董長(zhǎng)銀 閆切海 周博 王宇賓 鄧君宇 宋洋 王力智

1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)非常規(guī)油氣開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司

出砂是弱膠結(jié)石油與天然氣儲(chǔ)層以及天然氣水合物儲(chǔ)層開采過程中的棘手問題，出砂模擬與預(yù)測(cè)是研究弱膠結(jié)儲(chǔ)層出砂規(guī)律的主要手段［1-2］。早期針對(duì)弱膠結(jié)儲(chǔ)層出砂規(guī)律的研究主要基于宏觀的剪切破壞和拉伸破壞等機(jī)理［3］，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于宏觀力學(xué)分析或連續(xù)介質(zhì)原理研究建立了不同的出砂機(jī)理和出砂預(yù)測(cè)模型，包括線-彈性模型、彈-塑性模型等［4-6］。基于宏觀力學(xué)的出砂模擬模型無法考慮巖石的微觀結(jié)構(gòu)及其非均質(zhì)性，因此預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況存在一定差異［7-9］?；诤暧^出砂機(jī)理的出砂預(yù)測(cè)模型可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層出砂臨界條件和總體出砂規(guī)律的預(yù)測(cè)，但也無法揭示微觀出砂過程及其儲(chǔ)層出砂后的虧空形態(tài)［10-12］，而目前出砂模擬的實(shí)驗(yàn)研究主要借助于巖心驅(qū)替手段，預(yù)測(cè)出砂條件、出砂量及出砂規(guī)律等影響因素［13-16］。這同樣是模擬巖心的總體或宏觀出砂規(guī)律，難以觀察和揭示顆粒運(yùn)移及出砂過程的微觀本質(zhì)與機(jī)理，也難以探測(cè)出砂造成的微觀虧空形態(tài)。綜上所述，無論是出砂模擬預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬研究還是實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究，目前主要基于宏觀出砂機(jī)理和著眼于宏觀出砂規(guī)律，而對(duì)于儲(chǔ)層微觀出砂的模擬尤其是實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究較少，難以系統(tǒng)地揭示弱膠結(jié)儲(chǔ)層的微觀出砂過程、機(jī)理及其本質(zhì)。

針對(duì)上述問題，使用可視化微觀出砂模擬裝置開展了系列弱膠結(jié)巖心微觀出砂過程模擬實(shí)驗(yàn)，總結(jié)提出了系統(tǒng)的微觀出砂形態(tài)和對(duì)應(yīng)的微觀出砂機(jī)理，并分析了不同出砂形態(tài)及其演變的主控因素和定量規(guī)律，以及出砂量的差異及影響因素，為后續(xù)儲(chǔ)層微觀出砂過程數(shù)值模擬和出砂規(guī)律的精確定量預(yù)測(cè)提供了新的參考依據(jù)。

