余 莉, 何計(jì)彬, 葉成明
(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 071051)
針對泥質(zhì)粉細(xì)砂巖,在水合物開采中,由于其細(xì)粒物質(zhì)容易堵塞防砂結(jié)構(gòu),曾被認(rèn)為不符合開采條件。2017年5月18日,中國天然氣水合物(即可燃冰)試采成功,意味著泥質(zhì)粉細(xì)砂可燃冰儲層已具備了一定的開采條件。泥質(zhì)粉細(xì)砂巖,顆粒粒徑較小(D50≤20 μm),低滲透性(1~10 mD),孔隙較多,具有遇水膨脹、失水收縮的特性,且力學(xué)性質(zhì)也隨著含水量大小的變化而變化,內(nèi)部裂隙具有自閉合特征,其滲透特性也隨著含水量不同而各異。因此,在泥質(zhì)粉細(xì)砂中開采天然氣水合物,其氣-水流動條件也是隨著含水量變化成起伏波動變化,根據(jù)滲流連續(xù)原理,近井處泥質(zhì)粉細(xì)砂儲層的滲透性變化特征與礫石充填層的防砂結(jié)構(gòu)滲透性變化特征相似,且儲層開采中出砂量隨著液體滲流速度的變化而變化。因此,通過防砂試驗(yàn),分析在氣壓作用下儲層的氣-水流動規(guī)律,對揭示出砂演化規(guī)律具有重要意義。
近年來,出砂一直制約著天然氣水合物的成功開采,國外對天然氣水合物開展了多次試采活動,均因大量出砂而終止。出砂可能造成以下4個(gè)方面的危害:①砂??赡茉诰畠?nèi)沉積并形成砂堵,產(chǎn)量降低;②砂粒將磨損井內(nèi)和地表設(shè)備,卡抽油氣泵進(jìn)出口活塞、襯套等;③出砂嚴(yán)重的井還可能引起井壁坍塌而損壞套管和襯管、砂埋油氣層導(dǎo)致油氣井停產(chǎn),使開采難度和成本都顯著提高等;④污染環(huán)境,尤其是海洋油氣田。因此,針對礫石充填防砂試驗(yàn)分析出砂演化規(guī)律具有重要意義。
中外學(xué)者對天然氣水合物試采防砂機(jī)理方面開展了較多的研究。董長銀等[1]利用機(jī)械篩管控砂效果綜合模擬與評價(jià)試驗(yàn)裝置,針對天然氣水合物儲層地質(zhì)和生產(chǎn)條件開展了系統(tǒng)的篩管和擋砂介質(zhì)擋砂機(jī)制的研究,認(rèn)為天然氣水合物儲層的高泥質(zhì)含量細(xì)粉砂的有效控砂具有一定的可行性。何計(jì)彬等[2]通過理論計(jì)算分析了礫石顆粒的粒徑比對礫石堆積孔隙直徑尺寸的定量影響規(guī)律,為水合物試采防砂礫石粒徑選擇提供了理論依據(jù)。李彥龍等[3]提出了針對黏土質(zhì)粉砂型水合物儲集層的“防粗疏細(xì)”式防砂充填層礫石尺寸設(shè)計(jì)方法。焦艷紅等[4]考慮砂粒形狀、砂粒濃度和器壁干涉等因素影響后,給出了適用于高黏流體計(jì)算砂粒沉降速度的砂粒器壁干涉沉降速度經(jīng)驗(yàn)公式,得出高黏流體攜帶不同粒徑砂粒的臨界流速計(jì)算式。Yan等[5]采用數(shù)值模擬的方法,分析了決定開采井周圍巖石塑性屈服的特征以及水合物儲層產(chǎn)氣出砂規(guī)律。Wang等[6]為了確定砂層移動區(qū)域的大小和近井區(qū)域的滲透率分布,提出了微孔介質(zhì)中宏觀徑向流動的模擬模型。Yu等[7]根據(jù)典型海底沉積物中未固結(jié)泥質(zhì)粉砂巖的地質(zhì)特征,提出了一種可控出砂或有限出砂的方法,建立了模擬水合物儲層產(chǎn)氣過程中砂-水-氣-水多相流動的數(shù)學(xué)模型。Li等[8]提出一種基于有限元的模擬實(shí)際產(chǎn)砂過程并考慮巖石力學(xué)破壞與水動力侵蝕耦合作用的方法。Pererao等[9]為全面了解松散流沙儲層生產(chǎn)階段的出砂情況及影響出砂的主要因素,對不同條件下的出砂過程進(jìn)行了模擬。