水合物儲(chǔ)層高泥質(zhì)細(xì)粉砂篩管擋砂機(jī)制及控砂可行性評(píng)價(jià)試驗(yàn)

董長(zhǎng)銀, 鐘奕昕, 武延鑫, 周玉剛, 曾思睿, 閆切海

(中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580)

出砂問題是制約天然氣水合物儲(chǔ)層高效安全開采的關(guān)鍵因素之一,降壓法開采過程中的合理與高效控砂是水合物正常開采的關(guān)鍵保障技術(shù)[1]。某海域天然氣水合物儲(chǔ)層埋深較淺、膠結(jié)為半流砂弱膠結(jié)類型、泥質(zhì)含量高,地層砂粒度較細(xì),為典型的泥質(zhì)粉砂型水合物儲(chǔ)層,初步分析具備出砂條件[1-5]。與傳統(tǒng)石油與天然氣疏松砂巖儲(chǔ)層相比,天然氣水合物儲(chǔ)層及其生產(chǎn)過程的不同之處在于氣水流動(dòng)條件、泥質(zhì)含量高、地層砂粒徑較細(xì)、出砂嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)石油與天然氣儲(chǔ)層地層砂的擋砂和堵塞機(jī)制開展了大量的研究,系統(tǒng)揭示了不同生產(chǎn)條件下不同擋砂介質(zhì)的擋砂機(jī)制和堵塞規(guī)律,但均是基于相對(duì)較低泥質(zhì)含量、粒徑50～250 μm的地層砂以及油氣流動(dòng)[6-13];相應(yīng)的擋砂機(jī)制及控砂理論方法對(duì)天然氣水合物的適用性有待探討。針對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層的控砂問題研究尚處于起步階段,主要著眼于水合物儲(chǔ)層的出砂和防砂問題的初步探討和定性分析[2-4,14-17],而水合物儲(chǔ)層氣水流動(dòng)條件下高泥質(zhì)細(xì)粉砂的擋砂機(jī)制,尤其是機(jī)械篩管不同擋砂介質(zhì)的擋砂機(jī)制尚不明確。筆者針對(duì)上述問題,對(duì)機(jī)械篩管和多層濾網(wǎng)擋砂介質(zhì)進(jìn)行氣水流動(dòng)條件下的泥質(zhì)粉砂驅(qū)替擋砂模擬試驗(yàn),揭示擋砂機(jī)制,并探討水合物儲(chǔ)層高泥質(zhì)細(xì)粉砂控砂可行性。

1 試驗(yàn)原理與方法

1.1 水合物儲(chǔ)層地層砂物性

根據(jù)已有的鉆探分析資料[1-4,17-20],研究海域天然氣水合物儲(chǔ)集層具埋藏淺、泥質(zhì)含量高、膠結(jié)程度差、滲透率低等特點(diǎn),屬黏土質(zhì)粉砂;儲(chǔ)層泥質(zhì)含量為25%～36%,其中伊利石含量約為32%,蒙脫石含量約為38%。天然氣水合物主要是I 型的甲烷水合物,以均勻分散狀態(tài)成層分布在未固結(jié)的細(xì)粒黏土或沙質(zhì)黏土中,水合物層介于骨架支撐型和孔隙填充型之間,偏向孔隙填充型;水合物本身作為膠結(jié)物存在。天然氣水合物與儲(chǔ)層巖石骨架顆粒砂膠結(jié)在一起,或游離于骨架砂顆粒之間。

圖1為多個(gè)樣品的水合物儲(chǔ)層地層砂粒度分布曲線,地層砂粒度中值d50為0.011 1～0.016 1 mm,平均為0.014 3 mm;分選系數(shù)為2.556～2.910,平均為2.754;均勻系數(shù)為9.724 2～13.399 1,平均為11.377;平均細(xì)質(zhì)(粒徑小于0.044 mm的部分)含量為76.859%,屬于極不均勻泥質(zhì)細(xì)粉砂(傳統(tǒng)石油與天然氣行業(yè)一般粒徑低于0.05 mm即成為細(xì)粉砂,參照于此,天然氣水合物儲(chǔ)層粒度中值0.014 μm的地層砂可稱為細(xì)粉砂)。

