廖 偉，羅雙涵，胡書勇 ，張赟新，羅海濤

1.中國(guó)石油新疆油田儲(chǔ)氣庫(kù)有限公司，新疆 呼圖壁831200

2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川 成都610500

引言

新疆H 儲(chǔ)氣庫(kù)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣，是中國(guó)石油2010 年啟動(dòng)建設(shè)的6 座氣藏型儲(chǔ)氣庫(kù)（群）之一，是目前中國(guó)調(diào)峰儲(chǔ)氣規(guī)模最大的儲(chǔ)氣庫(kù)。自2013年6 月投運(yùn)以來(lái)，已經(jīng)經(jīng)歷了10 個(gè)完整的注采運(yùn)行周期，受強(qiáng)注強(qiáng)采運(yùn)行模式的影響，部分井出現(xiàn)了儲(chǔ)層出砂現(xiàn)象。儲(chǔ)層出砂會(huì)破壞井下設(shè)備[1-2]，堵塞孔喉，引起儲(chǔ)層滲透率發(fā)生復(fù)雜變化，降低產(chǎn)氣量，影響儲(chǔ)氣庫(kù)的調(diào)峰保供、應(yīng)急儲(chǔ)備的能力[3]。

地層出砂機(jī)理分為機(jī)械破壞機(jī)理與化學(xué)破壞機(jī)理[4-8]，其中，機(jī)械破壞機(jī)理從巖石力學(xué)角度可以分為剪切破壞、拉伸破壞和微粒運(yùn)移3 個(gè)方面。地層出砂主要有以下3 大因素：地質(zhì)因素、開(kāi)采因素和完井因素[9-11]。地質(zhì)因素由地層本身性質(zhì)決定[12]，包括斷層、巖石礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、膠結(jié)程度、膠結(jié)物成分及含量等；開(kāi)采因素主要是指儲(chǔ)氣庫(kù)開(kāi)采過(guò)程中各種生產(chǎn)參數(shù)的不斷改變（包括地層壓力、生產(chǎn)壓差、流體速度、相對(duì)滲透率和含水率等）造成出砂[13]；完井因素主要指儲(chǔ)層傷害、射孔工藝和固井質(zhì)量等造成地層出砂的因素[14]。

為了認(rèn)清儲(chǔ)層出砂規(guī)律，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量出砂模擬實(shí)驗(yàn)。宋立輝等自制填砂模型對(duì)渤海油田出砂情況展開(kāi)研究，但其僅僅探究了不同驅(qū)替壓力下的出砂量變化規(guī)律[15]。王玉星基于巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)與填砂管實(shí)驗(yàn)，分別研究了驅(qū)替壓差、含水率及流體黏度等對(duì)油井出砂量的影響[16]。邱亞玲等在分析油田出砂影響因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)出砂模擬實(shí)驗(yàn)研究了流量、含水及地層壓降等因素對(duì)出砂的影響規(guī)律[17]。趙學(xué)展將孤島油田渤76 斷塊油層砂樣充填入長(zhǎng)巖芯筒中，探究了不同注入速度、原油黏度、產(chǎn)水率及毛管力等對(duì)地層出砂的影響[18]。劉鐵嶺等為了分析稠油油藏?zé)岵删錾皺C(jī)理，開(kāi)展了常規(guī)無(wú)水驅(qū)替模擬、蒸汽吞吐開(kāi)采方式的驅(qū)替模擬、驅(qū)替后巖芯在鹵水中分散實(shí)驗(yàn)[19]。徐蘇欣采用穩(wěn)態(tài)法進(jìn)行了無(wú)水驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、含水驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、巖芯膨脹實(shí)驗(yàn)、不同礦化度水驅(qū)實(shí)驗(yàn)[20]。王建等基于實(shí)際巖芯，研究了含水率、地層水礦化度、原油脫氣和地層壓力等因素對(duì)油井出砂的影響[21]。相比于油藏，氣藏出砂實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究相對(duì)較少。熊春明等對(duì)青海澀北氣田開(kāi)展出砂模擬實(shí)驗(yàn)，研究了疏松砂巖氣層開(kāi)采過(guò)程中出砂量的變化及出砂影響因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明出砂量與生產(chǎn)壓差、滲透率、出水量、氣體流速等呈現(xiàn)指數(shù)正相關(guān)[22]。朱華銀基于澀北氣田模擬了氣層在出水與不出水狀態(tài)下地層出砂影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)表明，出水相較于生產(chǎn)壓差而言，其影響效果更為明顯[23]。豐先艷等通過(guò)穩(wěn)態(tài)法實(shí)驗(yàn)原理研究在無(wú)水情況下生產(chǎn)壓差對(duì)出砂量的影響，及氣層出水時(shí)含水率變化情況下其出砂量的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)表明出水情況下出砂更為劇烈[24]。

