疏松砂巖稠油油藏防砂介質的原油-地層砂協同復合堵塞機制與規律

董長銀 劉洪剛 韓耀圖 李進 胡澤根 戰鑫杰 王浩宇

摘要 ：針對稠油出砂井防砂介質堵塞問題，使用稠油與水混合液攜帶地層砂，開展單向驅替流動、熱采交變吞吐流動兩種模式下的擋砂堵塞驅替模擬試驗，揭示不同條件下割縫、繞絲、復合濾網和礫石層等多類型防砂介質的稠油-地層砂協同堵塞機制與規律，根據堵塞機制和定量關系，構建稠油-地層砂對防砂介質堵塞程度和動態產能預測模型。結果表明：高黏度稠油對防砂層多孔介質具有明顯堵塞作用，滲透率損傷可高達70%；稠油防砂井中，存在稠油和地層砂對防砂介質的協同堵塞機制，稠油以束縛油的形式占據介質空間，加劇內部分選橋架堵塞，最終造成90%以上滲透率損害，但同時擋砂效果得到提升；熱采蒸汽交變吞吐生產方式對稠油-地層砂的協同堵塞具有明顯的解除堵塞效應；但隨著交替輪次的增加，解堵和滲透率恢復幅度逐漸下降；對于稠油油藏防砂，建議擋砂精度相比常規油藏防砂精度放寬1～2個等級。

關鍵詞 ：稠油油藏; 防砂介質; 協同堵塞; 堵塞機制; 交變解堵; 蒸汽吞吐

中圖分類號 ：TE 355 ???文獻標志碼 ：A

引用格式 ：董長銀，劉洪剛，韓耀圖，等.疏松砂巖稠油油藏防砂介質的原油-地層砂協同復合堵塞機制與規律［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2024，48（1）：133-141.

DONG Changyin， LIU Honggang， HAN Yaotu， et al. Mechanisms of crude oil-sand synergistic plugging of sand control media in heavy oil and unconsolidated sand stone reservoirs［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2024，48（1）：133-141.

Mechanisms of crude oil-sand synergistic plugging of sand

control ??media in heavy oil and unconsolidated sand stone reservoirs

DONG Changyin ?1，2 ， LIU Honggang ?1，2 ， HAN Yaotu 3， LI Jin 3， HU Zegen 4， ZHAN Xinjie ?1，2 ， WANG Haoyu ?1，2

（1.Key Laboratory of Unconventional Oil & Gas Development （China University of Petroleum（East China））， ?Ministry of Education， Qingdao 266580， China;

2.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum（East China），Qingdao 266580， China;

3. Bohai Petroleum Research Institute， CNOOC Oilfield Services （China） Company Limited， Tianjin Branch， ?Tianjin 345000， China;

4.CNOOC Oilfield Services （China） Company Limited， Tianjin Branch， Tianjin 345000， China）

Abstract ： Regarding to the problem of sand control media blockage in sand producing wells of heavy oil， water and heavy oil mixed fluids were used to carry formation sands， conducting sand blocking displacement experiments with two modes of one-way displacement flow and thermal production alternating hubble-spit flow. The plugging mechanisms and flow behavior of heavy oil-formation sands were revealed with multiple sand controlling media， including three screens and gravel layers of slits， wire winding， composite screen， and multiple sand retaining media of composite screens under different conditions. A prediction model to evaluate the plugging degree of sand control media by heavy oil-formation sands was proposed. The results show that high viscosity heavy oils have an obvious blocking effect on the porous media of the sand control layer， and the permeability damage can be up to 70% depending on the viscosity and flow velocity of the heavy oil. In heavy oil sand control wells， there exist complex and synergistic plugging mechanisms of heavy oil and formation sands to the sand control media. Heavy oil can occupy the medium space in the form of binding oil， aggravate the blockage of internal separation bridge， which can cause a permeability damage of more than 90%， meanwhile the sand retaining effect can be improved. In the thermal recovery process of steam injection， the alternating huff and puff production mode can have an obvious plugging relief effect on the plugging of heavy oil and formation sands. However， with the increase of injection-production cycles， the capability of plugging removal and permeability recovery can be gradually decreased. The synergistic plugging of heavy oil-formation sands under different production modes is obviously related to the viscosity of heavy oil， oil production rate， flow rate and other factors， which needs to be considered to evaluate the dynamic productivity of heavy oil sand control wells. For the sand control medium precision design of heavy oil reservoirs， it is recommended to relax the sand control precision of conventional oil reservoirs by 1-2 levels.

