泥質水合物儲層防砂礫石的滲透損傷試驗研究*

余 莉 韓子豪 何計彬 李國偉 祝瀚政 程 曠③

(①河北大學建筑工程學院,保定 071002,中國)(②中國地質調查局水文地質環境地質調查中心,天津 300309,中國)(③大連理工大學海岸和近海工程實驗室,大連 116024,中國)

0 引 言

天然氣水合物被認為是一種很有潛力的化石能源替代品,其資源密度高,分布較廣(陳月明等,2011; Boswell et al.,2011),大部分分布于近海海域,少部分分布于陸地凍土區。天然氣水合物層一般位于水深800m以上,海底以下400m的沉積物中,多數沉積物為泥質粉細砂(胡才志等,2004)。目前為止,世界進行了4次海域天然氣水合物開采。2013年日本在南海海槽進行了首次海域天然氣水合物試采,此次采用降壓法開采,采用垂直裸眼井、防砂篩網和礫石充填防砂的完井方式。此次開采由于降壓過快,一天之內降壓8.5MPa導致強水流使得礫石層發生蠕動變形,最后防砂失敗。試采僅持續了6d,共計產氣量119500m3、產液量1162m3、出砂量30m3(Yama moto et al.,2014; Konno et al.,2015)。2017年,日本在南海海槽進行第二次天然氣水合物試采,此次開采采用預先膨脹和入井后膨脹的兩種GroFORM防砂系統,該系統以形狀記憶聚合物材料為過濾介質,防砂精度為20μm。最后發現,井下膨脹的GroFORM防砂系統的防砂效果較好,未出現明顯出砂現象(寧伏龍等,2020)。同年,中國地質調查局在南海神狐海域進行了中國首次天然氣水合物開采,此次開采由于時間較短,產水量較少,氣-液-固三相滲流機理還不清楚,實現防砂和增產之間的平衡還很困難,因此出砂問題需要進一步研究(葉建良等,2020)。

礫石充填防砂工藝作為一種有效的防砂工藝,該工藝擋砂效果好,有效周期長,針對泥質水合物儲層,當采用降壓法進行天然氣水合物開采時,儲層結構破壞呈弱膠結態而出現游離砂,泥質粉細砂在氣-液流動作用下會堵塞礫石充填的防砂介質,導致礫石防砂層滲透性下降,即滲透損傷,影響礫石防砂層的長期有效性直接導致產能大幅度降低。李守定等(2019)通過分類總結中日兩國海域天然氣試采數據,結果表明壓力和溫度等多種因素對產氣速率有直接影響。因此,通過阻砂試驗,分析在壓力等多種因素耦合影響下,礫石充填防砂介質滲透損傷規律,對揭示泥質水合物礫石充填防砂介質滲透損傷機理具有重要意義。

近年來,國內外學者對礫石層防砂介質堵塞規律和機理開展了較多研究。全程防砂試驗可分為4個階段,即為初始滲流階段、穩定滲流階段、快速滲流階段和無液體滲流階段。對比全程試驗和分段試驗,其氣-水滲流特征具有相似性,其滲流規律幾乎不受時間影響(余莉等,2020)。由于海域天然氣水合物儲層細粒含量較多,防砂較困難,儲層中的細顆粒含量也直接影響著防砂介質的滲透情況,細粒含量較大時,會導致防砂介質的滲透損傷更嚴重(Leone et al.,1990)。早期研究發現微粒在礫石層中的位移會導致礫石層滲透性大幅降低,其降低程度和礫石粒度中值與地層砂粒度中值比有關,隨著粒度中值比GSR的增大,更多的儲層砂顆粒會侵入礫石防砂介質,淤堵更加明顯,滲透性下降更加明顯(Oyeneyin et al.,1995)。后續進一步研究表明:砂侵堵塞作用下,隨著礫砂中值比(GSR)、地層砂泥質含量以及平均驅替流量的增大,地層砂更加容易侵入礫石層造成堵塞,礫石層最終滲透率比明顯降低(胡才志等,2004; 李彥超等,2014; 高凱歌,2018)。除此之外,開采壓力、儲層顆粒級配和流體黏度等因素對防砂介質滲透性的影響。開采壓力越大,流體黏度越大,氣-液攜砂能力越強,更多的儲層顆粒侵入到防砂介質中,防砂介質滲透損傷更嚴重(Johnson et al.,2011; Delli et al.,2014; Dong et al.,2019)。在此基礎上,董長銀等(2011)根據試驗得出開采時間、地層砂粒度組成、流體黏度和泥質含量都會影響礫石層的滲透性并得出了相關的定量關系。近兩年,X射線CT成像實驗系統的運用,更加直觀地反映出不同粒度中值比GSR的情況下,水合物沉積物中細砂在充填礫石中的運移演化規律,為研究泥質水合物儲層防砂礫石充填的滲透細觀損傷機理提供了新的試驗手段和理論基礎(Zhou et al.,2021)。

