目前，砾石充填防砂是机械防砂常用技术之一，对原油的稳定开采起着重要作用^[1-5]。而砾石充填防砂的关键是砾石尺寸的优选^[6-10]，国内外很多学者对此开展了大量研究，但他们都是用比较均匀的地层砂进行模拟实验，因此得到实验结论与现场结果差别较大。本文利用不同粒度分布的地层砂进行试验，分析不同粒度分布下地层砂侵入砾石层后渗透率变化规律，从而为砾石充填防砂中砾石尺寸优选提供依据。

砾石充填层渗透率实验装置是由玻璃钢材料所制，它主要由四部分组成：砂体填料筒、数据采集系统、稳压供液系统和循环系统。通过测定填砂筒的进、出口压力和流量，根据达西定律，可以得出砾石充填层的渗透率变化。

按照不同的砂配比，得到地层砂不均匀系数（地层砂筛析曲线上占累积质量40%的地层砂粒径与占累积质量90%的地层砂粒径比值，一般用Uc表示，Uc≤3为均匀砂；Uc≥5为不均匀砂）、地层砂粒度中值d50和泥质含量均不同的地层砂样品。地层砂粒度分布曲线如图 1所示。根据Saucier砾石尺寸选择标准[D₅₀=（5~6）d₅₀，D₅₀为砾石的粒度中值]来选择砾石的尺寸。实验所用流体为机油，黏度为50~100 mPa·s。

图 1(Fig. 1)

图 1 地层砂粒度分布曲线

实验流程如图 2所示。砂体填料筒直径为5 cm，砾石充填段长度为15 cm，地层砂段长度为35 cm。实验时，将砾石充填在填料筒中，地层砂充填在填料筒另一端，并充分震动，以得到固定的阻力特性，使砾石层和地层砂均处于自然堆积状态，减少气体对实验的影响。利用供液泵给填砂筒供液，保持供液压力为定值。利用测得的实验压差和流量，计算得到砾石充填层的渗透率。取不同的砂样和砾石，重复以上实验步骤。

图 2(Fig. 2)

图 2 实验装置流程图

将地层砂分为均匀（Uc≤3）和不均匀（Uc≥5）两种，限定地层砂泥质含量在某一范围（质量分数为5%~10%），改变地层砂的粒度中值d₅₀，通过实验得出砾石充填层的渗透率与地层砂粒度中值的关系，结果如图 3所示。

图 3(Fig. 3)

图 3 砾石层渗透率与地层砂粒度中值的关系

从图 3可以看出：对于均匀程度不同的地层砂，砾石层渗透率都随着地层砂粒度中值的增加而增大，均匀地层砂对应的砾石层渗透率降幅较不均匀地层砂的明显；对于粒度中值小于150 μm的地层砂，建议根据Saucier砾石尺寸选择标准适当缩小砾石尺寸，即D₅₀=（4~5）d₅₀；对于粒度中值大于150 μm的地层砂，建议根据Saucier砾石尺寸选择标准适当放大砾石尺寸，即D₅₀=（6~7）d₅₀。

将地层砂粒度中值限定在某一值（d₅₀ = 150 μm），根据Saucier砾石尺寸选择标准，得到砾石尺寸为16~30目，地层砂泥质含量限定在某一范围（质量分数5%~10%），改变地层砂的不均匀系数，通过实验得出砾石充填层的渗透率与地层砂不均匀系数的关系，结果如图 4所示。

图 4(Fig. 4)

图 4 砾石层渗透率与地层砂不均匀系数的关系

从图 4可以看出：砾石层渗透率随着地层砂不均匀系数的增加而降低，对于不均匀系数小于10的地层砂，砾石层的渗透率降幅比较明显，建议根据Saucier砾石尺寸选择标准适当放大砾石尺寸，即D₅₀=（6~7）d₅₀；对于不均匀系数大于10的地层砂，砾石层渗透率降幅比较缓慢，建议根据Saucier砾石尺寸选择标准适当缩小砾石尺寸，即D₅₀=（4~5）d₅₀。

将地层砂分为均匀（Uc≤3）和不均匀（Uc≥5）两种，限定地层砂粒度中值在某一值（d₅₀=150 μm），根据Saucier砾石尺寸选择标准，得到砾石尺寸为16~30目，改变地层砂泥质含量，通过实验得出砾石充填层的渗透率与地层砂泥质含量的关系，结果如图 5所示。

图 5(Fig. 5)

图 5 砾石层渗透率与地层砂泥质含量的关系

从图 5可以看出：对于均匀程度不同的地层砂，砾石层渗透率随着地层砂泥质含量的增加而降低，对于泥质质量分数小于10%的地层砂，砾石层的渗透率降幅比较明显，建议根据Saucier砾石尺寸选择标准适当放大砾石尺寸，即D₅₀=（6~7）d₅₀；对于泥质质量分数大于10%的地层砂，砾石层渗透率降幅比较缓慢，建议根据Saucier砾石尺寸选择标准适当缩小砾石尺寸，即D₅₀=（4~5）d₅₀。

将地层砂分为均匀（Uc≤3）和不均匀（Uc≥5）两种，限定地层砂粒度中值在某一值（d₅₀=150 μm），根据Saucier砾石尺寸选择标准，得到砾石尺寸为16~30目，改变生产压差，通过实验得出砾石充填层的渗透率与生产压差的关系，结果如图 6所示。

图 6(Fig. 6)

图 6 砾石层渗透率与生产压差的关系

从图 6可以看出：砾石层渗透率随着生产压差的增加而降低，生产压差小于4 MPa，砾石层渗透率降幅比较明显；生产压差大于4 MPa，砾石层渗透率降幅比较缓慢；建议在实际生产过程中要控制生产压差，避免压差过大造成砾石层的堵塞。

（1）砾石充填层渗透率与地层砂的粒度中值，不均匀系数和泥质含量等因素有密切关系，在其它影响因素不变的情况下，砾石层渗透率随地层砂粒度中值减小而降低；随地层砂不均匀系数的增加而降低；随地层砂泥质含量增加而降低。

（2）通过观察实验后砾石层和地层砂的交界面，可以得出地层砂侵入砾石层的距离与地层砂粒度中值成反比；与不均匀系数、泥质含量和生产压差成正比。

（3）随着生产压差的增加，砾石层渗透率明显下降，因此在实际生产中，建议初期的生产压差不要超过4 MPa，从而可以降低地层砂对砾石层的侵入程度，避免砾石层的堵塞。

（4）对于不同的储层，建议在砾石尺寸优选时要根据地层砂的粒度中值、不均匀系数和泥质含量进行适当的调整，从而能够降低砾石层堵塞的风险。