Keywords ： heavy oil reservoir; sand control media; synergistic plugging; plugging mechanism; alternating unblocking; steam stimulation

疏松砂巖稠油油藏原油黏度高，開采過程中易出砂 ?［1-5］ ，其主要防砂方式為機械篩管和礫石充填類防砂方法 ?［1，3-4，6-7］ 。稠油防砂井在生產過程中由于出砂和稠油吸附等因素而發生近井防砂介質堵塞，造成產能下降 ?［8-10］ 。根據不同稠油熱采方式，井底流體流動方向分單向和交變吞吐兩種模式 ?［11-12］ ，防砂介質堵塞受地層砂和高黏度稠油的雙重控制，機制及規律更為復雜，其規律及防砂設計也不盡相同。目前針對防砂介質堵塞機制與規律以及防砂參數優化的研究主要集中在常規油氣藏領域 ?［6-10，13-15］ 。

針對常規油氣藏生產和地質條件開展防砂介質堵塞模擬試驗 ?［

16-20］ ，探究地層砂對防砂介質的堵塞過程及堵塞規律 ?［21-28］ ， 難以直接應用于不同熱采方式的稠油油藏；稠油對地層砂堵塞篩管程度的影響機制尚不明確，缺乏蒸汽吞吐、SAGD等熱采方式對擋砂介質堵塞規律影響研究及相應防砂精度優化設計。針對上述問題，筆者采用稠油與水混合液攜帶地層砂，針對割縫、繞絲、復合濾網3種篩管和礫石層、多種擋砂介質，開展單向驅替流動、熱采交變吞吐流動兩種模式的擋砂堵塞驅替模擬試驗，系統揭示不同條件下多類型防砂介質的稠油-地層砂協同堵塞機制與規律，為稠油油藏防砂優化設計提供直接指導。

1 試驗原理與條件

1.1 試驗裝置與試驗原理

稠油-地層砂協同堵塞規律試驗的目的是分別研究稠油和地層砂對防砂介質的堵塞機制，以及二者的協同堵塞作用。稠油防砂井介質堵塞機制試驗裝置示意圖如圖1所示，徑向主體模擬裝置內徑450 mm，用于模擬徑向流條件下礫石層及篩管的擋砂驅替過程，篩管置于裝置容器中央。液泵排量為0.6～15 m 3/h，稠油旁注速度最高為 1 m 3/h 。

試驗系統可根據不同的稠油熱采方式模擬生產過程和注蒸汽過程。通過旁注系統在清水中注入稠油模擬油水攜砂驅替防砂介質，蒸汽發生器可以實現高壓高溫蒸汽的注入并通過閥門調節注入方向，地層砂和稠油含量、以及驅替速度等參數均可以靈活調控。驅替過程中由集砂器測量通過防砂介質的地層砂量以及粒徑；通過壓差、流量傳感器測量流量、防砂介質兩端壓差。

1.2 試驗材料與條件

試驗采用不同黏度稠油和清水（黏度約 1 mPa·s ）混合物作為儲層攜砂流體。稠油采用5種取自油田現場的高瀝青質稠油，在25 ℃條件下黏度分別為3 500、5 500、7 500、9 000和10 500 mPa·s，分別以L1～L5編號。地層砂由不同粒徑石英砂配制而成，其粒度中值分別為0.113、0.171和0.169 mm（編號分別為S1、S2和S3）， 泥質含量分別為19%、19%和20%，泥質使用伊利石粉、蒙脫石粉、高嶺石粉以及綠泥石粉的混合物進行模擬，配置質量比例分別為9∶6∶3∶2、9∶6∶2∶3和3∶1∶1∶0。

試驗使用的固相充填材料為普通石英砂、常規陶粒和疏水陶粒3種，粒徑分別為0.3～0.6、0.4～0.8、0.6～1.2 mm，涵蓋了油田現場常用的充填材料。篩管短節采用割縫篩管、繞絲篩管和復合濾網篩管，標稱精度為0.125、0.177、0.21、0.25 mm；單向驅替試驗采用常規金屬網布篩管濾網切片，標稱精度為0.177和0.21 mm。