以上學者對礫石防砂介質的滲透損傷做了大量研究,但針對海底的天然氣水合物儲層這種細顆粒含量較高的情況下礫石防砂介質的滲透損傷研究較少,且對氣-水滲流共同作用攜砂導致的礫石防砂介質的滲透損傷研究還不充分。因此,開展泥質水合物儲層防砂介質的滲透損傷研究具有重要意義。通過設計正交礫石充填阻砂試驗,研究不同壓力、不同儲層含水率及不同目數的礫石防砂介質三者耦合因素作用下,獲得防砂礫石滲透損傷的影響因素,探究防砂介質滲透損傷機理。

1 泥質水合物礫石充填阻砂試驗

1.1 試驗方案設計

通過設計不同礫石規格、試驗壓力和儲層含水量三因素正交試驗,以獲得該影響因素下的礫石層防砂介質滲透損傷規律。

試驗因素A:儲層含水率分為80%、90%、105%、125%、135%。試驗因素B:防砂礫石規格分為30～50目(0.355～0.6mm)、40～60目(0.3～0.45mm)、50～70目(0.224～0.355mm)以及60～80目(0.2～0.3mm)。試驗因素C:試驗壓力分為0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa以及2.0MPa。將該三因素設計一個L20(5×42)混合正交試驗,如表1所示。每組兩個平行試驗,共40組。根據試驗方案進行40組不同因素影響下的阻砂試驗,并測定阻砂試驗前后礫石防砂介質的滲透系數。

1.2 試驗原理

阻砂試驗主要利用氮氣瓶提供氣源,利用穩壓系統調節壓力,通過不同壓力驅替泥質水合物儲層,儲層中的游離砂在氣-液滲流共同作用下運移到礫石防砂介質中,造成礫石防砂介質的滲透性下降,觀察不同影響因素耦合下的阻砂試驗現象,分析氣-液滲流規律。阻砂試驗完成后,將防砂介質取出進行滲透試驗得到滲透系數,與阻砂試驗前的滲透系數進行對比得出滲透損傷比。

1.3 試驗材料及設備

試驗所用泥質水合物儲層細砂粒徑范圍為0.2～40μm,粒徑中值約為12.3μm,泥質含量為30%～40%。防砂礫料采用工業礫石,30～50目礫石粒徑范圍為355～600μm,粒徑中值約為475μm; 40～60目礫石粒徑范圍為300～450μm,粒徑中值約為375μm; 50～70目礫石粒徑范圍為224～355μm,粒徑中值約為292μm; 60～80目礫石粒徑范圍為200～300μm,粒徑中值約為252μm。泥質儲層不同含水量用清水配置,采用氮氣進行驅替。

阻砂試驗裝置主要包括氣體注入裝置、氣體穩壓系統(恒溫恒壓)、高壓反應釜、稱量裝置和數據采集裝置,如圖1所示。試驗溫度為20℃,氣體注入裝置提供驅替氣體氮氣,氣體穩壓系統提供設定壓力,高壓反應釜內徑為88mm,高200mm,其中泥質水合物儲層高40mm,防砂礫石層高40mm,高壓反應釜底部放置一片防砂濾網。稱量裝置收集濾出物并稱量,數據采集裝置記錄濾出物質量隨時間變化情況。

圖1 試驗裝置示意圖

1.4 試驗流程

試驗按以下程序進行:

(1)首先將烘干后的泥質水合物儲層(100g),按照設計要求配制成對應含水率并準備好不同目數的防砂礫石。

(2)依次將防砂濾網、400mL清水保水后的防砂礫石及泥質水合物儲層置入高壓反應釜,密封高壓反應釜。

(3)將各種儀器裝置按照圖1連接。

(4)打開測量裝置、數據采集裝置和氣體穩壓系統,設定穩壓值。

(5)打開氮氣瓶閥門,通氣進高壓反應釜,觀察試驗現象,收集濾出物液體并采集濾出物質量。

(6)試驗至不產生液體時,停止試驗,關閉氮氣瓶及其他設備,取出泥質水合物儲層和防砂礫石層。

(7)清理儀器設備,整理數據。

2 阻砂試驗現象及滲流規律分析

打開進氣口閥門加壓至不產生液體為止,收集濾出物并記錄數據,按照不同泥質水合物儲層含水量對數據進行整理,得到濾出物質量和試驗時間的關系,如圖2～圖6所示。

圖2 80%儲層含水量濾出物質量變化圖

圖3 90%儲層含水量濾出物質量變化圖

圖4 105%儲層含水量濾出物質量變化圖

圖5 125%儲層含水量濾出物質量變化圖

圖6 135%儲層含水量濾出物質量變化圖

2.1 試驗現象分析

(1)對比圖2～圖6可知,隨著泥質水合物儲層含水量的增加,濾出物質量也隨之增加,且試驗壓力較大的情況時,濾出物質量也較大,說明高含水率的儲層中,除結合水以外的自由水較多,并且壓力大時,氣體驅替能力較大,導致儲層中有更多的自由水濾出。

(2)如圖7所示,濾出物渾濁情況與儲層含水量和試驗壓力有明顯關系,儲層含水量較大時,儲層中的自由水較多,攜砂能力較強,導致出砂程度較嚴重,濾出物液體明顯更加渾濁。同一儲層含水量相同時,試驗壓力越大,氣體驅替和攜砂能力越強,出砂量越大。

圖7 濾出物液體(從左到右儲層含水量依次增大)

(3)從取出的防砂礫石表面可以看出,一般情況下,礫石目數越小(粒徑越大)的情況下,防砂礫石層上表面黑色淤塞情況更為明顯。

綜上所述,濾出物液體渾濁程度間接說明了出砂量。出砂量受氣-液滲流的影響,這也同時說明泥質水合物儲層中的粉細砂在氣-液兩相滲流的作用下,一部分運移穿過防砂礫石介質,一部分侵入至防砂礫石介質中,影響防砂礫石介質的滲透性,導致礫石防砂介質發生滲透損傷。

2.2 氣-水滲流規律分析

阻砂試驗中濾出物流態一般分為4種現象:線性流、水滴流、氣液兩相流和氣體流。4種流態現象從圖2～圖6濾出物質量-時間關系曲線中也有所反映。試驗初期,濾出物質量曲線呈45°左右增加時,對應線性流; 試驗中期,濾出物質量曲線變得平緩對應水滴流; 濾出物質量曲線呈直線上升時對應氣液兩相流; 試驗末期,濾出物質量曲線變為水平對應氣體流。以儲層含水量135%,防砂礫石粒徑為30～50目,測試壓力為1.0MPa滲流情況為例,將滲流情況分為4個階段,如圖8所示。

圖8 滲流情況階段圖

從圖8可以看出,這4個階段分別為:(1)初期滲流階段,此階段濾出物質量增加較快,滲流速度較快,濾出物流態為線性流,濾出物液體較清澈。這說明,試驗初期,泥質水合物中的儲層侵入礫石防砂介質的情況不明顯,礫石之間的孔隙未充填,此時,礫石防砂層滲透率下降較緩慢,滲透性較好。

(2)穩定滲流階段,滲流速度較①階段稍慢,滲透率較初期下降速度加快,濾出物為水滴流,濾出物液體較清澈。說明泥質水合物儲層中的粉細砂在氣-水滲流驅動下發生了運移,侵入到礫石防砂介質中,堵塞了礫石間的一部分孔隙,導致礫石防砂層的滲透性下降。