1 微觀出砂形態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理與方法

為了模擬儲(chǔ)層巖心在流體驅(qū)替作用下的出砂過程，構(gòu)建了微觀出砂可視化模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置由巖心薄片模型模塊、顯微成像采集模塊、氣液泵送模塊以及集砂模塊組成。流體泵送模塊的出口與巖心薄片模型模塊的入口連接，分為供氣線路和供液線路兩部分，供氣線路通過供氣瓶、平流泵和活塞容器實(shí)現(xiàn)流體的恒流驅(qū)替；供液線路通過平流泵和儲(chǔ)液罐直接泵送流體，配合活塞容器可以實(shí)現(xiàn)增黏水等高黏流體(最高200 mPa · s)的恒流驅(qū)替；巖心薄片模型模塊的出口與集砂模塊的入口連接，包括矩形模型、梯形模型、徑向流模型3種模型，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求選??；顯微成像采集模塊與巖心薄片模型模塊連接，視頻顯微鏡可以任意設(shè)置放大倍數(shù)、觀測(cè)位置、角度，能夠拍攝視頻及圖像，最大放大倍數(shù)750倍。流體通過薄片模型流動(dòng)導(dǎo)致巖心樣品出砂，通過上方的高清視頻顯微鏡觀察樣品出砂情況。為了觀察樣品變化不明顯的輕微出砂情況時(shí)的現(xiàn)象，薄片模型出口處管線是透明的。為了不同研究目的，巖心薄片模型分為多個(gè)種類，此次實(shí)驗(yàn)中為了模擬實(shí)際生產(chǎn)過程中，越靠近井筒流體流速越大的特點(diǎn)，選取梯形薄片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，薄片填砂空間厚度5 mm。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要將砂粒和膠結(jié)劑按一定的質(zhì)量比例在同一容器中混合均勻，將混合料填入薄片模型中，置于恒溫箱內(nèi)，在相同的溫度下固化相同的時(shí)間。之后將薄片模型取出后自然冷卻至室溫，然后接入實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行流體驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。按照相同的參數(shù)制作2份成分和膠結(jié)程度相同的巖心，一個(gè)用于出砂模擬實(shí)驗(yàn)，另一個(gè)用于測(cè)試抗拉強(qiáng)度。需要注意的是，人造巖心的制備需要參考實(shí)際目標(biāo)儲(chǔ)層巖心的抗拉、抗壓和內(nèi)聚強(qiáng)度以及彈性模量等力學(xué)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)的主要目的是研究不同強(qiáng)度下的出砂形態(tài)和規(guī)律，因此僅測(cè)試了抗拉強(qiáng)度參數(shù)作為巖心強(qiáng)度物性的表征參數(shù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先設(shè)定驅(qū)替流量，通過視頻顯微鏡觀察拍攝樣品砂粒的微觀脫落行為；通過壓力傳感器實(shí)時(shí)記錄樣品兩端壓差，配合流量數(shù)據(jù)，可以計(jì)算樣品的滲透率；通過集砂系統(tǒng)收集驅(qū)替出的砂粒，加熱烘干后稱重得到樣品出砂量。

圖1 微觀出砂可視化模擬實(shí)驗(yàn)裝置流程Fig. 1 Flow chart of the visual simulation experimental device of microscopic sand production

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)使用的主要材料為模擬地層砂和環(huán)氧樹脂膠結(jié)劑。實(shí)驗(yàn)砂粒準(zhǔn)備了粗砂和細(xì)砂2種不同的白色工業(yè)石英砂，分別標(biāo)號(hào)S1和S2，如圖2所示。S1砂樣粒度中值0.28 mm，均勻系數(shù)2.18；S2砂樣粒度中值0.06 mm，均勻系數(shù)2.21。2種砂粒粒度分布曲線如圖3所示。為了便于顯微觀察，2種砂樣中均加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的藍(lán)色示蹤砂。制備巖心樣品使用的膠結(jié)劑為常規(guī)e44環(huán)氧樹脂，因其黏度很高，實(shí)驗(yàn)前用乙醇進(jìn)行稀釋以便準(zhǔn)確控制每次的加入量和膠結(jié)強(qiáng)度。因需要可視觀察，薄片模型開有觀察窗并連接透明管路，不能承受過大壓力，實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行。膠結(jié)劑的固化溫度80 ℃，固化時(shí)間約2.5 h。

圖2 實(shí)驗(yàn)用砂粒樣品Fig. 2 Sand sample used in the experiments

圖3 實(shí)驗(yàn)用砂粒樣品粒度分布曲線Fig. 3 Particle size distribution curve of sand sample used in the experiments

2 微觀出砂形態(tài)與機(jī)理實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 典型微觀出砂形態(tài)分析

根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)過程中樣品顆粒的微觀行為特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)后樣品的宏觀虧空形態(tài)，歸納總結(jié)出了連續(xù)垮塌式出砂、孔隙液化式出砂和類蚯蚓洞式出砂3種典型出砂微觀形態(tài)。

