第三章出砂机理及防砂

1、第三章出砂机理及防砂油气层岩石在井下未开采时处于稳定状态，地层被钻开后井壁岩石的应力状况发生变化。在采出地层岩石中的流体后，岩石既要承受其它岩石的作用力，又要承受流体的作用力，在力的作用下强度弱的岩石可能会破碎，形成出砂。出砂是由于油气井开采和作业等综合因素造成井底附近地层破坏，导致剥落的地层砂随地层流体进入井筒，而对油气井生产造成不利因素的现象。防止油气井出砂称为防砂。3.1 出砂机理及预测 21、游离砂析出 未胶结的砂粒，随油气流带出岩石进入井筒。加强排液，不必采取防砂措施。2、弱胶结砂岩层的出砂 疏松岩石，当流体拖曳力超过砂粒联结强度时，形成出砂。随流体流量增加而变大，随采液时间延长而加

2、剧。3、砂岩骨架破碎出砂 胶结强度较高的砂岩层，生产初期无出砂，中后期出砂，一般为骨架砂。游离砂有利于疏通孔隙喉道，提高产能。防砂防的是后两种。一、出砂类型3.1 出砂机理及预测 3 1、地质因素 2、开采因素 3、完井因素人为因素自然因素构造应力的影响 颗粒胶结性质流体性质 地层压降及生产压差对出砂的影响 流速对出砂的影响 含水上升或注水对出砂的影响地层伤害的影响射孔参数对出砂的影响等 二、影响地层出砂的因素3.1 出砂机理及预测 41、拉伸破坏机理 随内外压差增大，流体流向井内的流速也增大，对岩石的拖曳力增大，岩石承受拉伸力也增大，当该力超过岩石抗拉伸强度时，岩石就会遭受拉伸破坏。三、出砂

3、机理 3.1 出砂机理及预测 52、剪切破坏 上覆岩层压力由孔隙压力与骨架应力共同平衡。随开采进行，油藏压力逐渐降低，施加在岩石骨架上的压力越来越大，当该力超过岩石的抗剪切应力，岩石就会被剪切破坏。3.1 出砂机理及预测 三、出砂机理 63.1 出砂机理及预测 三、出砂机理 岩石的强度有两部分组成：微粒之间的接触力和颗粒与胶结物之间的粘结力。由于各种物理、化学反应，导致胶结物被破坏掉或者溶解掉，岩石强度降低，造成出砂。3、粘结破坏 71、砂粒可能在井内沉积并形成砂堵，产量降低；2、砂粒将磨损井内和地表设备，卡抽油泵进出口凡尔、活塞、衬套等；3、出砂严重的井还可能引起井壁坍塌而损坏套管和衬管、砂

4、埋油层导致油气井停产，使采油的难度和成本都显著提高等等。4、污染环境，尤其是海洋油气田。 四、出砂的危害3.1 出砂机理及预测 81、现场观测法2、经验分析法3、应力分析法岩心观察 DST测试 临井状态 岩石胶结物 声波时差法 地层孔隙度法 组合模量法 出砂指数法 五、出砂预测方法3.1 出砂机理及预测 9 一般用粒径和不同粒径砂粒的百分含量表示砂粒尺寸及其分布特征。 粒径测量方法：筛析法、沉降法、观测法。 筛析法：将由粗到细的一套筛子叠放并固定在振动筛分机上，对已破碎的砂岩颗粒进行筛析，测量每一种孔径的筛面上剩余砂粒（筛余）的重量，即可得到颗粒粒径的质量分布。 地层砂粒筛析图：砂粒直径与累计

5、质量的曲线图。如：D50表示累计百分比占总砂粒质量50%的砂粒直径。D50=0.34mm表示0.34mm直径以上的砂粒占总砂粒的50%。 累积曲线越陡，粒度组成越均匀；曲线越平缓，粒度越不均匀。六、地层砂的粒径分析3.1 出砂机理及预测 10油井防砂方法有以下几种：1、机械防砂法2、化学防砂法3、焦化防砂法4、复合防砂法5、其他防砂法仅下机械防砂管柱的方法 自然砂拱防砂 防砂管柱砾石充填的方法 人工胶结地层法 人工井壁法 合理生产制度 向地层挤入树脂砂浆液、乳化水泥、预涂层砾石、水带干灰砂等 向地层通入热能，使原油在砂粒表面焦化，形成具有胶结力的薄胶结层 机械防砂法 化学防砂法 + 3.2 防

