弱胶结储层微观出砂形态与出砂机理可视化实验模拟研究

董长银 闫切海 周博 王宇宾 邓君宇 宋洋 王力智

1. 中国石油大学(华东)非常规油气开发教育部重点实验室；2. 中国石油集团工程技术研究有限公司

出砂是弱胶结石油与天然气储层以及天然气水合物储层开采过程中的棘手问题，出砂模拟与预测是研究弱胶结储层出砂规律的主要手段［1-2］。早期针对弱胶结储层出砂规律的研究主要基于宏观的剪切破坏和拉伸破坏等机理［3］，国内外学者基于宏观力学分析或连续介质原理研究建立了不同的出砂机理和出砂预测模型，包括线-弹性模型、弹-塑性模型等［4-6］。基于宏观力学的出砂模拟模型无法考虑岩石的微观结构及其非均质性，因此预测结果与实际情况存在一定差异［7-9］。基于宏观出砂机理的出砂预测模型可以实现储层出砂临界条件和总体出砂规律的预测，但也无法揭示微观出砂过程及其储层出砂后的亏空形态［10-12］，而目前出砂模拟的实验研究主要借助于岩心驱替手段，预测出砂条件、出砂量及出砂规律等影响因素［13-16］。这同样是模拟岩心的总体或宏观出砂规律，难以观察和揭示颗粒运移及出砂过程的微观本质与机理，也难以探测出砂造成的微观亏空形态。综上所述，无论是出砂模拟预测的数值模拟研究还是实验模拟研究，目前主要基于宏观出砂机理和着眼于宏观出砂规律，而对于储层微观出砂的模拟尤其是实验模拟研究较少，难以系统地揭示弱胶结储层的微观出砂过程、机理及其本质。

针对上述问题，使用可视化微观出砂模拟装置开展了系列弱胶结岩心微观出砂过程模拟实验，总结提出了系统的微观出砂形态和对应的微观出砂机理，并分析了不同出砂形态及其演变的主控因素和定量规律，以及出砂量的差异及影响因素，为后续储层微观出砂过程数值模拟和出砂规律的精确定量预测提供了新的参考依据。

1 微观出砂形态模拟实验

1.1 实验原理与方法

为了模拟储层岩心在流体驱替作用下的出砂过程，构建了微观出砂可视化模拟实验装置，其结构如图1所示。实验装置由岩心薄片模型模块、显微成像采集模块、气液泵送模块以及集砂模块组成。流体泵送模块的出口与岩心薄片模型模块的入口连接，分为供气线路和供液线路两部分，供气线路通过供气瓶、平流泵和活塞容器实现流体的恒流驱替；供液线路通过平流泵和储液罐直接泵送流体，配合活塞容器可以实现增黏水等高黏流体(最高200 mPa · s)的恒流驱替；岩心薄片模型模块的出口与集砂模块的入口连接，包括矩形模型、梯形模型、径向流模型3种模型，可以根据实验需求选取；显微成像采集模块与岩心薄片模型模块连接，视频显微镜可以任意设置放大倍数、观测位置、角度，能够拍摄视频及图像，最大放大倍数750倍。流体通过薄片模型流动导致岩心样品出砂，通过上方的高清视频显微镜观察样品出砂情况。为了观察样品变化不明显的轻微出砂情况时的现象，薄片模型出口处管线是透明的。为了不同研究目的，岩心薄片模型分为多个种类，此次实验中为了模拟实际生产过程中，越靠近井筒流体流速越大的特点，选取梯形薄片进行实验，薄片填砂空间厚度5 mm。

根据实验需要将砂粒和胶结剂按一定的质量比例在同一容器中混合均匀，将混合料填入薄片模型中，置于恒温箱内，在相同的温度下固化相同的时间。之后将薄片模型取出后自然冷却至室温，然后接入实验装置进行流体驱替实验。按照相同的参数制作2份成分和胶结程度相同的岩心，一个用于出砂模拟实验，另一个用于测试抗拉强度。需要注意的是，人造岩心的制备需要参考实际目标储层岩心的抗拉、抗压和内聚强度以及弹性模量等力学参数。实验的主要目的是研究不同强度下的出砂形态和规律，因此仅测试了抗拉强度参数作为岩心强度物性的表征参数。实验时，首先设定驱替流量，通过视频显微镜观察拍摄样品砂粒的微观脱落行为；通过压力传感器实时记录样品两端压差，配合流量数据，可以计算样品的渗透率；通过集砂系统收集驱替出的砂粒，加热烘干后称重得到样品出砂量。