Uchida等[10]根據(jù)含氣水合物沉積物產(chǎn)砂特征,提出了含氣水合物沉積物的顆粒分離、運(yùn)移、泥沙變形和水合物離解等綜合分析公式,通過數(shù)值模擬分析研究了不同作業(yè)方式對含水合物沉積物產(chǎn)砂的影響。Ghassemi等[11]采用基于網(wǎng)格玻爾茲曼法和離散元法的耦合數(shù)值方法,對由可移動圓形顆粒組成的可變形顆粒介質(zhì)中的流體流動進(jìn)行了二維模擬,驗(yàn)證了在黏性流體中重力作用下圓形顆粒的沉降,利用LB-DE 代碼對弱膠結(jié)砂巖儲層的產(chǎn)砂現(xiàn)象進(jìn)行了模擬。
以上學(xué)者針對水合物開采的出砂機(jī)理從理論模型分析、室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等不同方面進(jìn)行了大量研究,但結(jié)合室內(nèi)防砂試驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)進(jìn)行分析的較少。針對整體試驗(yàn)過程和分段試驗(yàn)從微觀角度和土層物性變化方面揭示出砂演化機(jī)理的鮮少涉及。因此,以礫石充填防砂試驗(yàn)為基礎(chǔ),展開整體和分時(shí)間段的防砂試驗(yàn),詳細(xì)地分析試驗(yàn)過程,初步揭示出砂的演化規(guī)律。為了進(jìn)一步探索出砂演化規(guī)律,采用前期試驗(yàn)后樣品繼續(xù)展開微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、含水量試驗(yàn)及密度實(shí)驗(yàn),對比研究防砂試驗(yàn)過程中的滲流特征、出砂特征及介質(zhì)滲透率特征,從微觀結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)方面揭示泥質(zhì)粉細(xì)砂水合物儲層在防砂結(jié)構(gòu)作用下的出砂演化機(jī)理。
1.1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>
礫石充填防砂試驗(yàn)?zāi)康囊话阌袃蓚€(gè)方面:一方面為選擇適合儲層的擋砂礫料粒徑,另一方面為研究阻砂礫石的出砂演化過程。針對泥質(zhì)粉細(xì)砂巖,筆者在之前的試驗(yàn)已經(jīng)選擇了最佳擋砂礫石粒徑,現(xiàn)主要針對泥質(zhì)粉細(xì)砂儲層,研究其選定的充填礫石的滲透性隨時(shí)間的波動變化規(guī)律,即出砂演化過程的特征。因此,根據(jù)上述分析,試驗(yàn)設(shè)置了阻砂整體試驗(yàn)和不同時(shí)間段的阻砂試驗(yàn),然后分別測量其滲流量與出砂特征。
1.1.2 試驗(yàn)條件
泥質(zhì)粉細(xì)砂的粒徑范圍為1~50 μm,粒徑中值約為20 μm,含水量為120%,防砂礫料為50~60目(0.25~0.20 mm),壓差為1 MPa,室內(nèi)溫度為20 ℃。
1.1.3 試驗(yàn)方案
分為全程阻砂試驗(yàn)和不同時(shí)間的阻砂試驗(yàn)。全程阻砂試驗(yàn)共設(shè)計(jì)2組試驗(yàn)。分時(shí)間段的阻砂試驗(yàn),即為不同時(shí)間段2、4、6、8、10 min停止阻砂試驗(yàn),設(shè)計(jì)5組試驗(yàn),每組2個(gè)平行試驗(yàn),共計(jì)10組。
1.2.1 試驗(yàn)原理