綜合來(lái)看，以往學(xué)者在出砂實(shí)驗(yàn)方面的研究，僅僅是通過(guò)室內(nèi)巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)來(lái)探究各種因素對(duì)出砂的影響，但由于實(shí)際巖芯出砂量很小，相比于油驅(qū)出砂，氣驅(qū)出砂更難監(jiān)測(cè)到出砂量。因此，本文提出一種新的可以更加全面、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)方法，來(lái)探究新疆H 儲(chǔ)氣庫(kù)出砂規(guī)律，即將室內(nèi)巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)與核磁共振實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，通過(guò)驅(qū)替前后巖芯孔喉分布、孔徑分布對(duì)比來(lái)探究巖芯出砂情況。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)巖芯取自新疆H 儲(chǔ)氣庫(kù)HU*3 井的目的層天然巖芯，其基本物性通過(guò)SCMS–H2 型泥頁(yè)巖巖石物理參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得，如表1 所示，配制地層水水型為NaHCO3，離子濃度如表2 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)巖芯基本物性Tab.1 Basic physical properties of experimental core

表2 地層水離子濃度Tab.2 Ion concentration of formation water mg/L

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

室內(nèi)巖芯出砂模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要由高壓充氮車、中間容器、圍壓泵、巖芯夾持器、濕式氣體流量計(jì)、氣體壓縮機(jī)、高壓恒速恒壓泵（雙缸）、電子天平和核磁共振儀等組成，實(shí)驗(yàn)裝置流程圖如圖1 所示。其中，核磁共振儀用于測(cè)量巖芯出砂前后孔徑分布、孔喉分布及孔隙度變化情況；充氮車與恒速恒壓泵主要作用是提供動(dòng)力，輔助升高壓力，控制含水驅(qū)替實(shí)驗(yàn)時(shí)的壓力與流速；濕式流量計(jì)、電子天平等用于實(shí)時(shí)計(jì)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的流體流量和出砂量等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Fig.1 Flow chart of experimental device

2 實(shí)驗(yàn)分析與討論

2.1 流速對(duì)出砂的影響研究

2.1.1 流速影響實(shí)驗(yàn)步驟

1）使用1#巖芯，實(shí)驗(yàn)前測(cè)量巖芯長(zhǎng)度、直徑，然后抽真空飽和960 min（確保充分飽和水）。

2）將飽和水巖芯放入核磁共振儀，測(cè)量巖芯孔喉分布、孔徑分布等數(shù)據(jù)。

3）將巖芯放入100?C的烘箱烘干12 h，然后稱量巖芯干重。

4）檢查實(shí)驗(yàn)裝置氣密性，將巖芯放入巖芯夾持器并加載圍壓（至少大于入口壓力3 MPa），用氮?dú)膺M(jìn)行驅(qū)替實(shí)驗(yàn)。

5）按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定依次從小到大改變流速，待巖芯兩端達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)（至少30 min）讀取濕式氣體流量計(jì)示數(shù)；每測(cè)量完一個(gè)實(shí)驗(yàn)梯度，取出實(shí)驗(yàn)巖芯，烘干1 h，稱量干重，計(jì)算巖芯出砂量和滲透率。

