关于国内外防砂决策与工艺技术的调研报告

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/Shop/45.shtml《销售经理学院》56套讲座+14350份资料/Shop/46.shtml《销售人员培训学院》72套讲座+4879份资料/Shop/47.shtml国内外防砂决策及工艺技术调研报告出砂机理理论基础地层出砂的阻碍因素油层出砂是由于井底附近地带的岩层结构破坏所引起的，它是各种因素综合阻碍的结果，这些因素能够归结为两个方面，即地质条件和开采因素，其中地质条件是内因，开采因素是外因。1.1.1内因—砂岩油层的地质条件(1)应力状态砂岩油层在钻井前处于应力平衡状态。垂向应力大小取决于油层埋藏深度和上覆岩石的密度；水平应力大小除了与油层埋藏深度有关外，还与油层构造形成条件及岩石力学性质和油层孔隙中的压力有关。钻开油层后，井壁附近岩石的原始应力平衡状态遭到破坏，造成井壁附近岩石的应力集中。在其它条件相同的情况下，油层埋藏越深，岩石的垂向应力越大，井壁的水平应力相应增加，因此井壁附近的岩石就越容易变形和破坏，从而引起在采油过程中油层出砂，甚至井壁坍塌。(2)岩石的胶结状态油层出砂与油层岩石胶结物种类、数量和胶结方式有着紧密的关系。通常油层砂岩的胶结物要紧有粘土、碳酸盐和硅质、铁质三种，以硅质和铁质胶结物的胶结强度最大，碳酸盐胶结物次之，粘土胶结物最差。关于同一类型的胶结物，其数量越多，胶结强度越大。油层砂岩的胶结方式要紧有三种(图9-1)，一是基底胶结，砂岩颗粒完全浸没在胶结物中，彼此互不接触或接触专门少，其胶结强度为最大，但由于其孔隙度和渗透率均专门低，专门难成为好的储油层；二是接触胶结，胶结物的数量不多，仅存于岩石颗粒接触处，其胶结强度最低；三是孔隙胶结，胶结物的数量介于基底胶结和接触胶结之间，胶结物不仅存在于岩石颗粒接触处，还充填于部分孔隙中，其胶结强度也处于基底胶结和接触胶结之间。图1-1油层砂岩胶结方式示意图a—基底胶结；b—接触胶结；c—孔隙胶结容易出砂的油层岩石要紧以接触胶结方式为主，其胶结物数量少，而且其中往往含有较多的粘土胶结物。(3)渗透率的阻碍渗透率的高低是油层岩石颗粒组成、孔隙结构和孔隙度等岩石物理属性的综合反应。实验和生产实践证明，当其它条件相同时，油层的渗透率越高，其胶结强度越低，油层越容易出砂。1.1.2外因—开采因素(1)固井质量由于固井质量差，使得套管外水泥环和井壁岩石没有粘在一起，在生产中形成高低压层的串通，使井壁岩石不断受到冲刷，粘土夹层膨胀，岩石胶结遭到破坏，因而导致油井出砂。(2)射孔密度射孔完井是目前各油田普遍采纳的沟通油流通道的方法，假如射孔密度过大，有可能使套管破裂和砂岩油层结构遭到破坏，引起油井出砂。(3)油井工作制度在油井生产过程中，流体渗流而产生的对油层岩石的冲刷力和对颗粒的拖曳力是疏松油层出砂的重要缘故。在其它条件相同时，生产压差越大，流体渗流速度越高，则井壁附近流体对岩石的冲刷力就越大。另外，油、水井工作制度的突然变化，使得油层岩石受力状况发生变化，也容易引起油层出砂。(4)其它油层含水后部分胶结物被溶解使得岩石胶结强度降低或者油层压力降低，增加了地应力对岩石颗粒的挤压作用，扰乱了颗粒间的胶结，可能引起油井出砂。不适当的措施如压裂和酸化等，降低了油层岩石胶结强度，使得油层变得疏松而出砂。总之，不适于易出砂油藏的工程措施、不合理的油井工作制度及工作制度的突然变化、频繁而低质量的修井作业、设计不良的措施和不科学的生产治理等都可能造成油气井出砂。这些都应当尽可能幸免。由于油田开发过程中压力变化而引起的岩石应力状态的失衡及油气渗流的冲刷力，尽管是不可幸免的，但应尽量防止和减少它们可能对造成出砂的阻碍。关于胶结物中粘土含量高易发生粘土膨胀而可能引起出砂的井，采取必要的防膨措施则可防止和减少因此而造成的油层出砂。关于疏松油层除合理的工作制度外，要紧是选择合理完井方式和采取先期防砂。1.2.岩石破坏机理理论基础1.2.1岩石破坏准则（1）库仑(Coulomb)破裂准则库仑假定：若岩石内部某面上的正应力和剪切力满足条件： (1-1)则该面将发生破裂。式中的S0和是与岩石种类有关的材料常数。S0叫做聚合强度（Cohesion）,工程上称为内聚力；叫做内摩擦系数，工程上常令称为内摩擦角。以上确实是库仑准则的原始描述。下面据此进一步讨论岩石破裂的条件和破裂与加载应力场的关系。进一步推导能够将库仑破裂条件（准则）写成： (1-2)其中： (1-3)为岩石单轴抗压强度，而q的表达式为： (1-4)（2）摩尔破裂准则摩尔于1900年提出，当一个面上的剪应力与正应力之间满足某种函数关系时，即： (1-5)材料沿该面会发生破裂，这确实是摩尔破裂准则。其中函数f的形式与岩石种类有关。不难看出，摩尔准则是库仑准则的一般化。因为库仑准则在平面上代表一条直线，而摩尔准则代表了平面中的一条摩尔曲线，我们能够由岩石中的三个主应力，用建筑三维摩尔圆的方法，求出任意方位面上的正应力和剪应力。假如岩石内部各种可能的应力状态在摩尔曲线的下方，则可不能发生破裂；假如以为半径的大圆与莫尔曲线相切，则岩石会发生破裂，破裂面的方位能够由摩尔圆直接求出。（3）格里菲斯破裂准则格里菲斯给出了另外一种岩石破裂准则：当时， (1-6)当时，， (1-7)此处T0是岩石的单轴向抗张强度。格里菲斯准则是基于断裂力学得到的，它的优点是企图把抗张破裂准则与剪切破裂准则统一起来。（4）默雷尔破裂准则1966年，Murrell（默雷尔）总结了砂岩实验的资料，给出了岩石剪切破裂的条件。Murrell的经验公式为： (1-8)关于砂岩，。默雷尔公式从解析的角度给出了的具体函数关系式。在平面，表征这种关系的是一条向下弯曲的曲线(因n<1)。因此，假如破裂准则是由默雷尔经验公式所确定，那么一个明显的结论确实是当围压十分高时，破裂面与最大主应力轴的夹角趋于45°。1.2.2剪切破坏机理剪切破坏是大多数现场出砂的差不多机理。通常以岩石力学的库仑-摩尔破坏准则为基础，认为出砂是由于炮孔及井眼周围的岩石所受的应力超过岩石本身的强度使地层产生剪切破坏，从而产生了破裂面，破裂面的产生降低了岩石承载能力并进一步破裂和向外扩张，同时由于产液流淌的拖曳力，将破裂面上的砂子剥离、携带出来，导致出砂。剪切破坏与过大的生产压差有关，岩石一旦发生剪切破坏，将造成大量突发性出砂，严峻时砂埋油层、井筒，甚至造成油井报废。1.2.3拉伸破坏机理流体流淌作用于炮孔周围地层颗粒上的水动力拖曳力过大，会使弹孔壁岩石所受的径向应力超过其本身的抗拉强度，脱离母体而导致出砂。它与过大的开采流速及液体粘度有关，并具有自稳定效应。M.B.Dusseault对弹孔周围的岩石进行了力学分析，图1－1是射孔造成弱固结砂岩破坏的示意图。通过射孔后，炮孔周围往外的岩石可依次分为颗粒压碎区、岩石重塑区、塑性受损及变化较小的受损区，并可与岩样做压缩试验时的全应力-应变曲线上的各区相对应（见图1－2）。远离炮孔的A区是大范围的弹性区，其受损较小，B1~B2区是一个弹/塑性区，包括塑性硬化和软化，地层遭到不同程度的损坏，C区是一个完全损坏区，岩石经受了重新塑化，产生了近于完全塑性状态的应变。紧挨弹孔周围的岩石由于受到剧烈的震动被压碎，一部分水泥环也受到了松动损害。假如岩石材料的抗剪切强度较低，射孔后使孔周围的岩石强度进一步下降，假如掩饰的强度无法抵抗由原地应力作用在弹孔周围的形成的应力场，便会产生剪切破坏或屈服，进而逐层剥离孔壁，形成出砂。另一方面，在开采时，由于存在差应力的应力场（生产压差），流体的流淌会降低岩石的剪切强度。微粒运移造成部分孔隙的堵塞所形成的表皮效应也会使压力降升高，导致在低拉伸强度的岩石中产生颗粒的拉伸剥离，如图1－3所示。从图中能够看出，切应力几乎永久是压应力，它与径向应力组成弹孔周围的差应力，这是产生剪切破坏的力源。研究认为，因为弹孔周围地层的孔隙度和渗透性高（疏松砂岩），因而，其孔隙压力近似等于孔穴内的压力，即有效应力为零，因此孔壁的岩石处于单轴压缩状态，专门容易发生剪切破坏。与此同时，由于流体的流淌在孔穴周围形成剧烈的压力降，而部分孔隙堵塞造成的表皮效应将使流淌压降增大，从而可能使径向应力变成拉伸应力，使孔壁材料产生拉伸破坏，导致岩石颗粒剥离孔壁而随油气产出。图1-4图1-4流体向孔内流淌产生孔穴壁的拉伸破坏坏坏图1-2弹孔周围地层受损情况示意图图1-3典型的岩石全应力-应变曲线