根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)了2項(xiàng)試驗(yàn),即全程阻砂試驗(yàn)與分時(shí)間段的阻砂試驗(yàn),試驗(yàn)主要利用一定壓差的氣體驅(qū)替一定含水量的泥質(zhì)粉細(xì)砂儲層,觀察累計(jì)濾出液體體積和質(zhì)量的變化規(guī)律,然后分析其氣-水滲流規(guī)律及出砂特征,為天然氣水合物試采防砂提供參考依據(jù)。
1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備
防砂模擬試驗(yàn)裝置由氣體注入系統(tǒng)(氮?dú)?、穩(wěn)壓系統(tǒng)(恒溫恒壓)、氣水混合艙、高壓反應(yīng)釜井筒系統(tǒng)、反應(yīng)釜內(nèi)壓力監(jiān)測系統(tǒng)、濾出流體收集裝置及信息采集系統(tǒng)等組成,如圖1所示。注入系統(tǒng)采用高壓氮?dú)夂头€(wěn)壓裝置輸出恒定壓力的氮?dú)?。試?yàn)原理如圖2所示,高壓反應(yīng)釜主要由進(jìn)氣口、進(jìn)水口、泥質(zhì)粉砂型巖樣、防砂礫石、濾網(wǎng)及排泄口等組成。高壓反應(yīng)釜的內(nèi)徑為88 mm,最高工作壓力為20 MPa。濾出液體收集裝置為接收驅(qū)替過程中的液體產(chǎn)出收集和計(jì)量裝置。信息采集系統(tǒng)為電腦采集壓力變化及濾出液體積變化等。
圖1 試驗(yàn)裝置
圖2 試驗(yàn)原理圖
1.2.3 試驗(yàn)流程
①首先準(zhǔn)備好各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備,并將線路按照圖2連接;②先防砂濾網(wǎng)和充填礫石層裝入反應(yīng)釜,然后裝入待試驗(yàn)的泥質(zhì)粉砂儲層,密封反應(yīng)釜;③打開氣體穩(wěn)壓裝置,恒壓恒流泵,電子秤及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等;④打開氮?dú)馄康拈_關(guān),通氣入反應(yīng)釜,觀察試驗(yàn)現(xiàn)象,并記錄滲流量;⑤試驗(yàn)至不產(chǎn)生液體滲流截止,關(guān)掉進(jìn)氣閥及其他設(shè)備,取出巖樣,清理儀器,整理數(shù)據(jù),試驗(yàn)結(jié)束。
針對充填礫石,滲透規(guī)律符合達(dá)西定律,它的滲透率計(jì)算公式為
K=qμL/(AΔP)
(1)
式(1)中:K為滲透率,μm2;A為巖心截面積,m2;q為流量,mL/min;
μ為注水黏度,mPa·s;ΔP為流體通過砂柱前后的壓力差,10-1MPa;L為巖芯長度,mm。
全程試驗(yàn),即從開始加壓至穩(wěn)定產(chǎn)氣結(jié)束為一個(gè)完整的試驗(yàn)。根據(jù)全程試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理,得到了圖3~圖6的試驗(yàn)結(jié)果。
圖3 累計(jì)滲流量Q-T曲線圖
圖4 滲流速度v-T曲線圖
圖5 出砂量隨時(shí)間的變化規(guī)律
圖6 防砂結(jié)構(gòu)滲透率隨時(shí)間的變化
可以看出,共計(jì)分為4個(gè)階段:
第①階段為初始滲流階段,滲流量增加較快,滲透速度增大,出砂量較小,防砂結(jié)構(gòu)的滲透率增大。說明,初始加壓階段,礫石充填防砂層中孔隙未被充填,滲流速度較快,儲層顆粒未及時(shí)發(fā)生運(yùn)移,出砂量較小。
