化学防砂技术

第6章化学防砂技术
6.1油气井出砂的原因及危害 (2)
6.1.1油气井出砂的原因 (2)
6.1.2油气井出砂的机理 (4)
6.1.3油气井出砂的危害 (5)
6.2油气井防砂的方法 (5)
6.2.1化学防砂 (5)
6.2.2机械防砂 (6)
6.3油田化学防砂技术 (7)
6.3.1树脂固砂法 (7)
6.3.2人工井壁防砂法 (12)
6.3.3其他化学固砂法 (14)
6.4化学防砂的工艺设计 (15)
6.4.1工艺设计步骤 (15)
6.4.2施工程序及参数 (16)
6.4.3防砂方法的选择 (18)
6.4.4防砂效果评价 (20)
参考文献 (22)
我国疏松砂岩油藏分布范围广、储量大，油气井出砂是这类油藏开采的主要矛盾。

出砂往往会导致砂埋油层或井筒砂堵或油气井停产作业、使地面或井下的设备严重磨蚀、砂卡及频繁的冲砂检泵、地面清罐等维修，使工作量巨增，既提高了原油生产成本，又增加了油田管理难度。

防砂是开发易出砂油气藏必不可少的工艺措施之一，对原油稳定生产及提高开发效益起着重要作用。

全世界每年要花费几百万美元来研究有效的防砂措施，除此之外，还要花费几百万美元来修理因出砂而发生故障的油气井和注水井。

保证疏松砂岩油藏开发过程中防砂措施的成功是十分重要的。

钻井过程中大多采用割缝衬管和预充填砾石来对付地层出砂，由于其使用寿命短，砂子易堵塞缝口，液流阻力大等缺点，而且下井时操作困难，不能填充射孔孔眼，因此新的有效的防砂方法的研究与应用仍是世界石油钻采中亟待解决的难题。

通过防砂可以使地层砂最大限度的保持其在地层中的原始位置而不随地层流体进入井筒，阻止地层砂在地层中的运移，使地层原始渗透率的破坏降低到最低程度，保护生产井和注水井的生产设备，最大限度的维持生产井的原始产液能力及注水井的注排能力，这是油气田防砂的目的。

现阶段常用的防砂方法有机械防砂、化学防砂及砂拱防砂。

近年来，砾石充填防砂技术已取得了显著的可靠施工效果，除井斜角较高的斜井之外，砾石充填防砂技术已成为应用最广泛的防砂技术方法。

化学固砂方法是将化学胶结液挤入天然松散的地层，固结井眼周围出砂层段中地层砂的一种防砂方法。

所形成的胶结地层具有一定的抗压强度和渗透性能。

6.1油气井出砂的原因及危害
6.1.1油气井出砂的原因
地层是否出砂取决于颗粒的胶结程度即地层强度。

一般情况下，地层应力超过地层强度就可能出砂。

油气井出砂的原因对于防砂及防砂剂的配方的选择有很大的影响，总的说来，油气井出砂的原因可以归结为地质和开采两种原因。

6.1.1.1地质因素
地质因素指疏松砂岩地层的地质条件，如胶结物含量及分布、胶结类型、成岩压实作用和地质年代等。

通常而言，地质年代越晚，地层胶结矿物越少，砂粒胶结程度越差，分布越不均匀的地层在开采时出砂越严重；地层的类型不同，地层胶结物的胶结力，圈闭内流体的粘着力，地层颗粒物之间的摩擦力以及地层颗粒本身的重力所决定的地层胶结强度就不同，地层胶结强度越小，地层出砂越严重。

根据地层胶结强度的大小把地层出砂分为三种类型：
(1)流砂地层：即未胶结地层。

颗粒之间无胶结物，地层砂的胶结强度仅取决于很小的
流体附着力和周围环境圈闭的压实力，地层砂在一定的条件下可以流动。

当遭遇此种地层时易发生井壁坍塌，引起卡钻、埋钻等井下事故，用常规的裸眼砾石充填法完井时，易出现地层吐砂现象，造成油气层砂埋筛管下不到井底炮眼砂堵，砾石与地层砂互混，甚至还有地层砂通过筛管缝隙进入筛管内腔，卡住油管造成的事故。

