油气井防砂及出砂机理研究
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内容提纲
第一节 出砂原因及危害 第二节 防砂方法分类 第三节 防砂工艺现状 第四节 砾石充填防砂设计 第五节 热采井砾石充填防砂特点 第六节 改善斜井水平井防砂效果的措施
第一节 出砂原因及危害
油、气、水井出砂是石油开采遇到的重要难题之 一。每年要化费大量的人力物力进行防砂。
油层出砂是由于井底附近地带的岩石结构破坏引起 的，它与岩石的胶结强度、应力状态、开采条件、 油井含水等因素有关。
二、化学防砂
（4）HY液体防砂工艺 HY防砂剂是液、固两相材料组成。液相为一种良好的
粘结剂，在特定的催化剂作用下能与地层砂和固相材料很好 固结，且固结后有一定的收缩性，能保证较好的渗透性。固 相为分散状的纤维材料，密度与液相相近，确保了施工中被 均匀地携带至地层。防砂材料被泵送到地层，固相材料填充 已亏空地层后堆积于井壁附近；通过液相胶结剂把固相材料 和井壁附近地层的疏松砂粒固结住，形成具有较高抗压强度 和良好渗透性能的挡砂人工井壁，达到有效防止地层出砂的 目的。
存在老化现象，有效期不如机械 防砂长，防砂后不影响井筒内的 作业。
套管无变形、无破损；适用于油层温度>55℃的常规开采井防砂； 要 适用于油层吸收能力>500l/min(泵压小于20Mpa)；适应于光油管 求 全井及分层，每次防砂井段<20m。适应于油田中后期出砂的常
规油水井的防砂，防砂半径1.5m。
机理如同拱桥承载一样，许 多砂粒在炮眼口处形成砂拱， 具有一定的承载能力，阻挡地 层砂随液流产出。
2、管外膨胀封隔器防砂：
其内管是套管，外壁为 橡胶筒，外壁与内筒之间 可以注入水泥，使橡胶筒 向外扩张压实裸眼井壁， 停泵后胶皮同内部的单流 阀关闭，使胶皮筒内腔仍 保持高压。
二、化学防砂
向地层注入一定的固砂剂，就地胶结地层砂； 或向射孔孔眼外挤注入砂浆，待砂浆凝固后形 成人工井壁。
(2)水泥砂浆人工井壁
二、化学防砂
是以水泥等为胶结剂，以石英砂为支撑剂，按比例混 合均匀，拌以适量的水，用油携至井下，挤入套管外， 堆积于出砂部位，凝固后形成具有一定强度和渗透性的 人工井壁，防止油层出砂。
适于：套管无变形、无破损；适用于后期出砂油水井防砂；适
用于油层含水>85%，单井日产液量<70m3的油井；适用于日注水 量>100m3，注入压力<7MPa的注水井；适应于光油管全井及分层， 防砂每次防砂井段<20m。适于油田中后期出砂严重、地层亏空大 高含水出砂常规油井及注入压力低、注水量大出砂的常规水井。
分层化学防砂管柱结构
对于两套油层的分层防砂管柱（见图一）
三套油层的分层防砂（见图二）
化学防砂施工工序
干灰（涂防、固结砂、地填）：
压（洗）井→起原井→探冲捞→探冲砂 →通井→套管试压→下防砂管柱→干灰 （涂防、固结砂、地填） →候凝→探 钻塞→通井。
适用条件：
a.油层均质性好、油层厚度小(3m左右)的油层。油层厚度较 大（多层）时应分段（分层）施工，否则挤注不均匀，降低 防砂效果；
第一节 出砂 原因及危害
1、岩石的胶结强度
砂岩的胶结物有泥质、碳酸盐、硅质等胶结物。其 中泥质胶结强度最小。
胶结物的多少也是影响胶结强度的重要因素。胶 结物少、胶结强度低是油井出砂的主要内因。
2、岩石的应力状态
油层钻开前处于应力平衡状态，钻开后，平衡 状态受到破坏，井壁附近岩石应力集中，故井壁附 近岩石易发生剪切破坏。