6、砂方法与技术 11（1）滤砂器防砂地层砂产出后，经过滤砂器才可到达地面，滤砂器具有高渗透性，但可以阻挡地层砂通过。A、割缝衬管缝长 垂直于轴线的(L=20-50mm) 平行于轴线的（L=50-300mm）缝宽：=0.15mm，最小可到0.08mm1、机械防砂3.2 防砂方法与技术 13E、陶瓷滤砂管 外管、陶瓷管、密封；陶粒为防砂材料，抗折、抗压性能高，能耐土酸、盐酸、高矿化度水的腐蚀。 F、多孔冶金粉末滤砂管 由铁粉、铜粉等烧结成多孔材料筛网，焊接在衬管上。厚度小，防砂效果好，可以阻挡0.06mm及更细的粉砂或黏土。G、其它优质复合防砂管 保护罩和多层滤网。防砂范围广，强度高、抗冲蚀能力强。

7、基管内保护层扩散层过滤层1、机械防砂3.2 防砂方法与技术 14机械防砂管柱结构衬管悬挂器：防砂管柱悬挂在套管，封隔 油套环空，使带砂流体只能 通过防砂衬管滤砂套；丢开 上部工作油管，便于检泵、 热洗清蜡等。丢 手：丢开上部工作油管，便于检 泵、热洗清蜡等。（丢手在 衬管悬挂器上）安全 接 头：悬挂器与衬管之间，打捞衬 管时，先将安全接头倒开， 捞出悬挂器，以免作业复杂。皮 碗：防砂管底端，帮助衬管之间 环空形成砂桥。扶 正 器：防砂衬管上下两端，保护衬 管下井时偏磨套管壁。丝 堵：最底端，防皮碗损坏时，地 层砂从底端进入管柱内。1、机械防砂3.2 防砂方法与技术 15（2）砾石充填防砂 首先

8、将筛管或割缝衬管下到出砂层段，用一定质量流体将一定粒度砾石携带到防砂段，充填在筛管与地层之间或筛管与套管之间，形成一个由粗到细的砂拱，砾石充填具有良好流通能力，又能阻止油层出砂，同时对井壁具有一定的支撑作用。分为裸眼砾石充填和管内砾石充填，一般与绕丝筛管共同使用。砾石尺寸选择 太大则渗透性好，防砂效果差；太小则渗透率小，产能低。 合理的砾石尺寸：D50砾石/D50砂=56。砾石的强度和圆度 最常用的砾石是石英砂，砾石的石英含量应不低于98%，圆度、球度大于0.6；也有在水平井中使用人造砾石，如陶粒等。1、机械防砂3.2 防砂方法与技术 16（2）砾石充填防砂 衬管类型选择 地层流体腐蚀性弱，砂

9、粒较粗，产能偏低的地层，一般选用割缝衬管；反之选用绕丝筛管； 产层厚度超过30m，海上油气田应考虑使用绕丝筛管； 硫化氢含量高的井，应选用有高的抗硫化氢能力的不锈钢材质； 热采井可以采用滑动式筛套；衬管缝隙选择 原则上筛管缝隙应能挡住最小的充填砾石，能挡住绝大多数的地层砂。 衬管缝隙尺寸应为最小砾石粒径的2/3左右。1、机械防砂3.2 防砂方法与技术 17（2）砾石充填防砂 砾石携带液（携砂液） 要求：携带液对地层无污染，液体中的悬浮颗粒直径小于地层孔隙尺寸；能防止地层粘土膨胀；能防止地层液体的乳化；性能稳定，能平衡地层压力。分为低、中、高粘度和泡沫砾石携带液。低粘度携带液：盐水加增粘剂，携砂

10、比为50-400kg/m3，粘度为50-100cP， 要求采用大排量充填。中粘度携带液：携砂比400-500kg/m3，粘度为300-400cP，排量为0.15- 0.3m3/min。高粘度携带液：携砂比1000-1800kg/m3，粘度为500-1000cP，排量为0.08- 0.3m3/min，用于高密度挤压充填作业。泡沫砾石携带液：水基液体充气形成，用于低压井，污染小。1、机械防砂3.2 防砂方法与技术 18（2）砾石充填防砂 砾石充填工具 分为反循环砾石充填和采用专用工具的正循环充填。反循环充填工艺简单，要求排量大，对地层伤害严重。目前，一般采用正循环充填。 常用工具有：卡瓦封隔器式砾

