0 引言

辽河油田区域油层埋藏较浅，地层胶结疏松，成岩作用较差。出砂的油井大约3 200口，约占总油井数目的33%，而且大多数都是定向井，每年因出砂检泵约3 200次，需要消耗大量的作业资金。对锦2-平1、欢127-H1、欢127-莲H2和齐2-H3等稠油井的统计分析表明，井底砂柱高度一般超过200 m，每次注入蒸汽都要进行冲砂，洗井工作量巨大^[1-5]。鉴于此，笔者对辽河油田典型油井的出砂砂样进行了采集，采用筛分法对砂粒的粒度分布进行了定量测量，同时，试验测量了砂粒的注入休止角和倾斜休止角等摩擦特性。关于辽河地区油井出砂的砂粒特征的研究，将为水力携岩能力评价、冲砂洗井流动分析以及洗井工艺参数的合理选择等问题的解决提供重要理论指导^[6-10]。

1 油井砂粒取样

砂粒取样：1#砂样组取自锦2-平1井的井底砂柱，通过冲砂洗井工艺获得。同样，2#砂样组取自欢127-H1井；3#砂样组取自欢127-莲H2井。

3口井都是定向井。其中，欢127-莲H2井于2009年11月29日完井，井身结构为：表层套管ø273.0 mm J55(厚9.65 mm)×(0~700 m)+技术套管ø177.8 mm TP100H(厚9.19 mm)×(700~1 244 m)+筛管ø177.8 mm TPS(厚9.19 mm)×(1 244.7~1 367.7 m)。该井采用75.9 mm平式油管(厚8.63 mm)完井采油。

2 砂粒特征的试验研究 2.1 基本仪器

参照国家标准(GB/T 6003.1—2012)^[11]，选用直径200 mm粒径测试方孔标准筛，孔径选用0.075、0.150、0.300、0.600和1.180 mm；数显天平称量1 000 g±0.1 g，刻度尺精度0.1 mm；小铲、浅盘、毛刷、烧杯以及漏斗等。

2.2 砂样制备

将不同的砂样放入0.075 mm方孔筛中，用清水﹑洗衣粉或者洗洁精浸泡，彻底清除砂粒表面残留的胶质和化合物。将清洗后的砂粒样品分类和编号，放在通风处自然风干备用^[9-10]。然后，用相机拍摄砂粒的形状特性及其大小的实物照片。对砂样进行观察，分析砂粒几何大小、形状与地层岩石性质等因素的关系，以及在空气中吸潮和结块情况。

2.3 试验步骤

砂粒样品筛分试验步骤^[9-10]：准确称取一定质量的风干试样，准确至0.5 g，置于套筛最上面的一只筛，即孔径1.18 mm筛。将套筛盖上顶盖，均匀摇筛约15 min。然后，取出套筛，再按筛口大小顺序，从最大的筛号开始，在接近的浅盘上面逐个进行手筛，直到每分钟的筛出量不超过筛上剩余量的10%为止。同时称量筛上筛余的砂粒质量，精确至0.5 g。将筛出通过的颗粒并入下一号筛和下一号筛中的砂样一起过筛，这样，依顺序进行，直到各分筛全部筛完为止。所有筛的分级剩余量和底盘中剩余量的总和与筛分前的试样总样相比，其相差不得超过1%。1号砂样和2号砂样筛分后的颗粒粉体形状分别如图 1和图 2所示。图中的d表示粉体直径。

2.4 试验结果分析

(1) 同一地层油井出砂的几何尺寸有大有小，但颜色和成分相近。

(2) 砂粒的大小和形状与地层的岩性有关。3号砂样中块大的多边形岩石，应属于地层胶结性较差的基质，不是地层出砂。

(3) 在同等干燥条件下，2号砂样更易吸潮粘结，说明它的团聚性和吸附性比其他砂样更强，静态流动性相对较差。

2.5 粒径分布分析

直接称量通过筛分后的砂粒样品，其质量如表 1所示。

参照我国关于粒度分析结果的表述标准(GB/T 15445.2—2006/ISO 9576—2.2001)^[12-17]，砂粒样本平均粒径表示为：

(1)