第②階段為穩(wěn)定滲流階段,累計(jì)滲流量緩慢增加,滲流具有微小的波動變化,出砂量較小甚至不出砂,滲透率隨著時(shí)間的增加基本不變。說明此階段主要為儲層中水的滲流帶動細(xì)粒物質(zhì)運(yùn)移(防砂結(jié)構(gòu)中存在著細(xì)粒物質(zhì)侵入現(xiàn)象),且流動的速度較慢,不具備攜砂能力,防砂結(jié)構(gòu)的滲透率也較穩(wěn)定。
第③階段為快速滲流階段,從圖3中可以看出累計(jì)滲流量迅速增加,滲流速度和出砂量突然增大,此時(shí)滲透率也增大。說明此階段防砂結(jié)構(gòu)中的堵塞物質(zhì)突然在氣-水流動的條件下排出,導(dǎo)致了大量出砂,滲透率迅速增大。
第④階段為無液體滲流階段,從圖3中可以看出,累計(jì)滲流量基本無變化,液體滲流速度幾乎為0,出砂量迅速減小,滲透率也迅速減小。此階段中產(chǎn)水量和產(chǎn)砂量迅速減小,說明在穩(wěn)定產(chǎn)氣階段幾乎不出砂。
綜上所述,針對泥質(zhì)粉細(xì)砂層,在氣-水流動條件下,存在著滲流-堵塞-突然疏通的過程,其出砂主要發(fā)生在突然疏通(氣驅(qū)水)過程中,致使液體達(dá)到了攜砂速度,進(jìn)而導(dǎo)致大量的出砂。
從圖7~圖9中可以看出,2、4、6、8 min的Q-T曲線,滲流速度及出砂量變化曲線。跟整體曲線相比較,有以下規(guī)律:
(1)對比圖7和圖3可知,分時(shí)間段停止試驗(yàn)與整體試驗(yàn)的滲透規(guī)律基本一致性,因此該淤泥質(zhì)粉細(xì)砂儲層在相同的壓差下,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和滲流特征不受時(shí)間的影響,主要分為4個(gè)氣-水流動階段與全程阻砂試驗(yàn)類似,在前6 min不存在滲流量突變的情況,而在6~8 min存在著滲流量突然增大的情況。
圖7 不同時(shí)間段滲流量Q-T曲線
圖8 不同時(shí)間段滲流速度變化規(guī)律
圖9 不同時(shí)間段出砂量隨時(shí)間的變化規(guī)律
(2)對比圖8和圖4可知,全程阻砂試驗(yàn)和分段阻砂試驗(yàn)的結(jié)論基本類似。在滲透速度突然增大之前,存在著滲透速度的波動變化,在前6 min鐘,滲透速度的波動較小,而在6~8 min經(jīng)歷了液體滲透速度迅速增加和減小的過程,到后面液體的滲流速度幾乎為0,說明此時(shí)無液體滲出,主要為氣體滲出。
(3)對比圖9和圖5可知,全程阻砂試驗(yàn)和分段阻砂試驗(yàn)的結(jié)論基本類似。出砂量的大小是隨著滲流量及滲透速度的大小變化而變化,在6 min之前,出砂量較小或幾乎不出砂,在6~8 min時(shí),出砂量突然增大和減小,說明在這期間存在著儲層砂運(yùn)移-沉積-再次運(yùn)移的過程。
綜上所述:針對泥質(zhì)粉細(xì)砂層,在試驗(yàn)條件不變的情況下,其氣-水流動條件是一個(gè)時(shí)間過程量,不受時(shí)間的增加其現(xiàn)象發(fā)生較大的偏差,而是具有一定時(shí)間記憶性。因此,其演化規(guī)律針對這種泥質(zhì)粉細(xì)砂具有普遍適用性。
分別取2、4、6、8 min阻砂試驗(yàn)儲層泥膜進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察和測量其含水量。圖10 為泥膜分層的示意圖,將泥膜分成3層,采用電鏡掃描試驗(yàn),在放大所得到的微觀結(jié)構(gòu)掃描圖像如圖11所示,為不同時(shí)間段不同分層的微觀圖像。圖12為不同時(shí)間段不同分層含水量的變化情況。
圖10 泥膜的分層示意圖
圖11 微觀結(jié)構(gòu)
圖12 不同時(shí)間段的含水量
從圖11與圖12可以得出如下結(jié)論:
(1)從微觀結(jié)構(gòu)與含水量測試可知,針對2 min試驗(yàn)時(shí)間段,泥膜從第一層至第三層,含水量由大變小(從129.5%減小至84%)。在4、6、8 min試驗(yàn)時(shí)間段泥膜含水量也符合該規(guī)律,說明越接近防砂結(jié)構(gòu)其含水量越小。
(2)從圖12可知,在2、4、6、8 min不同時(shí)間段試驗(yàn)中,當(dāng)含水量達(dá)到105%時(shí),隨時(shí)間的增加,在6、8 min時(shí)此含水量位于1~2層,在4 min時(shí)此含水量位于第二層,在2 min時(shí)此含水量位于2~3層,充分說明液體的運(yùn)移過程,含水量的變化也是分層的,距離防砂結(jié)構(gòu)越近的,首先失水固結(jié),形成滲流通道,隨著時(shí)間的增加,較遠(yuǎn)的液體才能補(bǔ)給而形成滲流現(xiàn)象,且這種結(jié)構(gòu)一旦形成較難破壞。
分別取2、4、6、8 min阻砂試驗(yàn)儲層泥膜進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察。圖13所示為通過電鏡掃描儀觀察其微觀結(jié)構(gòu)圖。
圖13 防砂礫石的微觀結(jié)構(gòu)
(1)從2、4、6、8 min試驗(yàn)時(shí)間段充填礫石的含水量可知,2 min時(shí)含水量最大,說明此時(shí)防砂結(jié)構(gòu)的孔隙通道主要為透水作用,這時(shí)結(jié)構(gòu)中只有少許泥質(zhì)侵入,且泥質(zhì)顆粒運(yùn)移至防砂結(jié)構(gòu)中,未達(dá)到出水口。在4、6 min時(shí),充填礫石中的泥質(zhì)成分增加,含水量較2 min時(shí)減??;在8 min時(shí),充填礫石中泥質(zhì)成分減??;10 min時(shí),可以明顯看出充填礫石中的含水量降低,且泥質(zhì)含量較少。
(2)在泥質(zhì)粉砂儲層天然氣水合物試采的過程中,防砂結(jié)構(gòu)淤堵狀況與儲層含水量之間存在著較大的關(guān)系。當(dāng)儲層含水量正好使防砂礫料孔隙充滿淤泥物質(zhì)時(shí),防砂結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)嚴(yán)重的淤堵情況,如果有大量氣體分解時(shí),氣體將加速水體流動,進(jìn)而攜帶防砂結(jié)構(gòu)內(nèi)淤泥質(zhì)成分排出,導(dǎo)致大量出砂。
采集不同試驗(yàn)時(shí)間段的接近防砂結(jié)構(gòu)的泥膜,開展環(huán)刀密度測試,測得2 min-3層,4 min-3層,6 min-3層及8 min-3層的密度分別為1.43、1.565、1.55、1.60 g/cm3。
從泥膜密度測試及分析結(jié)果可得出以下結(jié)論:
(1)針對不同時(shí)間段的同一層儲層,其密度隨著試驗(yàn)時(shí)間的增大而增加,說明儲層中存在著骨架顆粒的運(yùn)移現(xiàn)象。
(2)隨水合物開采的進(jìn)行,淤泥質(zhì)粉砂儲層會在防砂結(jié)構(gòu)周圍形成具有一定密度分層的泥膜固結(jié)圈(圖14),分別為穩(wěn)定、較穩(wěn)定、弱穩(wěn)定泥膜固結(jié)圈及無擾動儲層,穩(wěn)定和較穩(wěn)定泥膜固結(jié)圈具有較好的防砂和隔水作用,且較難破壞,對防砂具有重要作用。
圖14 井壁周圍泥質(zhì)粉砂泥膜圈層示意圖