(1)連續(xù)垮塌式出砂形態(tài)。在100 mL/min的流量下對(duì)膠結(jié)強(qiáng)度0 MPa(無膠結(jié)物的自然壓實(shí))的S1砂樣樣品和膠結(jié)強(qiáng)度0 MPa、0.11 MPa的S2砂樣樣品進(jìn)行清水驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，其樣品宏觀虧空和顆粒微觀行為特點(diǎn)如圖4和圖5所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)的流體入流口位于梯形容器的寬端，出口位于容器的窄端，由于沿流動(dòng)方向流動(dòng)面積越來越小，流體流速變高，這樣設(shè)置的目的是模擬實(shí)際近井地帶向井流動(dòng)流體流速逐漸增加的特征。圖4和圖5所示實(shí)驗(yàn)顯示典型的連續(xù)垮塌式出砂模式。在流體驅(qū)替作用下，巖心樣品模型內(nèi)靠近流出口處的顆粒先開始運(yùn)移，隨后顆粒脫落前沿著驅(qū)替流體的來流方向，從流出口迅速推進(jìn)到入流口附近，這個(gè)過程時(shí)間很短，脫落前沿經(jīng)過的區(qū)域，大量顆粒從原位脫落最終形成寬度很大、波及面積廣的較大虧空，作為流體流動(dòng)的優(yōu)勢(shì)通道(圖4)。微觀上局部顆粒在流體驅(qū)替作用下幾乎同時(shí)發(fā)生脫落運(yùn)移，顯微鏡微觀察視野中的顆粒幾乎全部都在移動(dòng)(圖5)。

圖4 連續(xù)垮塌式出砂虧空形態(tài)模擬結(jié)果Fig. 4 Simulated sand-production voided morphology of progressive collapse type

圖5 連續(xù)垮塌式出砂樣品顆粒微觀形態(tài)Fig. 5 Microscopic particle morphology in the sand production sample of progressive collapse type

(2)類蚯蚓洞式出砂形態(tài)。在100 mL/min的流量下對(duì)膠結(jié)強(qiáng)度0.16 MPa、0.33 MPa的S1砂樣樣品和膠結(jié)強(qiáng)度0.39 MPa、0.61 MPa的S2砂樣樣品進(jìn)行清水驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，其虧空和顆粒微觀行為特點(diǎn)如圖6和圖7所示。圖6和圖7為典型的類蚯蚓洞式出砂形態(tài)。在流體驅(qū)替條件下，在流速較高的流出口附近，顆粒在高流速?zèng)_刷下首先發(fā)生脫落形成局部虧空，但虧空范圍較小；隨后虧空邊緣處流體來流方向的顆粒發(fā)生脫落，形成孔洞形狀；繼續(xù)驅(qū)替進(jìn)行，顆粒脫落形成的孔洞從流出口處開始逐漸向流入口方向沿膠結(jié)弱面延伸，形成類似蚯蚓洞的孔道型虧空(圖6)。蚯蚓洞形成過程中，下游顆粒不脫落，上游顆粒保持不動(dòng)。微觀上樣品顆粒在流體驅(qū)替作用下順著流體流動(dòng)方向依次脫落，直接形成宏觀可見的類蚯蚓洞；有時(shí)則會(huì)先在宏觀孔洞末端形成幾個(gè)或十幾個(gè)顆粒寬度的微觀孔道(圖7)，這些微觀孔道也會(huì)隨流體驅(qū)替逐漸延伸，最終靠近宏觀類蚯蚓洞的微觀孔道兩側(cè)的顆粒會(huì)發(fā)生坍塌脫落，致使宏觀孔洞延伸。

圖6 類蚯蚓洞式微觀出砂形態(tài)模擬結(jié)果Fig. 6 Simulated microscopic sand production morphology of similar worm hole type

圖7 類蚯蚓洞式出砂樣品顆粒微觀行為Fig. 7 Microscopic particle behavior in the sand production sample of of similar worm hole type