图1 微观出砂可视化模拟实验装置流程Fig. 1 Flow chart of the visual simulation experimental device of microscopic sand production

1.2 实验材料与实验条件

本实验使用的主要材料为模拟地层砂和环氧树脂胶结剂。实验砂粒准备了粗砂和细砂2种不同的白色工业石英砂，分别标号S1和S2，如图2所示。S1砂样粒度中值0.28 mm，均匀系数2.18；S2砂样粒度中值0.06 mm，均匀系数2.21。2种砂粒粒度分布曲线如图3所示。为了便于显微观察，2种砂样中均加入质量分数1%的蓝色示踪砂。制备岩心样品使用的胶结剂为常规e44环氧树脂，因其黏度很高，实验前用乙醇进行稀释以便准确控制每次的加入量和胶结强度。因需要可视观察，薄片模型开有观察窗并连接透明管路，不能承受过大压力，实验在常温常压下进行。胶结剂的固化温度80 ℃，固化时间约2.5 h。

图2 实验用砂粒样品Fig. 2 Sand sample used in the experiments

图3 实验用砂粒样品粒度分布曲线Fig. 3 Particle size distribution curve of sand sample used in the experiments

2 微观出砂形态与机理实验结果分析

2.1 典型微观出砂形态分析

根据不同实验条件下，实验过程中样品颗粒的微观行为特点和实验后样品的宏观亏空形态，归纳总结出了连续垮塌式出砂、孔隙液化式出砂和类蚯蚓洞式出砂3种典型出砂微观形态。

(1)连续垮塌式出砂形态。在100 mL/min的流量下对胶结强度0 MPa(无胶结物的自然压实)的S1砂样样品和胶结强度0 MPa、0.11 MPa的S2砂样样品进行清水驱替实验，其样品宏观亏空和颗粒微观行为特点如图4和图5所示。实验时的流体入流口位于梯形容器的宽端，出口位于容器的窄端，由于沿流动方向流动面积越来越小，流体流速变高，这样设置的目的是模拟实际近井地带向井流动流体流速逐渐增加的特征。图4和图5所示实验显示典型的连续垮塌式出砂模式。在流体驱替作用下，岩心样品模型内靠近流出口处的颗粒先开始运移，随后颗粒脱落前沿着驱替流体的来流方向，从流出口迅速推进到入流口附近，这个过程时间很短，脱落前沿经过的区域，大量颗粒从原位脱落最终形成宽度很大、波及面积广的较大亏空，作为流体流动的优势通道(图4)。微观上局部颗粒在流体驱替作用下几乎同时发生脱落运移，显微镜微观察视野中的颗粒几乎全部都在移动(图5)。

图4 连续垮塌式出砂亏空形态模拟结果Fig. 4 Simulated sand-production voided morphology of progressive collapse type

图5 连续垮塌式出砂样品颗粒微观形态Fig. 5 Microscopic particle morphology in the sand production sample of progressive collapse type

(2)类蚯蚓洞式出砂形态。在100 mL/min的流量下对胶结强度0.16 MPa、0.33 MPa的S1砂样样品和胶结强度0.39 MPa、0.61 MPa的S2砂样样品进行清水驱替实验，其亏空和颗粒微观行为特点如图6和图7所示。图6和图7为典型的类蚯蚓洞式出砂形态。在流体驱替条件下，在流速较高的流出口附近，颗粒在高流速冲刷下首先发生脱落形成局部亏空，但亏空范围较小；随后亏空边缘处流体来流方向的颗粒发生脱落，形成孔洞形状；继续驱替进行，颗粒脱落形成的孔洞从流出口处开始逐渐向流入口方向沿胶结弱面延伸，形成类似蚯蚓洞的孔道型亏空(图6)。蚯蚓洞形成过程中，下游颗粒不脱落，上游颗粒保持不动。微观上样品颗粒在流体驱替作用下顺着流体流动方向依次脱落，直接形成宏观可见的类蚯蚓洞；有时则会先在宏观孔洞末端形成几个或十几个颗粒宽度的微观孔道(图7)，这些微观孔道也会随流体驱替逐渐延伸，最终靠近宏观类蚯蚓洞的微观孔道两侧的颗粒会发生坍塌脱落，致使宏观孔洞延伸。