由于砂岩储层是由颗粒材料组成的，水动力拖曳力作用于靠近孔穴壁自由表面的颗粒上，它能够克服周围材料作用于单个颗粒或颗粒群体上的接触阻挡力（包括颗粒间的联结力和摩擦阻力）而使颗粒剥离下来。岩石颗粒材料之间接触的法向联结力和切向摩擦力而使岩石固结在一起，这是保持孔穴稳定的作用力。开采时，流体向井内流淌产生作用在材料上的内向应力，单个颗粒或不稳定颗粒群体由于在孔隙内外压差dp的作用而出现指向孔穴内的拖曳力，这两种力同时产生颗粒的剥离作用，只要这两种力克服了保持孔穴稳定的力，便会出砂。那个模型更适合由于射孔使孔周材料已被剪切屈服的弱化材料。这时颗粒间的摩擦力和法向拱应力是专门小的，压力降专门容易驱走固结最弱的大颗粒或颗粒群（团块/碎片）。只是，尽管固相砂粒产出是个不剥离事件的连续，但最后总要达到某些颗粒的稳定而形成自然砂拱。围绕孔穴的桥拱应力会有助于砂拱的稳定，甚至在有流体向内流淌时也是如此。使砂拱稳定的另一因素是进展起来的破裂区会承担一些应力而提供部分支撑力（这能够从岩石材料强度的峰后效应看出来）。弹孔周围岩石受单向压缩应力或一向为拉伸、一向为压缩的应力，使岩石极易产生剪切破坏和拉伸破坏，这是开采过程中地层出砂的要紧缘故。1.2.4微粒运移机理图1－5充填砂受力分析在疏松砂岩油藏中，地层内部存在着大量的自由微粒，在流淌液体的拖拽力作用下，自由微粒会在地层内部运移直至流入井筒造成出砂。假如这些微粒在被地层孔喉阻挡后，会使流体渗流阻力局部增大，图1－5充填砂受力分析油层充填砂受力分析如图1－4所示。设充填砂半径R、组成岩石的骨架砂粒半径为RS、多孔介质孔道中的流速U。充填砂在运动方向所受的推力Fx、和与运动方向垂直的升力Fz、统称为水动力。砂粒本身重力FG。任何两颗微粒之间、微粒与孔壁之问，总存在有相互吸引力，即范德华力FA。处于多孔介质孔道中的充填砂，当流体的流淌速度不断增加时，则砂粒受到的流体冲刷力会越来越大、当达到某一流速时，水动力和双电层斥力就会克服各种阻力，推动砂粒在孔道中随流体运动，大砂粒会在孔喉处聚拢，使渗透率降低、小砂粒则会通过孔喉，进入油井，引起油井出砂。表1－1不同粒径对门限速度的阻碍由实验得到的表中数据可看出，粒径R越大，则砂粒的启动速度VS越小，因为R越大、所受的水动力也越大，砂粒越容易起动。因此，出砂油层中假如颗粒较大的砂粒比例越多，则越容易引起油层出砂（在相同条件下）。表1－2不同孔隙度对门限速度的阻碍从表中实验结果我们能够看出，油层孔隙度φ越大，则门限速度越大。其缘故是，当油层φ增大时，相当于油层中孔道变多、或变大，在表观视速度相同时，则流体的真实流速变小、水动力减小、故砂粒越不易起动。2.出砂预测技术理论及应用由于出砂造成的危害极大，因此准确的预测出砂是特不重要的，而出砂预测是一项复杂而又困难的工作，它涉及到多孔弹性介质力学、岩石力学、流体力学、油田化学等多学科领域的理论，且受地层力学性质、流体性质、完井及开采工艺等多种因素的阻碍和操纵。出砂预测方法的进展经历了一个从简单到复杂、从定性到定量的曲折进展过程。起初，人们是通过观看岩心和分析初始生产动态资料来预测出砂，此为出砂预测方法进展的第一时期。通过对岩石力学性质如弹性模量、剪切模量等的认识，找出一个地区不出砂的岩石特性临界值来预测出砂是出砂预测方法进展的第二时期。该时期较为典型的方法是组合模量法和斯伦贝谢法。进入八十年代后，出砂预测向实验室模拟研究和数值计算方向进展，从前两个时期的定性研究转向定量研究，能够得出油气井不出砂时的临界产量和临界压差，这一时期为第三时期。也是当今油气井出砂预测方法研究的要紧方向。然而，这方面的研究还专门不完善，出砂预测模型的进展历史较短。Stein于1972年引入了第一个重要的差不多概念，他将地层的剪切强度与油井出砂机理联系起来，利用声波测井及密度测井的数据来建立出砂井与分析井生产状态之间的联系。此法的局限性在于油井必须先进行完井与测试，要求地层大量出砂后才能获得可靠的数据，而未考虑到油藏压力衰竭及产水对出砂的阻碍，并假定不存在油层损害，故其结果只能反映生产中的瞬时情况而无法预测今后的动态。Tixier（1975年）等人采纳类似于Stein的方法，利用密度测井和声波测井资料来分析评价当前生产状态下的油井出砂，但其得出的结果只能是定性的，且考虑的因素也有限。后来，Coates等人（1981年）提出了“砂岩强度”的测井模型，利用摩尔圆应力分析的方法描述了出砂的可能性与井眼应力状态间的关系，可用于产水量不大的油井出砂预测。R.J.Selby等人于1988年进行了模拟井眼及其生产环境的径向流淌实验（薄壁岩心圆柱实验），并得到了油井出砂受到油层压力、流速、颗粒大小及形状等因素的阻碍的实验结果。Morita等人（1989年）的研究表明：利用目前的岩石力学理论分析模型能够定性地认识各种油藏及生产工艺参数对不稳定出砂、突发性大量出砂的阻碍，但对生产过程中的连续性出砂没有得到高度的重视。出砂预测方法还有一种矿场出砂监测的方法，它是依照油井的产砂数据与生产工艺参数建立拟合关系，用以预测油井出砂。目前存在单参数模型、双参数模型和多参数模型等不同的预测模型，由于单参数模型只通过一个极限井深来预测油井是否出砂，它的预测结果偏于保守，而多参数模型由于需要长期监测和记录出砂数据，使用困难而受到限制。由Dussealt对弹孔周围岩石的受力分析可知，弹孔周围岩石的应力分布既和原地应力有关，又和流体的流淌有关，要得到真实情况下的解析解几乎是不可能的。为了进行理论分析，研究者将弹孔的形状简化成理想状态——弹孔前部为一柱状，尾部为球形。国外出砂模拟试验及理论研究结果均表明，针对不同的生产条件，弹孔前部的柱状部分易产生剪切破坏出砂，而尾部的球状部分流量大，易发生拉伸破坏出砂。具体来讲，经常采纳的出砂预测方法有：孔隙度法、声波时差法、出砂指数法、组合模量法、斯伦贝谢比法和岩石稳定性力学分析法。2.1孔隙度法预测出砂地层的孔隙结构与地层的胶结强度有关，胶结强度大小与储层的埋深、胶结物的种类、胶结方式、地层颗粒尺寸形状紧密相关。理论研究结论表明胶结强度的物理量确实是地层强度。一般来讲，地层埋藏越深，孔隙度越小，地层强度就越高，泥质胶结的胶结强度较差。研究表明，若地层岩石孔隙度大于30%时，极易出砂；孔隙度在24.6%~30%之间时，出砂减缓；小于20%时差不多不出砂。2.2声波时差法预测出砂利用地层的声波时差Δtc值进行出砂预测，是目前国内外油田进行出砂预测最普遍、效果比较好的方法之一。地层声波时差值越大，表明地层孔隙度越高，地层胶结越疏松，生产中越容易出砂。