圖1 水合物儲(chǔ)層地層砂粒度分布測(cè)試結(jié)果Fig.1 Tested curves of sand size distribution from hydrate reservoir

與傳統(tǒng)石油與天然氣儲(chǔ)層地層砂特性相比,某海域天然氣水合物儲(chǔ)層地層砂具有如下不同:①傳統(tǒng)油氣儲(chǔ)層地層砂粒度中值一般為0.05～0.3 mm,而水合物儲(chǔ)層粒徑中值為0.015 mm,幾乎相差1個(gè)數(shù)量級(jí);②水合物儲(chǔ)層泥質(zhì)含量高達(dá)40%;③由于原始膠結(jié)疏松以及水合物分解帶來(lái)的膠結(jié)弱化效應(yīng),水合物儲(chǔ)層出砂更嚴(yán)重,出砂量更大;④水合物儲(chǔ)層從投產(chǎn)初期即為水氣流動(dòng)條件,儲(chǔ)層產(chǎn)出砂由液相攜帶[21],流體攜砂對(duì)控砂介質(zhì)的堵塞機(jī)制與原油及純氣相有很大不同。由于上述不同,在進(jìn)行天然氣水合物儲(chǔ)層篩管擋砂機(jī)制試驗(yàn)時(shí)必須重點(diǎn)考慮上述特點(diǎn)。

1.2 試驗(yàn)原理與試驗(yàn)方法

在傳統(tǒng)石油領(lǐng)域,對(duì)于粒徑低于0.05 mm的地層砂,由于原油黏滯作用,一般認(rèn)為難以阻擋,控砂難以實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于天然氣水合物領(lǐng)域氣水?dāng)y帶的細(xì)粉砂,能否被有效阻擋是一個(gè)值得探討的問題。本次試驗(yàn)?zāi)康氖紫仁峭ㄟ^試驗(yàn)手段模擬高泥質(zhì)細(xì)粉砂在氣水流動(dòng)條件下對(duì)不同介質(zhì)類型的機(jī)械篩管及多層復(fù)合濾網(wǎng)介質(zhì)的堵塞規(guī)律,揭示擋砂機(jī)制,并探索其被有效阻擋的可能性和控砂的可行性。

本次試驗(yàn)主要針對(duì)獨(dú)立機(jī)械篩管防砂模式,模擬天然氣水合物儲(chǔ)層近井地帶徑向入流對(duì)機(jī)械篩管及其擋砂介質(zhì)的沖擊堵塞和阻擋過程,以及單向流條件下攜砂流體對(duì)復(fù)合濾網(wǎng)的微觀擋砂過程。試驗(yàn)裝置及其原理流程如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置及原理流程Fig.2 Picture and flowchart of experiment installation

試驗(yàn)裝置由主體徑向井底模擬裝置、儲(chǔ)液混砂罐、液相砂漿泵、氣體壓縮與穩(wěn)壓系統(tǒng)、氣液混合裝置、過砂集砂器、數(shù)據(jù)采集傳感器、控制系統(tǒng)等組成。主體徑向井底模擬裝置內(nèi)徑為450 mm,可以模擬獨(dú)立機(jī)械篩管和礫石充填兩種防砂模式,能夠放置外徑為100～400 mm、長(zhǎng)度為(292±2) mm的篩管短節(jié)。試驗(yàn)時(shí)將篩管短節(jié)放置于主體容器中,氣液兩相流體攜帶地層砂從主體裝置外部由模擬打孔孔眼進(jìn)入井筒環(huán)空,沖擊機(jī)械篩管,模擬實(shí)際井底的出砂與擋砂堵塞過程。氣液流體通過篩管介質(zhì)進(jìn)入篩管內(nèi)部,從篩管底部出流孔流出,地層砂則被篩管部分阻擋,另一部分通過篩管與流體一起產(chǎn)出,具體通過篩管的地層砂粒徑及過砂量取決于篩管介質(zhì)類型、介質(zhì)精度、試驗(yàn)地層砂粒徑、流體物性、流體流速以及試驗(yàn)時(shí)間。

