含聚合物疏松砂巖巖心出砂形態微觀模擬實驗

周博 ，董長銀 ，王力智 ，劉晨楓 ，趙益忠 ，魏彩霞 ，宋洋

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東 青島 266580；2.中國石化勝利油田分公司石油工程技術研究院，山東 東營 257000）

為提高油氣采收率，聚合物驅被廣泛應用于油氣田開發。儲層條件復雜的疏松砂巖油藏聚合物驅時，聚合物在向生產井流動過程中會逐步與油藏礦物和地層水相互作用，發生復雜的物理、化學反應，形成大量聚合物軟膠團[1-6]。聚合物軟膠團運移時，受到儲層孔喉直徑的限制，易造成堵塞。聚合物軟膠團具有高黏性，流動性差。隨著新鮮聚合物的不斷注入和推進，聚合物軟膠團在近井儲層形成并從生產井攜砂產出[7-10]。目前，對油田注聚井中聚合物堵塞物的結構組分及油層中聚合物堵塞物的堵塞機理已有初步認識[11-13]。國內外學者針對易出砂的疏松砂巖油氣儲層，基于巖石宏觀破壞模式和宏觀力學分析手段，開展了大量關于出砂機理和出砂規律預測方法的研究工作，認為儲層出砂是由于巖石首先發生宏觀力學破壞，然后導致砂粒產出[14-28]。然而，這些研究存在一定的局限性，目前對聚合物及其衍生物的存在是否會影響疏松砂巖儲層出砂及其出砂機理、規律尚不明確。近些年來，微觀尺度上的出砂可視化實驗已成為出砂機理研究的重要組成部分[29-34]，但仍缺乏將其運用于聚合物驅儲層出砂機理的研究。為此，筆者運用可視化的微觀出砂模擬實驗裝置和巖心模擬驅替實驗方法進行了聚合物賦存條件下注聚井和油井的出砂機理和出砂形態研究，分析了聚合物驅形成衍生物對出砂形態的影響，提出了聚合物黏附拖曳和膠團邊界繞流機理，以指導聚合物驅儲層出砂后的生產。

1 實驗

1.1 實驗原理與裝置

油田現場發現聚合物驅后期油井產出包裹原油的聚合物攜砂膠團，同時發現注入井注聚困難，擋砂介質堵塞嚴重[21]。其主要原因是：聚合物在多孔介質中與流體、礦物相互反應形成聚合物衍生物，并聚集成團；老化后的聚合物流體性質發生變化，部分衍生物聚團滯留在孔喉內，對儲層微粒運移產生影響。本實驗的原理主要基于巖心微觀出砂機理[25]。砂粒脫落的原因主要包括流體的拖曳力引起微粒剝落和水巖反應等引起的膠結劑失效[26]。聚合物體系黏度較高，儲層流體在孔喉中流動對內壁顆粒有拖曳和摩擦作用；在儲層深處流速相對較低，流體的黏滯力具有優勢，對于聚合物驅儲層生成的衍生物聚團，這種黏滯力則更明顯。另外，研究發現多數聚合物驅井堵塞是因出砂形成的砂核周圍纏繞著大分子聚合物形成的膠團，其主要尺寸與實際地層的孔喉直徑不匹配，進而造成堵塞[27]。基于上述油井出砂與聚合物驅堵塞機理，開展了新鮮聚合物及聚合物衍生物賦存狀態下巖心出砂過程模擬實驗。

本實驗采用可視化微觀出砂模擬實驗裝置（見圖1）。該裝置包括顯微成像采集、氣液泵送、巖心薄片模型及集砂等模塊。氣液泵送模塊設置有平流泵，輸出時最大流量為100 mL/min，最大壓力為5 MPa；通過調節閥門可直接向巖心薄片模型注入清水，或通過活塞容器注入其他流體。巖心薄片模型模塊與顯微成像采集模塊共同組成可視化系統：在具有透明玻璃窗口的模具中加入地層砂后，恒溫固化以模擬巖心；通過顯微成像采集整個實驗過程中的巖心出砂形態圖像及視頻，最高可放大750倍。本實驗選擇梯形和矩形模型巖心薄片，薄片填砂面積皆為48.0 cm2，填砂厚度5 mm，約可填入實驗樣砂200 g。巖心薄片模型模塊出入口均設置有壓力傳感器，出口管線為透明軟膠管，方便觀察出砂現象。

