余莉，陈艳平，何计彬，叶成明

(1.河北大学建筑工程学院，河北 保定 071002；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

出砂是油气井开采的重要难题之一，其中驱替实验是研究防砂机理和防砂技术的重要手段.已有研究表明，不同地层的出砂机理不同，应采取不同的防砂措施.对于胶结较强的地层，主要因地层剪切破坏而出砂，一般采取防止地层突发剪切破坏的防砂措施.对于疏松砂岩地层，主要因土层颗粒运移而出砂，一般采取控制开采压差的防砂措施.

针对油气井的防砂原理，Hall等[1]发现当储层处于围岩压力状态时其自身可形成砂拱结构而防砂，张建国等[2]在Hall的基础上建立了砂拱模型并得到验证，适用于一定条件的疏松砂岩地层.在油气井的驱替实验研究方面，部分专家学者投入了大量的科研工作并得到了一系列结论.邓好[3]以彬长矿区4号煤层作为研究对象，通过室内模拟驱替煤层气实验和现场试验，获取最优注气方案.陈星宇[4]设计了一种高温高压岩心动态驱油实验CT扫描装置 ，并进行了油水驱替CT扫描实验,获得了较好的动态油水分布实验效果.杨富祥等[5]选取了该储层的岩心进行室内驱替实验研究，认为低渗透储层岩心在进行驱替实验驱替速度与中高渗储层岩心有所差异，速度不宜过大等.李佳烨[6]利用地质及动态资料,对储层砂体发育规模和储层性质、裂缝发育特征、驱替特征、微观孔隙结构以及油水分布规律等开展了模拟实验与分析,明确了不同储层微观剩余油分布及水驱油特征,定量表征孔隙结构分布.董长银等[7]对4种充填密实程度进行砾石层挡砂径向流驱替实验，通过渗透率、过砂率和冲蚀形态变化评价砾石层挡砂效果及其稳定性.吕成远等[8]通过水驱前后CO2混相过程微观实验，认为高含水饱和度会对CO2与原油的接触过程产生一定的屏蔽作用，导致高含水条件下CO2驱见效时间被推迟.狄勤丰等[9]利用油藏数值模拟方法模拟了重力对水驱油过程中流体流动形态的影响，并提出了一种获得产生重力舌进特征临界密度差的新方法.董长银等[10]利用机械筛管控砂效果综合模拟与评价试验装置,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对有效控砂具有一定的可行性.何计彬等[11]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.余莉等[12]结合中国南海海域试采储层的粒径分布范围和充填混合砾石的特点,建立了混合粒径组合等效孔隙尺寸模型,计算得出部分工业砾石混合粒径砾石堆积的孔隙分布范围.李彦龙等[13]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.

综上所述，主要是针对较致密岩体的驱替实验研究，针对疏松岩体的研究较少，其中针对泥质粉砂岩层的驱替实验的研究较少，没有较成熟的研究成果供参考.笔者针对这一问题，展开了大量的泥质粉砂岩驱替实验，发现这种疏松泥质粉砂岩，在气体驱替过程中，岩层固相颗粒会发生重新排列组合，形成新的动态平衡结构，建立了自我防砂构造.高含水岩层颗粒在气驱的作用下逐渐失水形成砂拱，初步构建了固体颗粒稳定结构，随着气驱进一步进行，大量气体和液体会携带较细颗粒发生运移，沉积于防砂结构和储层之间，并形成稳定的挡砂结构.这种挡砂结构，不同于砂拱的分层特征，是一种新的结构，因此揭露它的形成演化规律对油气井开采防砂具有重要意义.因而，笔者针对N2驱替实验后的泥质粉砂岩样采取了颗粒粒径分析、电镜扫描分析，研究疏松泥质粉砂岩在气驱条件下的分层演化规律，为气藏的开采提供理论基础.

1 实验装置和方法

整体实验方案：首先进行驱替实验，将实验后泥质粉砂岩层进行分层处理，分析每层岩样的颗粒粒径曲线，然后采用电镜扫描，分析其微观结构特征.

1.1 实验方案设计

1)共设计了9组驱替实验，驱替压差分别为0.5、1、2 MPa，每个压差重复3次.

2)颗粒粒径分析，共设计了45组实验.驱替实验后将泥质粉砂岩层取出驱替井筒，分5层取样见图1，每层取3个样，求其平均值以避免其偶然性结果.

