砾石充填层渗透率实验研究

朱春明，王希玲，张海龙，邓金根

（1.中海油田服务股份有限公司，天津 300450；2.中国石化国际石油勘探开发有限公司，北京 100083；3.中国石油大学（北京），北京 102249）

砾石充填层渗透率实验研究

朱春明1，王希玲2，张海龙1，邓金根3

（1.中海油田服务股份有限公司，天津 300450；2.中国石化国际石油勘探开发有限公司，北京 100083；3.中国石油大学（北京），北京 102249）

摘 要：针对实际生产过程中砾石充填层会被地层砂侵入的问题，通过室内模拟实验，深入研究砾石充填层被地层砂侵入之后的渗透率变化。实验结果表明：砾石充填层的防砂效果与砾石和地层砂匹配程度有密切关系；砾石充填层渗透率与地层砂的粒度中值、不均匀系数、泥质含量和生产压差等因素有关，在其它影响因素不变的情况下，砾石层渗透率与地层砂粒度中值成正比，与不均匀系数、泥质含量和生产压差成反比。该研究为砾石充填井产能预测中砾石充填层渗透率的变化提供依据，对指导工程实践具有一定意义。

关键词：砾石层；渗透率；地层砂；粒度参数；模拟实验

Experimental Study of the Permeability of Gravel Layer

ZHU Chunming1, WANG Xiling2, ZHANG Hailong1, DENG Jingen3

（1. China Oilfield Services Limited, Tianjin 300450, China; 2. International Petroleum Exploration and Development Company Ltd., SINOPEC, Beijing 100083, China; 3. China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

Abstract:In view of invasion problem of gravel layer by formation sand in actual production process, through the indoor simulation experiment, further study has been conducted on permeability variation of gravel layer after invasion by formation sand. The experimental results show that sand control result of gravel layer is closely related with matching degree between gravel and formation sand. The permeability of gravel layer is related with formation median grain size, nonuniformity coefficient, shale content and drawdown pressure, under the case of other influence factor unchanged, gravel layer permeability is proportional to formation median grain size; is inversely proportional to shale content, nonuniformity coefficient and drawdown pressure. The study provides a basis for forecasting the productivity with the change of gravel layer permeability, which has certain significance for guiding engineering practice.

Keywords:gravel layer; permeability; formation sand; grain size parameter; simulation experiment

目前，砾石充填防砂是机械防砂常用技术之一，对原油的稳定开采起着重要作用[1-5]。而砾石充填防砂的关键是砾石尺寸的优选[6-10]，国内外很多学者对此开展了大量研究，但他们都是用比较均匀的地层砂进行模拟实验，因此得到实验结论与现场结果差别较大。本文利用不同粒度分布的地层砂进行试验，分析不同粒度分布下地层砂侵入砾石层后渗透率变化规律，从而为砾石充填防砂中砾石尺寸优选提供依据。

1　室内实验

1.1 实验装置及条件

砾石充填层渗透率实验装置是由玻璃钢材料

所制，它主要由四部分组成：砂体填料筒、数据采集系统、稳压供液系统和循环系统。通过测定填砂筒的进、出口压力和流量，根据达西定律，可以得出砾石充填层的渗透率变化。

按照不同的砂配比，得到地层砂不均匀系数（地层砂筛析曲线上占累积质量40%的地层砂粒径与占累积质量90%的地层砂粒径比值，一般用Uc表示，Uc≤3为均匀砂；Uc≥5为不均匀砂）、地层砂粒度中值d50和泥质含量均不同的地层砂样品。地层砂粒度分布曲线如图1所示。根据Saucier砾石尺寸选择标准[D50=（5～6）d50，D50为砾石的粒度中值]来选择砾石的尺寸。实验所用流体为机油，黏度为50～100 mPa·s。

图1　地层砂粒度分布曲线

1.2 实验流程

实验流程如图2所示。砂体填料筒直径为5 cm，砾石充填段长度为15 cm，地层砂段长度为35 cm。实验时，将砾石充填在填料筒中，地层砂充填在填料筒另一端，并充分震动，以得到固定的阻力特性，使砾石层和地层砂均处于自然堆积状态，减少气体对实验的影响。利用供液泵给填砂筒供液，保持供液压力为定值。利用测得的实验压差和流量，计算得到砾石充填层的渗透率。取不同的砂样和砾石，重复以上实验步骤。

图2　实验装置流程图

2　实验结果与分析

2.1 砾石层渗透率与地层砂粒度中值的关系

将地层砂分为均匀（Uc≤3）和不均匀（Uc≥5）两种，限定地层砂泥质含量在某一范围（质量分数为5%～10%），改变地层砂的粒度中值d50，通过实验得出砾石充填层的渗透率与地层砂粒度中值的关系，结果如图3所示。