圖1 可視化微觀出砂模擬實驗裝置示意

1.2 實驗材料與條件

本實驗進口壓力取決于實驗排量、實驗流體黏度和薄片內顆粒膠結體的孔隙度。實驗驅替流量為100 mL/min。模擬地層砂樣為工業石英砂和泥質模擬砂，地層砂粒徑中值為0.3 mm，向其中加入少量彩色示蹤砂以便顯微觀察。巖心膠結劑采用雙酚A形環氧樹脂與水性環氧固化劑，其質量比為1∶1，膠結劑的質量分數為0.5%。將加入膠結劑的砂樣放入恒溫箱進行固化，固化溫度為80℃，固化時間為4 h。為保持實驗條件一致，無聚合物膠結后的巖心需經過抗壓強度測試，壓力范圍在0.70～0.75 MPa。

本實驗采用聚合物原液和聚合物衍生物分別模擬實際聚合物驅過程中儲層內注入的新鮮和老化的聚合物。聚合物原液采用聚丙烯酰胺配制，質量濃度為1200 mg/L。聚合物衍生物來自現場油井產出物，對不同井返排出的聚合物衍生物用燃燒法和經粉末衍射進行成分分析。分析測定結果表明，聚合物衍生物主要由原油、老化的聚丙烯酰胺、無機組分組成，其中聚合物質量分數為70%～90%，聚合物中還裹挾著質量分數為10%～20%的黏土、砂粒及垢等。

2 實驗結果分析

本文的實驗研究著重于注聚井和油井出砂過程模擬，分別在新鮮聚合物和聚合物衍生物賦存條件下開展微觀尺度驅替實驗。為了便于進行實驗結果對比，附加無聚合物條件下的巖心實驗。

2.1 無聚合物條件下的出砂形態

將無聚合物條件下的出砂模擬作為基準對照實驗。該實驗采用質量分數0.5%的膠結劑膠結條件下的梯形和矩形巖心薄片。通過清水驅替，在弱膠結區域出現出砂虧空，呈現不規則孔洞形態，薄片虧空區域面積為1.6 cm2。通過驅替過程視頻分析，驅替初期出口透明管道內出現微量顆粒運移，一段時間后集砂器內砂粒數量略有增加，長時間驅替后出砂量不再變化。分析其原因主要是：出口處壓力低、流速快，流速增大到臨界出砂流速后，砂體結構破壞，出現出砂現象；出砂后，孔道疏通，入口壓力逐漸下降，出口高流速區附近出砂加劇；最終，能夠從巖心脫落的顆粒越來越少，骨架核趨于穩定。

2.2 注聚井新鮮聚合物驅替條件下的出砂形態

利用上述同等膠結條件下的梯形巖心薄片，通過新鮮聚合物驅替，觀察驅替后巖心的出砂情況，出砂形態如圖2所示。可以看出，新鮮聚合物驅后砂粒在流體作用下大量運移，并逐漸在液體入流口和出流口之間形成主要滲流通道，孔道呈現多彎曲的類蚯蚓洞式，出砂虧空區域面積約10.6 cm2。

圖2 新鮮聚合物驅替后的巖心出砂形態

從微觀照片可看出，隨著新鮮聚合物持續驅替，孔道邊壁顆粒隨液體流出，擴大優勢通道，在同等實驗條件下比無聚合物實驗巖心出砂嚴重，最終出砂虧空區域面積是無聚合物條件下（即基準對照實驗條件下）的6.62倍（面積比），表現出高黏流體促進攜砂出砂的效應。