因此，必须采用沉砂封隔器，高密度且稠化的完井液等特殊的完井工艺措施。

出砂规律如图6-1所示投产
图6-1流砂地层出砂规律
(2)部分胶结地层：这类地层胶结物含量较少，地层砂部分被胶结，胶结差，强度低。

钻遇这种地层时，可以在钻井液中加入适宜的暂堵剂来稳定井壁，防止地层坍塌，避免钻速剧降和井下事故发生，在一定条件下，可以采用裸眼砾石充填法进行完井。

穿过这种地层的油气井在开采过程中地层会在炮眼附近剥落，逐渐发展而形成洞穴。

剥落的小块地层砂进入井筒极易填满井底口袋，堵塞油管，掩埋油气层。

油井投产后出砂规律如图6-2所示，表现为含砂量波动变化大。

如不及早加以控制，那么产层附近的泥岩，页岩夹层出会因空穴增大而剥落，从而造成近井区域泥岩、页岩和砂岩三种剥落物互混，渗透率降低，产量下降。

如任其发展，有可能造成地层坍塌、盖层下降、套管损坏、油气井报废的严重后果。

图6-2部分胶结地层出砂规律
(3)脆性砂地层：此类地层胶结物含量较多，地层砂之间的胶结力较强，地层强度较好，
但因胶结物的脆性比砂粒强，故这种地层易破碎。

钻遇这种地层时，可在钻井液中加入适宜的护胶剂及暂堵剂来稳定井壁，防止地层破碎垮塌，保证顺利钻井。

这种地层的油气井在开采过程中的出砂规律如图6-3所示。

图6-3脆性地层出砂规律
流体产出时能把砂岩表面颗粒冲刷带走，出砂规律呈周期性变化。

这种规律是因为在出砂过程中导管外部地层冲蚀空穴突然增大，过流面积成倍增加，使地层流体的流速大幅度下降，致使出砂量明显下降。

随着油井条件变化，又会形成新的油砂环境而开始出砂。

周而复始，任其发展，洞穴越来越大，到一定的时候，就有可能形成灾难性的地层坍塌，使油气井导管变形而报废。

6.1.1.2开采原因
开采原因指在油气开发时因开采速度以及采油速度的突然变化，落后的开采技术(包括不合理的完井参数和工艺技术)低质量和频繁的修井作业，设计不良的酸化作业和不科学的生产管理等造成油气井出砂。

大体归纳如下：
(1)采油过程中由于液体渗流而产生的对砂粒的拖曳力是出砂的重要原因。

在其他条件相同时，生产压差愈大、渗透率愈高，在井壁附近液流对地层的冲刷力就愈大。

(2)油层见水。

油层胶结物以粘土为主，一般占70%左右，而粘土矿物成分中蒙脱石含量达80%左右的砂岩地层注水后，注入水浸泡地层，都会使粘土遇水膨胀变松散，降低胶结强度，进而发生颗粒位移，大大加剧地层出砂程度。

(3)频繁作业及不恰当的开采速度以及作业过程措施不当，也是造成严重出砂的原因之一。

例如，进行压裂、酸化、大修等特殊作业，如果没有保护油层的措施，就容易导致出砂加剧。

(4)对油井管理不善，频繁地开关井，造成地层激动，使稳定的砂桥破坏，都会造成地层出砂。

随着油气田开发期延续，油气层压力自然下降，油气层砂岩体承载力的负荷逐渐增加，致使砂粒间的应力平衡破坏，胶结破坏造成地层出砂，另外，地层注水可能使油气层中的粘土膨胀分散，有的还会随着地层流体迁移使油气层胶结力下降。