(3)孔隙液化式出砂形態(tài)。在100 mL/min的流量下對(duì)膠結(jié)強(qiáng)度0.56 MPa的S2砂樣樣品進(jìn)行清水驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，其樣品宏觀虧空和顆粒微觀行為特點(diǎn)如圖8所示。圖8的實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果為典型的孔隙液化式出砂形態(tài)模式。在流體驅(qū)替條件下，宏觀上樣品外觀保持完整，沒有目視可見的顆粒脫落，也未形成明顯的虧空，如圖8(a)所示。但實(shí)際上，在巖心樣品內(nèi)部，膠結(jié)相對(duì)較弱且尺寸小的顆粒在流體作用下發(fā)生脫落運(yùn)移，因?yàn)榘l(fā)生在樣品內(nèi)部，且脫落顆粒的數(shù)量及尺寸較小，顯微鏡中觀察不到明顯現(xiàn)象，但在出口透明管道內(nèi)能夠看到運(yùn)移的顆粒，如圖8(b)所示。

圖8 孔隙液化式出砂樣品宏觀形態(tài)與顆粒運(yùn)移Fig. 8 Macroscopic morphology and particle migration in the sand production sample of pore fluid type

2.2 微觀出砂形態(tài)與機(jī)理分析

對(duì)于弱膠結(jié)巖心，砂粒的產(chǎn)出分為3個(gè)過程并必須達(dá)到3個(gè)條件：一是顆粒從巖石骨架或基質(zhì)上剝落的條件，或者砂粒原本以游離砂形式存在；二是砂粒從砂源地(即砂粒原始存在的地方)，必須具有比自身尺寸大的產(chǎn)出物理通道；三是砂粒在產(chǎn)出通道中必須達(dá)到被流體攜帶的條件。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不同的巖心膠結(jié)強(qiáng)度和流體攜帶條件下，對(duì)上述3個(gè)出砂過程的影響各不相同，巖心出砂形態(tài)在微觀上表現(xiàn)出不同的模式和規(guī)律，并且具有一定的典型性，下面進(jìn)一步總結(jié)梳理這些形態(tài)和相應(yīng)的出砂機(jī)理。

(1)連續(xù)垮塌式出砂機(jī)理。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，連續(xù)垮塌式出砂形態(tài)的特點(diǎn)為，地層砂顆粒在流體作用下出現(xiàn)連續(xù)性大面積剝落和運(yùn)移，顆粒脫落前沿推進(jìn)速度很快，最終形成寬度較大的條帶狀虧空。這種出砂模式主要出現(xiàn)在極弱膠結(jié)的巖心上。膠結(jié)極弱儲(chǔ)層巖心的連續(xù)垮塌式出砂過程及微觀機(jī)理示意圖如圖9所示。膠結(jié)極弱儲(chǔ)層巖心的連續(xù)垮塌式微觀出砂機(jī)理為：極弱膠結(jié)巖心顆粒間的內(nèi)聚強(qiáng)度較小，在流體流動(dòng)沖刷攜帶下，絕大部分或幾乎全部顆粒達(dá)到從基體上剝落的條件。在靠近裸眼井壁或射孔孔眼孔壁附近的區(qū)域，流體流速最高，這些區(qū)域也處于出砂外圍區(qū)域，顆粒首先大面積剝落，造成新的出砂虧空斷面，新的出砂斷面顆粒在流體作用下繼續(xù)脫落并在虧空孔道內(nèi)被流體攜帶運(yùn)移，最終展現(xiàn)出連續(xù)垮塌出砂形態(tài)。連續(xù)垮塌式出砂形態(tài)主要發(fā)生在膠結(jié)強(qiáng)度極低的流砂或半流砂儲(chǔ)層。

圖9 連續(xù)垮塌微觀出砂機(jī)理Fig. 9 The microscopic sand production mechanism of progressive collapse type