图6 类蚯蚓洞式微观出砂形态模拟结果Fig. 6 Simulated microscopic sand production morphology of similar worm hole type

图7 类蚯蚓洞式出砂样品颗粒微观行为Fig. 7 Microscopic particle behavior in the sand production sample of of similar worm hole type

(3)孔隙液化式出砂形态。在100 mL/min的流量下对胶结强度0.56 MPa的S2砂样样品进行清水驱替实验，其样品宏观亏空和颗粒微观行为特点如图8所示。图8的实验模拟结果为典型的孔隙液化式出砂形态模式。在流体驱替条件下，宏观上样品外观保持完整，没有目视可见的颗粒脱落，也未形成明显的亏空，如图8(a)所示。但实际上，在岩心样品内部，胶结相对较弱且尺寸小的颗粒在流体作用下发生脱落运移，因为发生在样品内部，且脱落颗粒的数量及尺寸较小，显微镜中观察不到明显现象，但在出口透明管道内能够看到运移的颗粒，如图8(b)所示。

图8 孔隙液化式出砂样品宏观形态与颗粒运移Fig. 8 Macroscopic morphology and particle migration in the sand production sample of pore fluid type

2.2 微观出砂形态与机理分析

对于弱胶结岩心，砂粒的产出分为3个过程并必须达到3个条件：一是颗粒从岩石骨架或基质上剥落的条件，或者砂粒原本以游离砂形式存在；二是砂粒从砂源地(即砂粒原始存在的地方)，必须具有比自身尺寸大的产出物理通道；三是砂粒在产出通道中必须达到被流体携带的条件。根据实验结果，不同的岩心胶结强度和流体携带条件下，对上述3个出砂过程的影响各不相同，岩心出砂形态在微观上表现出不同的模式和规律，并且具有一定的典型性，下面进一步总结梳理这些形态和相应的出砂机理。

(1)连续垮塌式出砂机理。根据实验结果分析，连续垮塌式出砂形态的特点为，地层砂颗粒在流体作用下出现连续性大面积剥落和运移，颗粒脱落前沿推进速度很快，最终形成宽度较大的条带状亏空。这种出砂模式主要出现在极弱胶结的岩心上。胶结极弱储层岩心的连续垮塌式出砂过程及微观机理示意图如图9所示。胶结极弱储层岩心的连续垮塌式微观出砂机理为：极弱胶结岩心颗粒间的内聚强度较小，在流体流动冲刷携带下，绝大部分或几乎全部颗粒达到从基体上剥落的条件。在靠近裸眼井壁或射孔孔眼孔壁附近的区域，流体流速最高，这些区域也处于出砂外围区域，颗粒首先大面积剥落，造成新的出砂亏空断面，新的出砂断面颗粒在流体作用下继续脱落并在亏空孔道内被流体携带运移，最终展现出连续垮塌出砂形态。连续垮塌式出砂形态主要发生在胶结强度极低的流砂或半流砂储层。

图9 连续垮塌微观出砂机理Fig. 9 The microscopic sand production mechanism of progressive collapse type

(2) 类蚯蚓洞式出砂机理。根据实验模拟结果，类蚯蚓洞式出砂的特点为，在岩心样品的高流速区，局部胶结较弱的颗粒在流体冲刷作用下首先剥离脱落，形成较小的亏空通道；随着流体驱替进行，在亏空孔道边壁上胶结强度较弱的颗粒继续脱落，出砂亏空孔道沿胶结弱面方向扩展，形成类似于蚯蚓洞的出砂形态，如图10所示。实验模拟得到的类蚯蚓洞出砂孔道宽度约为在0.5～1 cm。类蚯蚓洞式出砂机理为：储层岩心胶结颗粒间胶结强度具有一定非均质性，孔隙度和渗透率也具有非均质性，造成流体流速分布不均。在裸眼井壁或射孔孔眼孔壁上，高流体流速区或岩心颗粒胶结强度较低的位置，地层砂颗粒首先脱落，形成微小亏空。出砂亏空处的孔隙增大，流动阻力降低，流体流速增加；使得出砂亏空孔道上周边成为高出砂风险区域。随着驱替进行，亏空孔道壁面上胶结强度较弱的颗粒继续脱落出砂，使得出砂孔道沿非均质的胶结弱面延伸扩展。由于岩心胶结和颗粒尺寸的非均质性，导致出砂亏空孔道不规则，形成类似蚯蚓洞状的出砂孔道形态。类蚯蚓洞出砂形态主要发生在胶结强度较弱、非均质性较强的半流砂或弱固结储层中。