2.3 油井聚合物衍生物堵塞條件下的出砂形態

為明確油井近井地帶聚合物衍生物對出砂的影響，用直徑0.1～2.0 cm的聚合物衍生物聚團和地層砂共同膠結成巖心薄片進行驅替實驗。最終根據實驗后的巖心滲透率，將不同尺寸、數量聚合物衍生物的巖心分為堵塞程度不同的3類進行對比分析（見圖3）。

圖3 不同堵塞程度聚合物衍生物聚團賦存下的巖心出砂形態

由圖3可以看出，相對于新鮮聚合物驅替后，聚合物衍生物堵塞情況下聚團黏結砂呈現相對輕微的出砂虧空形態。對于輕微堵塞的巖心（見圖3a），出砂虧空區域面積約為7.9 cm2，是無聚合物條件下的4.93倍。出砂虧空區域延伸到流體入口，孔道在較大尺寸的衍生物聚團外側繞行，呈環繞聚合物衍生物聚團類蚯蚓洞式出砂虧空形態，且出現較明顯的擴展。對于中度堵塞的巖心（見圖3b），通過變換衍生物聚團位置的多組實驗驗證，聚合物衍生物的確會增加其鄰近位置的出砂風險，位于通道處的聚團邊緣出砂更為明顯，形成環狀出砂虧空形態。由于聚合物衍生物本身沒有流通性，聚合物衍生物聚團堵塞時，黏結部分從骨架脫離的可動砂會降低黏結區域的出砂風險，但會加劇衍生物膠結范圍再向外一層區域的出砂程度。中等堵塞巖心的出砂虧空區域面積累計約4.1 cm2，是無聚合物條件下的2.56倍；而重度堵塞巖心的出砂虧空區域面積約3.7 cm2（見圖3c），是無聚合物條件下的2.31倍。

從顯微鏡放大的微觀視頻分析發現，聚合物衍生物堵塞后，流體向聚合物衍生物聚團周圍繞流，聚團邊緣存在多處砂粒剝離后的小坑洞，明顯地看到邊緣的砂粒隨流體驅替產生波動，砂粒逐個脫離巖心隨流體排出。通過拍攝的顯微照片（見圖4）也發現，在聚合物衍生物聚團附近，均出現了砂粒剝離產生的坑洞，多組實驗發現堵塞在巖心中的聚團邊緣均存在輕微出砂現象。——這表明驅替流體遇到堵塞聚團存在繞流現象，并在聚合物衍生物聚團周圍形成不連續的環形孔道，而出口處流速更大，出砂虧空區域也更明顯。也就是說，聚合物衍生物聚團周邊出砂較為嚴重，形成局部高流速區，出現出砂孔道。同時，在薄片入口處的聚合物衍生物聚團周圍未發生明顯變化，但通過顯微照片（見圖4d）發現，其周圍仍有砂粒剝離，形成可動砂，但因沒有明顯出砂通道，未出現宏觀出砂現象。

圖4 聚合物衍生物聚團賦存狀態下微觀出砂形態

根據出砂形態分析，新鮮聚合物賦存和不同堵塞程度聚合物衍生物賦存狀態下的出砂虧空區域面積，與無聚合物條件下相比，出砂虧空區域面積均有所增大。新鮮聚合物賦存時，出砂孔道寬度在0.5～1.0 cm，出砂虧空區域面積是無聚合物條件下的7～10倍；聚合物衍生物賦存時，出砂孔道寬度在0.1～2.0 cm，出砂虧空區域面積是無聚合物條件下的2～5倍（見圖5）：因此，聚合物及衍生物的存在會影響疏松砂巖儲層出砂。