但各油田采纳的声波时差门限值有所不同（因地层条件和其他阻碍因素千差万不）。国内外资料和现场应用均表明，Δtc临界值在312μs/m左右：Δtc<312μs/m为稳定砂岩，不易出砂；Δtc>395μs/m为不稳定砂岩，极易出砂；312μs/m<Δtc<395μs/m，地层可能出砂（轻微出砂），后面两种情况一般需要考虑防砂措施。通过大量的现场数据统计表明，胜利油田疏松砂岩油藏的Δtc临界值大约为310μs/m。2.3出砂指数法预测出砂出砂指数法是利用测井资料中的声速及密度等有关数据计算岩石力学参数，计算地层的出砂指数从而进行出砂预测的一种方法。地层的岩石强度与岩石的剪切模量G、体积模量K之间具有良好的相关性。岩石的出砂指数定义为：(2-1)B值为出砂指数，B值越小，表明岩石强度越低。按胜利油田长期的生产实践总结得到的出砂判定标准（经验值）为：当B>2×104MPa时，油井正常生产不出砂；当1.4×104MPa<B<2×104MPa时，油井正常生产时轻微或中等出砂；当B<1.4×104MPa，油井正常生产严峻出砂。通过数千口井的生产数据验证，上述判识标准的符合率在90%以上。2.4组合模量法预测出砂组合模量法是采纳声波时差及密度等测井资料，计算岩石的弹性组合模量Ec。见式2－2：（2-2）式中：EC.为岩石弹性组合模量，MPa；EB为岩石弹性体积模量，MPa；ES为岩石弹性剪切模量，MPa；为地层岩石体积密度，g/cm3；为纵波声波时差，µS/m。依照岩石的测井资料以及出砂史分析，EC值越小，出砂的可能性越大。即地层岩石体积密度越小，声波时差值越大，地层胶结越疏松。依照胜利油田多年来的开发实践，由胜利油田采油工艺研究院防砂中心对现场大量出砂油井的统计回归研究，结果认为：当EC≥2.0×104MPa正常生产油层不出砂；1.4×104<EC<2.0×104MPa正常生产油层轻微出砂；EC<1.4×104MPa生产中油层出砂严峻。2.5斯伦贝谢比法预测出砂斯伦贝谢法要紧考虑剪切模量与体积模量的乘积值，斯伦贝谢比值越大，岩石强度越大，稳定性越好而不易出砂，反之则易出砂。斯伦贝谢比R定义为：(2-3)式中：为岩石体积模量；为岩石切变模量；为岩石密度；为纵波波速；为横波波速。表2—1油层出砂斯伦贝谢比经验门槛值参数（MPa）一般砂岩疏松地层坚硬地层R4.14×1038.97×10337.1×1062.76×1035.31×10314.7×106稍大于4.14×103高至27.6×103稍大于114×1062.6岩石稳定性力学分析法在完井工程设计中，必须依照产层特性和各种工程要求来优选完井方式，而在阻碍完井方式优选的诸多因素中，有些需要作出定量推断，这是确定采纳防砂型完井依旧非防砂完井的定量判定指标，即“C”公式。C≥σMax关于垂直井：(2-4)关于水平井：(2-5)式中：C为岩石抗压强度，MPa；υ为泊松比，无量纲；ρ为上覆岩石平均密度，g/cm3；g为重力加速度，m／s2；H为油层中部深度；mPs为原始地层压力，MPa；Pwf为井底生产流压，MPa；σmax为地层岩石承受的最大切向应力，MPa。依照有关文献的研究成果，井壁岩石所受的切向应力是最大张应力，因此能够得出：。依照岩石破坏理论，当岩石的抗压强度小于最大切向应力时，即时，地层岩石不牢固，将会引起岩石的破坏而出骨架砂。3.出砂规律研究的理论基础目前，关于出砂规律的研究，要紧是利用测井资料（密度、声波时差、泥质含量、井径等），计算岩石的强度参数，然后计算出砂指数并进行推断，进而计算地层的临界出砂生产压差和临界出砂产量、出砂量。3.1临界出砂生产压差的预测和计算依据所采纳的参数的不同，临界出砂生产压差的预测方法有两种，即依据岩心实验室数据进行单点预测和依据测井数据进行连续预测，临界出砂生产压差预测的理论依据是：随着井底压力的降低，炮孔周围的岩石的塑性变形量超过岩石的极限变形量，岩石颗粒将从炮孔表面脱落下来，造成出砂；临界出砂生产压差的连续预测：为了对一口井的整个油层进行出砂预测，那个地点采纳了单轴抗压强度法，单轴抗压强度法认为，当生产压差超过岩石单轴抗压强度（UCS）的1/2时，油气井开始出砂，即极限生产压差为：ΔPc=UCS/2(3-1)通过测井数据获得单轴抗压强度后，即可求出极限生产压差随井深变化的剖面。3.2临界出砂产量的预测和计算依据所采纳的参数的不同，临界出砂产量的预测方法有两种，即依据岩心实验数据进行单点预测和依据测井数据进行连续预测，临界出砂产量预测的理论依据是：炮孔周围流体的压力梯度过高，在炮孔周围产生诱导拉伸应力，使岩石颗粒从炮孔表面剥落下来，造成出砂。极限产量的连续预测公式为：(3-2)其中：Qc、K、C、r、φ、μ分不为极限产量、岩心渗透率、岩心内聚力、弹孔半径、岩心内摩擦角和流体粘度。若已知弹孔半径及岩心中流体的粘度和岩心的渗透率，将测井数据计算出的岩石内聚力C和内摩擦角φ代入上述公式，即可获得极限产量随井深变化的剖面。3.3出砂量的预测和计算在油气开采过程中，由于地层压力的衰竭，当井底压力低于某一临界值时，油气井开始产砂。产砂尽管会给油气生产带来专门多苦恼，然而一定量的产砂能够改善地下渗流环境，增大油气井产能，尤其是对一些松散砂岩地层的稠油油气藏进行冷采时，无砂生产的产量几乎没有任何经济价值。因此，准确的预测出砂量，为制定合理的油气开采（模式）方案提供理论指导，将产砂量操纵在既不阻碍油气井正常生产，又能最大限度的增加产能的范围内，是十分必要的。为了解决出砂量的预测问题，研究者提出了专门多经验模型，如依照某一区块油气井的出砂历史与生产参数和测井参数间的关系建立起来的单参数或多参数回归模型。尽管经验公式也能专门好的预测出砂量，然而经验公式的建立需要大量的生产实践资料；因此，它不适用于刚投产的新区块。另外，经验公式中只含有限个参数，而其它参数的稳定性也直接阻碍计算精度。如此一来，经验公式的适用范围就受到了专门大限制，那个地点介绍两种出砂量预测模型。M.B.Geilikman和M.B.Dusseault在他们的文章中分析了塑性区的性质极其与出砂量的关系，他们认为，出砂要紧是由于塑性区的进展引起的；出砂后塑性区的岩石材料与弹性区的岩石材料相比，孔隙度明显增大。造成孔隙度增大的要紧缘故是岩石屈服后材料发生微破坏造成的。由于流淌流体的存在，微破坏产生的岩石颗粒被流体带入井眼，随油气产出。B.Geikman和M.B.Dusseault采纳物质平衡法得出如下出砂量的物理方程：(3-3)式中：Sc为累积出砂量；y、I分不为塑性区和弹性区的孔隙度；R、rw分不为塑性区半径和井眼半径。从上式能够看出，出砂量的预测模式最终目的归结为塑性区半径的确定。由现场实践可知，油气井出砂要紧集中在油气开采的初始时期，即不稳定开采时期。假如确定了这一时期的塑性区变化规律，就能解决出砂量的预测问题。由于塑性区半径的计算十分复杂，M.B.Dusseault等人给出了一种简化方法：(3-4)式中：RM为塑性区终止进展时的半径；为岩石内摩擦系数；Pc为井底周围岩石开始屈服时的压力；b为渗流体力系数；c为岩石胶结强度。YarlongWang（1997）在分析含气油层开采过程中井眼周围应力应变分布的基础上，提出了一种计算出砂量的方法。他认为，出砂过程中，井径保持不变，井眼周围岩石骨架的切向变形量即为出砂量。即：(3-5)式中：S为出砂量；n为岩石孔隙度；a为井眼半径；e、p为弹、塑性区的变形重量。除了以上这些理论模型外，还有其它一些模型，其研究方法和上述模型差不多相似。将这些模型综合起来看，它们有着专门多共同之处。