試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集流量、壓力、壓差、過砂量等數(shù)據(jù),分析介質(zhì)滲透率的變化,綜合表征堵塞過程、堵塞程度及擋砂效果。試驗(yàn)時(shí),當(dāng)測(cè)量得到的流量、壓差趨于穩(wěn)定不變,表明篩管內(nèi)部達(dá)到堵塞平衡狀態(tài),結(jié)束試驗(yàn)。為了精確測(cè)量篩管內(nèi)外壓差變化,在篩管內(nèi)外設(shè)置4對(duì)差壓傳感器,并且放置于主體裝置中不同的高度,以4對(duì)差壓傳感器測(cè)量值的平均值作為篩管內(nèi)外驅(qū)替壓差。

1.3 試驗(yàn)材料與參數(shù)條件

1.3.1 模擬地層砂樣品材料

根據(jù)圖1所示的水合物儲(chǔ)層地層砂篩析曲線,使用工業(yè)石英砂、高嶺石粉、伊利石粉及蒙脫石粉進(jìn)行混合配制。為了試驗(yàn)結(jié)果更具代表性,配制兩種模擬地層砂樣品。編號(hào)F1地層砂粒度中值為0.015 mm,與實(shí)際地層砂中值接近,作為基準(zhǔn)試驗(yàn)地層砂樣品;編號(hào)F2地層砂粒度中值為0.01 mm,以模擬比實(shí)際地層砂略細(xì)的地層砂情況。兩種樣品的泥質(zhì)含量均為30%,其中伊利石相對(duì)含量為30%,蒙脫石相對(duì)含量為40%。配置的兩種地層砂篩析曲線和實(shí)際地層砂對(duì)比如圖3所示。粒度分布特征及泥質(zhì)成分基本接近水合物儲(chǔ)層實(shí)際地層砂特性,綜合誤差低于5%,滿足試驗(yàn)要求。

圖3 模擬地層砂與實(shí)際地層砂粒度分布對(duì)比Fig.3 Comparison of size distribution curves of simulated and real sand sample

1.3.2 機(jī)械篩管及擋砂介質(zhì)樣品

試驗(yàn)使用的篩管樣品包括復(fù)合精密篩管、沖縫篩管、過濾沖縫篩管、微細(xì)割縫篩管、金屬網(wǎng)布篩管、預(yù)充填篩管、燒結(jié)篩管、雙層繞絲充填篩管8種,編碼分別從S1到S8。每種篩管有20、40和60 μm標(biāo)稱精度,外徑為98～140 mm。部分篩管樣品如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)使用的篩管短節(jié)樣品Fig.4 Pictures of tested screen samples

1.3.3 試驗(yàn)流體及試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)需要模擬天然氣水合物儲(chǔ)層的氣水流動(dòng)條件。因此試驗(yàn)液體使用清水,氣體使用空氣。按照儲(chǔ)層厚度30 m,產(chǎn)水量330 m3/d、產(chǎn)氣量5×104m3/d,根據(jù)流速等效原則計(jì)算折合試驗(yàn)流量為500～800 L/h,實(shí)驗(yàn)室設(shè)定液相流量為2 000 L/h,氣相流量為1.0 m3/min。試驗(yàn)流量高于實(shí)際預(yù)測(cè)產(chǎn)量以保證覆蓋實(shí)際生產(chǎn)條件。

2 篩管介質(zhì)泥質(zhì)粉砂堵塞過程與規(guī)律

2.1 篩管短節(jié)試驗(yàn)堵塞過程及規(guī)律

根據(jù)上述試驗(yàn)方法,使用8種篩管樣品各3種擋砂精度以及2種地層砂樣品進(jìn)行氣水流動(dòng)條件下泥質(zhì)細(xì)粉砂篩管擋砂機(jī)制與堵塞規(guī)律試驗(yàn)。使用標(biāo)稱擋砂精度為60 μm燒結(jié)篩管,氣水兩相攜帶粒度中值為0.015 mm的F1地層砂共400 g,水流量約為2 000 L/h,氣水比約為30。試驗(yàn)得到的液相流量、入口壓力、篩管內(nèi)外壓差以及根據(jù)此計(jì)算得到篩管滲透率及滲透率變化曲線如圖5所示。

