疏松砂岩稠油油藏防砂介质的原油-地层砂协同复合堵塞机制与规律

董长银 刘洪刚 韩耀图 李进 胡泽根 战鑫杰 王浩宇

摘要 ：針对稠油出砂井防砂介质堵塞问题，使用稠油与水混合液携带地层砂，开展单向驱替流动、热采交变吞吐流动两种模式下的挡砂堵塞驱替模拟试验，揭示不同条件下割缝、绕丝、复合滤网和砾石层等多类型防砂介质的稠油-地层砂协同堵塞机制与规律，根据堵塞机制和定量关系，构建稠油-地层砂对防砂介质堵塞程度和动态产能预测模型。结果表明：高黏度稠油对防砂层多孔介质具有明显堵塞作用，渗透率损伤可高达70%；稠油防砂井中，存在稠油和地层砂对防砂介质的协同堵塞机制，稠油以束缚油的形式占据介质空间，加剧内部分选桥架堵塞，最终造成90%以上渗透率损害，但同时挡砂效果得到提升；热采蒸汽交变吞吐生产方式对稠油-地层砂的协同堵塞具有明显的解除堵塞效应；但随着交替轮次的增加，解堵和渗透率恢复幅度逐渐下降；对于稠油油藏防砂，建议挡砂精度相比常规油藏防砂精度放宽1～2个等级。

关键词 ：稠油油藏; 防砂介质; 协同堵塞; 堵塞机制; 交变解堵; 蒸汽吞吐

中图分类号 ：TE 355    文献标志码 ：A

引用格式 ：董长银，刘洪刚，韩耀图，等.疏松砂岩稠油油藏防砂介质的原油-地层砂协同复合堵塞机制与规律［J］.中国石油大学学报（自然科学版），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

疏松砂岩稠油油藏原油黏度高，开采过程中易出砂  ［1-5］ ，其主要防砂方式为机械筛管和砾石充填类防砂方法  ［1，3-4，6-7］ 。稠油防砂井在生产过程中由于出砂和稠油吸附等因素而发生近井防砂介质堵塞，造成产能下降  ［8-10］ 。根据不同稠油热采方式，井底流体流动方向分单向和交变吞吐两种模式  ［11-12］ ，防砂介质堵塞受地层砂和高黏度稠油的双重控制，机制及规律更为复杂，其规律及防砂设计也不尽相同。目前針对防砂介质堵塞机制与规律以及防砂参数优化的研究主要集中在常规油气藏领域  ［6-10，13-15］ 。

针对常规油气藏生产和地质条件开展防砂介质堵塞模拟试验  ［

16-20］ ，探究地层砂对防砂介质的堵塞过程及堵塞规律  ［21-28］ ， 难以直接应用于不同热采方式的稠油油藏；稠油对地层砂堵塞筛管程度的影响机制尚不明确，缺乏蒸汽吞吐、SAGD等热采方式对挡砂介质堵塞规律影响研究及相应防砂精度优化设计。针对上述问题，笔者采用稠油与水混合液携带地层砂，针对割缝、绕丝、复合滤网3种筛管和砾石层、多种挡砂介质，开展单向驱替流动、热采交变吞吐流动两种模式的挡砂堵塞驱替模拟试验，系统揭示不同条件下多类型防砂介质的稠油-地层砂协同堵塞机制与规律，为稠油油藏防砂优化设计提供直接指导。

1 试验原理与条件

1.1 试验装置与试验原理

稠油-地层砂协同堵塞规律试验的目的是分别研究稠油和地层砂对防砂介质的堵塞机制，以及二者的协同堵塞作用。稠油防砂井介质堵塞机制试验装置示意图如图1所示，径向主体模拟装置内径450 mm，用于模拟径向流条件下砾石层及筛管的挡砂驱替过程，筛管置于装置容器中央。液泵排量为0.6～15 m 3/h，稠油旁注速度最高为 1 m 3/h 。

试验系统可根据不同的稠油热采方式模拟生产过程和注蒸汽过程。通过旁注系统在清水中注入稠油模拟油水携砂驱替防砂介质，蒸汽发生器可以实现高压高温蒸汽的注入并通过阀门调节注入方向，地层砂和稠油含量、以及驱替速度等参数均可以灵活调控。驱替过程中由集砂器测量通过防砂介质的地层砂量以及粒径；通过压差、流量传感器测量流量、防砂介质两端压差。