出砂的理论研究往往将岩石看成是理想弹塑性材料，用Mohr—Coulomb屈服准则描述材料的屈服特性；将弹孔看成是理想的球状孔穴或柱状孔穴，处在均匀地应力之下；将地层流体的渗流看成是稳定或准稳定状态的达西渗流。出砂理论分析的这些观点和井下的实际情况有着专门大的差异，因此在工程实际应用时应进行修正。4.防砂方法和工艺技术综述4.1机械防砂技术国外油气井防砂工艺最初采纳限产的方法操纵出砂，1932年开始采纳砾石充填方法。目前国内外在油气井防砂方面要紧以机械防砂为主，其中绕丝筛管砾石充填工艺通过不断的完善和进展，到80年代已进展成为一项较为成熟的技术，国外闻名的公司都拥有自己专门的防砂器材、设备和施工工艺，从砾石充填工具、封隔器、滤砂管、泵送设备到施工液、化学药剂、技术咨询、现场服务等形成一条龙服务。随着油田的进一步开发，现在国外又相继研究开发出各种类型的滤砂管和各种防砂工艺技术。近年来，国内机械防砂工艺技术进展较快，要紧应用区域集中在东部油区，以胜利、大港、辽河及海洋公司为主。4.1.1绕丝筛管砾石充填防砂图4－1砾石充填防砂原理图该方法具有防砂强度高，成功率高，有效期长，适应性好的特点，通过数十年研究、应用和进展，技术十分成熟。图4－1砾石充填防砂原理图该方法防砂原理可参见图4—1。在井眼内（裸眼或套管内）正对出砂地层下入金属全焊接绕丝筛管，然后泵入砾石砂浆于筛管和井眼环空，假如是套管射孔完成井，还要将部分砾石挤入弹孔和周围地层内，利用充填砾石的桥堵作用来阻止地层砂运移，而充填砾石又被阻隔于筛管周围。这种多级过滤屏障，保证油流沿充填体内多孔系统通过筛管被源源不断地举升至地面，而地层砂则被操纵在地层内，实现油井长期生产又不出砂或轻微出砂。其要紧特点是：——防砂强度高套管内、外密实的砾石充填体阻止地层骨架砂运移，而金属绕丝筛管本身强度专门大，渗流面积大，通过筛缝的流淌阻力小。因此，该过滤系统能承受较大的生产压差而阻止地层出砂。——有效期长由于防砂强度高，不锈钢绕丝筛管耐腐蚀，砾石的化学性能稳定，筛管和充填体过滤体系无运动部件，砂粒被阻隔于系统之外，因此，系统能够保证长期安全生产。——适应范围广由于防砂机理是多级过滤，多年的进展，使技术成熟，可供选择的工艺方式专门多，因而对地层，油井适应性专门好。不管井段长短，地层流体特性，不管直井、斜井、常规井、热采井，单层完成或多层完成均可获得成功。但对粉细砂岩要慎用，因极细的地层砂可能侵入充填体内造成堵塞使防砂失效。——产能损失相对较小传统的防砂方法都不可幸免地带来油井的产能损失，正常的管内砾石充填产能损失约30%，采取有效的补救措施后，产能损失可降至15%左右。本技术要紧缺陷是：井底留有筛管/砾石系统，防砂一旦失效时，后期处理（大修）困难，费用较高。（2）适用范围及选井条件——不宜用于粉细砂岩（d50<0.07mm）；——套管直径小于5in的小井眼施工较困难；——关于多层系油藏，若油田开发方案要求经常调换层系开采的油井慎用；——注水井和水平井应用较少，尚待研究；——进行火烧油层采油的特稠油油藏不宜使用。除以上条件外，绝大部分油气井和地层都适宜采纳砾石充填防砂技术。4.1.2滤砂管防砂由于滤砂管防砂施工工艺简单，不进行砾石充填作业，无需大型防砂（泵送）设备，以及施工成功率较高等特点，目前国内外在这方面进展专门快，不同过滤材料和结构的新产品新技术不断涌现，满足了不同类型油井防砂的需要。（1）双层预充填绕丝筛管图4－2双层预充填绕丝筛管利用同心的双层绕丝筛管组焊在一起，其环空内预先充填好密实的（已固化）涂层砾石，中心是中心管，其复合结构能够形成多层挡砂屏障，防止地层砂进入生产井筒。内外筛管的尺寸、缝隙以及与充填砾石层的厚度，砾石尺寸差不多上依照地层及油井的实际情况确定，由地面预制后再下入井中正对出砂地层。其特点是：砾石充填及高温胶结图4－2双层预充填绕丝筛管图4－3金属棉滤砂管防砂图4－5金属毡滤砂管图图4－3金属棉滤砂管防砂图4－5金属毡滤砂管图4－6陶瓷滤砂管图4－8粉末冶金滤砂管图4-7环氧树脂砂粒滤砂管图4－9割缝衬管图4－10化学防砂示意图将一定长度的纤维状不锈钢丝按一定的要求铺制成一定密集度的金属棉防砂滤体，将滤体卷成圆柱形，牢牢地固定在带孔的中心管和护管之间，再通过焊接制成金属棉滤砂管。滤砂管和井下配套器具一并下入油层出砂部位，当含砂流体通过护管流经滤体进入中心管时，油层砂被挡在滤体之外，从而达到了防砂的目的。该滤砂体具有渗透性好(Ｋ>100m2)、强度高、耐高温(>350℃)的特点，适用于泥质含量<（3）可膨胀割缝管一种新式可膨胀割缝管（EST）1995年8月在Oman油田通过现场试验，膨胀的割缝管与筛网组合将防砂筛网紧贴近射孔套管，支撑和压紧筛网而共同起到防砂作用。这种防砂管柱的优点有：（1）可用于直井、斜井，尤其对水平裸眼完井防砂效果更理想。（2）因筛网受压，紧靠在套管射孔孔眼上，可防止地层砂随油流流入井筒，造成地层亏空，故可保持地层的支撑作用，起到专门好的防砂效果，这种防砂方法尤其适用于油井先期防砂。（3）该方法的最大优点是后期处理图4-4膨胀筛管总成顶部联接部分图4-4膨胀筛管总成顶部联接部分底部联接部分膨胀筛管及接头（4）多层滤膜组合筛管该类筛管是美国Pall公司研制成功的，目前差不多广泛应用于现场。该滤砂管的技术优势在于：①中心管金属网及外管之间零间隙的紧凑结构使其外径较小，可应用于侧钻的小井眼防砂和过油管防砂（补救处理）。②独立的多层滤膜结构及韧性材料，使之在严峻机械变形的情况下也可不能阻碍其防砂效果。③该结构具有较大的柔性，抗弯曲能力好，适用于水平井及大斜度井防砂。④该结构不易堵塞，滤砂管渗透率高，生产压差小，生产能力强。图4－5金属毡滤砂管图4－图4－5金属毡滤砂管图4－6陶瓷滤砂管图4－8粉末冶金滤砂管图4-7环氧树脂砂粒滤砂管图4－9割缝衬管图4－10化学防砂示意图（5）双层半剖面绕丝筛管为了解决水平井或大斜度井砾石充填中筛管上部充填不密实而使防砂失败的难题，Spatin等人研制开发出这种新型滤砂管，由中心管和两层环形套组成，环形管一半是绕丝筛管，另一半是完体管。外套与内套交错焊接在带孔中心管上，并沿内外环形套安装一个遮挡板，从而在交错体内产生一曲线流道，以减少地层砂的堵塞。（6）金属毡滤砂管该种滤砂管是1998年3月为埕岛油田海上双管注水井防砂而研制的。其原理为在带孔中心管外缠绕钢丝网，钢丝网外再均匀辅垫金属丝，呈毡状，然后在毡外缠扎钢丝网，再套入带孔套管（外管）内，两端密封，并将中心管与套管焊接在一起，利用不锈钢丝网与金属毡阻挡地层砂的反吐。达到注水防砂的目的。技术指标及工艺特点为：①该注水防砂管中心管内径Φ=100mm，通径较大，适应大注入量的要求。②可用在油井防砂，特不在一次防砂失败后，可在中心管内再下入小直径的金属毡滤砂管，不动原防砂管柱而进行二次防砂。图4－6陶瓷滤砂管图4－8图4－6陶瓷滤砂管图4－8粉末冶金滤砂管图4-7环氧树脂砂粒滤砂管图4－9割缝衬管图4－10化学防砂示意图（7）陶瓷滤砂管陶瓷滤砂管的防砂原理是利用烧结形成的多孔陶瓷管阻挡地层砂的侵入。挡砂精度和渗透率可通过选择陶粒粒径和烧制工艺来操纵，其结构与环氧树脂滤砂管大致相同，所不同的是在陶瓷管外又加了一层割缝套管（爱护外套），幸免下井时因碰撞而损坏滤砂管，同时也提高了滤砂管的强度。由于陶瓷材料的耐高温稳定性极好，故它特不适用于注蒸汽热采井防砂。