(2) 類蚯蚓洞式出砂機(jī)理。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，類蚯蚓洞式出砂的特點(diǎn)為，在巖心樣品的高流速區(qū)，局部膠結(jié)較弱的顆粒在流體沖刷作用下首先剝離脫落，形成較小的虧空通道；隨著流體驅(qū)替進(jìn)行，在虧空孔道邊壁上膠結(jié)強(qiáng)度較弱的顆粒繼續(xù)脫落，出砂虧空孔道沿膠結(jié)弱面方向擴(kuò)展，形成類似于蚯蚓洞的出砂形態(tài)，如圖10所示。實(shí)驗(yàn)?zāi)M得到的類蚯蚓洞出砂孔道寬度約為在0.5～1 cm。類蚯蚓洞式出砂機(jī)理為：儲(chǔ)層巖心膠結(jié)顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度具有一定非均質(zhì)性，孔隙度和滲透率也具有非均質(zhì)性，造成流體流速分布不均。在裸眼井壁或射孔孔眼孔壁上，高流體流速區(qū)或巖心顆粒膠結(jié)強(qiáng)度較低的位置，地層砂顆粒首先脫落，形成微小虧空。出砂虧空處的孔隙增大，流動(dòng)阻力降低，流體流速增加；使得出砂虧空孔道上周邊成為高出砂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。隨著驅(qū)替進(jìn)行，虧空孔道壁面上膠結(jié)強(qiáng)度較弱的顆粒繼續(xù)脫落出砂，使得出砂孔道沿非均質(zhì)的膠結(jié)弱面延伸擴(kuò)展。由于巖心膠結(jié)和顆粒尺寸的非均質(zhì)性，導(dǎo)致出砂虧空孔道不規(guī)則，形成類似蚯蚓洞狀的出砂孔道形態(tài)。類蚯蚓洞出砂形態(tài)主要發(fā)生在膠結(jié)強(qiáng)度較弱、非均質(zhì)性較強(qiáng)的半流砂或弱固結(jié)儲(chǔ)層中。

圖10 類蚯蚓洞微觀出砂機(jī)理及過程示意圖Fig. 10 Sketch of the microscopic sand production mechanism and process of similar worm hole type

(3) 孔隙液化式出砂機(jī)理。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，孔隙液化式出砂的特點(diǎn)為，巖心樣品在外觀并未發(fā)生明顯的變化，在表面也觀察不到地層砂粒的明顯運(yùn)移，但在驅(qū)替流體中觀察到產(chǎn)出砂粒的存在，巖心確實(shí)出現(xiàn)了出砂現(xiàn)象?？紫兑夯錾皺C(jī)理為：由于巖心具有一定的膠結(jié)強(qiáng)度，在流體沖刷作用下，從裸眼井壁或射孔孔眼孔壁壁面開始，只有少量膠結(jié)強(qiáng)度較低、粒徑較細(xì)的地層砂粒脫落產(chǎn)出；砂粒產(chǎn)出起到疏通孔隙的作用，降低流動(dòng)阻力和增大局部流體流速，使得周邊達(dá)到出砂條件的細(xì)小砂粒持續(xù)產(chǎn)出。由于產(chǎn)出砂粒徑較細(xì)，砂量較小，不會(huì)對(duì)儲(chǔ)層巖心結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，只是使得出砂區(qū)域的巖心孔隙度增大，相當(dāng)于一部分固相顆粒變?yōu)榱鲃?dòng)相而“液化”?？紫兑夯錾斑^程及機(jī)理如圖11所示，這種出砂模式一般發(fā)生在中高固結(jié)強(qiáng)度的儲(chǔ)層中。

圖11 孔隙液化微觀出砂機(jī)理及過程Fig. 11 The microscopic sand production mechanism and process of pore fluid type

3 出砂微觀形態(tài)影響因素分析

弱膠結(jié)儲(chǔ)層的連續(xù)垮塌、類蚯蚓洞和孔隙液化出砂形態(tài)和機(jī)理受地層砂顆粒粒徑、膠結(jié)強(qiáng)度、流體流速等多種因素及其非均質(zhì)性影響，影響規(guī)律和機(jī)理復(fù)雜。通過實(shí)驗(yàn)主要探究砂粒粒徑、膠結(jié)強(qiáng)度和流體流速對(duì)3種微觀出砂形態(tài)的影響規(guī)律。

