余 莉, 何计彬, 叶成明

(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 071051)

针对泥质粉细砂岩，在水合物开采中，由于其细粒物质容易堵塞防砂结构，曾被认为不符合开采条件。2017年5月18日，中国天然气水合物(即可燃冰)试采成功，意味着泥质粉细砂可燃冰储层已具备了一定的开采条件。泥质粉细砂岩，颗粒粒径较小(D50≤20 μm)，低渗透性(1～10 mD)，孔隙较多，具有遇水膨胀、失水收缩的特性，且力学性质也随着含水量大小的变化而变化，内部裂隙具有自闭合特征，其渗透特性也随着含水量不同而各异。因此，在泥质粉细砂中开采天然气水合物，其气-水流动条件也是随着含水量变化成起伏波动变化，根据渗流连续原理，近井处泥质粉细砂储层的渗透性变化特征与砾石充填层的防砂结构渗透性变化特征相似，且储层开采中出砂量随着液体渗流速度的变化而变化。因此，通过防砂试验，分析在气压作用下储层的气-水流动规律，对揭示出砂演化规律具有重要意义。

近年来，出砂一直制约着天然气水合物的成功开采，国外对天然气水合物开展了多次试采活动，均因大量出砂而终止。出砂可能造成以下4个方面的危害：①砂粒可能在井内沉积并形成砂堵，产量降低；②砂粒将磨损井内和地表设备，卡抽油气泵进出口活塞、衬套等；③出砂严重的井还可能引起井壁坍塌而损坏套管和衬管、砂埋油气层导致油气井停产，使开采难度和成本都显著提高等；④污染环境，尤其是海洋油气田。因此，针对砾石充填防砂试验分析出砂演化规律具有重要意义。

中外学者对天然气水合物试采防砂机理方面开展了较多的研究。董长银等[1]利用机械筛管控砂效果综合模拟与评价试验装置，针对天然气水合物储层地质和生产条件开展了系统的筛管和挡砂介质挡砂机制的研究，认为天然气水合物储层的高泥质含量细粉砂的有效控砂具有一定的可行性。何计彬等[2]通过理论计算分析了砾石颗粒的粒径比对砾石堆积孔隙直径尺寸的定量影响规律，为水合物试采防砂砾石粒径选择提供了理论依据。李彦龙等[3]提出了针对黏土质粉砂型水合物储集层的“防粗疏细”式防砂充填层砾石尺寸设计方法。焦艳红等[4]考虑砂粒形状、砂粒浓度和器壁干涉等因素影响后，给出了适用于高黏流体计算砂粒沉降速度的砂粒器壁干涉沉降速度经验公式，得出高黏流体携带不同粒径砂粒的临界流速计算式。Yan等[5]采用数值模拟的方法，分析了决定开采井周围岩石塑性屈服的特征以及水合物储层产气出砂规律。Wang等[6]为了确定砂层移动区域的大小和近井区域的渗透率分布，提出了微孔介质中宏观径向流动的模拟模型。Yu等[7]根据典型海底沉积物中未固结泥质粉砂岩的地质特征，提出了一种可控出砂或有限出砂的方法，建立了模拟水合物储层产气过程中砂-水-气-水多相流动的数学模型。Li等[8]提出一种基于有限元的模拟实际产砂过程并考虑岩石力学破坏与水动力侵蚀耦合作用的方法。Pererao等[9]为全面了解松散流沙储层生产阶段的出砂情况及影响出砂的主要因素，对不同条件下的出砂过程进行了模拟。Uchida等[10]根据含气水合物沉积物产砂特征，提出了含气水合物沉积物的颗粒分离、运移、泥沙变形和水合物离解等综合分析公式，通过数值模拟分析研究了不同作业方式对含水合物沉积物产砂的影响。Ghassemi等[11]采用基于网格玻尔兹曼法和离散元法的耦合数值方法，对由可移动圆形颗粒组成的可变形颗粒介质中的流体流动进行了二维模拟，验证了在黏性流体中重力作用下圆形颗粒的沉降，利用LB-DE 代码对弱胶结砂岩储层的产砂现象进行了模拟。

以上学者针对水合物开采的出砂机理从理论模型分析、室内试验以及数值模拟等不同方面进行了大量研究，但结合室内防砂试验和微观结构试验进行分析的较少。针对整体试验过程和分段试验从微观角度和土层物性变化方面揭示出砂演化机理的鲜少涉及。因此，以砾石充填防砂试验为基础，展开整体和分时间段的防砂试验，详细地分析试验过程，初步揭示出砂的演化规律。为了进一步探索出砂演化规律，采用前期试验后样品继续展开微观结构试验、含水量试验及密度实验，对比研究防砂试验过程中的渗流特征、出砂特征及介质渗透率特征，从微观结构和物理性质方面揭示泥质粉细砂水合物储层在防砂结构作用下的出砂演化机理。