图4-7环氧树脂砂粒滤砂管图4-7环氧树脂砂粒滤砂管图4－9割缝衬管图4－10化学防砂示意图（8）环氧树脂砂粒滤砂管防砂选用具有良好粘结性能的环氧树脂为胶结剂，同通过筛选的石英砂按比例混合，在一定的条件下固结成型，制成具有较高强度和渗透性的滤砂器，与配套器具组合下入油层出砂部位，阻挡地层砂进入井筒，防止油井出砂。适用条件是井斜小于3°、套管无变形和破损、油层砂粒度中值>0.1mm、泥质含量<20%、地层温度低于80°（9）粉末冶金滤砂管防砂该方法选用不同颗粒度的铜合金为差不多原料，按一定比例混合后在高温下烧结成具有较高强度和渗透性的滤砂器。该方法具有耐高温、耐腐蚀、强度大、渗透性好、施工简单、成功率高等特点，适用于油井早、中、后期防砂，亦可用于注蒸汽稠油井防砂。适用于油层泥质含量<10%、油层砂粒度中值>0.07mm图4－8粉末冶金滤砂管图4－8粉末冶金滤砂管图4-7环氧树脂砂粒滤砂管图4－9割缝衬管图4－10化学防砂示意图割缝衬管防砂技术简单有用，重复利用率高，适用于油层出砂中等、地层亏空不大的油井防砂，要求油层套管无破裂或严峻变形；防砂井段不太长(一般不超过30m)的油井；也可适用于注蒸汽热采井及原油粘度小于3000mPa·s的（冷采）油井防砂，对疏松砂岩稠油油藏用割缝管进行注汽前一次性防砂，幸免了绕丝筛管结构复杂、大修率高、滤砂管又易破损、热采井防砂修井割缝衬管的形式分为：纵向割缝和横向割缝(纵向缝较常见)，其缝的结构要紧有平行式和楔缝式。——割缝的形状图4－9割缝衬管图4－10化学防砂示意图缝眼的剖面呈梯形，梯形两斜边的夹角与衬管承压大小及流通量有关，一般为12°左右。梯形大的底边应为衬管内表面，小的底边应为衬管外表面。这种外窄内宽的形状能够幸免砂粒卡死在缝眼内而堵塞衬管，具有图4－9割缝衬管图4－10化学防砂示意图——缝口宽度梯形缝眼小底边的宽度称为缝口宽度。割缝衬管防砂的关键就在于如何正确地确定缝口宽度。依照实验研究，砂粒在缝眼外形成“砂桥”的条件是：缝口宽度不大于需阻挡砂粒直径的两倍。割缝衬管防砂完井方式是重要的完井方式之一。它既起到裸眼完井的作用，又防止了裸眼井壁坍塌造成井筒堵塞，同时在一定程度上起到防砂作用，由于这种完井方式工艺简单，操作方便，成本低，故多在一些出砂不严峻的中粗砂粒油层中广泛使用。表4－1割缝衬管完井套管、钻头、衬管匹配情况技术套管裸眼井段钻头割缝衬管公称尺寸in套管外径mm公称尺寸in钻头外径mm公称尺寸in衬管外径mm7177.861525~51/2127~14085/8219.171/219051/2~65/8140~16895/8244.581/221665/8~75/8168~194103/4273.195/8244.575/8~85/8194~2194.2化学防砂技术图4－10化学防砂示意图油井化学防砂在19世纪60年代应用较为广泛，到了70年代以后，随着绕丝筛管砾石充填技术的不断进展和完善，化学防砂的主导地位开始逐渐下降，但由于这种技术具有以下优点，目前仍在国内外广泛采纳。随着技术的不断进步，化学防砂技术表现出较好的进展势头。近年来，国外兴起了多种新型的化学防砂方法，如高能气体树脂防砂。微生物固砂等，关于蒸汽吞吐和蒸汽驱类油井，国外正在研究耐高温性能更好的树脂和其它化学胶结剂。另外，适合与定向井、水平井、浅海地区探井及生产井的化学防砂方法是有待研究的新问题。从总体来看，依照防砂需要，研究价廉、适用、高效的新型化学防砂方法成为开发疏松砂岩油田的重要趋势。图4－10化学防砂示意图（1）化学防砂的油井，井筒内不留任何机械物质，这特不适用于多层完井作业中的上部地层的完井处理；（2）后期修井作业简单，费用低，无需套铣、打捞之类的工艺程序；（3）地层胶结防砂作业能够在无钻机或修井机的情况下进行，可利用原生产油管、无须起下管柱而直接进行地层胶固处理。化学防砂方法种类繁多，化学胶结剂从无机物到有机物，胶结机理各不相同，并形成了配套的施工工艺。4.2.1树脂砂浆防砂环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、呋喃树脂等都已成功地用于油田防砂，除直接往地层注入树脂液外，还能够使树脂液在地下合成进行防砂，如：酚醛溶液地下合成防砂确实是将加有催化剂的苯醛与甲醛按一定比例混合均匀后注入地层，在地层温度下逐渐形成树脂并粘附于砂子表面，固化后使地层胶结牢固，从而防止出砂。将液态树脂注入地层，在油层温度下使之在地层砂粒表面逐渐固化，在砂粒接触点形成胶结状态，从而阻止砂粒进入油井。国外多采纳呋喃树脂防砂。呋喃树脂除了应用于常规油井防砂外，也用于气井防砂和热采井防砂。4.2.2涂敷砂防砂在油田开发进入中后期，随着大量出砂地层亏空严峻，现在防砂施工要求向亏空的地层挤入大量充填材料——地层预充填，以提高防砂效果。因而，涂敷砂防砂技术作为油井后期防砂的重要手段应运而生，并取得迅猛进展。图4－11涂料砂防砂原理涂料砂钻塞段利用在地面工厂内预制的涂料砂图4－11涂料砂防砂原理涂料砂钻塞段通过研究和应用，发觉它具有独特的技术优势：（a）通过高压向地层亏空带注入高渗透涂料并固结，形成牢固的人工井壁，能够完全阻止地层砂运移；（b）井筒内不留下任何机械装置，十分有利于后期补救性防砂或处理作业；（c）关于机械（过滤）防砂所不能胜任的粉细砂岩油层（但井段不宜太长）具有良好的防砂效果；（d）特不适用于油井中后期，地层严峻出砂的油井防砂（对油井含水无专门要求）。由于具有上述优势，当油田开发进入开发中后期——20世纪80年代，涂料砂防砂技术异军突起。形成宽敞的战场，专门快成为一种新的化学防砂技术。通过近二十年的进展应用，该技术差不多成熟，形成工业生产能力，表现为：（a）涂敷砂产品已实现规格系列化和质量标准化；（b）施工设计标准，工艺参数优化；（c）施工设备齐全、配套；（d）低损害工作液设计及现场配制。关于已进入高含水时期开发的疏松砂岩油田，该技术具有宽敞的应用前景。该技术的缺陷是：目前施工井段不宜过长（以小于20m为宜），若太长可能涂敷砂在纵向剖面上分布不均导致防砂失败（这依靠于开发分层（段）防砂工具后加以解决）。其次，涂敷砂固结强度不稳定，质量有待提高（可通过改善配方和地面预制工艺加以克服）。目前涂敷砂防砂已是胜利油田化学防砂的主导技术,占化学防砂的50%以上。目前，在常温涂敷砂技术的基础上，涂敷砂技术又进展了低温涂敷砂防砂工艺和高温涂敷砂防砂工艺。（a）低温涂敷砂防砂技术低温涂敷砂防砂工艺要紧是针对胜利油田的某些油层温度低于50℃的特点，而研制出在30℃条件下具有较高固结强度的低温涂敷砂防砂工艺。目前胜利油田防砂中心及其它单位已开发出低温涂敷砂产品，已在尚、林油田应用。尚、林油田地层温度低，易出砂，地层砂粒度中值较小（平均0.09mm~0.11mm），在室内试验基础上，1998年~2000年共实施涂敷砂防砂27口井,取得了较好的（b）高温涂敷砂防砂技术传统的注蒸汽井采纳金属绕丝筛管砾石充填防砂技术，由于存在专门多问题——如有效期短，后期处理困难，致使总体生产成本较高，效益下降。为解决这一问题，试图用化学方法来解决高温注汽井的防砂问题，因此开发了高温涂敷砂防砂技术及产品。原理与传统的涂敷砂防砂相同。——技术优点防砂结束后，井筒内无任何机械装置，采取后期补救性作业措施简便、容易，降低了成本；涂敷砂胶固后，具有足够的强度（3MPa~7MPa）又保持较高的渗透率（50μm2）；涂敷砂耐温350℃向地层内挤入高温涂敷砂实现地层预充填，有利于延长防砂有效期；施工比绕丝筛管砾石充填更便捷。——高温涂敷砂技术性能指标胜利油田采油工艺研究院生产的高温涂敷砂产品技术性能见表4－2。