11、石充填工具、皮碗自封式砾石充填工具。其原理类似：下井后，先使用卡瓦或皮碗密封环空，打开充填孔对地层进行挤压充填，然后打开套管闸门进行环空砾石充填，充填完毕后上提管柱，打开反循环孔，反洗出多余砾石，反洗结束后正转倒扣提出内管柱。1、机械防砂3.2 防砂方法与技术 19裸眼防砂效果好，成功率高，在条件允许情况下尽可能选用裸眼防砂；裸眼砾石充填前，需要对井壁的泥饼进行清洗。管内砾石充填前，应对孔道进行清洗，否则影响充填效果；管内砾石充填包括常规砾石充填和压裂充填，后者增产作用明显。2、裸眼绕丝筛管砾石充填防砂 1、套管完井筛管砾石充填防砂1、机械防砂3.2 防砂方法与技术 （2）砾石充填防砂 滤砂器

12、管柱砾石填充油管套管水泥环油藏滤砂器管柱砾石填充射孔20（2）树脂预涂层砾石防砂 充填前使用树脂包覆砾石，充填后树脂涂层发生交联固化反应，将松散的砾石颗粒连接在一起，形成既有好的渗透性又有高的联结强度的砾石层。施工简单，成功率高，施工后砾石层强度高。使用早期和后期防砂、中、高含水井的防砂。（3）人工井壁防砂 将支撑剂和未固化的胶结剂按一定比例混合均匀，用液体携至井下挤入出砂部位，形成具有一定强度和渗透性的壁面，达到防砂又不影响生产的目的。常用水泥砂浆、树脂核桃壳、树脂砂浆人工井壁等。施工简单，适应性强。（4）其它 热力熔融固砂、“硅锁”法固砂。（1）人工胶结固砂方法 从地面向油层挤入液体胶结剂

13、及增孔剂（柴油），待胶结剂凝固后，可以将疏松的地层砂胶结在一起，组织地层砂进入井眼，并且保持固结的砂层具有一定的渗透率。常用： 酚醛树脂胶结砂层和酚醛溶液地下合成防砂。适用于早期防砂、细砂薄产层。工艺简单但成本高。2、化学防砂3.3 防砂方法与技术 213、焦化防砂3.3 防砂方法与技术 焦化防砂的原理是向油层提供热能，促使原油在砂粒表面焦化，形成具有胶结力的焦化胶层。 主要有注热空气固砂和短期火烧油层固砂两种方法。 缺点：强度低，可控性差，对油藏流体性质有较大的依赖性。22（1）常规机械-化学复合防砂法（2）高渗压裂充填防砂4、复合防砂化学剂在出砂层位固结地层后，再下机械防砂管柱（一般为双层

14、预充填绕丝筛管）高渗疏松砂岩地层既水力压裂，又砾石充填，两工艺有机结合，油井既高产又控砂最佳效果。 （1）压后地层流体流动特征径向流 双线流 （2）水力裂缝可以避免和缓解岩石的破坏（3）裂缝可以降低流动冲刷携带砂粒的能力（4）裂缝内充填的砾石对地层砂粒有阻挡作用双线流 生产压差降低 流动压力梯度降低 +双性流 裂缝表面积 流速大幅度降低+3.3 防砂方法与技术 23（1）砂桥：地层砂粒或充填砂粒在炮眼周围构成的圆拱结构。 （2）砂桥形成：流速低于临界流速时，自然形成砂桥，高于临界流速会大量出砂，不能形成砂桥。 为保证沙桥稳定性，最简单方法是把产量控制在临界流速以下；在一定采液流速下，可增大出油

15、面积，降低生产压差，如增大射孔密度，增大孔径，甚至裸眼完井。（3）砂桥稳定性：砂桥形成前会出砂，形成后出砂渐少，甚至不出砂，即形成稳定砂桥。 砂桥稳定性主要受砂粒间摩擦力和孔隙间毛管力支配。生产中，一旦流速过大，超过临界流速，流动压力大于砂粒间摩擦力和毛细管力，使得砂桥垮塌，油井出砂。3.3 防砂方法与技术 5、砂拱防砂（自然防砂）246、其他方法投产与管理（1）防砂后及时开井排液（2）投产初期适当控制工作制度（3）合理生产压差防砂后适当关井候凝或压力扩散，及时开井，尽快排液生产。投产初期，控制产液量，使地层砂在砾石充填体外沿形成“砂拱”或“砂桥”。较大砂粒能阻止外面较小地层砂，在井壁形成一个