由于氣體存在導(dǎo)致的氣液摻混不穩(wěn)定流動(dòng),液相流量有波動(dòng)性跳躍,但流量基本穩(wěn)定在2.0～2.05 m3/h,篩管內(nèi)外壓差在加砂驅(qū)替初期上升較快,然后趨于平緩并基本穩(wěn)定。由于出口管線壓力為大氣壓,因此驅(qū)替入口壓力變化規(guī)律和篩管內(nèi)外驅(qū)替壓差相似。這是因?yàn)殡S著加砂驅(qū)替過程的進(jìn)行,流體攜帶地層砂中的部分較細(xì)的顆粒侵入篩管內(nèi)部,較細(xì)的地層砂粒突破通過擋砂介質(zhì)和篩管;但由于篩管擋砂介質(zhì)復(fù)雜的孔喉結(jié)構(gòu),使侵入篩管介質(zhì)的地層砂中顆粒較粗的部分難以排出,造成堵塞,導(dǎo)致?lián)跎敖橘|(zhì)滲透率下降,流動(dòng)阻力增加,驅(qū)替壓差增大。隨著驅(qū)替進(jìn)行,堵塞顆粒越多,堵塞越嚴(yán)重。圖5所示的篩管滲透率及滲透率比(篩管堵塞滲透率與初始未堵塞時(shí)滲透率的比值)變化曲線也反映這一規(guī)律。隨著驅(qū)替繼續(xù)進(jìn)行,由于機(jī)械篩管擋砂介質(zhì)孔喉結(jié)構(gòu)空間有限,當(dāng)這些空間被侵入的地層砂顆粒填充堆滿后,即意味著篩管介質(zhì)堵塞達(dá)到飽和或平衡。如圖5 所示的動(dòng)態(tài)曲線的后半段,驅(qū)替壓差和滲透率及滲透率比逐漸趨于平衡。

圖5 60 μm燒結(jié)篩管擋砂試驗(yàn)動(dòng)態(tài)變化曲線Fig.5 Displacement performance curves of 60 μm screen

在驅(qū)替初始階段,由于侵入砂粒較少,滲透率下降較慢,稱為堵塞開始階段;當(dāng)侵入地層砂顆粒達(dá)到一定程度后,介質(zhì)滲透率開始快速下降,這個(gè)階段稱為堵塞加劇階段;堵塞達(dá)到飽和平衡狀態(tài)后滲透率基本不再變化,稱為堵塞平衡階段。本試驗(yàn)中,燒結(jié)篩管初始滲透率約為22 μm2,堵塞平衡后的滲透率約為5.0 μm2,堵塞平衡滲透率比約為22.7%,最終過砂量為37.6 g,過砂率為9.4%。

由于篩管擋砂精度、微觀介質(zhì)結(jié)構(gòu)、地層粒徑特征、泥質(zhì)含量、驅(qū)替流體等不同,篩管驅(qū)替壓差、介質(zhì)堵塞滲透率變化規(guī)律不同。其不同之處在于堵塞開始階段時(shí)間、達(dá)到堵塞平衡的時(shí)間以及最終堵塞平衡滲透率各不相同。從篩管的抗堵塞性角度而言,篩管達(dá)到堵塞平衡時(shí)間越長(zhǎng)、堵塞平衡滲透率及滲透率比越高,表明篩管的抗堵塞性越好。

2.2 多層復(fù)合濾網(wǎng)試驗(yàn)微觀堵塞過程及規(guī)律

為了進(jìn)一步探析微觀擋砂機(jī)制并研究擋砂介質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)擋砂效果的影響,使用S1篩管的多層復(fù)合濾網(wǎng)擋砂介質(zhì)進(jìn)行單向流驅(qū)替微觀擋砂試驗(yàn)。單向驅(qū)替裝置直徑為83 mm,液相流量為1 200 L/h,氣水比、地層砂及含砂率同徑向流試驗(yàn),擋砂介質(zhì)分別使用單層、雙層、3層和4層復(fù)合濾網(wǎng)。試驗(yàn)測(cè)試得到的濾網(wǎng)流動(dòng)壓差及滲透率變化曲線如圖6所示。

圖6 不同濾網(wǎng)組合驅(qū)替壓差和滲透率變化Fig.6 Change of displacement pressure drawdown and permeability with different layers