3)电镜扫描分析，共设计了45组实验见图2.在驱替实验后进行烘干，将烘干样分3层取样，每层取样5个，每个压差取样15个，共计3个压差45个样本，而后进行微观结构分析.

图1 颗粒粒径实验分层取样示意Fig.1 Schematic diagram of stratified sampling for particle size experiment

图2 电镜扫描取样分层和所取样品Fig.2 Scanning electron microscopy sampling stratification and samples taken

1.2 实验装置

驱替实验装置为高压装置，该装置包括N2注入系统、稳压系统、高压驱替井筒系统(高压反应釜系统)和采集系统4部分.注入系统采用高压N2和稳压装置进行恒压的N2注入.高压反应釜系统主要有进气口、高含水泥质粉砂型岩层、防砂砾石和滤网及排泄口组成.高压反应釜系统的最高工作压力为20 MPa.采集系统为接收驱替过程中的液体产出收集和计量装置.实验装置流程见图3.实验后泥质粉砂岩层的分层颗粒粒径分析采用激光粒度仪进行分析，它的微观结构采用电镜扫描仪进行分析.

图3 高压驱替实验系统示意Fig.3 Schematic diagram of high pressure displacement test system

1.3 实验条件

实验泥质粉砂岩样的粒径为1～50 μm，粒径中值为4.5 μm，水的质量分数为120%，实验室温度为20 ℃，实验条件下用稳压N2驱替，防砂滤料为50～60目(0.25～0.30 mm)；滤网上部为50目(0.25 mm)，下部为60目(0.30 mm),驱替实验岩心渗透率为20×10-2D；孔隙度为45%，实验用N2为工业级，纯度为99.9%.

1.4 实验过程

1.4.1 驱替实验

配制水质量分数为120%的泥质粉砂岩样，搅拌，待用；然后将阻砂滤料和疏松泥质粉砂土层分别装进高压反应釜内，密封；将高压反应釜下面安放接收渗透液体的量筒；调节气压到预设值(0.5、1、2 MPa)；最后打开进气阀，开始实验并计时；实验完成后取出样品进行下一步实验.

1.4.2 颗粒粒径实验

在驱替实验前取3个泥质粉砂层样品进行颗粒粒径分析，将驱替实验后的泥质粉砂土层分层取样，取少量的蒸馏水湿润土样(为了不破坏颗粒结构)，然后采用激光粒度仪进行实验，如图4所示.

图4 激光粒度测量实验Fig.4 Laser particle size experiment

1.4.3 电镜扫描实验

将驱替实验样本进行风干处理后，进行切样，然后在实验室进行电镜扫描实验.

2 实验结果分析

2.1 驱替实验分析

驱替实验的现象：根据驱替实验的累计滤出液体体积，将驱替实验滤出液体体积分为4个阶段，见图5所示，压差为1 MPa：第1阶段为无排液阶段，此时无气体和固相颗粒排出；第2阶段稳定排液阶段，此时几乎不出砂，无气体排出；第3阶段为急速排液阶段，出砂主要来自于该阶段，伴随着少量非稳定气体排出；第4阶段为少量非稳定排液阶段，此时几乎为不出砂阶段，伴随着非稳定气体排出，直至稳定产气.

结合固、液、气三相耦合渗流理论与土力学的有效应力原理，忽略过饱和阶段与稳定排气阶段，假设压差为总应力P，土体有效应力为σ(固结排水)，孔隙水压力μ(阻止水、气排出)，孔隙气压力a(驱替孔隙水)，可得如下公式：

P=σ+μ+a.

(1)

1 )第1阶段为无排液阶段，不出砂、不排气.此时，总压差为P；有效应力σ=0 ；孔隙水压力μ=P；孔隙气压力a=0.

2)第2阶段稳定排液阶段，土体固体颗粒固结形成泥皮，液体稳定排出，无气体排出，几乎不出砂.此时，总压差为P；有效应力σ>0；孔隙水压力μ

3)第3阶段为急速排液阶段，出砂主要来自于该阶段，伴随着少量非稳定气体排出.此时，总压差为P；有效应力σ= 0；孔隙水压力μ>0；孔隙气压力a

4)第4阶段为少量非稳定排液阶段，此时几乎为不出砂阶段，伴随着非稳定气体排出，直至稳定排气.此时，总压差为P；有效应力σ=0；孔隙水压力μ=0；孔隙气压力a=P.