2 ?稠油-地層砂協同復合堵塞動態與機制

2.1 不同類型介質協同堵塞動態

2.1.1 割縫篩管水-油-砂不同組合驅替堵塞動態

首先針對清水+稠油、清水+地層砂以及清水+地層砂+稠油3種單向驅替模式開展割縫篩管堵塞模擬試驗。地層砂使用S2，稠油為L2，稠油注入排量為0.06 m 3/h，清水驅替排量設置為1.2 m 3/h。不同驅替模式下篩管內外流動壓差、滲透率變化曲線如圖2所示。試驗后割縫篩管表面堵塞形態如圖3所示。

圖2中不同驅替模式下，0～300 s均為清水驅替，300～2 700 s分別反映稠油、地層砂以及油砂復合堵塞動態過程。清水驅替階段，割縫篩管初始滲透率基本一致，為4～4.5 μm 2。堵塞階段，稠油和地層砂復合作用下篩管內外壓差上升速度最快，上升幅度最高，滲透率下降幅度超過95%，篩管堵塞最嚴重，而在清水攜砂以及清水+稠油驅替模式下，篩管滲透率下降幅度分別約為80%及60%，堵塞程度依次降低。如圖3所示，流體主要通過割縫縫隙進入篩管內部，稠油和地層砂明顯在割縫縫隙處堆積堵塞?？p隙表面堆積的地層砂粒在稠油黏滯作用下依然保持完好狀態（圖3（c）），表明高黏度稠油加劇了地層砂對割縫介質的堵塞。

2.1.2 ?不同篩管水-油-砂不同驅替階段堵塞動態

采用S2地層砂與L2稠油對繞絲、割縫和復合濾網3種篩管進行地層砂-稠油動態堵塞試驗，階段1為清水驅替，階段2為稠油注入階段，階段3為地層砂加入階段（稠油同時注入）。固定旁注稠油流量為0.06 m 3/h，清水排量為1 m 3/h。試驗得到滲透率變化如圖4所示。

由圖4（a）可知：階段1中3種篩管滲透率有差異，但保持在4～6 μm 2相對較高的數值；階段2加砂后3種篩管由于地層砂堵塞滲透率降低到1.8～2.0 μm 2，滲透率損失超過50%；階段3注入稠油后進一步加劇堵塞，地層砂與稠油復合堵塞平衡后，3種篩管滲透率均下降至0.1 μm 2以下（圖4（b）），滲透率損失超過99%。由于篩管介質結構差異，3種篩管被地層砂和稠油協同堵塞的動態過程和最終平衡滲透率也有一定的差異。

2.1.3 ?石英砂與篩網介質水-油-砂單向驅替堵塞動態

采用0.42～0.84 mm石英砂和精度0.2 mm 多層濾網作為防砂介質，選擇S3地層砂和L3稠油，利用單項單向流驅替單元分別進行清水攜砂驅替、清水旁注稠油驅替和清水攜砂旁注稠油驅替模擬。旁注稠油流量均為10 mL/min，稠油注入總量為100 mL。試驗過程中的滲透率動態曲線如圖5所示。

根據圖5（a），在3次不同驅替條件下礫石層滲透率均逐步下降至平穩狀態，體現了明顯的初始堵塞（階段1）、堵塞加?。A段2）和堵塞平衡（階段3）3個階段。從堵塞加劇的階段2和堵塞平衡的階段3對比可知，清水攜砂驅替平衡階段滲透率約10 μm 2，清水旁注稠油堵塞滲透率約6 μm 2，而稠油和地層砂同時驅替條件下的平衡滲透率則約為5 μm 2，總體堵塞最嚴重。地層砂侵入堵塞造成礫石層滲透率傷害為54.5%，稠油與地層砂復合堵塞造成滲透率傷害為77.2%。相類似，從圖5（b）所示的多層濾網介質堵塞動態可知，單純地層砂和地層砂與高瀝青質稠油堵塞產生滲透率傷害分別為85.7%和32.1%，稠油和地層砂混合驅替時濾網整體滲透率下降最快，最終滲透率最低，造成滲透率傷害高達95.4%，表明稠油與地層砂對防砂介質有明顯的協同堵塞作用。

2.2 稠油-地層砂協同復合堵塞機制

圖6為稠油-地層砂堵塞顯微照片。

根據堵塞形貌分析地層砂和稠油對防砂介質的協同堵塞機制：

（1）稠油吸附堵塞機制。高黏度稠油進入防砂介質內部會在介質孔喉表面產生吸附，黏結在介質表面失去流動性，占據介質孔隙空間（圖7（a）和圖8（a）），表現為稠油吸附堵塞導致流通性降低。據不同篩管及礫石層的試驗表明，稠油吸附滲透率傷害約為30%～70%。