根據(jù)圖6,多層復(fù)合濾網(wǎng)的堵塞動(dòng)態(tài)曲線與篩管試驗(yàn)曲線變化規(guī)律類似,也出現(xiàn)堵塞開始、堵塞加劇和堵塞平衡3個(gè)階段,但3個(gè)階段的變化過渡相對(duì)比較舒緩。更顯而易見的是,擋砂和堵塞動(dòng)態(tài)與濾網(wǎng)層數(shù)直接相關(guān)。初始驅(qū)替階段4種濾網(wǎng)的滲透率約為75 μm2;濾網(wǎng)層數(shù)越多,越容易發(fā)生堵塞,滲透率下降越快,最終滲透率也越低。單層、雙層、3層和4層濾網(wǎng)的最終堵塞平衡滲透率分別約為21.8、20.7、9.2和7.3 μm2,分別下降71%、73%、87%和90%。雖然多層濾網(wǎng)最終堵塞滲透率較低,但其擋砂效果卻隨層數(shù)增加而變好,4種濾網(wǎng)的過砂率分別為43.6%、33.5%、17.6%和9.9%。將試驗(yàn)后濾網(wǎng)材料取出,通過顯微鏡對(duì)其擋砂表面進(jìn)行觀察,如圖7所示。

根據(jù)圖7,單層濾網(wǎng)擋砂介質(zhì)較薄,擋砂效果較差,表面滯留橋架砂粒較少;隨著濾網(wǎng)層數(shù)增加,由于濾網(wǎng)網(wǎng)孔的交錯(cuò)遮擋作用,擋砂精度提高,擋砂能力增強(qiáng),濾網(wǎng)表面及濾網(wǎng)間橋架的地層砂顆粒增加。對(duì)于多層濾網(wǎng)類擋砂介質(zhì)篩管,濾網(wǎng)層數(shù)對(duì)于堵塞滲透率和擋砂效果有直接影響,根據(jù)防砂條件和目的,需要調(diào)整濾網(wǎng)層數(shù)在擋砂介質(zhì)的流通性和擋砂性能之間做出平衡。

圖7 不同濾網(wǎng)組合表面附著砂情況顯微照片F(xiàn)ig.7 Micro picture of multi-layer mesh media after displacement

3 篩管泥質(zhì)粉砂擋砂機(jī)制及控砂可行性

3.1 篩管泥質(zhì)粉砂擋砂機(jī)制

圖8為使用60 μm燒結(jié)篩管的試驗(yàn)過程及試驗(yàn)前后篩管樣品照片。對(duì)于氣液攜砂驅(qū)替流動(dòng),當(dāng)混合攜砂流體進(jìn)入驅(qū)替主體容器(模擬井底空間)后,由于流動(dòng)界面增大,流速降低,氣液兩相出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。氣體在容器上部流動(dòng),液體則存在和流動(dòng)于下部(圖8(a)),而地層細(xì)砂完全被液體攜帶,基本只存在于液相中。試驗(yàn)現(xiàn)象表明,對(duì)于天然氣水合物儲(chǔ)層,開采過程中氣水混合產(chǎn)出條件下,決定儲(chǔ)層是否出砂、地層砂能否流動(dòng)產(chǎn)出到井底以及攜砂流體對(duì)井底擋砂介質(zhì)的沖擊和堵塞規(guī)律,主要取決于液相也就是產(chǎn)水量和流速;天然氣的產(chǎn)量和流速僅由于氣相對(duì)液相的攜帶作用而對(duì)液相存容比及其流速產(chǎn)生影響,進(jìn)而一定程度影響出砂和擋砂動(dòng)態(tài)。天然氣水合物儲(chǔ)層的出砂和井底擋砂動(dòng)態(tài)與產(chǎn)水量直接相關(guān),后者是主控因素。