图10 类蚯蚓洞微观出砂机理及过程示意图Fig. 10 Sketch of the microscopic sand production mechanism and process of similar worm hole type

(3) 孔隙液化式出砂机理。根据实验结果，孔隙液化式出砂的特点为，岩心样品在外观并未发生明显的变化，在表面也观察不到地层砂粒的明显运移，但在驱替流体中观察到产出砂粒的存在，岩心确实出现了出砂现象。孔隙液化出砂机理为：由于岩心具有一定的胶结强度，在流体冲刷作用下，从裸眼井壁或射孔孔眼孔壁壁面开始，只有少量胶结强度较低、粒径较细的地层砂粒脱落产出；砂粒产出起到疏通孔隙的作用，降低流动阻力和增大局部流体流速，使得周边达到出砂条件的细小砂粒持续产出。由于产出砂粒径较细，砂量较小，不会对储层岩心结构产生影响，只是使得出砂区域的岩心孔隙度增大，相当于一部分固相颗粒变为流动相而“液化”。孔隙液化出砂过程及机理如图11所示，这种出砂模式一般发生在中高固结强度的储层中。

图11 孔隙液化微观出砂机理及过程Fig. 11 The microscopic sand production mechanism and process of pore fluid type

3 出砂微观形态影响因素分析

弱胶结储层的连续垮塌、类蚯蚓洞和孔隙液化出砂形态和机理受地层砂颗粒粒径、胶结强度、流体流速等多种因素及其非均质性影响，影响规律和机理复杂。通过实验主要探究砂粒粒径、胶结强度和流体流速对3种微观出砂形态的影响规律。

3.1 砂粒尺寸与胶结强度对微观出砂形态的影响

为探究颗粒尺寸与胶结强度对样品出砂微观形态的复合影响，向S1砂样和S2砂样分别加入胶结剂(质量比0%、0.05%、0.1%、0.15%和0.2%)，混合后填入梯形薄片装置置于恒温箱内，在80 ℃的温度下固化2.5 h。之后将样品分别接入驱替装置进行同流量驱替实验，驱替流量100 mL/min，检测记录样品两端压差计算样品的渗透性能。因为实验使用相同的薄片模型，采用流量Q(mL/min)与压差Δp(kPa)的比值Q/Δp(下称流量压差比)表征岩心样品的渗透性变化，得到出砂量与实验中样品渗透性能的变化结果如图12所示。

由图12可看出，随胶结强度的增加，S1砂样品和S2砂样品的出砂量都减小，而且呈现比较明显的阶梯状变化。结合实验样品的宏观亏空形态分析可知，在胶结强度增加的过程中，S1砂样品的出砂形态经历了从连续垮塌式出砂，到类蚯蚓洞式出砂，再到孔隙液化式出砂的3个阶段转变，如图13所示；S2砂样品的出砂形态经历了从连续垮塌式出砂到类蚯蚓洞式出砂的2个阶段转变，如图14所示。

图12 不同粒径地层砂出砂规律对比Fig. 12 Comparison between sand production laws of formation sands with different particle sizes

图13 不同胶结强度下S1砂样的的出砂形态Fig. 13 Sand production morphology of S1 sand sample under different bonding strengths

结果分析表明，弱胶结样品的出砂形态和出砂量受胶结强度与颗粒尺寸的共同影响，2个因素之间有协同作用。从图12还可以看出，类蚯蚓洞式出砂和孔隙液化式出砂的S1样品平衡流量压差比(即渗透性能)基本相同，但后者的出砂量仅为前者的15%左右。出砂量是现场实际生产中衡量出砂程度的一个重要指标，因此辨别储层出砂微观形态具有显著的工程意义。