16、由粗到细粒滤砂器，具有良好渗透性，又能阻止油层出砂。 防砂井存在人工井壁结构破坏而重新大量出砂可能。防砂后，要先保持防砂前生产压差，定期取样分析，观察油井出砂情况，经一段时间证明油井不出砂，油层本身又具有潜力时可适当放大生产压差，增加采油量。3.3 防砂方法与技术 257、适度防砂 严格防砂，不但在工艺上存在一定难度，而且成本高，容易井下砂堵，同时由于限制生产压差，防砂措施的存在导致附加表皮增加，不能充分发挥油井产能。 适度防砂就是在生产许可的范围内，允许一定数量的地层砂产出，以达到提高原油产量和较好的生产效益。 适度防砂的含砂量一般应控制在5%以内。 适度防砂技术应建立在精细储层评价、准确出

17、砂预测和先进的工艺配套措施的基础上。3.3 防砂方法与技术 26分类防砂法优点缺点备注机械防砂绕丝筛管砾石充填（1）成功率高达90%以上（2）有效期长（3）适应性强，应用普遍（4）裸眼充填产能为射孔完井1.2-1.3倍（1）井内有防砂管柱，后期处理复杂，费用高 （2）不适用于粉细砂岩（3）管内充填产能损失大按工艺条件和充填方式再细分滤砂管（1）施工简单，成本低 （2）适合多油层完井，粗砂地层 （1）不适用粉细砂岩（2）滤砂管易堵塞使产能降低（3）滤砂管易受冲蚀，寿命短按材料形成多种滤砂管割缝衬管（1）成本低，施工简单（2）适用于出砂不严重的中、粗砂岩，水平井常用 （1）不宜用于粉细砂岩（2）砂

18、桥易堵塞，影响产能化学防砂胶固地层（1）井内无留物，易进行后期补救作业（2）对地层砂粒度适应范围广（3）施工简单（1）渗透率下降，成本高（2）不宜多层长井段和严重出砂井（3）化学剂有毒，易造成污染树脂液、树脂砂浆、溶液地下合成、化学固砂剂人工井壁（1）化学剂用量少，成本可下降20-30%（2）井内无留物，补救作业方便（3）可用于出砂严重的老井（4）成功率高达85%以上（1）不宜用于多油层、长井段（2）不能用于裸眼井预涂层砾石、树脂砂浆、水带干灰砂、乳化水泥砂拱防砂套管外膨胀封隔器 (1) 施工简单，费用较低（2）可用于多层完井施工（3）产能损失小，后期处理较容易（1）不宜用于粉细砂岩及疏松砂地

19、层（2）砂拱稳定性不好（3）控制流速影响产能其他水力压裂砾石充填（1）既防砂又高产（2）消除油层伤害（3）有效期长（1）不宜用于多油层和粉细砂岩（2）后期处理难原油焦化固砂（1）特别适用于超稠油疏松砂岩 (2) 井内无留物（1）不宜用于多油层和长井段作业（2）施工复杂，难度大，费用高主要防砂方法对比271、防砂方法选择原则 （1）立足于先期和早期防砂 （2）综合技术现状、工艺条件和经济成本，合理选用防砂方法 （3）立足油层保护，减少伤害，保持油气井最大产能为目标， 结合有效期，选择防砂方法。根据地质资料和试油试井资料，结合出砂预测，一旦判断地层必然出砂，则应先期防砂完井或短暂排液后早期防砂，以

20、此为基础来选择防砂方法。如果在地层岩石骨架被破坏后才进行防砂，防砂难度将大大增加，而且也以保证防砂效果。1、防砂方法选择原则2、防砂方法优选基本思路3、影响防砂效果因素一、防砂方法优选3.3 防砂方法选择 28 防砂方法选择中存在的问题 （1）难以兼顾各种因素，具有片面性（2）防砂方法适应界限难以确定（3）片面经验起主要作用（4）注重防砂效果，忽略经济效果 2、防砂方法优选基本思路 建立一套综合防砂方法技术适应性和经济效果的优选模型。 （1）现有防砂方法适应性归纳分析，建立适应条件数据库；（2）根据专家和实践经验，建立各因素权重系数数据库， 表达各因素权重；（3）应用模糊数学原理建立防砂综合模