圖5 不同聚合物及衍生物賦存下出砂虧空區域面積及面積比

根據實驗液路壓差繪制聚合物衍生物聚團賦存（選擇中度堵塞程度的巖心）、新鮮聚合物賦存和無聚合物條件下的巖心滲透率動態變化曲線（見圖6）。在同等驅替流量條件下，聚合物衍生物賦存狀態下的巖心滲透率比新鮮聚合物賦存和無聚合物狀態下更低，表明聚合物衍生物的堵塞作用更明顯。聚合物衍生物聚團賦存狀態下的巖心滲透率在驅替后小幅升高，在穩定階段提高了11.11%；新鮮聚合物賦存與無聚合物條件下的起始滲透率較高，驅替到穩定階段滲透率分別提高了23.80%和58.90%，表明新鮮聚合物賦存與無聚合物狀態下出砂嚴重。尤其是新鮮聚合物賦存狀態下的巖心，其微觀出砂形態出現較大規模類蚯蚓洞和連續垮塌，是巖心滲透率大幅提高的主因。

圖6 不同條件下實驗巖心滲透率隨時間的變化曲線

由此說明，與新鮮聚合物相比，聚合物衍生物更易發生堵塞，這對出砂孔道的延伸造成了一定影響。未出現堵塞時，孔道朝一個方向彎曲延伸，而在聚合物衍生物賦存時，孔道多呈環狀并向外擴張。另外，這種不連續環狀的虧空，不僅存在于大尺寸的聚合物衍生物聚團附近，在小尺寸聚團的微觀照片中也有發現。當聚合物衍生物聚團尺寸較大時，環狀擴張式虧空明顯，但總體虧空區域面積相對較小；當聚合物衍生物分布較多且不集中時，出砂孔道呈現出在聚合物衍生物外側環繞的趨勢，同時出砂虧空區域面積更大。

3 巖心微觀出砂機理

3.1 新鮮聚合物黏附拖曳出砂

根據新鮮聚合物驅替下的出砂模擬實驗結果展示的出砂虧空形態，本文提出新鮮聚合物對微觀出砂的影響機理——聚合物黏附拖曳出砂。

聚合物具有良好的延伸性和黏滯性[35]，砂粒在聚合物的黏附作用下被施加拖曳力，當拖曳力大于膠結強度時，就會出現出砂虧空現象。由于新鮮聚合物不易發生堵塞且波及效率較高，在儲層內運移過程中，出砂從初始砂粒剝離的孔道末端向入流方向逐漸延伸，最終形成多彎曲的類蚯蚓洞式孔道。對于弱膠結儲層，出砂首先會在高流速剪切區發生，出砂后的虧空區域阻力降低，聚合物流體更易占據虧空。聚合物趨向于沿大孔道或高滲透帶流動，加之其攜砂能力較強，會擴大出砂范圍，直至在驅替區域的出入口之間形成優勢通道。因此，注入井附近注入新鮮聚合物后形成類蚯蚓洞式孔道網絡，可以提高儲層滲透率；同時，出砂量也會隨儲層虧空區域擴張而增大，游離砂被聚合物卷攜至儲層下游，促進了聚合物衍生物聚團的生成和堵塞的發生。

3.2 聚合物衍生物聚團邊界繞流出砂

根據聚合物衍生物聚團賦存條件下的出砂模擬實驗結果展示的出砂虧空形態，本文提出聚合物衍生物聚團對微觀出砂的影響機理——聚團邊界繞流出砂。

聚合物易黏附從骨架剝離的砂粒。微觀照片顯示，聚合物對游離砂粒有一定攜帶作用，當它在孔道中發生運移時，孔道邊緣將要剝離的砂粒也會受到聚合物拖曳力的作用而破壞原有膠結體系。新鮮聚合物在儲層中運移，與地層水反應并老化，使其黏度、所含固體質量明顯增大[36]，纏繞在砂粒、礦物、泥質等內核上逐漸形成新的衍生物，最終變成聚合物衍生物聚團。聚合物衍生物聚團賦存時的出砂形態呈類蚯蚓洞式，其形成與驅替流量、巖心膠結強度有關[37]。實驗發現，聚合物衍生物聚團附近的類蚯蚓洞具有明顯環狀虧空擴張的現象，即類蚯蚓洞環繞著聚合物衍生物聚團延伸。分析認為，由于聚合物衍生物聚團本身沒有流通性，驅替流體到達聚合物衍生物聚團位置即形成流動死區，流體隨即在聚合物衍生物聚團邊緣形成高速剪切流動區（見圖7），加速其邊緣砂粒的剝離，加劇相鄰區域出砂，增加出砂虧空區域面積。這就是聚合物衍生物聚團對微觀出砂的影響機理——聚團邊界繞流出砂。另外，不論聚合物衍生物聚團大小，孔道在其附近均呈環狀的類蚯蚓洞式，只是當聚團較大時，聚團對出砂孔道延伸的影響更加明顯。