6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將巖芯抽真空飽和960 min 并通過(guò)核磁共振儀測(cè)量出砂后巖芯孔徑、孔喉分布，與實(shí)驗(yàn)前形成對(duì)照。

根據(jù)產(chǎn)量計(jì)算方法，可得到現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)氣量與實(shí)驗(yàn)室流速的轉(zhuǎn)換公式為[25]

式中：Q--實(shí)際產(chǎn)量，m3/d；

Qc—實(shí)驗(yàn)流速，mL/min；

Rw—井眼半徑，cm；

D--巖芯直徑，cm；

h—?dú)鈱佑行Ш穸?，m。

根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)實(shí)際情況，選擇參數(shù)為7′′（1′′=2.54 cm）套管，16 孔/m，半徑18 cm，氣層有效厚度26.25 m，日產(chǎn)氣量（16～120）×104m3，計(jì)算實(shí)驗(yàn)流速為1.80～13.80 L/min。

2.1.2 流速影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

流速與階段出砂量、累計(jì)出砂量和滲透率關(guān)系曲線如圖2 所示。

圖2 1#巖芯流速與出砂量及滲透率關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between flow velocity of 1#core and sand production and permeability

由圖2 可知，在初始階段滲透率隨著流速的增加而增加，大約在5.00 L/min 時(shí)滲透率開(kāi)始下降，直到流速約為9.00 L/min 時(shí)滲透率不再發(fā)生改變。結(jié)果表明，氣井出砂早期隨著細(xì)小砂粒的運(yùn)移流動(dòng)，儲(chǔ)層孔隙度增加，滲透率較小幅度的升高，然而隨著氣體流速的增加，儲(chǔ)層中較大砂粒聚集喉道中，造成儲(chǔ)層中的孔喉間隙越來(lái)越窄，滲流阻力增加，嚴(yán)重時(shí)易造成孔喉堵塞，進(jìn)一步降低儲(chǔ)層滲透率。最后巖芯中旳砂粒已經(jīng)全部被氣體攜帶完全，所以巖芯不再出砂[26]，故而滲透率保持不變。

同時(shí)隨著氣體流速的增加，出砂量不斷增加，當(dāng)流速超過(guò)4.14 L/min 后，出砂量開(kāi)始逐漸減少，當(dāng)流速達(dá)到8.58 L/min 時(shí)，巖芯已經(jīng)不出砂。在流速為3.87 L/min 時(shí)，出砂量出現(xiàn)明顯增加，所以臨界流速為3.87 L/min。結(jié)果表明，剛開(kāi)始一些游離砂受到?jīng)_刷而快速移動(dòng)，致使巖芯滲透率變大，出砂量增多。根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，在干樣氣體驅(qū)替時(shí)[27]，巖芯的骨架是不會(huì)發(fā)生破壞的，只是孔隙內(nèi)游離砂被驅(qū)替出，所以后期盡管氣體流速不斷增大，但巖芯中的出砂量越來(lái)越少，最后游離砂全部被氣體帶走，巖芯基本不出砂。這就表明新疆H 儲(chǔ)氣庫(kù)在無(wú)水早期生產(chǎn)時(shí)，即使有少量砂產(chǎn)出，也只是孔隙內(nèi)的游離砂，適當(dāng)出砂反而會(huì)提高地層滲透率進(jìn)而提高采氣量，可以攜砂生產(chǎn)不必防砂。

在研究巖石微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，一般將孔隙半徑劃分為微小孔（r<0.10 μm），中孔（0.10 μm≤r≤1.00 μm），大孔（r>1.00 μm）等3 種類型；將孔喉半徑劃分為粗喉（r>5.00 μm）、中喉（1.00 μm≤r≤5.00 μm），細(xì)喉（0.10 μm≤r<1.00 μm），微喉（0.01 μm≤r<0.10 μm），吸附喉（r<0.01 μm）等5 種類型。通過(guò)核磁共振儀，得出實(shí)驗(yàn)前后孔徑分布、孔喉分布圖，如圖3 和圖4所示。