注水开发中为了保持产量必定要提高采液量，这就会增加地层流体的流速，加大流体对地层砂的冲刷和携带能力(速敏
效应)，因此，注水有可能造成地层出砂。

此外，地层中的两相或三相流动状态能增加对地层砂的携带力。

6.1.2油气井出砂的机理
生产条件下地层稳定性与地层基质所受应力场作用有关。

基质以复杂的方法适应应力场状态。

地层基质所受应力是上覆地层压力、孔隙压力、近井地带地层流体流动压力梯度、界面张力、流体通过基质颗粒间空隙流动时与颗粒摩擦而形成的摩阻。

地应力适应地层稳定性的方式是在一定条件下由地层介质本征强度和地层产能系数这两个相互关联因数所决定的，这种条件下原地应力场在生产过程中因各种因数而破坏失稳后便形成了井眼周围的稳定砂拱和砂桥。

如图6-4所示
图6-4砂桥和砂拱示意图
6.1.3油气井出砂的危害
油气井出砂是疏松砂岩油气藏面临的重要问题之一。

出砂的危害主要表现在以下四方面：
6.1.3.1油气井减产或停产
油气井出砂，极易造成砂埋产层，油管砂堵及地面管汇和储油罐积砂，从而被迫停产作业。

冲洗被砂埋的油层，清除油管砂堵，既费时又耗资，问题还不能彻底解决。

恢复生产不久又需重新作业，周而复始，生产周期越来越短，使油气田产量大减，作业成本巨增，经济损失严重。

6.1.3.2地面和井下设备及管线磨蚀加剧
油气流中携带的地层砂粒主要成分是二氧化硅，硬度很高，是一种破坏性很强的磨蚀剂，能使抽油泵阀座磨损而不密封，阀球点蚀，杆塞和泵缸拉伤，地面阀门失灵，输油泵叶轮严重冲蚀，从而被迫关井作业，更换或维修设备，造成产量下降、成本上升。

6.1.3.3套管损坏使油气井报废
长期严重的出砂在套管外形成巨大的空穴，内外受力不平衡导致突发性地层坍塌，轻则造成套管变形，重则套管被错断挤毁，导致油气井报废。

6.1.3.4破坏地层的原始构造或造成近井地带地层的渗透率严重下降
油气井出砂后，地层砂运移加剧，近井地带地层砂沉积较多，远井地带则变得结构疏松加剧。

近井地带地层渗透率显著下降，引起油气井的产能下降。

解决油气井出砂问题，必须立足于早期防治，以减少对油层胶结的破坏，
6.2油气井防砂的方法
随着我国石油工业的高速发展，防砂技术不断地趋于完善和成熟，逐步形成了化学防砂和机械防砂两大类。

6.2.1化学防砂
化学防砂在20世纪60年代开始研究应用并很快形成能力，它大致可以分为三大类：第一类是树脂胶结地层，第二类是人工井壁，第三类是其它化学固砂法。

6.2.1.1溶液型化学剂固砂
用有机或无机化学剂挤入疏松油层或预充填砂层，使砂粒与砂粒间胶结成具有一定强度、渗透性好的砂层的固砂工艺。

它包括：地面注入树脂溶液固砂、地下合成树脂溶液固砂及水玻璃溶液固砂。

6.2.1.2人工井壁防砂
它的种类很多，如预涂层砾石、树脂砂浆、水带干灰、水泥沙浆、乳化水泥、树脂壳等。

这些人工井壁材料都要经过管柱泵送到产层，并挤入到导管以外的空穴中去，形成密实充填，使地层恢复或部分恢复原始应力，待这些充填材料凝固，形成具有一定强度的挡砂屏障后，再把井筒中多余的充填物铣掉，使油气井具备开井生产的条件。

人工井壁防砂是化学防砂中的一大类，属于颗粒防砂。

它是利用有特定性能的胶结剂和一定粒径的颗粒物质按比例在地面混合均匀，也可以直接用可固结的颗粒，用油基或水基携砂液泵入井内，通过炮眼，在油层套管外堆积填满出砂洞穴，在井温及固化剂作用下，凝固后形成具有一定强度和渗透性的人工井壁阻挡地层砂井进入井筒，达到防砂目的。