圖7 聚合物衍生物聚團賦存狀態下微觀出砂機理示意

4 聚合物驅后儲層出砂應對策略

儲層經過長時間聚合物驅替，生產井近井地帶聚合物衍生物的聚集會造成儲層堵塞，油井產量嚴重下降，防砂效果變差。由于對注聚井近井地帶出砂虧空形態、聚合物及其衍生物賦存狀態、儲層物性變化認識不清，無法為防砂工藝設計和實施提供技術支撐，因此，準確預測聚合物驅的疏松砂巖儲層中近井地帶出砂虧空形態，是預測出砂和適度防砂的關鍵問題之一。本文開展的聚合物賦存條件下疏松砂巖巖心微觀出砂形態模擬實驗，為聚合物驅出砂儲層生產提供了如下思路。

——反演聚合物驅老井近井地帶出砂虧空形態，指導后續聚合物驅防控砂優化。聚合物驅油層出砂過程模擬和反演技術，是根據油井地層物性、生產歷史模擬而獲得近井地帶出砂形態和虧空剖面的，這有助于后續生產和防控砂作業優化。例如：基于出砂虧空形態的擠壓充填過程模擬，可提高篩管外擠壓充填程度；同時，開展以介質穩定性為目的的防控砂參數優化，可進一步提高防控砂效果，減少聚合物驅井堵塞降產問題。

——掌握聚合物驅后期儲層出砂規律，指導聚合物驅儲層開采優化。聚合物驅油井近井地帶容易形成聚合物衍生物聚集，造成近井地帶堵塞。根據實驗結果，聚合物衍生物聚集的黏結作用會減緩儲層出砂程度和趨勢，但同時會降低產能。適當提高篩管介質精度和充填礫石尺寸，可以增強流通性，以減緩堵塞。除此之外，可以通過材料表面改性，改進固相充填材料和篩管材料，減輕防砂層的聚合物堵塞，或通過高飽和充填緩解近井堵塞。

5 結論

1）針對注聚井的模擬實驗結果表明，出砂虧空區域多為彎曲類蚯蚓洞式，實驗條件下其寬度在0.5～1.0 cm，虧空區域面積是無聚合物條件下的7～10倍。因新鮮聚合物黏性流體的拖曳作用增加了出砂風險。

2）針對油井的模擬實驗結果表明，出砂虧空區域多呈環狀類蚯蚓洞式，實驗條件下其寬度在0.1～2.0 cm，出砂虧空區域面積是無聚合物條件下的2～5倍。聚合物衍生物聚團會阻擋出砂的類蚯蚓洞延伸，堵塞程度越嚴重，單個出砂虧空區域范圍越小，可從一定程度上減緩出砂；但由于邊界繞流，加劇聚合物衍生物聚團堵塞區邊緣出砂，出砂在近井高流速區尤為嚴重。

3）利用巖心微觀模擬方法，可實現對不同聚合物賦存狀態下出砂形態的刻畫，可開展對儲層出砂形態微觀模擬實驗的研究；同時，利用該方法有助于建立聚合物驅油藏出砂過程動態模型，進而利用模型反演聚合物驅老井近井地帶出砂虧空形態，進行儲層出砂預測，對今后聚合物驅防控砂和聚合物驅儲層開采優化具有一定的指導意義。