圖3 1#巖芯出砂前后孔徑分布對(duì)比Fig.3 Comparison of pore size distribution of 1#core before and after sand production

圖4 1#巖芯出砂前后孔喉分布對(duì)比Fig.4 Comparison of pore throat distribution before and after sand production of 1#core

由圖3 可知，實(shí)驗(yàn)前巖芯孔徑分布呈現(xiàn)三峰分布，以大、中孔徑為主，孔隙結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜；實(shí)驗(yàn)后呈現(xiàn)雙峰分布，同樣以大、中孔徑為主；實(shí)驗(yàn)后較之前相比，譜峰整體左移，且主峰略低于實(shí)驗(yàn)前，主峰面積較實(shí)驗(yàn)前降低，微小孔譜峰面積增大，表明大孔徑數(shù)量減小，小孔徑增多，由此可以斷定隨著氣體流速的改變，氣體攜帶巖芯中游離砂及其骨架表面的松散砂少量出砂，導(dǎo)致大、中孔徑數(shù)量變少，孔隙度下降。

由圖4 可知，通過(guò)孔喉分布實(shí)驗(yàn)前后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)前后以微喉、細(xì)喉、中喉分布為主，僅有少量的粗喉，實(shí)驗(yàn)后較實(shí)驗(yàn)前相比中喉占比減少，而微喉和細(xì)喉分布占比增加，表明氣體流速改變導(dǎo)致巖芯出砂，進(jìn)而引起砂粒運(yùn)移，部分孔喉被堵塞。

2.2 生產(chǎn)壓差對(duì)出砂的影響

2.2.1 生產(chǎn)壓差影響實(shí)驗(yàn)步驟

使用2# 巖芯，實(shí)驗(yàn)步驟與2.1.1 中步驟一致，僅需將第5 步替換成：按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定依次從小到大改變驅(qū)替壓差，待巖芯兩端達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)（至少0.5 h）；每測(cè)量完一個(gè)實(shí)驗(yàn)梯度，取出實(shí)驗(yàn)巖芯，烘干1 h，稱量干重，計(jì)算巖芯出砂量和滲透率。

2.2.2 生產(chǎn)壓差對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響及分析

生產(chǎn)壓差與階段出砂量、累計(jì)出砂量、滲透率關(guān)系曲線如圖5 所示。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段巖芯不出砂，隨著驅(qū)替壓差不斷增大，出砂量開(kāi)始增大，但是很微量；直到驅(qū)替壓差增大至5 MPa 時(shí)出砂量突然急劇增加，增加幅度較大，巖芯達(dá)到臨界狀態(tài)，即臨界壓差為5 MPa。從5 MPa 到實(shí)驗(yàn)截止的壓力（8 MPa）時(shí)，出砂量緩慢增加，對(duì)于8 MPa 以后出砂量變化情況由于設(shè)備的局限尚未展開(kāi)研究。

圖5 2#巖芯驅(qū)替壓差與出砂量及滲透率關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between production pressure difference and sand production and permeability of 2#core

對(duì)于滲透率的變化，隨著驅(qū)替壓差的增大，滲透率逐漸增大，表明該巖芯孔隙結(jié)構(gòu)較好。隨著氣驅(qū)流量的增大[23]，孔隙中一些微細(xì)顆粒被驅(qū)出，孔隙流通能力改善，滲透率增大。但隨著驅(qū)替壓差的繼續(xù)增大，巖樣滲透率逐漸減小，這是由于采用過(guò)大生產(chǎn)壓差相當(dāng)于增大了儲(chǔ)層的圍壓，導(dǎo)致儲(chǔ)層的滲透率再次降低，同時(shí)巖芯受到應(yīng)力傷害，使得巖石骨架變形，微小顆粒脫落而造成出砂量持續(xù)增多。