此类方法适用油井已大量出砂，井壁形成洞穴的油水井防砂。

6.2.1.3其它化学固砂法
其它化学固砂法，制约条件较多，使用不广泛。

主要有以下几种：焊接玻璃固砂法、氢氧化钙固砂法、四氯化硅固砂法、水泥---碳酸钙混合液固砂法、聚乙烯固砂法和氧化有机化合物固砂法。

6.2.2机械防砂
机械防砂也可以分为两类：一类是下防砂管柱挡砂，如割缝衬管、绕丝筛管、胶结成型
的滤砂管、双层或多层砂管等，这类防砂方法简单易行，但效果差，寿命短，原因在于防砂管柱的缝隙或孔隙易被进入井筒的细地层砂所堵塞；另一类是下入防砂管柱后再进行充填，它能有效地把地层砂限制在地层内，并能使地层保持稳定的力学结构，防砂效果好，寿命长。

6.2.2.1衬管防砂
衬管防砂是一种使用最早、简单而普遍的机械防砂方法，也叫滤砂管防砂或筛管防砂。

该工艺是在出砂油层射孔井段对应下入防砂衬管，当油井投入生产时，在油层压力的驱动下，液流克服各种阻力流入井筒。

如液流速度超过临界速度，地层砂桥就会破坏，带砂液流通过炮眼进入井筒，开始有少量细粉砂通过滤砂套，随液流排出地面，还有一些堵塞于滤砂套的孔隙中，较粗的砂粒在滤砂套表面堆积，一直到堆满环形空间及炮眼形成砂桥，才能阻止油井出砂，起到防砂作用。

6.2.2.2砾石充填防砂
砾石充填防砂是重要的机械防砂方法，已被世界各油田广泛采用。

该方法是在防砂油层部位放置型号和规格合适的筛管，在筛管外面的空间填充并压实粒度合适的高质量砾石。

对套管射孔完成井，筛管外的空间包括套管与筛管内的环形空间，射孔孔眼及套管外油层表面之间的空间，对裸眼完井，则是指筛管外至扩孔井壁之间空间。

这样，就形成了砾石阻挡油层砂，而筛管保障形成稳定的砾石桥，构成一个坚固的高渗透防砂屏障。

但是总的来说，化学防砂适用于渗透率相对均匀的薄层段，在粉细砂岩地层中的效果比在机械防砂更优。

而机械防砂对于地层的适应能力强，无论产层厚薄，渗透率高低，夹层多少都能有效的实施，在老井作业中，还可以起到恢复地层应力的作用。

但是，它不适用细粉砂岩地层和高压地层，在无钻机或修井机的情况下也无法施工；对于化学防砂，它可以适用于双层完井作业中的上部地层防砂，但对地层渗透率有一定的伤害作用，同时它的成功率不如机械防砂，还存在老化现象，相对成本较高等缺点，其应用程度远不如机械防砂广泛。

因此，研究一种新的无污染而且成本低的高效化学防砂方法是十分有必要的。

从国内外现有的化学防砂方法的报道来看，大多数人都采用在酸性或中性条件下进行实验。

如果在酸性条件下进行实验，由于酸与树脂反应后会产生氢气，在一定的温度下，加上酸的挥发，形成一种刺激性的气体，不利于人的健康，还会对环境产生污染。

因此考虑在碱性条件下的固砂不仅有利于防止对人的伤害，还有利于防止对自然的污染。

据国外文献报道，在美国的加利福尼亚州的威明顿油田，它是以碳酸钠的碱溶液为固化剂，使用取自威明顿油田塔焦油区的砂样，在250~260℃的高温下通过特殊的装置使砂样固结，这一项目为威明顿油田上的出砂井节约成本为每口井90000~150000美圆，获得了很好的经济效益。

6.3油田化学防砂技术
向井眼周围地层和射孔孔眼中挤入一定数量的化学剂和固体颗粒(如预涂层砾石)以胶固地层砂运动，减轻油井出砂，实现长期生产的固砂技术称为化学防砂。