(3)氣-液滲流階段,累計滲流量在短時間內驟增,滲透率迅速增加,濾出物流態為氣-液兩相流,濾出物液體呈渾濁狀。由于出口處氣體的大量排出,高壓反應釜內的壓力不再保持恒定不變,反應釜出入口壓差出現一個驟減的過程。說明防砂礫石中堵塞的粉細砂顆粒在氣-液滲流共同作用下,迅速的運移出防砂礫石層底部外,導致大量出砂。

(4)氣體滲流階段,此階段只有氣體排出,液體累計滲流量不再增加,液體滲流速度保持平穩趨勢,速度基本為0,濾出物流態為氣體流,防砂介質滲透率不再改變。說明在氣體滲流作用下,泥質水合物儲層中粉細砂運移速度較緩,沒有明顯的出砂現象。

根據圖2～圖6可知,儲層含水量為80%時,僅表現出氣-液滲流和氣體滲流兩階段; 儲層含水量達90%時,表現出線性流、氣-液兩相流和氣體滲流,未出現穩定滲流階段,直接從初期滲流階段跳至氣-液滲流階段; 儲層含水量達105%、125%及135%時,4個階段有明顯的表現特征。儲層含水量較小時,氣-液滲流階段發生的時間相對較早,如儲層含水量80%時,試驗僅開始幾秒左右就出現氣-液兩相流的現象,而儲層含水量達135%時,氣-液兩相流發生在試驗開始30s之后。相同儲層含水量對比,可以看出,試驗壓力較大時,累計滲流量急速增加的拐點一般出現較早,即氣-液滲流階段發生較快,這是由于壓力越大,氣驅水的動力更強,更快達到氣-液滲流階段。

綜上表明,隨著儲層中的自由水不斷排出,氣體不斷進入儲層砂的孔隙中,由于氣體膨脹作用,撐開孔隙路徑并驅動液體,導致滲透速度快速增加,出現氣-液兩相流,這就解釋了儲層含水量較小時,氣-液兩相流出現時間較早。通過不同含水量儲層的試驗現象可以看出,儲層中的自由水在氣體壓力的作用下發生了運移,存在氣驅替儲層孔隙中自由水的一個過程,使得自由水攜砂滲流進防砂礫石層。通過4個階段可以看出,氣-液滲流作用下,隨著泥質水合物中粉細砂的運移,防砂礫石層存在無堵塞-儲層砂侵堵塞-突然疏通的一個過程,并且液體在氣體的驅動下,攜砂能力有明顯提升,出現大量出砂的現象。

3 防砂介質滲透損傷分析

3.1 防砂介質滲透系數測量

滲透系數采用常水頭滲透裝置測量,如圖9所示。將阻砂試驗后的防砂礫石層和儲層取出并用環刀切取礫石層放入滲透瓶中,如圖10所示,環刀直徑高度分別為88mm和40mm,與礫石層尺寸一致,試樣裝好后,供水口與水龍頭連接提供水源并通過溢水口調節水頭高度保持不變,通過排氣口將試驗裝置中的氣體排出。排氣完畢后,止水夾關閉排氣口,使水從滲透瓶進水口進入,排水口排出,每10分鐘用量筒接取一定時間的滲透水量,待滲流速度穩定后,按照下式計算滲透系數:

(1)

圖9 滲透試驗裝置圖

圖10 阻砂試驗后的儲層和礫石防砂層

式中:Q為時間t秒內的滲透水量(mL);L為試樣高度(cm);A為試樣斷面積(cm2);H為水頭高度差(cm);t為時間(s)。

3.2 防砂介質的滲透特性分析

泥質水合物儲層中的粉細砂在氣-液滲流的作用下,運移至防砂礫石介質中沉積聚集并堵塞礫石間的孔隙,造成防砂介質堵塞,發生滲透損傷。根據滲透試驗測出阻砂試驗前后防砂礫石層滲透系數,進行對比得出滲透損傷比,試驗結果如表2所示。

表2 滲透損傷比試驗結果

將不同含水率、礫石規格和試驗壓力情況下的滲透損傷比取平均值,分別得出三者與礫石滲透損傷比的關系,如圖11～圖13所示。從表2和圖11～圖13中的試驗結果,可以初步看出:

圖11 儲層含水量與滲透損傷比關系圖

圖12 礫石規格與滲透損傷比關系圖

圖13 試驗壓力與滲透損傷比關系圖

(1)儲層含水量越大,滲透損傷比相應較大,滲透性下降的較大,這也符合儲層含水量大的情況下,濾出物液體較渾濁的阻砂試驗現象,但儲層含水量在125%～135%之間時,發現滲透損傷比出現拐點,反而降低。這種情況說明針對這種泥質水合物儲層,儲層含水量對礫石滲透損傷比存在臨界值,大于此臨界值時,大量的自由水在氣體的驅動下達到更大的攜砂速度,致使③階段中防砂礫石中的大量粉細砂運移至礫石層外,滲透率快速反彈增大。

(2)礫石目數較小時,滲透損傷比相對較大,說明礫石孔隙越大,對粉細砂顆粒侵入有利,且礫石規格50～70目,防砂礫石滲透損傷相對較小,為防砂礫石粒徑選擇提供參考。

(3)試驗壓力較大時,礫石防砂層滲透性下降相對較大,滲透損傷也較大,這是由于壓力大導致氣驅水的能力更強,氣-液攜砂能力更強,侵入防砂層的細顆粒較多。

3.3 滲透損傷比主控因素分析

根據正交的特性,挑選出最具有代表性的方案,找出滲透損傷比最小的情況,依次對試驗結果進行極差分析和方差分析,得出各自變量因素對防砂礫石滲透損傷比的影響程度大小,最后由顯著性檢驗得出滲透損傷比的主控因素。

3.3.1 試驗結果的極差分析

因素極差R的計算公式為:

ki=Ki/s

(2)

R=max{ki}-min{ki}(i,j=1,2,n)

(3)

式中:ki為任一列上因素取水平i時所得試驗結果的算術平均值;Ki為i水平下某因素的試驗結果之和;s為任一列上各水平出現的次數。

將各因素在各水平上的試驗結果進行算術平均值計算,利用式(3)算出極差R,并將計算出的極值按照大小排序,計算結果如表3所示。

表3 各因素極差計算結果

根據極差大小排序結果,可得:針對泥質水合物儲層,各因素對礫石充填防砂介質滲透損傷的影響主次排序為:礫石規格>壓力>儲層含水量。

3.3.2 試驗結果的方差分析

試驗因素假設為A、B、C,因素的水平數為r,正交試驗總次數為n,因素所處列數為j,試驗結果為yi(i=1,2,········,n),則方差分析步驟如下:

(1)計算離差平方和

1)總離差平方和

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:SST為總離差平方和,其反映試驗結果的總差異,值越大,差異越大。

2)各因素導致的離差平方和

假設因素A在正交表某一列上,則A引起的離差平方和為:

(9)

式中:SSA為各因素的離差平方和,其反映因素A在不同水平下,試驗結果之間的差異。

(2)計算自由度

1)試驗總平方和的自由度

dfT=n-1

(10)

2)各因素自由度

dfj=r-1

(11)

3)計算均方

以因素A為例,其均方為:

(12)

試驗誤差均方:

(13)

4)計算F值

以因素A為例,其F值為:

(14)

5)因素顯著性判斷

根據各種因素F值計算得出p-value值,其代表某一因素對試驗結果無顯著影響的概率,p-value值越小代表顯著性水平越高。

將各因素耦合作用下的試驗結果按照上述式(1)～式(5)步驟進行方差分析計算,得出各因素對礫石防砂層滲透損傷影響程度大小并根據顯著性水平分析出主控因素,方差分析計算結果如表4所示。

表4 各因素方差計算結果表

由表4方差分析計算結果可以看出,誤差均方(Mse)比其他因素方差較小,則說明3種因素之間的相互作用較小。各因素對于礫石充填防砂介質的滲透損傷影響大小排序為:礫石規格>試驗壓力>儲層含水量,與直觀分析極差結果一致。根據p-value值得出礫石規格顯著性水平最高,則說明針對泥質水合物儲層開采時,影響礫石防砂層滲透損傷的主控因素為防砂礫石規格。試驗發現礫石規格50～70目,滲透損傷比最小,無論儲層含水量和試驗壓力的變化,滲透損傷變化情況波動幅度較小,都在10%以內,抵抗滲透損傷能力較強。