1.2 试验材料与条件

试验采用不同黏度稠油和清水（黏度约 1 mPa·s ）混合物作为储层携砂流体。稠油采用5种取自油田现场的高沥青质稠油，在25 ℃条件下黏度分别为3 500、5 500、7 500、9 000和10 500 mPa·s，分别以L1～L5编号。地层砂由不同粒径石英砂配制而成，其粒度中值分别为0.113、0.171和0.169 mm（编号分别为S1、S2和S3）， 泥质含量分别为19%、19%和20%，泥质使用伊利石粉、蒙脱石粉、高岭石粉以及绿泥石粉的混合物进行模拟，配置质量比例分别为9∶6∶3∶2、9∶6∶2∶3和3∶1∶1∶0。

试验使用的固相充填材料为普通石英砂、常规陶粒和疏水陶粒3种，粒径分别为0.3～0.6、0.4～0.8、0.6～1.2 mm，涵盖了油田现场常用的充填材料。筛管短节采用割缝筛管、绕丝筛管和复合滤网筛管，标称精度为0.125、0.177、0.21、0.25 mm；单向驱替试验采用常规金属网布筛管滤网切片，标称精度为0.177和0.21 mm。

2  稠油-地层砂协同复合堵塞动态与机制

2.1 不同类型介质协同堵塞动态

2.1.1 割缝筛管水-油-砂不同组合驱替堵塞动态

首先针对清水+稠油、清水+地层砂以及清水+地层砂+稠油3种单向驱替模式开展割缝筛管堵塞模拟试验。地层砂使用S2，稠油为L2，稠油注入排量为0.06 m 3/h，清水驱替排量设置为1.2 m 3/h。不同驱替模式下筛管内外流动压差、渗透率变化曲线如图2所示。试验后割缝筛管表面堵塞形态如图3所示。

图2中不同驱替模式下，0～300 s均为清水驱替，300～2 700 s分别反映稠油、地层砂以及油砂复合堵塞动态过程。清水驱替阶段，割缝筛管初始渗透率基本一致，为4～4.5 μm 2。堵塞阶段，稠油和地层砂复合作用下筛管内外压差上升速度最快，上升幅度最高，渗透率下降幅度超过95%，筛管堵塞最严重，而在清水携砂以及清水+稠油驱替模式下，筛管渗透率下降幅度分别约为80%及60%，堵塞程度依次降低。如图3所示，流体主要通过割缝缝隙进入筛管内部，稠油和地层砂明显在割缝缝隙处堆积堵塞。缝隙表面堆积的地层砂粒在稠油黏滞作用下依然保持完好状态（图3（c）），表明高黏度稠油加剧了地层砂对割缝介质的堵塞。

2.1.2  不同筛管水-油-砂不同驱替阶段堵塞动态

采用S2地层砂与L2稠油对绕丝、割缝和复合滤网3种筛管进行地层砂-稠油动态堵塞试验，阶段1为清水驱替，阶段2为稠油注入阶段，阶段3为地层砂加入阶段（稠油同时注入）。固定旁注稠油流量为0.06 m 3/h，清水排量为1 m 3/h。试验得到渗透率变化如图4所示。

由图4（a）可知：阶段1中3种筛管渗透率有差异，但保持在4～6 μm 2相对较高的数值；阶段2加砂后3种筛管由于地层砂堵塞渗透率降低到1.8～2.0 μm 2，渗透率损失超过50%；阶段3注入稠油后进一步加剧堵塞，地层砂与稠油复合堵塞平衡后，3种筛管渗透率均下降至0.1 μm 2以下（图4（b）），渗透率损失超过99%。由于筛管介质结构差异，3种筛管被地层砂和稠油协同堵塞的动态过程和最终平衡渗透率也有一定的差异。

2.1.3  石英砂与筛网介质水-油-砂单向驱替堵塞动态

采用0.42～0.84 mm石英砂和精度0.2 mm 多层滤网作为防砂介质，选择S3地层砂和L3稠油，利用单项单向流驱替单元分别进行清水携砂驱替、清水旁注稠油驱替和清水携砂旁注稠油驱替模拟。旁注稠油流量均为10 mL/min，稠油注入总量为100 mL。试验过程中的渗透率动态曲线如图5所示。

根据图5（a），在3次不同驱替条件下砾石层渗透率均逐步下降至平稳状态，体现了明显的初始堵塞（阶段1）、堵塞加剧（阶段2）和堵塞平衡（阶段3）3个阶段。从堵塞加剧的阶段2和堵塞平衡的阶段3对比可知，清水携砂驱替平衡阶段渗透率约10 μm 2，清水旁注稠油堵塞渗透率约6 μm 2，而稠油和地层砂同时驱替条件下的平衡渗透率则约为5 μm 2，总体堵塞最严重。地层砂侵入堵塞造成砾石层渗透率伤害为54.5%，稠油与地层砂复合堵塞造成渗透率伤害为77.2%。相类似，从图5（b）所示的多层滤网介质堵塞动态可知，单纯地层砂和地层砂与高沥青质稠油堵塞产生渗透率伤害分别为85.7%和32.1%，稠油和地层砂混合驱替时滤网整体渗透率下降最快，最终渗透率最低，造成渗透率伤害高达95.4%，表明稠油与地层砂对防砂介质有明显的协同堵塞作用。