表4－2高温涂敷砂的性能指标规格mm抗压强度MPa液相渗透率μm2挡砂精度mm胶结介质pH值的阻碍pH<6pH=6~9pH>90.30~0.6065250350500.07~1加速固结正常固结阻止固结≥3.5≥7.0≥3.04.2.3干灰砂防砂这是胜利油田独创的一种防砂技术，关于多油层高含水井，兼有防砂和堵水双重功能，尤其适用于高含水时期油井后期防砂，加上施工原材料价格低廉，专门有进展潜力。将粒度适当的石英砂和水泥按一定比例混合均匀后，用水将干灰砂泵入出砂层段，挤饱填实已出砂的亏空地层，在油层温度下，灰砂固结后形成具有一定渗透和挡砂强度的人工井壁，达到阻止地层出砂的目的。关于多油层油井，主力出水层往往是严峻的出砂部位（即特高渗透层），在施工中，灰砂自动选择性地挤入高含水层（严峻出砂层），由于水泥的不透水性，对高含水层产生一定的堵塞，直接降低了油井含水，故该技术具有防砂和堵水的双重作用。该技术有以下特点：（a）独具防砂和堵水双重功效，这是其它防砂方法无法替代的，特不适用于多油层的高含水出砂油井；（b）防砂原材料源广价廉，施工简便，具有明显的成本优势；（c）本质上属于胶固地层类化学防砂，井筒内不留下任何机械装置，便于后期补救性作业处理；（d）可与其它机械防砂方法结合使用（如绕丝筛管或滤砂管）形成复合防砂技术，提高挡砂强度和防砂成功率（对严峻出砂井）；（e）是目前在注水井上应用最广泛的防砂技术。随着油田综合含水不断上升，出砂日益加剧，防砂难度增加，需对现有典型技术进一步进展和改造，以适应地层和井况的新变化，满足特高含水时期油井防砂和采油的需要。4.3复合防砂技术油田逐步进入特高含水时期，由于地层条件发生专门大变化及采液量不断增加等诸多因素导致出砂日益严峻。专门多油井如仅采纳一种防砂方法施工，往往不能奏效。因此，人们开始考虑将两种（或两种以上）的防砂方法相结合——这确实是“复合防砂技术”的概念。所谓复合防砂确实是将机械防砂和化学防砂结合起来，以操纵油气井出砂的一种防砂工艺技术。该方法综合运用了化学固砂与机械挡砂相结合的原理，阻止地层砂随生产油气流采出而堵塞井筒，达到防砂目的。复合防砂一般首先在射孔段的出砂油层部位，通过树脂固砂或向射孔孔眼内及周围地层中挤注涂层砾石，形成具有高渗透性和高强度的人工井壁；然后在油气井井筒内下入机械滤砂管或进行绕丝筛管砾石充填，利用化学与机械防砂的结合，形成多级挡砂屏障体系，以有效地防止油气层出砂、保证油气井正常生产。复合防砂工艺技术要紧是针对出砂严峻的老井，地层亏空大，粉细砂岩油藏的防砂技术。其挡砂强度更高，防砂更可靠，有效期也更长。复合防砂的思路是内外结合，多级屏障。即在油井井筒之外对地层进行胶固，在油井内再用机械装置阻挡地层砂。目前现场应用的最广泛的复合防砂技术组合形式包括：——涂料砂+滤砂管；——涂料砂+绕丝筛管砾石充填；——干灰砂+滤砂管；——干灰砂+绕丝筛管砾石充填；——涂料砂+割缝管砾石充填。复合防砂技术发挥了单一防砂技术的优势，扬长避短，相互补充。要依照地层条件选择最佳的技术组合，这是复合防砂技术成功的关键。复合防砂工艺技术特点：——挡砂精度高、防砂效果好，能够阻挡0.02mm以上的粉细砂；——可承受较高的采液强度和较大的生产压差；——施工成功率高，防砂有效期长；——施工工序复杂，作业成本高，后期处理较困难。适用范围——非均质性严峻的细砂岩及粉细砂地层；——出砂特不严峻的油、气、水井；——油、气、水井的中后期防砂；——产液（气）量大，采液强度较高的油、气、水井防砂；——薄层、夹层多的油气井防砂；——常规井及注蒸汽热采井防砂。复合防砂工艺技术先后在胜利油田的孤岛、孤东、滨南等采油厂应用，要紧应用于粉细砂油气井和稠油热采井，取得了良好效果。目前胜利油田复合防砂井次约占23%。由于采纳复合防砂技术，使一些原来单一防砂方法无法奏效的井重新恢复了活力，但在油田开发的特高含水时期，防砂成本较高。4.4防砂方法的选择——技术适应性评价和经济评价油、气井投入开发之前，需结合油田的具体情况选择防砂方法和确定防砂措施。通常应综合考虑下述因素：（1）完井类型完井类型分裸眼防砂和管内防砂。原油粘度偏高，地质条件相对简单，地层砂具有一定胶结强度的产层能够考虑采纳裸眼防砂，以改善井底渗流条件，提高油气产量；而地层条件复杂，含油水、气、泥岩夹层的井应考虑采纳管内防砂（即在套管射孔井完成防砂）。（2）完井井段长度机械防砂一般不受井段长度的限制。夹层较厚的井，可考虑分层防砂。化学防砂只能在薄层进行。（3）井筒和井场条件小井眼、异常压力井及双层完井的上部地层适用化学胶结防砂方法。温度对化学防砂有直接阻碍，应注意井筒的温度范围，老油井一般不适合采纳化学防砂方法，无钻机或修井机的井场条件的井不能进行机械防砂。（4）地层砂物性化学防砂对地层砂粒度范围适应性较好，膨胀式封隔器适用于泥质低渗透产层，砾石充填对地层渗透率的均匀性要求不高。（5）产能不管选择哪一种防砂方法，要想得到有效的防砂效果又不至于过分的阻碍产能，就必须进行合理的设计和施工。一般来讲，砂拱防砂对产能的阻碍最小，但难以保持砂拱的稳定性。裸眼防砂能建立起较高的、稳定的产能水平，有条件时应尽量采纳。（6）费用从施工成本考虑应该选择最经济的防砂方法，然而更重要的是应该考虑综合的经济效果。在进行防砂设计时，应全面分析差不多掌握的油、气井资料，综合考虑上述因素，权衡利弊进行筛选。表4－3防砂方法优选表比较项目防砂方法筛管筛管＋砾石充填树脂固沙树脂涂层砾石膨胀式封隔器适用地层砂尺寸中-粗细-粗细粉-中各种尺寸各种尺寸泥质低渗透地层————适用非均质地层适用适用—适用适用多油层适用适用适用适用井段长度短-长短-长<3m<10m6～12m无钻机或修井机——适用——高压井——适用—适用高产井—适用适用—适用裸眼井—适用—适用适用热采井—适用—适用—严峻出砂井—适用适用适用适用斜井适用适用适用适用适用老油井适用适用—适用适用套管完井适用适用适用适用—套管直径常规常规小-常规小-常规小-常规井下留物有有无无无费用低中高中—高低成功率高高低－中中－高中－高有效期短专门长中－长专门长专门长4.5防砂工艺技术的新进展4.5.1高压水充填PS防砂技术是胜利油田独创的一种防砂技术，即在地层进行人工造缝后进行砾石充填防砂，其差不多原理确实是在近井地带填入充足的砾石，形成新的挡砂屏障。该方法特不适应于因油层套管在油层部位变形破裂导致油层出砂严峻而无法采纳机械防砂的油井。PS防砂技术是目前世界上较为先进的防砂技术，成功地解决了因地层出砂阻碍油井正常生产的难题，特不是解决了因套管变形、破裂而且出砂严峻的油井生产的难题。改进后的PS防砂技术的防砂能力进一步增强，在油层中形成了粒径0.3～0.6mm石英砂、粒径0.4～0.8mm石英砂和金属绕丝筛管三级挡砂屏障，油井生产周期大大延长。关于特稠油油井的防砂难度专门大，胜利油田应用PS防砂技术在几口井进行了试验，但效果不行，供液能力专门低，这是亟待解决的问题。图4—12PS防砂原理示意图PS防砂首先是要解除近井地带的污染堵塞（图4—12PS防砂原理示意图其要紧防砂机理是从井筒向地层建立了四道挡砂屏障：a）固砂液防止粘土膨胀，在一定程度上稳定了地层，减缓出砂；b）充满砾石的通道对地层砂的桥堵作用，以及供油面积的增加降低了流速、减轻了流体对微粒的冲刷和携带作用；c）井筒周围的后置覆膜砂形成的人工井壁对砂粒的阻挡作用；d）井筒内筛管/砾石充填层是挡砂的第四道屏障。这种多层次多功能的拦截系统使防砂更有效，成功率更高，有效期更长，而且还使油井高产。