1 砾石充填防砂试验

1.1 试验目的及方案设计

1.1.1 试验目的

砾石充填防砂试验目的一般有两个方面：一方面为选择适合储层的挡砂砾料粒径，另一方面为研究阻砂砾石的出砂演化过程。针对泥质粉细砂岩，笔者在之前的试验已经选择了最佳挡砂砾石粒径，现主要针对泥质粉细砂储层，研究其选定的充填砾石的渗透性随时间的波动变化规律，即出砂演化过程的特征。因此，根据上述分析，试验设置了阻砂整体试验和不同时间段的阻砂试验，然后分别测量其渗流量与出砂特征。

1.1.2 试验条件

泥质粉细砂的粒径范围为1～50 μm，粒径中值约为20 μm，含水量为120%，防砂砾料为50～60目(0.25～0.20 mm)，压差为1 MPa，室内温度为20 ℃。

1.1.3 试验方案

分为全程阻砂试验和不同时间的阻砂试验。全程阻砂试验共设计2组试验。分时间段的阻砂试验，即为不同时间段2、4、6、8、10 min停止阻砂试验，设计5组试验，每组2个平行试验，共计10组。

1.2 试验原理及试验设备

1.2.1 试验原理

根据试验方案设计了2项试验，即全程阻砂试验与分时间段的阻砂试验，试验主要利用一定压差的气体驱替一定含水量的泥质粉细砂储层，观察累计滤出液体体积和质量的变化规律，然后分析其气-水渗流规律及出砂特征，为天然气水合物试采防砂提供参考依据。

1.2.2 试验设备

防砂模拟试验装置由气体注入系统(氮气)、稳压系统(恒温恒压)、气水混合舱、高压反应釜井筒系统、反应釜内压力监测系统、滤出流体收集装置及信息采集系统等组成，如图1所示。注入系统采用高压氮气和稳压装置输出恒定压力的氮气。试验原理如图2所示，高压反应釜主要由进气口、进水口、泥质粉砂型岩样、防砂砾石、滤网及排泄口等组成。高压反应釜的内径为88 mm，最高工作压力为20 MPa。滤出液体收集装置为接收驱替过程中的液体产出收集和计量装置。信息采集系统为电脑采集压力变化及滤出液体积变化等。

图1 试验装置

图2 试验原理图

1.2.3 试验流程

①首先准备好各种实验设备，并将线路按照图2连接;②先防砂滤网和充填砾石层装入反应釜，然后装入待试验的泥质粉砂储层，密封反应釜；③打开气体稳压装置，恒压恒流泵，电子秤及数据采集系统等；④打开氮气瓶的开关，通气入反应釜，观察试验现象，并记录渗流量；⑤试验至不产生液体渗流截止，关掉进气阀及其他设备，取出岩样，清理仪器，整理数据，试验结束。

2 试验结果分析

2.1 渗透性的理论

针对充填砾石，渗透规律符合达西定律，它的渗透率计算公式为

K=qμL/(AΔP)

(1)

式(1)中：K为渗透率，μm2；A为岩心截面积，m2；q为流量，mL/min；

μ为注水黏度，mPa·s；ΔP为流体通过砂柱前后的压力差，10-1MPa；L为岩芯长度，mm。

2.2 全程阻砂试验结果分析

全程试验，即从开始加压至稳定产气结束为一个完整的试验。根据全程试验数据整理，得到了图3～图6的试验结果。

图3 累计渗流量Q-T曲线图

图4 渗流速度v-T曲线图

图5 出砂量随时间的变化规律

图6 防砂结构渗透率随时间的变化

可以看出，共计分为4个阶段：

第①阶段为初始渗流阶段，渗流量增加较快，渗透速度增大，出砂量较小，防砂结构的渗透率增大。说明，初始加压阶段，砾石充填防砂层中孔隙未被充填，渗流速度较快，储层颗粒未及时发生运移，出砂量较小。

第②阶段为稳定渗流阶段，累计渗流量缓慢增加，渗流具有微小的波动变化，出砂量较小甚至不出砂，渗透率随着时间的增加基本不变。说明此阶段主要为储层中水的渗流带动细粒物质运移(防砂结构中存在着细粒物质侵入现象)，且流动的速度较慢，不具备携砂能力，防砂结构的渗透率也较稳定。