因此，生產(chǎn)壓差越大，出砂風(fēng)險(xiǎn)越大，其實(shí)質(zhì)是儲(chǔ)層中氣流速度的改變。特別是在儲(chǔ)氣庫(kù)強(qiáng)注強(qiáng)采、多周期運(yùn)行的生產(chǎn)模式下，生產(chǎn)壓差對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)地層出砂的影響更加明顯。

通過(guò)核磁共振儀，得出實(shí)驗(yàn)前后孔徑分布、孔喉分布圖，如圖6、圖7 所示。

圖6 2#巖芯實(shí)驗(yàn)前后孔徑分布對(duì)比Fig.6 Comparison of pore size distribution of 2#core before and after experiment

圖7 2#巖芯實(shí)驗(yàn)前后孔喉分布對(duì)比Fig.7 Comparison of pore throat distribution before and after 2#core test

從圖6 可知，實(shí)驗(yàn)前后孔徑分布圖都呈現(xiàn)雙峰分布，以大、中孔徑為主；實(shí)驗(yàn)后較實(shí)驗(yàn)前相比，主峰上移，大、中孔譜峰面積增大，表明隨著驅(qū)替壓差的不斷增大，巖石骨架破壞，巖芯持續(xù)出砂，致使大孔徑增多，孔隙度增大。

孔喉分布實(shí)驗(yàn)前后結(jié)果（圖7）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)前后均以微喉、細(xì)喉、中喉分布為主，實(shí)驗(yàn)后與實(shí)驗(yàn)前相比，微喉分布基本不變，細(xì)喉與中喉增多，表明隨著驅(qū)替壓差的增大巖芯骨架變形，細(xì)小顆粒脫落出砂。

2.3 滲透率對(duì)出砂的影響

2.3.1 滲透率影響實(shí)驗(yàn)步驟

使用3#、4#和5#巖芯，實(shí)驗(yàn)步驟與2.1.1 中步驟一致，僅需將第5 步替換成：用滲透率不同的巖芯，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定依次從小到大改變驅(qū)替壓差，待巖芯兩端達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)（至少30 min）；每測(cè)量完一個(gè)實(shí)驗(yàn)梯度，取出實(shí)驗(yàn)巖芯，烘干1 h，稱量干重，計(jì)算巖芯出砂量和滲透率。

2.3.2 滲透率對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響及分析

滲透率與階段出砂量、累計(jì)出砂量關(guān)系曲線如圖8 和圖9 所示。

圖8 不同滲透率與階段出砂量的關(guān)系曲線Fig.8 Relation between different permeability and staged sand production

圖9 不同滲透率與累計(jì)出砂量的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship of cumulative sand production with different permeability

從圖8 和圖9 可知，在同一生產(chǎn)壓差下，隨著滲透率的增加，出砂量隨之增大。同一滲透率下，生產(chǎn)壓差越大，出砂量越大。當(dāng)滲透率為71.4 mD 時(shí)，驅(qū)替壓差為3 MPa 之前巖芯不出砂，而高滲情況下，巖芯從驅(qū)替壓差為2 MPa 時(shí)就已開(kāi)始出砂。表明滲透率越大，巖芯膠結(jié)程度越疏松，越容易出砂。

通過(guò)核磁共振儀，得出滲透率不同的3 種巖芯在實(shí)驗(yàn)前后的孔徑分布、孔喉分布，見(jiàn)圖10。從圖10a 可見(jiàn)，滲透率為612.5 mD 巖芯的孔徑實(shí)驗(yàn)前呈三峰分布，實(shí)驗(yàn)后呈不明顯雙峰分布，實(shí)驗(yàn)后較實(shí)驗(yàn)前相比，主峰略微下移與左偏，主峰面積變小，次峰面積增大，表明出砂導(dǎo)致巖芯內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變得比較復(fù)雜，大、中孔徑減少，小孔徑增多。

