆粒粒徑小于70目的礫石不適于用來該泥質(zhì)粉細(xì)砂儲(chǔ)層防砂。

(2)當(dāng)防砂介質(zhì)中淤堵面積占比超過47%，最終穩(wěn)定狀態(tài)下不同擋砂精度礫石的防砂與產(chǎn)液效果相近。此時(shí)堵塞面積占比隨防砂精度增大緩慢增加。

(3)對(duì)于泥質(zhì)粉細(xì)砂顆粒，粒度中值大于433 μm或者滲透系數(shù)大于0.056 cm/s的礫石介質(zhì)，其堵塞面積占比會(huì)超過47%，此時(shí)依靠提高擋砂精度來提高產(chǎn)液量的效果會(huì)逐漸降低。

(4)擋砂精度增大，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)液量及出砂量增大，防砂介質(zhì)損傷程度增大。其中50～70目的防砂介質(zhì)滲透率穩(wěn)定，穩(wěn)定產(chǎn)液量相對(duì)較高，為最高穩(wěn)定產(chǎn)液量的87%而防砂介質(zhì)損傷較程度與出砂量相對(duì)較低，為最高損傷程度的50.5%，為該儲(chǔ)層條件下最適防砂精度。