第③阶段为快速渗流阶段，从图3中可以看出累计渗流量迅速增加，渗流速度和出砂量突然增大，此时渗透率也增大。说明此阶段防砂结构中的堵塞物质突然在气-水流动的条件下排出，导致了大量出砂，渗透率迅速增大。

第④阶段为无液体渗流阶段，从图3中可以看出，累计渗流量基本无变化，液体渗流速度几乎为0，出砂量迅速减小，渗透率也迅速减小。此阶段中产水量和产砂量迅速减小，说明在稳定产气阶段几乎不出砂。

综上所述，针对泥质粉细砂层，在气-水流动条件下，存在着渗流-堵塞-突然疏通的过程，其出砂主要发生在突然疏通(气驱水)过程中，致使液体达到了携砂速度，进而导致大量的出砂。

2.3 不同时间段阻砂试验结果分析

从图7～图9中可以看出，2、4、6、8 min的Q-T曲线，渗流速度及出砂量变化曲线。跟整体曲线相比较，有以下规律：

(1)对比图7和图3可知，分时间段停止试验与整体试验的渗透规律基本一致性，因此该淤泥质粉细砂储层在相同的压差下，其内部结构和渗流特征不受时间的影响，主要分为4个气-水流动阶段与全程阻砂试验类似，在前6 min不存在渗流量突变的情况，而在6～8 min存在着渗流量突然增大的情况。

图7 不同时间段渗流量Q-T曲线

图8 不同时间段渗流速度变化规律

图9 不同时间段出砂量随时间的变化规律

(2)对比图8和图4可知，全程阻砂试验和分段阻砂试验的结论基本类似。在渗透速度突然增大之前，存在着渗透速度的波动变化，在前6 min钟，渗透速度的波动较小，而在6～8 min经历了液体渗透速度迅速增加和减小的过程，到后面液体的渗流速度几乎为0，说明此时无液体渗出，主要为气体渗出。

(3)对比图9和图5可知，全程阻砂试验和分段阻砂试验的结论基本类似。出砂量的大小是随着渗流量及渗透速度的大小变化而变化，在6 min之前，出砂量较小或几乎不出砂，在6～8 min时，出砂量突然增大和减小，说明在这期间存在着储层砂运移-沉积-再次运移的过程。

综上所述：针对泥质粉细砂层，在试验条件不变的情况下，其气-水流动条件是一个时间过程量，不受时间的增加其现象发生较大的偏差，而是具有一定时间记忆性。因此，其演化规律针对这种泥质粉细砂具有普遍适用性。

3 出砂演化机理分析

3.1 不同时间段储层的含水量变化分析

分别取2、4、6、8 min阻砂试验储层泥膜进行微观结构观察和测量其含水量。图10 为泥膜分层的示意图，将泥膜分成3层，采用电镜扫描试验，在放大所得到的微观结构扫描图像如图11所示，为不同时间段不同分层的微观图像。图12为不同时间段不同分层含水量的变化情况。

图10 泥膜的分层示意图

图11 微观结构

图12 不同时间段的含水量

从图11与图12可以得出如下结论：

(1)从微观结构与含水量测试可知，针对2 min试验时间段，泥膜从第一层至第三层，含水量由大变小(从129.5%减小至84%)。在4、6、8 min试验时间段泥膜含水量也符合该规律，说明越接近防砂结构其含水量越小。

(2)从图12可知，在2、4、6、8 min不同时间段试验中，当含水量达到105%时，随时间的增加，在6、8 min时此含水量位于1～2层，在4 min时此含水量位于第二层，在2 min时此含水量位于2～3层，充分说明液体的运移过程，含水量的变化也是分层的，距离防砂结构越近的，首先失水固结，形成渗流通道，随着时间的增加，较远的液体才能补给而形成渗流现象，且这种结构一旦形成较难破坏。

3.2 不同时间段防砂砾石的微观结构变化分析

分别取2、4、6、8 min阻砂试验储层泥膜进行微观结构观察。图13所示为通过电镜扫描仪观察其微观结构图。

图13 防砂砾石的微观结构

(1)从2、4、6、8 min试验时间段充填砾石的含水量可知，2 min时含水量最大，说明此时防砂结构的孔隙通道主要为透水作用，这时结构中只有少许泥质侵入，且泥质颗粒运移至防砂结构中，未达到出水口。在4、6 min时，充填砾石中的泥质成分增加，含水量较2 min时减小；在8 min时，充填砾石中泥质成分减小；10 min时，可以明显看出充填砾石中的含水量降低，且泥质含量较少。