3.1 砂粒尺寸與膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)微觀出砂形態(tài)的影響

為探究顆粒尺寸與膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)樣品出砂微觀形態(tài)的復(fù)合影響，向S1砂樣和S2砂樣分別加入膠結(jié)劑(質(zhì)量比0%、0.05%、0.1%、0.15%和0.2%)，混合后填入梯形薄片裝置置于恒溫箱內(nèi)，在80 ℃的溫度下固化2.5 h。之后將樣品分別接入驅(qū)替裝置進(jìn)行同流量驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，驅(qū)替流量100 mL/min，檢測(cè)記錄樣品兩端壓差計(jì)算樣品的滲透性能。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)使用相同的薄片模型，采用流量Q(mL/min)與壓差Δp(kPa)的比值Q/Δp(下稱流量壓差比)表征巖心樣品的滲透性變化，得到出砂量與實(shí)驗(yàn)中樣品滲透性能的變化結(jié)果如圖12所示。

由圖12可看出，隨膠結(jié)強(qiáng)度的增加，S1砂樣品和S2砂樣品的出砂量都減小，而且呈現(xiàn)比較明顯的階梯狀變化。結(jié)合實(shí)驗(yàn)樣品的宏觀虧空形態(tài)分析可知，在膠結(jié)強(qiáng)度增加的過程中，S1砂樣品的出砂形態(tài)經(jīng)歷了從連續(xù)垮塌式出砂，到類蚯蚓洞式出砂，再到孔隙液化式出砂的3個(gè)階段轉(zhuǎn)變，如圖13所示；S2砂樣品的出砂形態(tài)經(jīng)歷了從連續(xù)垮塌式出砂到類蚯蚓洞式出砂的2個(gè)階段轉(zhuǎn)變，如圖14所示。

圖12 不同粒徑地層砂出砂規(guī)律對(duì)比Fig. 12 Comparison between sand production laws of formation sands with different particle sizes

圖13 不同膠結(jié)強(qiáng)度下S1砂樣的的出砂形態(tài)Fig. 13 Sand production morphology of S1 sand sample under different bonding strengths

結(jié)果分析表明，弱膠結(jié)樣品的出砂形態(tài)和出砂量受膠結(jié)強(qiáng)度與顆粒尺寸的共同影響，2個(gè)因素之間有協(xié)同作用。從圖12還可以看出，類蚯蚓洞式出砂和孔隙液化式出砂的S1樣品平衡流量壓差比(即滲透性能)基本相同，但后者的出砂量?jī)H為前者的15%左右。出砂量是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中衡量出砂程度的一個(gè)重要指標(biāo)，因此辨別儲(chǔ)層出砂微觀形態(tài)具有顯著的工程意義。

圖14 不同膠結(jié)強(qiáng)度下S2砂樣的的出砂形態(tài)Fig. 14 Sand production morphology of S2 sand sample with different bonding strengths

3.2 驅(qū)替流量對(duì)微觀出砂形態(tài)的影響

為了探究驅(qū)替流量對(duì)巖心微觀出砂形態(tài)的影響，向S2砂中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.1%的膠結(jié)劑，膠結(jié)后強(qiáng)度約為0.22 MPa，混合后填入梯形薄片裝置，在相同環(huán)境條件下進(jìn)行固結(jié)制備5個(gè)相同的樣品，分別使用100、80、60、40 mL/min的流量進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中檢測(cè)記錄樣品兩端壓差，計(jì)算樣品滲透性能的變化并用記錄出砂量，得到如表1所示的出砂量結(jié)果和如圖15所示的出砂形態(tài)模擬結(jié)果。

表1 出砂量隨驅(qū)替流量的變化Table 1 Variation of sand production rate with displacement rate

分析圖15和表1可以發(fā)現(xiàn)，隨著驅(qū)替流量的減小，巖心出砂量明顯降低；出砂微觀形態(tài)逐漸從連續(xù)垮塌式出砂與類蚯蚓洞式出砂的過渡階段轉(zhuǎn)變?yōu)轭愹球径词匠錾?，即?qū)替流量的減小會(huì)降低樣品出砂的嚴(yán)重程度。值得注意的是，驅(qū)替流量從100 mL/min降低為40 mL/min后，微觀出砂形態(tài)并沒有發(fā)生明顯改變，依然以類蚯蚓洞為主。這意味著顆粒尺寸與膠結(jié)強(qiáng)度及其非均質(zhì)性是影響出砂微觀形態(tài)的主要因素，驅(qū)替流量對(duì)出砂微觀形態(tài)的影響相對(duì)次之，但會(huì)大幅影響出砂量。

