防砂技术调研

国内外防砂决策及工艺技术调研报告

1.出砂机理理论基础

1.1地层出砂的影响因素

油层出砂是由于井底附近地带的岩层结构破坏所引起的，它是各种因素综合影响的结果，这些因素可以归结为两个方面，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，所以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密切的关系。通常油层砂岩的胶结物主要有粘土、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。对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主要有三种(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很少，其胶结强度为最大，但由于其孔隙度和渗透率均很低，很难成为好的储油层；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主要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)渗透率的影响

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用的沟通油流通道的方法，如果射孔密度过大，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原因。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管理等都可能造成油气井出砂。这些都应当尽可能避免。

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，虽然是不可避免的，但应尽量防止和减少它们可能对造成出砂的影响。对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。对于疏松油层除合理的工作制度外，主要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σ 和剪切力τ 满足条件： μστ+=0S (1-1)

则该面将发生破裂。式中的S 0和μ是与岩石种类有关的材料常数。S 0叫做

聚合强度（Cohesion ）,工程上称为内聚力；μ叫做内摩擦系数，工程上常令ϕϕμ ,tg =称为内摩擦角。以上就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。

进一步推导可以将库仑破裂条件（准则）写成：

301σσq C +=

(1-2) 其中： ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=μμ21200)1(2S C (1-3)

为岩石单轴抗压强度，而q 的表达式为：

[][]ϕμμμμtg q =-+++=2/1222/12)1()1( (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τ与正应力σ之间满足某种函数关系时，即：

()τσ=f (1-5) 材料沿该面会发生破裂，这就是摩尔破裂准则。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τσ-平面

上代表一条直线，而摩尔准则代表了τσ-平面中的一条摩尔曲线，我们可以由岩石中的三个主应力，用建造三维摩尔圆的方法，求出任意方位面上的正应力和剪应力。如果岩石内部各种可能的应力状态在摩尔曲线的下方，则不会发生破裂；如果以31,σσ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

可以由摩尔圆直接求出。

（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0331>+σσ时， ()),(8310231σσσσ+=-T

(1-6) 当 0331<+σσ时，03 T -=σ， (1-7) 此处T 0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：

n λστ= (1-8)

对于砂岩，010.0607.0 ,5.08.41±=±=n λ。默雷尔公式从解析的角度给出了)(στf =的具体函数关系式。在τσ-平面，表征这种关系的是一条向下弯曲的曲线(因n < 1)。所以，如果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就是当围压十分高时，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基本机理。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碎和向外扩张，同时由于产液流动的拖曳力，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，严重时砂埋油层、井筒，甚至造成油井报废。

1.2.3拉伸破坏机理

流体流动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