2.2 颗粒粒径分层分析

将驱替实验后的岩样分为5层，分别进行取样，为了避免其偶然性，每层取3个样进行分析，最终取平均粒径值，对比驱替实验前后颗粒粒径的分布情况，见图6～8.分析图6～8可得：

1)对比驱替实验前的颗粒粒径分析，实验后分层取样的颗粒粒径曲线都发生了偏移，不再与初始颗粒粒径曲线重合，说明岩样的颗粒粒径在垂直方向上发生了重新排列.

2)分层取样的颗粒级配曲线分布于实验前的左、右两侧，其中，压差0.5、1、2 MPa的颗粒粒径曲线分布都符合此规律，其粒径级配曲线的中间段的变化较为突出.

3)在不同压差下颗粒的分层规律见图9.从图9可以看出，最下层(第5层)为最细的颗粒，第4层最粗的颗粒，第1层接近原始层，而第2、3层的分布较混乱.在驱替实验中，土层颗粒发生了重新排列，其排列规律不同于砂拱原理，在靠近防砂结构附近，分布着一层细粒结构.

图5 储层含水量为120%的累计滤出液体体积Fig.5 Cumulative filtrate volume with a water content of 120%

图6 0.5 MPa颗粒级配分析曲线Fig.6 0.5 MPa particle size distribution analysis curve

图7 1 MPa颗粒级配分析曲线Fig.7 1 MPa particle size distribution analysis curve

图8 2 MPa颗粒级配分析曲线Fig.8 2 MPa particle size distribution analysis curve

2.3 分层颗粒电镜扫描分析

疏松泥质粉砂型岩石颗粒发生了重新排列，形成了新的防砂结构，这时产能的变化情况与其通道的堵塞情况需要进一步分析.为了研究细粒物质在形成后是否堵塞气、水通道，将实验后细粒样品进行电镜扫描，微观结构图如图10，可以看出，细颗粒中形成了针孔状贯通通道，这种通道在排液、气时既降低了压差，又为流体的排出提供了通道.

图9 不同压差下颗粒的分层规律Fig.9 Layering rule of particles under different pressure difference

图10 土层颗粒的放大样品Fig.10 Enlarged samples of soil particles

3 实验现象演化解析

疏松泥质粉砂岩层在N2的驱替作用下，形成了“泥皮+砂拱”的自我防砂结构，根据驱替实验、颗粒粒径实验及电镜扫描实验现象等，可以推断其形成的演化过程如下：

1)排水固结.在压差作用下，处于初始状态的土体，在防砂结构的阻挡作用下，有一部分颗粒侵入充填砾石孔隙中，使得防砂结构的渗透性降低，进而阻碍了储层颗粒运移，使得其在挡砂结构外侧堆积和挤密，形成孔隙度随着距离井壁r减小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，从而达到一种渗流平衡，此时由于水流渗透速度较慢，不足以携带大量的储层砂运移，因此出砂现象不明显.

2)出砂与产气阶段.随着储层孔隙中水体的排出，自由气体迅速膨胀，一方面撑开孔隙、孔喉，一方面加速了水体流速，使得流体达到临界携砂速度而出砂.随着细粒固体物质的排出及连续气流的产生，这时储层形成了稳定的具有一定渗透性能的泥皮，成为天然的阻砂结构.

3)泥皮结构形成后，具有一定的强度，且具有稳定的气水渗流通道，较难破坏.通过多次循环防砂实验可知，出砂主要是由于孔隙气压力打破了已建立的渗流平衡状态，且出砂量也会随着泥皮的增厚而减少，甚至可能不出砂.因此，泥皮结构使得防砂具有了一定的可控性.

1.井管；2.砾石充填层；3.近井地段储层；4.水合物储层.图11 出砂演化机理示意Fig.11 Diagram of sand production evolution mechanism

4 结论

1)根据驱替实验，分析了该实验的方案设计、实验步骤和实验结果，气体驱替实验主要分为4个阶段, 即无排液阶段(不排气)、 稳定排液阶段(不排气)、急速排液阶段(气、液共同排泄)和稳定产气阶段(不排液).说明在岩体孔隙中的排泄顺序为液、固、气，且每个阶段都有相应的过渡.

2)对比驱替实验前后固结储层的颗粒级配曲线的变化规律可知，实验后的颗粒粒径曲线与实验前不重合，且分布于实验前曲线的左、右两侧，说明实验后岩层颗粒在垂直方向上发生了分层，经分析形成了“泥皮+砂拱”结构，该结构具有防砂、产气功能.

3)根据实验现象和电镜扫描新形成的泥皮可知，泥皮结构会形成针孔状孔隙，保证了防砂产气.