圖10 不同滲透率巖芯實(shí)驗(yàn)前后孔徑、孔喉分布對(duì)比Fig.10 Comparison of pore and throat size distribution before and after experiments at different permeability

從圖10b 可知，612.5 mD 巖芯實(shí)驗(yàn)前后均是以微喉、細(xì)喉、中喉分布為主，實(shí)驗(yàn)后與實(shí)驗(yàn)前相比，微喉增大，細(xì)喉基本不變，中喉減少，微喉增加的數(shù)量是中喉減少的數(shù)量。

321.6 mD 巖芯實(shí)驗(yàn)前孔徑呈不明顯雙峰分布（圖10c），實(shí)驗(yàn)前后均以大、中孔徑為主，實(shí)驗(yàn)后較實(shí)驗(yàn)前主峰未發(fā)生改變，僅僅是微小孔徑增多，該巖芯出砂程度介于71.4 mD 與612.5 mD 之間。相比612.5 mD 巖芯，實(shí)驗(yàn)前后孔喉變化規(guī)律基本一致，只是實(shí)驗(yàn)前后變化幅度略?。▓D10d）。

71.4 mD 巖芯實(shí)驗(yàn)前后孔徑均呈現(xiàn)雙峰分布，形態(tài)基本一致，未發(fā)生明顯改變，實(shí)驗(yàn)后較實(shí)驗(yàn)前相比，整體譜峰稍稍上移（圖10e），這表明該巖芯出砂非常少，實(shí)驗(yàn)前后孔隙結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有發(fā)生明顯變化。從圖10f 分析來(lái)看，實(shí)驗(yàn)前后孔喉分布也未發(fā)生明顯改變，表明低滲巖芯在實(shí)驗(yàn)設(shè)定驅(qū)替壓差下，相較于高滲巖芯不容易出砂。

2.4 地層壓降對(duì)出砂的影響

2.4.1 地層壓降影響實(shí)驗(yàn)步驟

使用6#巖芯，實(shí)驗(yàn)步驟與2.1.1 中步驟一致，僅需將第5 步替換成：按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定依次從小到大改變圍壓，待巖芯兩端達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)（至少30 min）；每測(cè)量完一個(gè)實(shí)驗(yàn)梯度，取出實(shí)驗(yàn)巖芯，烘干1 h，稱量干重，計(jì)算巖芯出砂量和滲透率。

2.4.2 地層壓降影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

地層壓降（對(duì)應(yīng)有效應(yīng)力的變化）與階段出砂量、累計(jì)出砂量和滲透率關(guān)系曲線如圖11 所示。

圖11 有效應(yīng)力與出砂量及滲透率的關(guān)系曲線Fig.11 Relationship between simulated formation pressure drop and sand production and permeability

從圖11 可知，隨著有效應(yīng)力的增加，巖石孔隙被壓縮，滲透率很快下降。在生產(chǎn)過(guò)程中，由于地層流體的采出導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙壓力降低，而上覆巖層壓力保持不變，則儲(chǔ)層所受有效凈應(yīng)力增大使得孔隙結(jié)構(gòu)因?yàn)槭軌鹤冃?，甚至堵塞孔隙喉道，?dǎo)致儲(chǔ)層滲流能力降低。

實(shí)驗(yàn)中，在有效應(yīng)力到10.0 MPa 時(shí)才開(kāi)始出砂，而且出砂量隨著有效應(yīng)力的升高先升高后又降低，當(dāng)有效應(yīng)力升高到28.0 MPa，巖芯已基本不出砂。在有效應(yīng)力為13.0 MPa 時(shí)，出砂量出現(xiàn)急劇增大，此時(shí)臨界環(huán)壓為13.5 MPa。當(dāng)圍壓升高到一定值后，地層骨架砂被壓碎，滲透率大幅度地下降，產(chǎn)氣量減少，巖石孔隙閉合，自由砂已無(wú)法自由地流動(dòng)，表現(xiàn)為巖芯已不出砂[17]，實(shí)驗(yàn)前后的孔徑、孔喉分布見(jiàn)圖12 和圖13。