21、糊评判模型（技术评价）（4）不同防砂方法下油井产能预测。一、防砂方法优选3.3 防砂方法选择 29一、防砂方法优选3.3 防砂方法选择 30（1）地层砂侵入影响二、影响防砂效果因素 地层粘土含量高时，会加剧渗透率下降趋势砾石破碎产生粉细砂，结果相当于砂侵 混合物中砂子的百分数3.3 防砂方法选择 31 (2)地层胶结程度与地层砂粒径（3）粘土与细粉砂泥质的含量（4）油藏流体物性粉细砂岩与高粘土地层，防砂效果差，因粉细砂和粘土易堵塞滤砂管，粘土遇水膨胀。一般先预处理地层，防止粘土颗粒膨胀和运移。高粘液体与粘土、粉细砂一起易堵塞滤砂管，油井丧失产能。 二、影响防砂效果因素 3.3 防砂方法选择 3

22、2（5）地层垂向非均质性（6）地层温度（7）井段长度（8）多油层防砂井段较长、垂向非均质性较强井，化学剂挤注效果较差，防砂效果不好，导致继续出砂。化学防砂方法影响较大，化学固砂剂一般对温度要求苛刻 井段较长不适宜用化学防砂，会使化学剂挤注不均匀 化学剂固砂与人工井壁法都不适用多层防砂，易挤注不均匀即使砾石充填，夹层超过一定厚度也要进行分级防砂。 二、影响防砂效果因素 3.3 防砂方法选择 33（9）射孔参数（10）井身状况高孔密 大孔径 提高渗透率 增大渗流面积 降低流速 大径砾石充填 高斜度井中砾石充填易亏空甚至充填失败。化学剂固砂不适合斜井，化学剂可能在井筒周围挤注不均匀。其他条件允许情况

23、下，斜井常采用筛管防砂方法。 二、影响防砂效果因素 3.3 防砂方法选择 34（11）砾石尺寸选择不当（12）砾石破碎影响考伯里：砾石尺寸为地层砂d1013倍。卡玻夫：砾石尺寸为地层砂d505-10倍，地层砂细时效果较好。 ， Saucier：地层砂d504-8倍（通常为5-6）。 壳牌公司Schwartz：根据地层砂筛析曲线选择砾石尺寸 较大尺寸砾石，虽渗透率较大，但地层砂易侵入砾石层，反而降低渗透率，形成较大压降，降低产能。一般选尺寸较小砾石，最好选允许范围底限，减少砂侵。砾石输送和泵送过程颠簸振动，泵入时活塞挤压和流体冲蚀，可产生破碎。 重新筛选，适当控制泵送流速，但流速过低会砾石沉淀堵

24、塞。 高产井高速携砂液对砾石层产生冲蚀，产生粉碎细砂，堵塞充填层，降低产量 半对数筛析曲线上累积重量10的砂粒直径二、影响防砂效果因素 3.3 防砂方法选择 35（13）入井液影响（14）油井产能影响（15）含水率影响砾石充填入井液最基本要求是清洁与地层有较好配伍性。不清洁会对地层造成堵塞，即使很细固粒和地层砂混合也会使渗透率降低到几个毫达西。另外入井液必须与地层相配伍，不能引起粘土膨胀、运移。 产出携砂液流速高，对机械防砂管柱造成破坏。另外高产井不宜采用对产能有较大影响的防砂方法。高含水油井中采用与化学剂有关的防砂方法可能降低防砂有效期，因为高含水会降低化学剂固结作用。二、影响防砂效果因素 3.3 防砂方法选择 36分类防砂法优点缺点备注机械防砂绕丝筛管砾石充填（1）成功率高达90%以上（2）有效期长（3）适应性强，应用普遍（4）裸眼充填产能为射孔完井1.2-1.3倍（1）井内有防砂管柱，后期处理复杂，费用高 （2）不适用于粉细砂岩（3）管内充填产能损失大按工艺条件和充填方式再细分滤砂管（1）施工简单，陈本低 （2）适合多油层完井，粗砂地层 （1）不适用粉细砂岩（2）滤砂管易堵塞使产能降低（3）滤砂管易受冲蚀，寿命短按材料形成多种滤砂管割缝衬管（1）成本低，施工简单（2）适用于出砂不严重的中、粗砂岩，水平井常用 （1）不宜用于粉细砂岩（