化学防砂最大优点是井筒内部不留下任何机械装备，施工工艺简便，只需泵入化学剂即可。

它对细粉砂尤为有效，对未严重出砂的地层和低含水油井成功率较高。

化学固砂法最适于相对不含粘土和微粒矿物成分的厚度通常小于5m米且渗透率均匀的目的层段。

但化学防砂对地层渗透率有一定的伤害，成功率不如机械防砂，相对成本较高。

油田化学防砂早在20世纪60年代就开始了研究和较广泛的应用，到了70年代末，随着砾石填充绕丝筛管防砂技术的不断发展和完善，化学防砂的应用范围逐步缩小，应用程度不如机械防砂广泛。

但是，化学防砂的优越性是其他防砂方法所不能取代的，在某些情况下仍为一种有效的防砂方法。

因此，新的无污染且成本低的高效化学防砂方法的研究与应用是十分必要的。

化学防砂可以分为三大类：第一类是树脂固砂法、第二类是人工井壁防砂法、第三类是其它化学固砂法。

具体分类见图6-5
6.3.1树脂固砂法
树脂固砂法主要有两种，一种是直接向近井疏松出砂层段挤注树脂以固结近井地带的砂粒；另一种是在地面制备预涂层砾石，即在经筛析后的石英砂表面通过物理或化学方法均匀涂敷一层极薄的树脂，在常温下阴干，形成分散的颗粒，简称覆膜砂。

施工时，用携带液泵入井内，挤入油层和射孔孔眼内。

在一定温度和固化剂存在下，使颗粒表面软化，相互粘结成具有一定强度和渗透率的人工井壁作为挡砂屏障。

图6-6给出了树脂固砂示意图。

图6-6树脂固结地层砂示意图
图6-5化学防砂分类表
6.3.1.1挤树脂固砂法
(1)树脂性能要求
挤树脂固砂法所使用的树脂包括：环氧树脂、酚醛树脂、脲醛树脂、糠醇树脂及它们的
混合物。

其中以糠醇树脂为最好。

固砂用树脂所必须具有的重要性能如下：
①常温下树脂粘度低于20mPa·s。

这种粘度值充分允许施工时有合理泵注时间，允许挤入后置液时可以很好地替出过多的树脂。

若树脂粘度过大，就用稀释剂进行稀释达到理想的粘度。

对环氧树脂来说，适合的稀释剂有苯乙烯化氧、辛烯化氧、糠醇、苯酚等。

对酚醛树脂、脲醛树脂、糠醇树脂来说，合适的稀释剂有糠醇、糠醛、苯酚和甲酚。

稀释剂用量一般为每一百份树脂用50~150份稀释剂。

②树脂必须能润湿地层固相物质，这是最基本的要求。

所挤入的树脂必须有毛细管力吸入砂粒间空隙中。

③最终聚合树脂具有足够高的抗拉强度和抗压强度。

④树脂聚合作用时间必须可控。

聚合时间短使后续过程中的顶替作业很困难，而聚合时间过长则会增加施工成本。

⑤最终的聚合物必须具有化学惰性，该聚合物必须允许保持与原油和盐水长时间的接触。

(2)挤树脂固砂工艺过程
利用树脂胶结疏松砂岩油层一般包括以下几个步骤：
①用前置液预处理地层。

胶结之前，需用前置液处理地层。

根据砂层需要预处理目的不同，前置液也不同。

若要除砂粒表面的油，前置液可用液态烃，如：柴油、煤油、原油、矿物油和芳香油。

另一类是水基前置液，一般是淡水、盐水和海水，其中尤以盐水为最好。

这种盐水是由一种或一种以上溶于水的无机盐构成，再加上表面活性剂如烷基磺酸钠，烷基苯磺酸钠、聚氧乙烯辛基苯酚醚-10，使砂粒表面由亲油反转为亲水，由于极性的胶结剂能润湿亲水表面，因而有好的胶结效果。