图14 不同胶结强度下S2砂样的的出砂形态Fig. 14 Sand production morphology of S2 sand sample with different bonding strengths

3.2 驱替流量对微观出砂形态的影响

为了探究驱替流量对岩心微观出砂形态的影响，向S2砂中加入质量分数 0.1%的胶结剂，胶结后强度约为0.22 MPa，混合后填入梯形薄片装置，在相同环境条件下进行固结制备5个相同的样品，分别使用100、80、60、40 mL/min的流量进行驱替实验，实验过程中检测记录样品两端压差，计算样品渗透性能的变化并用记录出砂量，得到如表1所示的出砂量结果和如图15所示的出砂形态模拟结果。

表1 出砂量随驱替流量的变化Table 1 Variation of sand production rate with displacement rate

分析图15和表1可以发现，随着驱替流量的减小，岩心出砂量明显降低；出砂微观形态逐渐从连续垮塌式出砂与类蚯蚓洞式出砂的过渡阶段转变为类蚯蚓洞式出砂，即驱替流量的减小会降低样品出砂的严重程度。值得注意的是，驱替流量从100 mL/min降低为40 mL/min后，微观出砂形态并没有发生明显改变，依然以类蚯蚓洞为主。这意味着颗粒尺寸与胶结强度及其非均质性是影响出砂微观形态的主要因素，驱替流量对出砂微观形态的影响相对次之，但会大幅影响出砂量。

图15 不同驱替流量下S2砂样的的出砂形态Fig. 15 Sand production morphology of S2 sand sample at different displacement rates

实际工程现场更关注油井出砂量与产量之间的关系。利用表1的实验数据进行拟合，可得到类蚯蚓洞出砂模式下出砂量与流体流量的关系，如图16所示。岩心样品的出砂量与驱替流量Q2/3基本呈线性关系。

图16 出砂量m与Q2/3的关系Fig. 16 Relationship between m and Q2/3

3.3 驱替时间对出砂的影响

实验过程中发现，流体驱替时间对岩心样品的出砂规律有一定影响。图17为S1地层砂在掺入不同比例胶结剂后的2种胶结强度(分别为0.16 MPa和0.33 MPa)下，进行驱替实验得到的流量压差比随时间变化关系，可以看出，胶结强度0.33 MPa的样品渗透性能始终保持稳定；而胶结强度0.16 MPa的样品在驱替初期流量压差比维持在0.5 mL/(kPa · min)左右并持续了一段时间，随后迅速升高到1.7 mL/(kPa · min)左右。这种渗透性的突发性较大提高说明岩心发生了短时间大量出砂。分析认为，流体对颗粒间胶结物具有软化削弱作用，驱替时间越长胶结物的浸泡时间越长，颗粒间强度逐渐越低；当胶结强度降到出砂条件以下后，发生突发性大量出砂。岩心样品微观出砂形态和出砂量不仅受胶结强度和驱替流量的影响，还和驱替时间相关；长时间的驱替可能促使出砂形态向更严重的方向转变。

图17 驱替时间对样品出砂形态的影响Fig. 17 Effect of displacement time on sand production morphology

4 结论与认识

(1) 通过可视化微观出砂模拟实验手段，研究提出了弱胶结储层连续垮塌式、类蚯蚓洞式和孔隙液化式3种典型的微观出砂形态和出砂机理。连续垮塌式出砂一般发生在流砂或半流砂地层，类蚯蚓洞式出砂一般发生在非均质性较强的半流砂或弱固结储层，而孔隙液化出砂模式多发生在中高固结强度地层。

(2) 胶结强度和颗粒尺寸是影响微观出砂过程和出砂形态的主要因素，且两者间有相互耦合作用；驱替流量对微观出砂形态的影响次之，但会明显影响出砂量；驱替流体对颗粒间胶结强度有削弱作用，长时间的驱替过程可能诱使出砂微观形态趋向于向出砂加剧的形态转变。

(3) 出砂形态和驱替流量是影响出砂量的主要因素，类蚯蚓洞式出砂形态下的出砂量与驱替流量Q2/3大致呈线性关系；孔隙液化式的出砂量仅为类蚯蚓洞式出砂形态出砂量的15%。