图3　砾石层渗透率与地层砂粒度中值的关系

从图3可以看出：对于均匀程度不同的地层砂，砾石层渗透率都随着地层砂粒度中值的增加而增大，均匀地层砂对应的砾石层渗透率降幅较不均匀地层砂的明显；对于粒度中值小于150 μm的地层砂，建议根据Saucier砾石尺寸选择标准适当缩小砾石尺寸，即D50=（4～5）d50；对于粒度中值大于150 μm的地层砂，建议根据Saucier砾石尺寸选择标准适当放大砾石尺寸，即D50=（6～7）d50。

2.2 砾石层渗透率与地层砂不均匀系数的关系

将地层砂粒度中值限定在某一值（d50= 150 μm），根据Saucier砾石尺寸选择标准，得到砾石尺寸为16～30目，地层砂泥质含量限定在某一范围（质量分数5%～10%），改变地层砂的不均匀系数，通过实验得出砾石充填层的渗透率与地层砂不均匀系数的关系，结果如图4所示。

从图4可以看出：砾石层渗透率随着地层砂不均匀系数的增加而降低，对于不均匀系数小于10的地层砂，砾石层的渗透率降幅比较明显，建议根据Saucier砾石尺寸选择标准适当放大砾石尺寸，即D50=（6～7）d50；对于不均匀系数大于10

的地层砂，砾石层渗透率降幅比较缓慢，建议根据Saucier砾石尺寸选择标准适当缩小砾石尺寸，即D50=（4～5）d50。

图4　砾石层渗透率与地层砂不均匀系数的关系

2.3 砾石层渗透率与地层砂泥质含量的关系

将地层砂分为均匀（Uc≤3）和不均匀（Uc≥5）两种，限定地层砂粒度中值在某一值（d50=150 μm），根据Saucier砾石尺寸选择标准，得到砾石尺寸为16～30目，改变地层砂泥质含量，通过实验得出砾石充填层的渗透率与地层砂泥质含量的关系，结果如图5所示。

图5　砾石层渗透率与地层砂泥质含量的关系

从图5可以看出：对于均匀程度不同的地层砂，砾石层渗透率随着地层砂泥质含量的增加而降低，对于泥质质量分数小于10%的地层砂，砾石层的渗透率降幅比较明显，建议根据Saucier砾石尺寸选择标准适当放大砾石尺寸，即D50=（6～7）d50；对于泥质质量分数大于10%的地层砂，砾石层渗透率降幅比较缓慢，建议根据Saucier砾石尺寸选择标准适当缩小砾石尺寸，即D50=（4～5）d50。

2.4 砾石层渗透率与生产压差的关系

将地层砂分为均匀（Uc≤3）和不均匀（Uc≥5）两种，限定地层砂粒度中值在某一值（d50=150 μm），根据Saucier砾石尺寸选择标准，得到砾石尺寸为16～30目，改变生产压差，通过实验得出砾石充填层的渗透率与生产压差的关系，结果如图6所示。

图6　砾石层渗透率与生产压差的关系

从图6可以看出：砾石层渗透率随着生产压差的增加而降低，生产压差小于4 MPa，砾石层渗透率降幅比较明显；生产压差大于4 MPa，砾石层渗透率降幅比较缓慢；建议在实际生产过程中要控制生产压差，避免压差过大造成砾石层的堵塞。

3　结论与建议

（1）砾石充填层渗透率与地层砂的粒度中值，不均匀系数和泥质含量等因素有密切关系，在其它影响因素不变的情况下，砾石层渗透率随地层砂粒度中值减小而降低；随地层砂不均匀系数的增加而降低；随地层砂泥质含量增加而降低。

（2）通过观察实验后砾石层和地层砂的交界面，可以得出地层砂侵入砾石层的距离与地层砂粒度中值成反比；与不均匀系数、泥质含量和生产压差成正比。

（3）随着生产压差的增加，砾石层渗透率明显下降，因此在实际生产中，建议初期的生产压差不要超过4 MPa，从而可以降低地层砂对砾石层的侵入程度，避免砾石层的堵塞。

（4）对于不同的储层，建议在砾石尺寸优选时要根据地层砂的粒度中值、不均匀系数和泥质含量进行适当的调整，从而能够降低砾石层堵塞的风险。

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作者简介：第一朱春明，男，1983年生，完井工程师，硕士，2009年毕业于中国石油大学（北京）油气井工程专业。E-mail：zhuchunming27@163.com。

收稿日期：2014-07-01；改回日期：2014-09-17

基金项目：中海油田服务股份有限公司项目“渤海地区油气井防砂方式优选”部分研究成果（C201009）。

文章编号：1008-2336（2015）01-0067-03

中图分类号：TE358+.1

文献标识码：A DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2015.01.067