水基前置液中不应含有堵塞地层的污染物。

②树脂胶结剂的注入。

地层用前置液处理后，再注入胶结液。

胶结液中最好要含有偶联剂，使树脂和砂粒更紧密地结合在一起。

合适的偶联剂有氨基硅烷，其分子结构通式为：
式中的R1是具有1~8个碳原子的直链、侧链和环链烯烃基，最好是1~4个碳原子的直链、侧链烯烃基。

R2是氢或具有1~8个碳原子(最好是1~4个碳原子)的烷基、胺烷基。

R3是甲基、乙基、丙基或异丙基(最好是甲基或乙基)，m的数值为0~10，最好是1~4。

这种氨基硅烷有2-氨丙基三乙氧基甲硅烷、N-β-(氨乙基)-r-氨丙基三甲氧基硅烷(这种偶联剂最好)、N-β-(氨乙基)-N-β-(氨乙基)-r-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β-(氨丙基)-N-β-(氨丁基)-r-氨丙基三乙氨基硅烷、双-N-(β-氨乙基)-r-氨丙基三乙氧基硅烷。

氨基硅烷用量每一百份重的树脂加0.1~10份重的氨基硅烷。

若地层的渗透率比较高，则注入“纯粹的”胶结液(即不含携带液的胶结液)。

若地层的渗透率比较低，可以把胶结液和水基携带液混合在一起注入到地层中。

胶结液组分中应包括表面活性剂。

表面活性剂能改善砂粒对树脂的润湿性，防止胶结液稠化和在水基携带液中出现聚集现象，从而保证了胶结液的泵送性能。

胶结液组分中还应有分散剂。

分散剂能使胶结液成雾滴状分散在携带液中，合适的分散剂有糠醛和酞酸二乙酯的混合物。

由于砂层的不均质，所以胶结剂将更多地沿高渗透层进入砂层，影响防砂效果。

为了使胶结剂均匀注入，在注胶结剂前，可先注一段分散剂。

由于分散剂可减少高渗透层的渗透率，使砂层各处的渗透率拉平，这样，胶结剂可以比较均匀地分散入砂层。

要提高防砂效果，应注意分散剂的使用。

③注入驱替液(增孔液)，使地层砂粒表面涂上一层树脂材料。

由于对砂粒起胶结作用的胶结剂是粘在砂粒接触点处的胶结剂，在砂粒空隙中多余的胶结剂固化后将引起砂层的堵塞，减少胶结后砂层的渗透率，因此要用驱替液把多余的胶结液顶替到地层深处。

例如用极性胶结剂胶结时，就可以用煤油、柴油做增孔液。

使树脂固结，形成具有渗透率的胶结地层，可通过加热和与催化剂接触就能使树脂达到固化。

催化剂可以随胶结液一起注入到地层中(内催化法)，也可以先注入胶结剂，再注入催化剂(外催化法)。

使用内催化法时值得注意的是：胶结液只有注入到地层后，树脂才能发生固化反应。

最好的催化方法是外催化法。

对环氧树脂来说，合适的催化剂有胺类、酸酐类催化剂，对酚醛树脂、脲醛树脂、糠醇树脂来说，无机酸、有机酸和成酸化学剂都是比较好的外催化剂。

6.3.1.2预涂覆树脂砂
即在树脂配方中加入催化剂或在砂浆液后顶替外固化剂，促使预涂层砾石在低温地层中固化，达到胶固地层的目的，主要包括常温和高温覆膜砂两大类。

前者用于井温60℃的油井，后者用于注蒸汽热采井(注汽温度300~350℃)。

近年来，随着技术的进步又开发研制了低温覆膜砂(适用油井温度30~50℃)。

(1)常温覆膜砂：其树脂配方是：石英砂:环氧树脂:丙酮:偶联剂=100:5:5.5:0.2(质量分数)。

按配比将树脂溶于丙酮中，再加偶联剂均匀混合，配好后撒入石英砂中并均匀搅拌，使颗粒表面涂上一薄层树脂，待丙酮挥发后，分散过筛备用。

其质量标准参见SY 5274——91行业标准，主要包括：
①强度：对20~40目常规涂层砂，固化后要求：
二级品一级品
抗折强度不小于2.5Mpa 5.0 Mpa
抗压强度不小于5 Mpa 10.0 Mpa
②常温下保存为单颗粒分散状态，分散率大于98%；
③表面涂覆均匀，颗粒涂覆率大于98%；
④覆膜厚度：
当石英颗粒为0.3~0.6mm时，厚度不大于0.1mm,。