2.2 稠油-地层砂协同复合堵塞机制

图6为稠油-地层砂堵塞显微照片。

根据堵塞形貌分析地层砂和稠油对防砂介质的协同堵塞机制：

（1）稠油吸附堵塞机制。高黏度稠油进入防砂介质内部会在介质孔喉表面产生吸附，黏结在介质表面失去流动性，占据介质孔隙空间（图7（a）和图8（a）），表现为稠油吸附堵塞导致流通性降低。据不同筛管及砾石层的试验表明，稠油吸附渗透率伤害约为30%～70%。

（2） 地层砂对介质桥架堵塞机制。如图7（b）与图8（b）所示，地层砂中的细颗粒会侵入防砂介质内部，较粗组分颗粒在孔喉中产生堵塞，成为介质内部空间的桥架堵塞。另外，地层砂中的粗颗粒会被防砂介质阻挡在介质外部，形成堆积桥架。根据试验结果，地层砂粒桥架堵塞造成的渗透率降幅超过50%。

（3）稠油与地层砂协同堵塞机制。如图7（c）与图8（c）所示，地层砂和稠油同时存在时，除稠油吸附堵塞和地层砂粒的物理堵塞单独作用外，吸附在筛管缝隙附近的高黏度稠油极易“捕获”地层砂颗粒，加剧地层砂物理堵塞，地层砂颗粒的桥架又会增大稠油的吸附，二者相互协同作用加剧了筛管的堵塞程度。综合各试验结果，稠油与地层砂协同堵塞对介质渗透率损伤可超过90%。

2.3 蒸汽吞吐交替驱替解堵规律

使用黏度7 500 mPa·s稠油和粒度中值0.25 mm地层砂进行割缝筛管防砂蒸汽吞吐过程模拟。共实施5个交替驱替轮次，每个轮次内分为注蒸汽、焖井以及回采3个阶段。蒸汽温度约为260 ℃，蒸汽排量为3.5 kg/h，注蒸汽時间约为10 min，焖井时 间约为10 min，回采阶段清水排量为1.2 m 3/h，稠油排量为0.06 m 3/h，测得不同注汽-生产轮次下割缝筛管流动压差及渗透率变化如图9（图中A、B、C分别表示每个轮次中的注蒸汽、焖井和回采阶段；下角0～4表示轮次序号）所示。

由图9分析可知，回采生产阶段由于地层砂和稠油堵塞，流动压差升高、渗透率降低；而在注蒸汽阶段，渗透率快速回升，注汽压差降低，说明注入高温蒸汽对堵塞介质有明显的解堵作用。 从图9（b）可知，随着注汽-生产轮次增加，蒸汽解堵阶段的渗透率恢复比例越来越低，5个轮次的渗透率恢复比分别为63%、42%、26%、19%、16%，生产平衡渗透率比分别为63%、32%、26%、25%、23%，蒸汽对割缝筛管的解堵恢复作用逐渐降低，筛管堵塞程度逐渐加剧。

3  稠油-地层砂协同堵塞影响因素及规律

3.1 流体流速敏感性

使用粒径中值0.25 mm的地层砂开展割缝筛管堵塞试验，稠油黏度为7 500 mPa·s，稠油注入速度为0.06 m 3/h，对比不同流速条件下割缝筛管堵塞规律。不同流速下割缝筛管流动压差、渗透率变化如图10所示。

试验中0～300 s为清水驱替阶段，300～1 800 s为油水无砂驱替阶段，1 800～3 500 s为油砂复合堵塞阶段。根据图10，割缝筛管稠油堵塞渗透率和复合堵塞渗透率由驱替流量0.8 m 3/h条件下的3.66和0.025 μm 2降低至驱替流量1.6 m 3/h条件下的1.87和0.033 μm 2，降幅分别为48.81%和86.79%；稠油堵塞渗透率比为0.5～0.7，即稠油吸附造成筛管渗透率降幅在30%～50%，稠油和地层砂复合堵塞作用下筛管渗透率降幅超过95%。随着驱替流速增加，割缝筛管不同阶段的渗透率呈下降趋势，即驱替流速越快，地层砂粒越容易被携带到防砂介质内部，造成更严重堵塞。