其技术特点为：a）突破了传统的防砂观念，突破了原有的不能破坏油层结构，不能采取有效措施解堵的禁区，PS防砂特不强调清除近井堵塞；b）突破了传统防砂会降低油井产能的认识误区，PS防砂核心是改造油层、提高近井地带渗透率，使油井增产；c）突破了传统防砂地层预充填的概念，PS防砂强调要在周围地层中产生新的通道并将其用砾石挤满填实，这是地层预充填概念的进展；该技术2000年通过中石化集团公司技术鉴定，评价认为：该技术解决了疏松粉细砂岩油层防砂难题，适用于斜井、直井、稠油热采井的防砂，在胜利油田和土库曼斯坦国进行了大规模现场应用，防砂效果明显，有效期达到一年以上。PS防砂是针对地层预充填防砂的不足，在实践中创立起来的一项新的防砂技术。与原有防砂技术相比具有以下优点：a）能够有效地解除油层污染堵塞；b）显著地提高近井油层的渗透率，增加油井产量；c）能对流砂地层和粉细砂岩层进行防砂，成功率90％以上，有效期较长；d）能有效地恢复近井地层应力，防止地层坍塌；e）能有效地抑制油层内的粘土膨胀，降低稠油流淌阻力，提高了复膜砂人工井壁的胶结强度；f）该技术适应性强，适合于斜井、侧钻井、稠油井、热采井、分层防砂井、一般油气水井的防砂；g）该技术原料易得，操作方便，不污染油层。4.5压裂技术作为一项常规增产增注措施工艺早已在低渗油气藏得到广泛应用，技术十分成熟。而将压裂工艺大规模应用于高渗透、胶结疏松的软地层作为防砂完井措施却是二十世纪九十年代的事。最早开始考虑将压裂与防砂工艺结合起来应用于中、高渗透疏松砂岩这一方法出现在二十世纪60年代的委内瑞拉，但由于常规压裂技术应用于中、高渗透性油藏的限制和不利阻碍，直到1984年Smith等人首次发表了以充填宽裂缝为要紧目的的“端部脱砂压裂”技术，才使得中、高渗油藏的压裂防砂进入了工业应用时期。目前，在全世界范围内，压裂充填防砂施工井数与日俱增，而且，施工井数已占其它各类防砂井总数的50%，可见在防砂领域中地位举足轻重，显示出宽敞的进展前景。端部脱砂压裂防砂工艺是防砂观念和技术的重要突破，为疏松砂岩油气藏防砂开发了新的途径，为提高出砂油层的经济效益提供了先进的技术手段。（1）防砂机理①岩石破坏机理地层出砂的缘故在于地层岩石结构的破坏。通常，由应力作用引起的岩石破坏机理有四种：拉伸破坏、剪切破坏、粘结破坏和孔隙坍塌。岩石的破坏产生了大量脱落的颗粒，在液流携带下流向井底，导致大量出砂。②裂缝对缓解或幸免岩石破坏的作用岩石的几种破坏机理均和生产压差或流淌压力梯度有紧密关系。压前流体的径向流淌特征和井底污染堵塞因素决定了生产压差中的大部分压力降分布在近井地带较小的范围内，局部压力梯度较大。压裂后流体的双线性流淌特征及裂缝的穿透解堵作用，大大减小了近井地带的压力降和压力梯度，较长的裂缝使生产压差在一个较大渗透范围内分摊，从而使每处的局部压力梯度均保持一个较小的值。③裂缝对降低流体携带微粒能力的作用具有高导流能力的压裂裂缝在穿透井底污染堵塞带的同时，将地层流体由原来的径向流形式转变双线性流形式（图4－13）。压后压前的流速比：(1-2-1式中：Vr、V——压前和压后流体流速，m/d或m/min；Qr、Q——压前和压后产量，m3/d；ho——油层有效厚度，m；r——以井底为圆心的同心圆半径，m；图4－13A压裂前径向流图图4－13A压裂前径向流图4－13B压裂后双线性流关于适合中高渗透油藏30m～50m缝长的常规短裂缝情况下，当压后产量是压前的2倍时，压后流体流向裂缝的速度却比压前井壁处（r=0.1m）的流速降低了100倍以上，比压前r=1.0m处的流速降低了10倍以上，比压前r=5.0m处的流速也降低了2倍以上。裂缝所形成的双线性流淌形式发挥了专门好的分流作用，大大降低了流体对地层微粒的冲刷和携带作用。④裂缝支撑带对地层微粒的桥堵作用裂缝支撑带对地层微粒的桥堵作用类似井底砾石充填层的防砂作用。依照地层微粒的粒径分布规律和砾石充填中选择砾石大小的准则，同样能够选择压裂砂粒径规格。必要时，还能够设计在裂缝中完全充填涂料砂或在近井底的缝口段充填涂料砂，以提高裂缝对地层砂的桥堵作用。可见，压裂产生的高导流能力裂缝对地层出砂趋势的操纵作用表现在三个关键环节上：防止或减缓岩石结构的破坏，降低流体对地层微粒的冲刷和携带能力，以及裂缝填砂带对地层微粒的桥堵作用。（2）压裂防砂的特点①与传统防砂机理的区不传统的防砂方法或是利用化学剂固结地层，提高强度，或是利用机械过滤装置（筛管/砾石充填，滤砂管等），对地层砂的桥堵作用来阻止地层出砂。相反，压裂防砂要紧利用降低流速（或降低压降梯度）来减少对岩石的有效应力，同时减轻对岩石的冲刷作用而达到减缓出砂的目的。因此，缝内支撑剂的桥堵作用与传统的防砂机理类似。②处理范围的特点传统的防砂方法及地层预充填措施只处理井筒内部，弹孔及附近的周围地层。而压裂充填则在地层深部（数十米）形成一条高导流能力的支撑裂缝，在较大的范围内改善了地层深部的渗流条件，为高产奠定了基础。由于后者处理范围较大，能有效地突破原有的近井损害带，解堵增产效果明显。反之，传统防砂方法施工难以完全解除近井堵塞，（只是局部地改善渗流条件），且防砂本身又增加了额外的渗流阻力，导致产量不可幸免地下降。③施工工艺的特点传统防砂方法要求施工泵压小于破裂压力，砂比低，其砾石充填的颗粒排列密实程度远小于压裂的支撑剂的颗粒排列。尤其在环空内的砾石排列要紧靠重力沉降自然堆积，形成所谓“立方体排列”，而压裂施工泵压高，砂比又高，挤压充填使缝内支撑颗粒排列更容易形成“平行六面体排列”。“平行六面体排列”要比“立方体排列”紧密得多，对同样地层砂尺寸，压裂支撑剂选择的尺寸能够大于用传统砾石充填方法选择的砾石尺寸而达到相同的桥堵控砂目的。这既提高了支撑裂缝的导流能力，降低了生产压差，更有利于减缓出砂。④地层渗流流淌模式的区不关于传统的防砂方法，施工后仍然差不多按平面径向流的模式流向井底。而压裂防砂后，地下流体的流淌模式已改变为双线性流，即流体从裂缝面以几乎垂直的方向流入裂缝内（第一时期线性流），缝内流体沿裂缝方向直线流向井底（第二时期线性流）。这种双线性流淌模式是压裂裂缝防砂、解堵增产的基础，是阻力最小的流淌模式。（3）压裂防砂方法及工艺1）压裂防砂方法①压裂防砂差不多方法的划分及技术特点压裂防砂在国外各大石油技术服务公司如哈里巴顿、贝克、斯伦贝谢都形成了有各自特色的工艺技术，其中以哈里巴顿的技术最具代表性。哈里巴顿公司依照地层渗透率大小、岩石胶结强度、油井出砂史及损害程度等，划分出四种差不多工艺措施：绕丝筛管砾石充填（Gravelpack）、压裂充填（Fracpac）、优化压裂（Optifrac）和低渗透油层增产压裂(Fracture)，其中单纯的绕丝筛管砾石充填和低渗透层的常规压裂属于石油开采领域应用多年的经典技术，下面简单介绍一下与中高渗油藏压裂防砂有关的压裂充填与优化压裂技术。a）压裂充填这是一种压裂和砾石充填两种技术相结合的复杂作业，既要在地层充填支撑裂缝，又要在筛套环空进行砾石充填。其作业程序能够一次也能够分两次完成。要紧应用于井底污染较严峻，地层特不松软，出砂十分严峻的油井。该技术综合利用了裂缝的防砂作用、裂缝的解堵导流作用和绕丝筛管砾石充填的防砂作用，防砂效果好，增油显著，缺点是施工复杂。b）优化压裂优化压裂不进行砾石充填，单纯依靠压裂达到防砂和增产的目的。所适用的地层要有一定的强度以保证裂缝闭合后地层能挤住充填砂。其中较软地层所压开的裂缝需用固结剂固结，稍硬的地层压裂裂缝不需要加外固化剂。