圖12 6#巖芯實(shí)驗(yàn)前后孔徑分布對(duì)比Fig.12 Comparison of pore size distribution before and after the 6#core test

圖13 6#巖芯實(shí)驗(yàn)前后孔喉分布對(duì)比Fig.13 Comparison of pore-throat distribution before and after the 6#core test

由圖12 可知，實(shí)驗(yàn)前后孔徑均呈不明顯雙峰分布，都以大、中孔徑為主，實(shí)驗(yàn)后較實(shí)驗(yàn)前相比，實(shí)驗(yàn)后主峰明顯下降，主峰面積減小，大、中孔徑數(shù)量減少，表明隨著圍壓的不斷增大，巖芯孔徑被壓縮。

由實(shí)驗(yàn)前后孔喉分布（圖13）可知，實(shí)驗(yàn)后微喉數(shù)量增加，細(xì)喉、中喉和粗喉明顯下降，表明地層壓力下降，圍壓與有效應(yīng)力不斷增大，致使孔喉被壓縮。

2.5 含水率對(duì)出砂的影響

2.5.1 含水率影響實(shí)驗(yàn)步驟

使用7# 巖芯，實(shí)驗(yàn)步驟與2.1.1 中步驟一致，僅需將第5 步替換成：按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定依次從小到大改變含水率，待巖芯兩端達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)（至少30 min），例如，進(jìn)行含水率20%驅(qū)替實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)恒速恒壓泵設(shè)定水的流速為0.05 mL/min，待管線出口端穩(wěn)定持續(xù)出水時(shí)將管線連接到巖芯夾持器，同時(shí)打開(kāi)氣瓶進(jìn)行氣水同步驅(qū)替，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中改變驅(qū)替壓差（1～4 MPa）求取氣體有效滲透率和出砂量，直到含水率達(dá)到20%時(shí)停止實(shí)驗(yàn)；每測(cè)量完一個(gè)實(shí)驗(yàn)梯度，取出實(shí)驗(yàn)巖芯，烘干1 h，稱量干重，計(jì)算巖芯出砂量和滲透率。

2.5.2 含水率影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

不同含水率下驅(qū)替壓差與階段出砂量、累計(jì)出砂量的關(guān)系曲線如圖14 和圖15 所示，不同含水率下滲透率與驅(qū)替壓差的關(guān)系曲線如圖16 所示。

圖14 7#巖芯不同含水率情況下驅(qū)替壓差與階段出砂量的關(guān)系曲線Fig.14 Relationship between displacement pressure difference and stage sand production under different water content of 7#core

圖15 7#巖芯不同含水率情況下驅(qū)替壓差與累計(jì)出砂量的關(guān)系曲線Fig.15 Relationship between displacement pressure difference and cumulative sand production under different water content of 7#core

圖16 7#巖芯不同含水率情況下滲透率與驅(qū)替壓差的關(guān)系曲線Fig.16 Relationship between permeability and displacement pressure difference under different water content of 7#core

相同含水率下，隨著驅(qū)替壓差增加，出砂量增加。干樣氣驅(qū)時(shí)在驅(qū)替壓差較小時(shí)巖芯不出砂，對(duì)于含水情況下巖芯就比較容易出砂，同一驅(qū)替壓差下，出砂量隨著含水率的增加而增加。因?yàn)閹r芯見(jiàn)水后，內(nèi)部黏土礦物水化膨脹，巖石強(qiáng)度降低；同時(shí)氣水兩相流動(dòng)增大了滲流阻力[7，28]，對(duì)孔隙喉道剪切應(yīng)力增大，巖芯更容易遭到破壞；而且氣水兩相流動(dòng)的攜砂能力強(qiáng)于單相氣驅(qū)，地層更容易出砂。