(2)在泥质粉砂储层天然气水合物试采的过程中，防砂结构淤堵状况与储层含水量之间存在着较大的关系。当储层含水量正好使防砂砾料孔隙充满淤泥物质时，防砂结构将出现严重的淤堵情况，如果有大量气体分解时，气体将加速水体流动，进而携带防砂结构内淤泥质成分排出，导致大量出砂。

3.3 泥膜密度分析

采集不同试验时间段的接近防砂结构的泥膜，开展环刀密度测试，测得2 min-3层，4 min-3层，6 min-3层及8 min-3层的密度分别为1.43、1.565、1.55、1.60 g/cm3。

从泥膜密度测试及分析结果可得出以下结论：

(1)针对不同时间段的同一层储层，其密度随着试验时间的增大而增加，说明储层中存在着骨架颗粒的运移现象。

(2)随水合物开采的进行，淤泥质粉砂储层会在防砂结构周围形成具有一定密度分层的泥膜固结圈(图14)，分别为稳定、较稳定、弱稳定泥膜固结圈及无扰动储层，稳定和较稳定泥膜固结圈具有较好的防砂和隔水作用，且较难破坏，对防砂具有重要作用。

图14 井壁周围泥质粉砂泥膜圈层示意图

3.4 出砂演化规律

根据上述储层气驱出砂渗流试验、泥膜物理力学试验、近井部位固、液、气三相渗流规律分析，初步得出引起水合物开采出砂的两个必要条件：第一为足够的压差，第二为一定速度携砂液体。在防砂结构的作用下，随着泥膜固结圈层的形成，出砂现象会得到有效控制。储层自身物质在充填砾石或防砂筛管外形成的泥膜具有控砂作用。出砂演化过程如下：

(1)储层在压差作用下排水固结。处于初始状态的土体，在防砂结构的阻挡作用下，有一部分细致颗粒在气体作用下侵入充填砾石孔隙中，使得防砂结构的渗透性降低，阻碍了储层颗粒运移，在防砂结构外侧堆积和挤密，形成孔隙度随着距离井壁增大而减小的天然阻砂结构，且该结构具有一定的强度，较难破坏，进而达到一种渗流平衡，此时由于水流渗透速度较慢，不足以携带大量地层砂运移，因此出砂现象不明显。

(2)随着储层孔隙中水的排出，自由气体迅速膨胀，一方面撑开孔隙、孔喉，另一方面推动水，使水流速增大，当水的流速达到临界携砂速度时，首先防砂砾石结构中的泥质细颗粒迅速排出而导致大量出砂。由于防砂结构渗透性的恢复及外部储层泥膜的形成，建立起了天然的阻砂结构，在压差不变的情况下始终保持产气与防砂。

(3)泥膜结构具有一定的强度和较稳定的气水渗流通道，较难破坏，通过多次循环防砂试验可知，如果不打破已建立的渗流平衡，泥膜结构可持续发挥防砂作用。

4 结论

针对泥质粉细砂储层，通过整体防砂试验和分段防砂试验可以得出以下结论：

(1)整体防砂试验分为4个阶段，即为初始渗流阶段、稳定渗流阶段、快速渗流阶段、无液体渗流阶段。针对砾石充填结构，在气-水流动条件下，存在着液体渗流-堵塞-突然疏通的过程，出砂主要发生在突然疏通(气驱水)过程中。

(2)通过对比整体防砂试验和分段阻砂试验，在试验条件不变的情况下，其气-水渗流随着时间的具有相似的变化过程，其渗流规律几乎不受时间影响，土体固结具有一定的时间记忆性。

(3)泥质粉细砂储层的渗流规律是分层的。根据对不同时间段防砂试验泥膜采用了含水量测量可知，随着试验时间的增加其含水量减少，且对比不同时间同一土层的含水量可知，2 min>4 min>6 min>8 min，说明液体分层发生了运移，液体的运移，导致了土层的固结，形成了不同稳定性的固结圈，即为稳定、较稳定、弱稳定泥膜固结圈和无扰动储层。

(4)出砂演化规律为：储层液体稳定渗流→液体携带细粒固体颗粒运移→储层细粒侵入防砂结构→气水加速渗流→大量出砂→形成泥膜与防砂砾石共同作用的阻砂结构。且对于泥质粉细砂储层，选择合适的防砂结构，能够充分发挥储层自身形成的泥膜结构，对有效控制出砂量具有重要作用。