式中：x为砂样平均粒径，x_i为粒径间隔上限，x_i-1为粒径间隔下限，ΔQ_i为粒径间隔相对量。

利用公式(1)计算砂样颗粒各级筛孔直径所对应的平均粒径，结果见表 1第2列。其中，1号砂样概率直径为0.600~1.180 mm；2号砂样概率直径为0.300~1.180 mm；3号砂样概率直径为0.300~1.180 mm。

计算表 1中的3种岩样颗粒各级筛分直径d_s所对应的质量分数f，结果见表 2。

绘制3种砂样的d_s分布曲线，结果如图 3所示。

运用数学软件Matlab的语言环境^[18]，对图 3的粒径分布进行曲线拟合，得到：

1号砂样

(2)

(3)

2号砂样

(4)

(5)

3号砂样

(6)

(7)

式中:f₁~f₃是岩样颗粒的质量分数；R²表示粒径拟合以后的相关度。

3条拟合曲线的相关度都比较高，由此可知，采用5阶多项式拟合能够准确地描述油井粒径分布规律。

上述砂样粒径分布和概率直径等参数的研究，对于分析辽河油田砂粒沉降速率、洗井最低排量以及摩阻等参数至关重要。

2.6 砂粒粉末的摩擦特性分析

粉粒是对颗粒物集合体的总称。摩擦特性是粉体基本的力学行为^[9-10]。粉体与流体在流动行为上的重要区别是：当粉体从容器中流到平面上时，粉体会堆积在平面上，堆积角保持不变。粉体中固体粒子之间、粒子与固体边界之间，因摩擦而产生堆积的力学现象是其内部物理特性的外在表现。粉体的摩擦特性包括粉体静止堆积的状态﹑流动特性、壁面的摩擦行为和滑落特性等基本性质。

常用的摩擦角有休止角﹑内摩擦角、壁面摩擦角和滑动摩擦角等。其中，休止角又称堆积角和安息角^[9-10]。它是指粉体在自重作用下自然堆积，自由表面处于平衡状态时与水平面所形成的最大角度。休止角用来衡量和评价粉体的流动性，被视为粉体的“黏度”。采用注入法测量休止角，即在某一高度下，将砂样注入到无限大平面所形成的堆积角，又称为注入角。该角度描述了砂样颗粒的相对摩擦特性。其中试验原始数据及分析处理数据分别见表 3和表 4。

表 3中：D_a是注入法测量岩屑颗粒堆积圆锥时圆锥底部直径，H_a是圆锥的高度。根据注入休止角公式，算出各个休止角(见表 4)，画出筛分直径与注入休止角的关系曲线，如图 4所示。

由图 4可以看出，随着筛分直径的增大，砂样粉体的休止角变大，流动性变差，这与粉体的内摩擦特性完全相符。2号砂样的平均注入休止角大于36°，这表明2号砂样属于流动性差的粉体类型。由表 4知，与砂样颗粒平均粒度0.300~1.180 mm相对应的注入休止角为34.4°~36.4°。

2.7 倾斜法测量的休止角α_dip

现采用倾斜法测量休止角^[9-10]。将某一盛满粉体的容器水平放置，然后打开其一端，让粉体自由留下，此时在容器口粉体表面与水平面所形成的夹角即为倾斜休止角。该角代表了粉体颗粒之间的静摩擦特性。3组砂样的休止角试验数据及分析处理结果见表 5，画出相关的曲线，如图 5所示。

对于不规则砂粒，粉体的流动性差，具有较大的可压缩性和团聚性，其休止角的大小和试验方法有关，在数量上表现出一定的差异，但基本规律和趋势相同^[7-8]。由图 5知，随着筛分直径的增大，砂样粉体的倾斜休止角变大，可携带性变差，与注入休止角的变化趋势基本一致。由表 5知，与砂样颗粒平均粒度0.300~1.180 mm相对应的倾斜休止角波动范围较大，为30.0°~50.0°。

3 结论

(1) 对辽河油田3口典型出砂油井砂粒的基本粉体力学特性进行了试验研究，采样分析结果表明：地层出砂的平均粒径为0.300~1.180 mm；砂粒的注入休止角为33.4°~36.4°，倾斜休止角为30.0°~50.0°。

(2) 所获得的基本砂粒特性参量，将为辽河油田洗井工艺参数的合理选择、水力携岩能力评价以及冲砂洗井流动性能优化等问题的解决提供重要的理论指导。