本試驗(yàn)中為了總體考察篩管的擋砂和堵塞動(dòng)態(tài),逐步放空頂部氣體,使攜砂液相直接沖擊整個(gè)篩管短節(jié)部位,得到燒結(jié)篩管試驗(yàn)前和試驗(yàn)后的篩管照片對(duì)比如圖8(b)和(c)所示。使用高泥質(zhì)含量細(xì)粉砂樣品驅(qū)替達(dá)到堵塞平衡后持續(xù)驅(qū)替約30 min后取出篩管,發(fā)現(xiàn)篩管表面形成一層由地層砂及泥質(zhì)包裹形成的“泥皮”,厚度為1～2 mm,其與篩管的總體滲透率約為5 um2,在室內(nèi)干燥后,這層泥皮變得比較堅(jiān)固。在小于5%的較低泥質(zhì)含量下使用繞絲篩管表面則無(wú)泥皮現(xiàn)象,如圖8(d)所示。這說明篩管外部形成的泥皮主要是由于泥質(zhì)含量高、地層砂顆粒較細(xì)兩個(gè)因素控制形成的。

圖8 試驗(yàn)前后篩管樣品對(duì)比及泥皮現(xiàn)象Fig.8 Comparison of screen sample after and before test and sand skin formed

根據(jù)上述試驗(yàn)堵塞規(guī)律及機(jī)制試驗(yàn)結(jié)果,分析總結(jié)天然氣水合物儲(chǔ)層的高泥質(zhì)含量細(xì)粉砂篩管擋砂機(jī)制。

(1)水合物儲(chǔ)層氣液攜砂流動(dòng)機(jī)制。天然氣水合物儲(chǔ)層氣液攜砂流動(dòng)中,地層產(chǎn)出砂被液相攜帶。液相流速?zèng)Q定井底擋砂介質(zhì)被地層砂堵塞及阻擋的動(dòng)態(tài)規(guī)律,天然氣通過對(duì)液相的攜帶作用對(duì)擋砂動(dòng)態(tài)產(chǎn)生輔助作用。

(2)篩管擋砂介質(zhì)內(nèi)部橋架堵塞機(jī)制。如圖9所示,篩管擋砂介質(zhì)包括規(guī)則縫隙類、規(guī)則多層濾網(wǎng)類、不規(guī)則金屬棉類和固體顆粒充填類等多種類型,微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜。地層砂中的部分較細(xì)顆粒被液相攜帶侵入篩管擋砂介質(zhì)內(nèi)部,侵入砂粒中較細(xì)的部分突破并通過擋砂介質(zhì)層;而較粗的顆粒則難以突破并滯留在擋砂介質(zhì)中,形成篩管擋砂介質(zhì)內(nèi)部的橋架堵塞,造成擋砂介質(zhì)滲透率下降。當(dāng)侵入并滯留的砂粒填滿擋砂介質(zhì)有限的孔喉空間后,介質(zhì)內(nèi)部堵塞達(dá)到平衡狀態(tài)。高泥質(zhì)含量會(huì)加劇篩管擋砂介質(zhì)內(nèi)部橋架堵塞,具體堵塞及擋砂動(dòng)態(tài)與篩管介質(zhì)類型和結(jié)構(gòu)、介質(zhì)孔喉尺寸、地層粒徑分布、泥質(zhì)含量、驅(qū)替流體物性、產(chǎn)量及流速等密切相關(guān)[22]。

圖9 水合物儲(chǔ)層篩管擋砂介質(zhì)及堵塞機(jī)制示意圖Fig.9 Screen media and sand retention mechanism of gas hydrate reservoir

(3)篩管外部空間的分選橋架堵塞機(jī)制。在篩管外部,液相攜帶地層砂沖擊篩管;在投產(chǎn)初期,較細(xì)的地層砂侵入干凈的篩管,而地層砂中較粗、難以侵入介質(zhì)內(nèi)部的砂粒以分選橋架的形式被阻擋在篩管表面,逐步達(dá)到一定厚度后,即成為新的擋砂介質(zhì),其孔喉結(jié)構(gòu)會(huì)遠(yuǎn)小于篩管擋砂介質(zhì)孔喉尺寸,進(jìn)而可以阻擋更細(xì)的地層砂。以此類推可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地層砂的完全或大部分阻擋。從篩管向儲(chǔ)層外部延伸,充填堵塞的顆粒粒徑越來(lái)越小。

