出砂基础知识

第一节概述

石油工业中，油井生产出砂(sand production)是个普遍性问题，而且油井生产出砂问题的研究十分困难，原因是：

①无法直接观测出砂过程。油田开发在地层深处进行，在地面无法直接观测；

②岩石力学性质(rock mechanical properties)复杂。地层岩石的力学性质可能在较大范围内变化，地层深部取心不但花费昂贵，而且也有一定的偶然性、局限性，如地层深部的含水率、温度和压力条件在地面上难以保持，而这些因素对地层岩石的力学性质有很大影响；

③储层条件复杂。随着生产的进行和各种增产措施的实施，使储层变得十分复杂，这也给研究出砂机理带来困难。

④油井出砂影响因素多。油井出砂受许多复杂因素的影响，如；地质条件、岩石力学性质、生产参数等；

在一口井最终完成之前以及在其生产过程中，准确地预测其是否出砂是至关重要的，因为无论采取何种防砂(sand control)措施费用都会很高，所以不必要的采取防砂措施，不仅使生产费用增加，而且污染油气层，降低生产效率。

但是对那些因出砂而被放弃或不能继续开发的井，采取防砂措施又是使油井成为有开采价值的唯一方法。

第二节油井出砂的过程及危害

一、油井出砂的基本过程

地层砂可分为两种：充填（松散）砂和骨架砂(framework sand)。

当流体的流速达到一定值时，首先使得充填于油层孔道中的未胶结的砂粒发生移动，油井开始出砂，这类充填砂的流出是不可避免的，而且起到疏通地层孔隙通道的作用；反之，如果这些充填砂留在地层中，有可能堵塞地层孔隙，造成渗透率下降，产量降低。因此充填砂不是防治的对象。

当流速和生产压差达到某一数值时，岩石所受的应力达到或超过它的强度，造成岩石结构损坏，使骨架砂变成松散砂，被流体带走，引起油井大量出砂。防砂的主要对象就是骨架砂，上述情况是在生产过程中应尽量避免的。

根据以上情况可以把油井出砂过程分为两个阶段：

第一阶段是由骨架砂变成自由砂，这是导致出砂的必要条件；

对于出砂的该阶段来说，应力因素：如井眼压力(borehole pressure)、原地应力状态(in site stresses state)及岩石强度(rock strength)等是影响出砂的主要因素。

第二阶段是自由砂的运移。

要运移由于剪切破坏而形成的松散砂，液力因素是主要影响因素：如流速、渗透率(permeability)、粘度以及两相或三相流动的相对渗透率等的作用等。

生产过程中，只要满足以上两方面条件，油井就会出砂。

因此，对于具有一定胶结强度(cementation strength)的地层而言，要实现有效的防砂(sand control)，首先要防止地层发生破坏，即不让出砂的必要条件得到满足，这主要通过控制应力因素：如保持储层压力、减小生产压差(draw-down)等来实现。

但是，随着生产的进行，储层压力衰减，岩石强度降低都是必然要发生的，那么，岩石不可避免要发生破坏。这样，过程就由出砂的第一阶段过渡到第二阶段，这时主要通过控制流速来阻止自由砂的运移达到防砂(sand control)的目的，即控制产量（流速）。

同样，对于弱胶结和未胶结储层而言，出砂第一阶段的条件很容易满足，这样防砂(sand control)的关键在于不让出砂第二阶段所需要的条件得到满足，即可通过控制流速和生产压差来达到防砂的目的。

二、出砂的危害

油、气井出砂是石油开采遇到的重要问题之一。每年要花费大量人力物力进行防治和防砂(sand control)研究。出砂给生产带来的危害可概括为以下三类：

(1)井下、井口采油设备的磨损和腐蚀

产液中带砂使各种采油泵、管线受到磨损，大大缩短了它们的寿命。对于输油管线由于砂粒磨损加快了腐蚀速度；

(2)井眼稳定(borehole stability)问题

由于出砂使井眼失稳而导致套管挤毁、油井报废。通过对胜利油田某疏松砂岩区块资料分析发现：随着出砂的加剧和原地层压力的降低，套损井逐年增加，疏松砂岩储层油井套管(casing)损坏严重，总数已占10％以上，个别区块已达30％以上。

（3）出砂会导致减产或停产作业

油井出砂磨损泵筒与柱塞，降低泵效，甚至损坏采油泵，造成油井减产或停产。

三、油井出砂的影响因素

影响油井出砂的因素很多，概括起来可分为三大类：

①地质力学因素，包括：原地应力状态（垂直地应力与原始水平地应力）、孔隙压力、原地温度、地质构造等；

②砂岩储层的综合性质：井深、砂岩的强度和变形特征、孔隙度、渗透率、泄流半径、流体的组成（油、气、水的含量及分布等）、粘土含量、岩石组成、颗粒尺寸和形状及压实情况等；

③工程因素，包括完井类型、井身结构参数（井深．井斜、方位、井径）、完井液的性能、增产措施（压裂、酸化等）、生产工艺参数（流速、生产压差及流量）、油层损害（表皮系数增大）、放油或关井方案、人工举升技术、油藏衰竭、累计出砂量等。

这些因素和参数相互作用、相互影响、使研究出砂问题变得十分复杂，对某一油田，只凭现场经验很难决定哪些因素是地层出砂的主要因素。

四、井下出砂的防治

若井眼出砂，就要采取防砂措施，针对出砂的危害，人们采取了多种防砂方法。可以把这些措施概括为两大类：

第一类方法是自然完井法防砂。利用生产参数如压差、生产速率等来控制油井出砂。

第二类方法是主动防砂法。包括砾石充填(gravel packing)、绕丝筛管、化学固结(consolidation)和地层预强化(stimulation)等方法。砾石充填是比较重要的一种方法。

砾石充填有两种方法：

一是套管内砾石充填。

在下入套管并射孔(perforation)的井中如有出砂，可在出砂井段下筛管，在筛管与油层套管之间的环空中充填砾石。

二是裸眼砾石充填

裸眼砾石充填是在钻开产层之前下套管封固，再钻开产层，在产层段扩大井眼，下入筛管，在井眼与筛管之间的环形空间中充填砾石。砾石和筛管对地层的出砂起阻挡作用。

机械防砂

在我国，机械防砂方法从上世纪七十年代开展以来，得到了快速的发展和广泛的应用。目前可分为管柱滤砂和机械充填滤砂两大类。

管柱滤砂是在生产管柱上或井筒内封隔管柱上采取防砂滤砂措施，一般采取防砂泵防砂或滤砂管防砂。管柱滤砂的优点是施工简便、成本低，缺点是无法阻止地层砂进入井筒，短期内减少了卡泵和砂对设备的破坏，但仍会堵塞地层，砂埋管柱，而且只适于中粗砂岩地层（砂粒径大于0.1mm），防砂管柱的缝隙或孔隙易被进入井筒的地层细砂所堵塞。

防砂泵防砂的优点是成本低，施工方便，适于中粗砂地层；缺点是只能减少泵的砂卡，