綜上所述:3種因素之間基本不存在交互作用,相互獨立。針對泥質水合物儲層,分析得到3種因素對礫石防砂層滲透損傷影響規律為:(1)儲層含水量較小,則礫石防砂層滲透損傷程度較小,且對滲透損傷影響較顯著; (2)防砂礫石粒徑較大(目數較小)的情況下,滲透損傷程度相對較大,且在3種影響因素中對滲透損傷的影響最為顯著。(3)試驗壓力與滲透損傷比呈正相關,且對滲透損傷影響較顯著。(4)礫石規格50～70目抵抗滲透損傷能力最強,且在不同儲層含水量和試驗壓力下,滲透損傷比相對穩定,變化波動較小。

3.4 礫石粒徑中值選擇分析

滲透損傷的研究意義即為選擇最佳的礫石中值粒徑,礫石粒度對防砂和產能都至關重要,小粒徑礫石雖有助于防砂,但在粉細砂不斷運移下,會導致防砂礫石孔隙堵塞,滲透率下降。相反,較大尺寸的礫石會導致嚴重的出砂。由于地層的中值粒徑(d50)為一個恒定值,因此可以根據粒徑中值比D50/d50來設計最佳礫石粒徑。30～50目、40～60目、50～70目、60～80目粒徑中值比分別為38.6、30.5、23.6、20.3。不同粒徑中值比下,平均出砂量和穩定滲流階段介質平均滲流速度的情況如圖14和圖15所示。兩圖對比發現,累計出砂量隨粒徑中值比的增大而增大,穩定滲流階段滲流速度隨粒徑中值比增大而增大,且D50/d50=30.5和D50/d50=23.6時,穩定滲流階段滲流速度較近,而出砂量相差兩倍多。根據工程上防砂好,滲透性好的要求,最佳粒徑中值比選擇23.6,既有較好的防砂能力,又能保持較高的液體滲透率。

圖14 不同粒徑中值下平均出砂量

圖15 不同粒徑中值下穩定滲流階段平均滲流速度

4 結 論

本文通過設計混合正交試驗,開展不同泥質水合物儲層的含水量、防砂礫石規格和試驗壓力的阻砂試驗和阻砂前后防砂礫石層的滲透性試驗,在不同因素耦合作用下,獲得了阻砂試驗現象、滲流規律以及礫石充填防砂介質的滲透損傷規律,主要結論如下:

(1)泥質水合物儲層含水量和試驗壓力較大會促進氣-液的攜砂能力,使得出砂情況嚴重,且防砂礫石粒徑會直接影響儲層粉細砂的運移,粒徑較大出砂更為明顯。

(2)完整的滲流現象變化為線性流→水滴流→氣、液兩相流→氣體流,4種現象分別對應4個滲流階段:初期滲流階段→穩定滲流階段→氣、液滲流階段→氣體滲流階段。儲層在氣體壓力的作用下,其中的自由水發生運移,存在氣驅替水的過程,防砂礫石間空隙經歷了通暢→逐漸堵塞→突然疏通的過程。

(3)泥質水合物儲層含水量較小,礫石層滲透損傷較小,含水量大于125%時,滲透損傷比有減小的趨勢; 礫石粒徑50～70目時,滲透損傷比最小,且試驗壓力和儲層含水量的變化對滲透損傷影響較小; 試驗壓力與礫石充填防砂介質的滲透損傷程度呈正相關。結合阻砂試驗現象和滲流規律,氣-液攜砂能力越強,滲透損傷越大。3種因素對礫石充填防砂介質的滲透損傷影響大小順序為:礫石規格>試驗壓力>儲層含水量,三因素之間沒有交互影響。

(4)針對泥質水合物儲層,明確影響礫石充填防砂介質的滲透損傷的主控因素為礫石規格,最佳粒徑中值比D50/d50為23.6,為后續研究礫石充填防砂工藝或應用提供有益借鑒。