隨著驅(qū)替壓差的增大，干樣氣驅(qū)時(shí)巖芯滲透率升高，而含水情況下巖芯滲透率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（圖16）。主要由于巖芯的孔喉比較小，大顆粒自由砂橋架堵塞所致。且同一驅(qū)替壓差下，含水率越高，其滲透率越低，這是因?yàn)轲ど系V物水化膨脹降低了滲透率。

在干樣氣驅(qū)條件下，巖芯夾持器出口端出砂量較小，幾乎不出砂；當(dāng)巖樣含水率從20% 提高到40%時(shí)，巖芯夾持器出口端出砂量較大，當(dāng)含水為40%～60%時(shí)，出砂量逐漸增大但增加速度有減緩趨勢(shì)。當(dāng)含水達(dá)到80% 時(shí)，巖芯的出砂量又明顯增加。

不同含水率巖芯的孔徑與孔喉分布如圖17所示。

圖17 不同含水率巖芯孔徑、孔喉分布對(duì)比Fig.17 Comparison of pore and throat size distribution at different water cut

從圖17a 和圖17b 可知，干樣氣驅(qū)較實(shí)驗(yàn)前相比，巖芯孔徑均呈現(xiàn)雙峰分布，以大、中孔徑為主，主峰面積不變，次峰面積稍微增大，微小孔徑增多；微喉增多、細(xì)喉增多，中喉減少。

從圖17c 和圖17d 可知，含水20%與干樣氣驅(qū)相比，巖芯孔徑分布主峰面積減少，次峰面積增大，表明微小孔增大，大、中孔減少；微喉與細(xì)喉增多，中喉減少。

從圖17e 和圖17f 可知，含水40%與含水20%相比，巖芯孔徑分布主峰面積增多，而微喉和中喉增多，細(xì)喉減少。

從圖17g 和圖17h 可知，含水60%較含水40%巖芯孔徑分布相比，主峰面積減少，大中孔徑減少，而微喉、細(xì)喉和中喉均不同程度的減少。

從圖17i 和圖17j 可知，含水80%較含水60%巖芯孔徑分布相比，主峰面積增大，大中孔徑增多，而微喉與中喉增大，細(xì)喉減少。

3 結(jié)論

1）隨著氣體流速的增大，滲透率先增大后減少，然后保持不變的過(guò)程中，出砂量先增大后減小直到不出砂。新疆H 儲(chǔ)氣庫(kù)在早期無(wú)水生產(chǎn)時(shí)，即使有少量砂產(chǎn)出，也只是孔隙的游離砂，適當(dāng)出砂反而會(huì)提高地層滲透率進(jìn)而提高氣井注采氣能力，但需做好井口除砂工作，以保障地面設(shè)施的運(yùn)行安全。

2）生產(chǎn)壓差增大，其出砂量一直持續(xù)增大，滲透率先緩慢增加后急劇減少；在同一生產(chǎn)壓差下，滲透率越大，出砂量越大，且滲透率越小的巖芯在小生產(chǎn)壓差下不出砂。實(shí)驗(yàn)臨界生產(chǎn)壓差為5 MPa，在儲(chǔ)氣庫(kù)強(qiáng)注強(qiáng)采的特殊生產(chǎn)模式下，控制生產(chǎn)壓差對(duì)于地層出砂防控尤為重要。

3）圍壓增大，有效應(yīng)力增大，滲透率持續(xù)下降，而巖芯剛開(kāi)始不出砂，隨后出砂量增大到某一臨界值后又開(kāi)始減少直到不出砂；同一驅(qū)替壓差下，含水率越大，出砂量越大，滲透率卻越低。從實(shí)驗(yàn)前后孔徑分布對(duì)比發(fā)現(xiàn)，含水率與地層壓力下降是影響新疆H 儲(chǔ)氣庫(kù)地層出砂的主導(dǎo)因素。