(4)高泥質(zhì)含量細(xì)粉砂的篩管高滲透泥皮形成機(jī)制。在篩管外部形成的穩(wěn)定的包裹泥皮與篩管內(nèi)部的介質(zhì)堵塞共同導(dǎo)致篩管滲透率的堵塞傷害。同時(shí)這層泥皮起到對(duì)篩管的保護(hù)作用,依據(jù)砂拱橋架機(jī)制繼續(xù)阻擋較細(xì)顆粒的地層砂粒,起到擋砂屏障作用。這層泥皮尚保持較高的滲透性,對(duì)于氣水流動(dòng)阻力并不大(試驗(yàn)中最大壓差約30 kPa)。根據(jù)上述試驗(yàn)現(xiàn)象,對(duì)于天然氣水合物儲(chǔ)層粒徑中值0.015 mm的高泥質(zhì)細(xì)粉砂,達(dá)到部分擋砂并保持控砂介質(zhì)滲透性和流通性具有可能性。

3.2 高泥質(zhì)細(xì)粉砂控砂可行性

使用標(biāo)稱精度為20 μm的8種篩管阻擋F1地層砂進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集后計(jì)算得到的滲透率、滲透率比對(duì)比曲線如圖10所示。利用文獻(xiàn)[10]、[11]、[20]的評(píng)價(jià)方法計(jì)算得到8種篩管短節(jié)的擋砂性能指標(biāo)如圖11所示。

圖10 8種篩管短節(jié)的擋砂堵塞滲透率變化曲線Fig.10 Plugging permeability curve of 8 screen samples

圖11 8種篩管短節(jié)的擋砂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.11 Sand retention ability evaluation index of 8 screen samples

由圖10可以看出,8種篩管由于具體結(jié)構(gòu)不同顯現(xiàn)出不同的擋砂和堵塞動(dòng)態(tài),但其最終平衡滲透率為5～40 μm2,尤其是擋砂效果較好的S1、S2、S6和S7篩管的最終堵塞滲透率為5～20 μm2?；谀嗥拥妮o助擋砂和低滲流阻力特性,天然氣水合物儲(chǔ)層的高泥質(zhì)含量細(xì)粉砂的有效控砂具有一定的可能性和可行性。

4 結(jié) 論

(1) 機(jī)械篩管對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層高泥質(zhì)細(xì)粉砂的阻擋過程其實(shí)質(zhì)是其被堵塞的過程,由于地層砂侵入篩管介質(zhì)而部分又難以排出,造成篩管滲透率傷害。整個(gè)過程可分為堵塞開始、堵塞加劇和堵塞平衡3個(gè)階段,堵塞規(guī)律分別是滲透率開始緩慢降低、快速降低、逐漸變緩直到不再變化。高泥質(zhì)含量會(huì)加劇篩管擋砂介質(zhì)內(nèi)部橋架堵塞,具體堵塞及擋砂動(dòng)態(tài)與篩管介質(zhì)類型、微觀結(jié)構(gòu)、介質(zhì)孔喉尺寸、地層粒徑、泥質(zhì)含量、驅(qū)替流體物性、產(chǎn)量及流速等密切相關(guān)。

(2) 多層濾網(wǎng)微觀擋砂試驗(yàn)中,隨著復(fù)合濾網(wǎng)層數(shù)增加,由于濾網(wǎng)網(wǎng)孔的交錯(cuò)遮擋作用,擋砂精度提高,擋砂能力增強(qiáng),濾網(wǎng)表面及濾網(wǎng)間橋架的地層砂顆粒增加。對(duì)于多層濾網(wǎng)類擋砂介質(zhì)篩管,濾網(wǎng)層數(shù)對(duì)于堵塞滲透率和擋砂效果有直接影響,根據(jù)防砂條件和目的,需要調(diào)整濾網(wǎng)層數(shù)在擋砂介質(zhì)的流通性和擋砂性能之間做出平衡。

(3) 天然氣水合物儲(chǔ)層篩管介質(zhì)擋砂機(jī)制包括氣液流動(dòng)攜砂、篩管擋砂介質(zhì)內(nèi)部橋架堵塞、篩管外部空間的分選橋架堵塞以及篩管高滲透泥皮形成?；谀嗥拥妮o助擋砂和低滲流阻力特性,天然氣水合物儲(chǔ)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。