②工艺方法的选择哈里巴顿公司在考虑到地层损害情况、地层软硬程度、渗透率大小及油井出砂史等几方面的因素，依照多年的研究和实践，总结出一套系统的工艺选择方法（见图4－14）。从图中能够看出，砾石充填、压裂充填、优化压裂与常规压裂所适用地层条件变化趋势是：渗透率从大到小，地层强度从软到硬，出砂程度从强到弱。而砾石充填与压裂充填应用条件的差不要紧是地层污染程度的大小。图图4－14压裂防砂工艺的选择2）压裂充填作业的施工工艺压裂充填涉及到压裂和砾石充填两个过程，从程序上分，又有两步完成法和一次管柱完成法。两步完成法是指压裂和砾石充填分两次施工完成，若压裂后防砂效果较理想，则砾石充填能够省略；否则，在压裂之后再下防砂管柱进行砾石充填。所谓一次管柱完成法是指利用砾石充填施工管柱先对地层进行压裂充填，然后再进行筛套环空内的砾石充填，两个过程通过一趟管柱一次施工完成。下面要紧介绍该种方法。①施工工艺过程图4－15一次管柱压裂充填示意图图图4－15一次管柱压裂充填示意图另外，在压裂及砾石充填中，高砂比砂浆对充填工具转向孔、筛管及套管产生磨蚀侵害，因此，要对泵注排量有所限制，哈里伯顿公司提供的限速数据见表4－3。表4－4压裂充填泵速限定工具尺寸，in/mm排量限定，m3/min2.55/64.77和2.75/69.85（一般型）1.272.55/64.77和2.75/69.85（高流速型）2.383.25/82.552.543.88/98.553.665.00/127.00(标准型)3.665.00/127.00(专门型)5.72②防砂器材及井下工具在设计压裂充填和选择井下工具与防砂器材时，需要系统地考虑与作业相关的一些问题，其中地层温度，压力条件的变化对管柱受力状态会产生重要阻碍，筛管的选择要紧从类型、外径和筛管缝隙几个方面考虑，压裂充填井下工具的功能应能与特种接头、筛管、管线及封隔器配合使用，充填工具应能承受高压，转向孔的面积应足够大，以便提高泵速和砂比，减少砾石对它们的腐蚀。③流体对井下工具及套管的磨蚀作用在油井的常规砾石充填防砂中，由于携砂液用量少、砂比低、排量小，因而流体对井下充填工具及套管的磨蚀作用小。然而，在压裂充填中，由于携砂液用量大，砂比高，排量大，流体的冲击磨蚀作用必须加以考虑。其要紧磨蚀部位有四处，即砾石充填工具转向孔、砾石充填延伸器出口、正对延伸器出口处的套管和射孔孔眼。关于压裂充填而言，一次完成法的优点是施工周期短、成本低；缺点是施工难度大、风险大、防砂器材及套管的磨蚀严峻。二次完成法的优点是施工难度及风险性小，缺点是施工环节多、周期长、成本高。3）端部脱砂压裂形成具有高导流能力的“短宽裂缝”是中高渗透油藏压裂防砂成功的关健。因此，不论是压裂充填依旧防砂压裂，都必须采纳可产生“短宽裂缝”的压裂工艺方法──“端部脱砂压裂”。①概念常规压裂要求泵注足够的前置液充分造缝，施工结束时缝内砂浆前缘接近或恰好到达裂缝前缘（图4-16(a)）；端部脱砂压裂则要求在泵注携砂液过程中，缝内砂浆图4－16常规压裂与脱砂压裂比较前缘提早到达裂缝周边，限制缝长进一步增长，促使缝宽较快地增大，因此成功的端部脱砂压裂应该是裂缝周边脱砂（图图4－16常规压裂与脱砂压裂比较②施工参数及泵注特点a）端部脱砂压裂液粘度应低于常规压裂，以适时脱砂；b）泵注排量低于常规压裂，以减缓裂缝伸长速度，便于操纵缝高和脱砂；c）前置液用量比常规压裂少，以使砂浆前缘在停泵前到达裂缝周边；d）砂比通常比常规压裂大，以提高裂缝支撑效率。③裂缝延伸规律及施工压力特点图4－17端部脱砂压裂尺寸变化及压力特征示意图常规压裂在整个施工过程中，裂缝长、宽、高一般差不多上不断增长的，因而井底压力是差不多稳定的；端部脱砂压裂在脱砂前裂缝增长规律及压力特征同常规压裂，开始出现脱砂后，缝长和缝高不再增长，只有缝宽增长较快，井底压力开始按一定速率稳步升高（图图4－17端部脱砂压裂尺寸变化及压力特征示意图④施工现场监控端部脱砂压裂必须进行现场监控，要紧是监控井底压力的变化趋势，以推断裂缝内是否出现脱砂，脱砂时刻是否符合设计要求以及脱砂后的压力上升情况是否正常等，以便及时修正施工参数。4）压裂液端部脱砂压裂对压裂液提出了专门高的要求，因此合理选择压裂液是保证压裂充填，提高防砂效果的关键。目前国外已开发研制出50多种压裂液，可大致分为如下几种体系：线性溶胶、硼交联压裂液、有机金属交联压裂液、磷酸脂铝交联的油基液、泡沫压裂液等。①线性溶胶：要紧包括一些线性聚合物，如原性瓜胶（Gel）、羟丙基瓜胶（HPG）、羟乙基纤给素（HEC）、羟甲基羟丙基瓜胶（CMHPG）及羟甲基羟乙基纤维素（CM-HEC）等。线性溶胶粘度相对较低，悬砂能力差，可作为中浅井携砂液。其突出特点是滤失速度快，侵入地层较深，在裂缝壁上不形成泥饼，液体易于返排。HEC差不多没有残渣，能够作低温浅井中压裂液。②硼交联压裂液：其特点是悬砂性能较好，滤失速度小于线性溶液。由于其交联反应是可逆的，因此渗入地层的交联可通过改变pH值使其破胶返排。故在高渗透中深中温（小于148℃）地层，这类压裂液是较好的选择。③有机金属交联液：其要紧优点是耐高温，可在148℃以上地层使用，其中的有机金属交联剂要紧指有机钛与有机锆等，交联反应为不可逆，破胶要紧靠温度条件，返排困难，故高渗透地层压裂防砂尽量不用它。④磷酸脂铝交联的油基液：它对地层的污染专门小，几乎与各类油藏匹配。然而成本高，安全与环保问题突出，目前尚未发觉其在高渗油藏压裂中的应用。⑤泡沫压裂液：泡沫压裂液在低压低渗油气藏应用较为合适，但对高渗油藏，该压裂液关于降低滤失和强化返排的作用不太明显。经试验得知，对中高渗透层硼交联与羟丙基瓜胶的损害程度最低，液体流淌后的渗透率可恢复到实验前的40%~70%。故在中高渗透油藏的压裂防砂中，HPG为首选压裂液，对温度不专门高的浅井，也能够用HEC线性溶液。5）支撑剂在压裂防砂作业中，支撑剂除了要满足常规压裂的强度和导流能力要求外，其粒度组合还要兼顾砾石充填防砂的要求。依照地层的软硬程度及出砂情况，支撑剂能够采纳树脂涂层砂，也能够是裂缝前面用石英砂、尾追部分涂料砂，或者全部用石英砂或强度更大的陶粒。6）大排量高压水充填（WF）防砂技术压裂充填工艺要求用压裂液造缝和携砂，目的是提高输砂能力，形成“端部脱砂”，实现具有极高导流能力的宽短裂缝，达到油井高产而操纵出砂的目的。通过深入的研究和应用实践发觉：用低粘度的水来代替高粘压裂液，尽管高渗透软地层在施工中滤失量较大，但只要保持足够大的排量，仍能使地层造缝（因软地层破裂压力较低），突破原有近井地带堵塞同时能实现端部脱砂。尽管水做携砂液降低了输砂性能，然而因排量专门大足以弥补悬砂性差的缺陷，因此携砂比会有所下降，使缝内的铺砂浓度及导流能力有所下降。但计算及现场对比表明：尽管大排量高压水充填的裂缝比高粘液压裂的导流能力稍低，然而水压裂充填裂缝内却完全不存在聚合物损害，这就使较短的水充填裂缝和较长的压裂充填裂缝具有几乎相等的产能（这两种方法施工都能够突破污染区）。由于油藏性质、流体性质及泵组条件的不同，这两种技术均有其适应范围，具体情况如下：①当存在多层时或射孔井段距离水层大于10ft（在同一砂层内）或在射孔段和水层存在10ft的页岩隔层时，最好使用水压裂。另外，由于使用低粘度携砂液使得环空充填质量也比较高，特不是当井斜大于60°时更是如此。②关于裂缝垂直高度可能增长的地层，压裂充填较适宜于裂缝垂直高度大于50ft的薄层井段。压裂充填关于那些曾经使用增产措施来扩展裂缝长度的渗透率小于50×10-3μm2的油井和渗透率小于10×10-3μm2