3.2 稠油黏度敏感性

设置不同稠油黏度为敏感条件，驱替排量为基准排量1.2 m 3/h，稠油排量为0.06 m 3/h，地层砂为粒度中值0.25 mm复配砂，分析稠油黏度对筛管堵塞规律的影响。不同稠油黏度下割缝筛管渗透率及堵塞渗透率比变化如图11所示。

根据图11（a），割缝筛管稠油堵塞渗透率和复合堵塞渗透率由3 500 mPa·s时的4.61和0.096 μm 2降低至10 500 mPa·s时的2.44和0.017 μm 2，降幅分别为47%和82%；稠油堵塞渗透率比为0.5～0.8，稠油吸附造成筛管渗透率降幅在20%～50%，稠油和地层砂复合堵塞下筛管渗透率降福超过97%。随稠油黏度增大，割缝筛管不同阶段渗透率以及渗透率比均呈一定的下降趋势，即稠油黏度越大，堵塞程度越高。

3.3 含油比例敏感性

分别以0.06、0.12、0.18、0.24、0.30 m 3/h不同稠油注入速度为敏感条件，驱替排量为基准排量1.2 m 3/h， 含油比例（注入稠油与水的体积比）分别为5%、10%、15%、20%、25%，稠油黏度为7 500 mPa·s， 地层砂为粒度中值0.25 mm复配砂，分析含油比例对筛管堵塞规律的影响。不同含油比例下割缝筛管渗透率动态变化如图12所示。

根据图12，割缝筛管稠油堵塞渗透率和复合堵塞渗透率由含油比例10%条件下的3.33和0.023 μm 2降低至含油比例25%条件下的1.72和0.012 μm 2，降幅分别为48.48%和48.51%；稠油堵塞渗透率比在0.4～0.6，即稠油吸附造成筛管渗透率降幅在40%～60%，稠油和地层砂复合堵塞作用下筛管渗透率降幅超过99%。总体上除5%含油比例试验外，随含油比例增加，割缝筛管渗透率及渗透率比均呈一定的下降趋势，含油比例越大，筛管堵塞程度越高。含油比例对割缝筛管堵塞的影响与稠油黏度的影响基本一致，主要是影响筛管割缝内稠油的聚集与地层砂的被吸附和沉积，稠油比例较高条件下易加剧稠油与地层砂在筛管割缝内的沉积，筛管堵塞程度加剧。

4 高黏稠油油藏防砂设计改进

根据试验结果获得的高黏度稠油对防砂介质孔隙存在明显的吸附堵塞和加剧地层砂堵塞的规律和启示，可以针对高黏度稠油油藏防砂优化提供改进指导。根据试验结果分析，高黏度稠油条件下，在原有地层砂对防砂介质堵塞基础上，稠油对防砂介质堵塞有明显加剧作用；与常规稀油油藏相比，相同防砂精度条件下，高黏度稠油油藏防砂介质堵塞平衡后其渗透率更低，流通性更差。同时，由于稠油在防砂介质孔隙表面的吸附附着作用及其对砂粒的黏滞吸附作用，会增强防砂介质的挡砂能力。

基于上述分析，高黏度稠油的协同堵塞机制会降低介质流通性能，同时增强挡砂性能。与常规稀油油藏防砂设计的正常挡砂精度 W  n相比，建议稠油油藏在单向流动模式下的防砂介质精度放大1～2个等级放宽到 W  h，如图13（b）和（c）所示（以割缝介质为例）。

虽然缝宽增大，但由于稠油黏附作用使防砂介质挡砂能力增强，保证了堵塞平衡后的介质流通性能。

5 结 论

（1）稠油油藏防砂介质存在明显的地层砂-原油协同复合堵塞现象。稠油本身对防砂介质具有堵塞作用，根据黏度和注入流速不同渗透率损伤可高达70%；在稠油-地层砂协同复合堵塞条件下，高黏度稠油以束缚油形式占据孔隙空间，并加剧防砂介质分选桥架堵塞，最终造成渗透率损害超过90%。

（2）热采蒸汽交变吞吐生产方式的注蒸汽过程对稠油-地层砂的协同堵塞具有明显的解除堵塞效应；但随着蒸汽吞吐交替轮次的增加，蒸汽解堵和渗透率恢复幅度逐渐下降。不同生产方式下的稠油-地层砂协同堵塞规律与稠油黏度、流体含油比例、流速等因素有明显的关系。

（3）高黏度稠油的协同堵塞机制会降低介质流通性能，同时增强挡砂性能。与常规稀油油藏防砂设计相比，建议稠油油藏在单向流动模式下的防砂介质精度放宽1～2个等级设计，热采吞吐交变模式下的擋砂精度放宽1个等级设计。

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（编辑 李志芬）