（2） 地層砂對介質橋架堵塞機制。如圖7（b）與圖8（b）所示，地層砂中的細顆粒會侵入防砂介質內部，較粗組分顆粒在孔喉中產生堵塞，成為介質內部空間的橋架堵塞。另外，地層砂中的粗顆粒會被防砂介質阻擋在介質外部，形成堆積橋架。根據試驗結果，地層砂粒橋架堵塞造成的滲透率降幅超過50%。

（3）稠油與地層砂協同堵塞機制。如圖7（c）與圖8（c）所示，地層砂和稠油同時存在時，除稠油吸附堵塞和地層砂粒的物理堵塞單獨作用外，吸附在篩管縫隙附近的高黏度稠油極易“捕獲”地層砂顆粒，加劇地層砂物理堵塞，地層砂顆粒的橋架又會增大稠油的吸附，二者相互協同作用加劇了篩管的堵塞程度。綜合各試驗結果，稠油與地層砂協同堵塞對介質滲透率損傷可超過90%。

2.3 蒸汽吞吐交替驅替解堵規律

使用黏度7 500 mPa·s稠油和粒度中值0.25 mm地層砂進行割縫篩管防砂蒸汽吞吐過程模擬。共實施5個交替驅替輪次，每個輪次內分為注蒸汽、燜井以及回采3個階段。蒸汽溫度約為260 ℃，蒸汽排量為3.5 kg/h，注蒸汽時間約為10 min，燜井時 間約為10 min，回采階段清水排量為1.2 m 3/h，稠油排量為0.06 m 3/h，測得不同注汽-生產輪次下割縫篩管流動壓差及滲透率變化如圖9（圖中A、B、C分別表示每個輪次中的注蒸汽、燜井和回采階段；下角0～4表示輪次序號）所示。

由圖9分析可知，回采生產階段由于地層砂和稠油堵塞，流動壓差升高、滲透率降低；而在注蒸汽階段，滲透率快速回升，注汽壓差降低，說明注入高溫蒸汽對堵塞介質有明顯的解堵作用。 從圖9（b）可知，隨著注汽-生產輪次增加，蒸汽解堵階段的滲透率恢復比例越來越低，5個輪次的滲透率恢復比分別為63%、42%、26%、19%、16%，生產平衡滲透率比分別為63%、32%、26%、25%、23%，蒸汽對割縫篩管的解堵恢復作用逐漸降低，篩管堵塞程度逐漸加劇。

3 ?稠油-地層砂協同堵塞影響因素及規律

3.1 流體流速敏感性

使用粒徑中值0.25 mm的地層砂開展割縫篩管堵塞試驗，稠油黏度為7 500 mPa·s，稠油注入速度為0.06 m 3/h，對比不同流速條件下割縫篩管堵塞規律。不同流速下割縫篩管流動壓差、滲透率變化如圖10所示。

試驗中0～300 s為清水驅替階段，300～1 800 s為油水無砂驅替階段，1 800～3 500 s為油砂復合堵塞階段。根據圖10，割縫篩管稠油堵塞滲透率和復合堵塞滲透率由驅替流量0.8 m 3/h條件下的3.66和0.025 μm 2降低至驅替流量1.6 m 3/h條件下的1.87和0.033 μm 2，降幅分別為48.81%和86.79%；稠油堵塞滲透率比為0.5～0.7，即稠油吸附造成篩管滲透率降幅在30%～50%，稠油和地層砂復合堵塞作用下篩管滲透率降幅超過95%。隨著驅替流速增加，割縫篩管不同階段的滲透率呈下降趨勢，即驅替流速越快，地層砂粒越容易被攜帶到防砂介質內部，造成更嚴重堵塞。

3.2 稠油黏度敏感性

設置不同稠油黏度為敏感條件，驅替排量為基準排量1.2 m 3/h，稠油排量為0.06 m 3/h，地層砂為粒度中值0.25 mm復配砂，分析稠油黏度對篩管堵塞規律的影響。不同稠油黏度下割縫篩管滲透率及堵塞滲透率比變化如圖11所示。