根據(jù)上述儲層氣驅(qū)出砂滲流試驗(yàn)、泥膜物理力學(xué)試驗(yàn)、近井部位固、液、氣三相滲流規(guī)律分析,初步得出引起水合物開采出砂的兩個(gè)必要條件:第一為足夠的壓差,第二為一定速度攜砂液體。在防砂結(jié)構(gòu)的作用下,隨著泥膜固結(jié)圈層的形成,出砂現(xiàn)象會得到有效控制。儲層自身物質(zhì)在充填礫石或防砂篩管外形成的泥膜具有控砂作用。出砂演化過程如下:
(1)儲層在壓差作用下排水固結(jié)。處于初始狀態(tài)的土體,在防砂結(jié)構(gòu)的阻擋作用下,有一部分細(xì)致顆粒在氣體作用下侵入充填礫石孔隙中,使得防砂結(jié)構(gòu)的滲透性降低,阻礙了儲層顆粒運(yùn)移,在防砂結(jié)構(gòu)外側(cè)堆積和擠密,形成孔隙度隨著距離井壁增大而減小的天然阻砂結(jié)構(gòu),且該結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度,較難破壞,進(jìn)而達(dá)到一種滲流平衡,此時(shí)由于水流滲透速度較慢,不足以攜帶大量地層砂運(yùn)移,因此出砂現(xiàn)象不明顯。
(2)隨著儲層孔隙中水的排出,自由氣體迅速膨脹,一方面撐開孔隙、孔喉,另一方面推動水,使水流速增大,當(dāng)水的流速達(dá)到臨界攜砂速度時(shí),首先防砂礫石結(jié)構(gòu)中的泥質(zhì)細(xì)顆粒迅速排出而導(dǎo)致大量出砂。由于防砂結(jié)構(gòu)滲透性的恢復(fù)及外部儲層泥膜的形成,建立起了天然的阻砂結(jié)構(gòu),在壓差不變的情況下始終保持產(chǎn)氣與防砂。
(3)泥膜結(jié)構(gòu)具有一定的強(qiáng)度和較穩(wěn)定的氣水滲流通道,較難破壞,通過多次循環(huán)防砂試驗(yàn)可知,如果不打破已建立的滲流平衡,泥膜結(jié)構(gòu)可持續(xù)發(fā)揮防砂作用。
針對泥質(zhì)粉細(xì)砂儲層,通過整體防砂試驗(yàn)和分段防砂試驗(yàn)可以得出以下結(jié)論:
(1)整體防砂試驗(yàn)分為4個(gè)階段,即為初始滲流階段、穩(wěn)定滲流階段、快速滲流階段、無液體滲流階段。針對礫石充填結(jié)構(gòu),在氣-水流動條件下,存在著液體滲流-堵塞-突然疏通的過程,出砂主要發(fā)生在突然疏通(氣驅(qū)水)過程中。
(2)通過對比整體防砂試驗(yàn)和分段阻砂試驗(yàn),在試驗(yàn)條件不變的情況下,其氣-水滲流隨著時(shí)間的具有相似的變化過程,其滲流規(guī)律幾乎不受時(shí)間影響,土體固結(jié)具有一定的時(shí)間記憶性。
(3)泥質(zhì)粉細(xì)砂儲層的滲流規(guī)律是分層的。根據(jù)對不同時(shí)間段防砂試驗(yàn)?zāi)嗄げ捎昧撕繙y量可知,隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加其含水量減少,且對比不同時(shí)間同一土層的含水量可知,2 min>4 min>6 min>8 min,說明液體分層發(fā)生了運(yùn)移,液體的運(yùn)移,導(dǎo)致了土層的固結(jié),形成了不同穩(wěn)定性的固結(jié)圈,即為穩(wěn)定、較穩(wěn)定、弱穩(wěn)定泥膜固結(jié)圈和無擾動儲層。
(4)出砂演化規(guī)律為:儲層液體穩(wěn)定滲流→液體攜帶細(xì)粒固體顆粒運(yùn)移→儲層細(xì)粒侵入防砂結(jié)構(gòu)→氣水加速滲流→大量出砂→形成泥膜與防砂礫石共同作用的阻砂結(jié)構(gòu)。且對于泥質(zhì)粉細(xì)砂儲層,選擇合適的防砂結(jié)構(gòu),能夠充分發(fā)揮儲層自身形成的泥膜結(jié)構(gòu),對有效控制出砂量具有重要作用。