圖15 不同驅(qū)替流量下S2砂樣的的出砂形態(tài)Fig. 15 Sand production morphology of S2 sand sample at different displacement rates

實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)更關(guān)注油井出砂量與產(chǎn)量之間的關(guān)系。利用表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到類蚯蚓洞出砂模式下出砂量與流體流量的關(guān)系，如圖16所示。巖心樣品的出砂量與驅(qū)替流量Q2/3基本呈線性關(guān)系。

圖16 出砂量m與Q2/3的關(guān)系Fig. 16 Relationship between m and Q2/3

3.3 驅(qū)替時(shí)間對(duì)出砂的影響

實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，流體驅(qū)替時(shí)間對(duì)巖心樣品的出砂規(guī)律有一定影響。圖17為S1地層砂在摻入不同比例膠結(jié)劑后的2種膠結(jié)強(qiáng)度(分別為0.16 MPa和0.33 MPa)下，進(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)得到的流量壓差比隨時(shí)間變化關(guān)系，可以看出，膠結(jié)強(qiáng)度0.33 MPa的樣品滲透性能始終保持穩(wěn)定；而膠結(jié)強(qiáng)度0.16 MPa的樣品在驅(qū)替初期流量壓差比維持在0.5 mL/(kPa · min)左右并持續(xù)了一段時(shí)間，隨后迅速升高到1.7 mL/(kPa · min)左右。這種滲透性的突發(fā)性較大提高說明巖心發(fā)生了短時(shí)間大量出砂。分析認(rèn)為，流體對(duì)顆粒間膠結(jié)物具有軟化削弱作用，驅(qū)替時(shí)間越長(zhǎng)膠結(jié)物的浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，顆粒間強(qiáng)度逐漸越低；當(dāng)膠結(jié)強(qiáng)度降到出砂條件以下后，發(fā)生突發(fā)性大量出砂。巖心樣品微觀出砂形態(tài)和出砂量不僅受膠結(jié)強(qiáng)度和驅(qū)替流量的影響，還和驅(qū)替時(shí)間相關(guān)；長(zhǎng)時(shí)間的驅(qū)替可能促使出砂形態(tài)向更嚴(yán)重的方向轉(zhuǎn)變。

圖17 驅(qū)替時(shí)間對(duì)樣品出砂形態(tài)的影響Fig. 17 Effect of displacement time on sand production morphology

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1) 通過可視化微觀出砂模擬實(shí)驗(yàn)手段，研究提出了弱膠結(jié)儲(chǔ)層連續(xù)垮塌式、類蚯蚓洞式和孔隙液化式3種典型的微觀出砂形態(tài)和出砂機(jī)理。連續(xù)垮塌式出砂一般發(fā)生在流砂或半流砂地層，類蚯蚓洞式出砂一般發(fā)生在非均質(zhì)性較強(qiáng)的半流砂或弱固結(jié)儲(chǔ)層，而孔隙液化出砂模式多發(fā)生在中高固結(jié)強(qiáng)度地層。

(2) 膠結(jié)強(qiáng)度和顆粒尺寸是影響微觀出砂過程和出砂形態(tài)的主要因素，且兩者間有相互耦合作用；驅(qū)替流量對(duì)微觀出砂形態(tài)的影響次之，但會(huì)明顯影響出砂量；驅(qū)替流體對(duì)顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度有削弱作用，長(zhǎng)時(shí)間的驅(qū)替過程可能誘使出砂微觀形態(tài)趨向于向出砂加劇的形態(tài)轉(zhuǎn)變。

(3) 出砂形態(tài)和驅(qū)替流量是影響出砂量的主要因素，類蚯蚓洞式出砂形態(tài)下的出砂量與驅(qū)替流量Q2/3大致呈線性關(guān)系；孔隙液化式的出砂量?jī)H為類蚯蚓洞式出砂形態(tài)出砂量的15%。