根據圖11（a），割縫篩管稠油堵塞滲透率和復合堵塞滲透率由3 500 mPa·s時的4.61和0.096 μm 2降低至10 500 mPa·s時的2.44和0.017 μm 2，降幅分別為47%和82%；稠油堵塞滲透率比為0.5～0.8，稠油吸附造成篩管滲透率降幅在20%～50%，稠油和地層砂復合堵塞下篩管滲透率降福超過97%。隨稠油黏度增大，割縫篩管不同階段滲透率以及滲透率比均呈一定的下降趨勢，即稠油黏度越大，堵塞程度越高。

3.3 含油比例敏感性

分別以0.06、0.12、0.18、0.24、0.30 m 3/h不同稠油注入速度為敏感條件，驅替排量為基準排量1.2 m 3/h， 含油比例（注入稠油與水的體積比）分別為5%、10%、15%、20%、25%，稠油黏度為7 500 mPa·s， 地層砂為粒度中值0.25 mm復配砂，分析含油比例對篩管堵塞規律的影響。不同含油比例下割縫篩管滲透率動態變化如圖12所示。

根據圖12，割縫篩管稠油堵塞滲透率和復合堵塞滲透率由含油比例10%條件下的3.33和0.023 μm 2降低至含油比例25%條件下的1.72和0.012 μm 2，降幅分別為48.48%和48.51%；稠油堵塞滲透率比在0.4～0.6，即稠油吸附造成篩管滲透率降幅在40%～60%，稠油和地層砂復合堵塞作用下篩管滲透率降幅超過99%?？傮w上除5%含油比例試驗外，隨含油比例增加，割縫篩管滲透率及滲透率比均呈一定的下降趨勢，含油比例越大，篩管堵塞程度越高。含油比例對割縫篩管堵塞的影響與稠油黏度的影響基本一致，主要是影響篩管割縫內稠油的聚集與地層砂的被吸附和沉積，稠油比例較高條件下易加劇稠油與地層砂在篩管割縫內的沉積，篩管堵塞程度加劇。

4 高黏稠油油藏防砂設計改進

根據試驗結果獲得的高黏度稠油對防砂介質孔隙存在明顯的吸附堵塞和加劇地層砂堵塞的規律和啟示，可以針對高黏度稠油油藏防砂優化提供改進指導。根據試驗結果分析，高黏度稠油條件下，在原有地層砂對防砂介質堵塞基礎上，稠油對防砂介質堵塞有明顯加劇作用；與常規稀油油藏相比，相同防砂精度條件下，高黏度稠油油藏防砂介質堵塞平衡后其滲透率更低，流通性更差。同時，由于稠油在防砂介質孔隙表面的吸附附著作用及其對砂粒的黏滯吸附作用，會增強防砂介質的擋砂能力。

基于上述分析，高黏度稠油的協同堵塞機制會降低介質流通性能，同時增強擋砂性能。與常規稀油油藏防砂設計的正常擋砂精度?W ?n相比，建議稠油油藏在單向流動模式下的防砂介質精度放大1～2個等級放寬到 W ?h，如圖13（b）和（c）所示（以割縫介質為例）。

雖然縫寬增大，但由于稠油黏附作用使防砂介質擋砂能力增強，保證了堵塞平衡后的介質流通性能。

5 結 論

（1）稠油油藏防砂介質存在明顯的地層砂-原油協同復合堵塞現象。稠油本身對防砂介質具有堵塞作用，根據黏度和注入流速不同滲透率損傷可高達70%；在稠油-地層砂協同復合堵塞條件下，高黏度稠油以束縛油形式占據孔隙空間，并加劇防砂介質分選橋架堵塞，最終造成滲透率損害超過90%。

（2）熱采蒸汽交變吞吐生產方式的注蒸汽過程對稠油-地層砂的協同堵塞具有明顯的解除堵塞效應；但隨著蒸汽吞吐交替輪次的增加，蒸汽解堵和滲透率恢復幅度逐漸下降。不同生產方式下的稠油-地層砂協同堵塞規律與稠油黏度、流體含油比例、流速等因素有明顯的關系。

（3）高黏度稠油的協同堵塞機制會降低介質流通性能，同時增強擋砂性能。與常規稀油油藏防砂設計相比，建議稠油油藏在單向流動模式下的防砂介質精度放寬1～2個等級設計，熱采吞吐交變模式下的擋砂精度放寬1個等級設計。

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（編輯 李志芬）