b.细粉砂到中等地层砂，地层垂向渗透性好。 对于粘土和粉砂含量高、受钻井泥浆污染的地层，在固砂前要
进行酸洗处理；
c.套管射孔完井的垂直小井眼井（侧钻井）、高压井防砂。 d.高含水期不宜适用。不适用于裸眼井、热采井和老油井；适用 于低含水井。
缺点：
成功率偏低，费用相对较高；对地层的渗透性有一定的伤害，并 且存在老化现象。
3、开采因素的影响
1)地层压力的下降超过了极限， 从而使岩石发生塑性变形，破坏 岩石结构，引起出砂。
由于压降主要发生在 近井地带，故主要引起 近井地带出砂。
第一节 出砂 原因及危害
第一节 出砂 原因及危害
2)流体流向井底，对岩石颗粒产生拖拽力； 稠油粘度大，因此容易出砂；
3)油井工作制度的改变方式 在同样的压差下，地层是否容易出砂还取决于建立压 差的方式(急剧、缓慢)；
二、化学防砂
（3）固结砂防砂工艺
a、适用条件 套管无变形、无破损；适用于油层温度30-90℃的油水 井防砂；高温固结砂适应于热采井注汽前防砂；适用于 出泥粉砂严重的油水井防砂；适应于光油管全井及分层， 防砂每次防砂井段<20m。 b、适用范围 固结砂防砂工艺适应于油田中后期出泥粉砂严重的油水 井防砂及热采井注汽前防砂。
4)油井产水后胶结物的溶解； 热采井易出砂、一般油井含水高时出砂就是此原因。
第一节 出砂 原因及危害
4、注水井停注的影响
由于注水井井下管柱、工具损坏、地面设备故障 等原因造成注水井停注引起井底压力降低，注入水回 流，引起出砂。是注水井出砂的主要原因。
ห้องสมุดไป่ตู้
5、出砂的危害
第一节 出砂 原因及危害
① 导致地层亏空，地层坍塌，损坏套管。 ② 造成油井减产停产。 ③ 加快磨损井下管柱，工具及地面设备。 ④ 增加原油处理难度。 ⑤ 增加环境污染及运输处理等问题。
化学防 砂
树脂胶结
人工井壁
其它化学方 法
树脂注入法、树脂地下合成
预涂层砾石
树脂砂浆
水泥砂浆
水带干灰砂泥砂浆
树脂核桃壳
乳化水泥
焊接玻璃固砂
氢氧化钙固砂
四氯化硅固砂
水泥碳酸钙混合液固砂
1、人工井壁防砂：
二、化学防砂
(1)预涂层砾石防砂 将树脂涂敷砂挤到套管
外，形成强度高、渗透率 高的人工井壁。
特点：
第二节 防砂方法及其适应条件
油、气井防砂方法很多，根据防砂原理，大 致可以分为砂拱防砂、化学防砂、热力焦化防 砂、机械防砂、复合防砂及其它防砂方法。
一、砂拱防砂
适于：产量较低的常规油井
砂拱 防砂
降低流速 增大射孔段长度，增加射孔密度
控制产量
增大地层径向应力 降低流速
裸眼产层膨胀式封 隔器
1、降低流速砂拱防砂：
二、化学防砂
（3）固结砂防砂工艺 经多次干灰和涂防无效的注聚井的防砂问题而引进应用的一种
化学颗粒防砂新工艺，其主要有以下特点： ⑴防砂材料本身部分水化后胶结固化，使其具备较强的固结强度， 且受地层泥粉砂混杂的影响较小。 ⑵其固结强度受地层温度影响很小，在350℃以内均能水化固结， 达到防砂所需的抗压强度，因此其比涂料砂的适用性更广。 ⑶固化胶结致密，但仍有较好的渗透性，室内试验的渗透率为 3.0μm2左右，比涂料砂要低，但比干灰砂要高得多。因此其对水 井地层的吸水能力影响不大。
第一节 出砂原因及危害 第二节 防砂方法分类 第三节 防砂工艺现状 第四节 砾石充填防砂设计 第五节 热采井砾石充填防砂特点 第六节 改善斜井水平井防砂效果的措施
第一节 出砂原因及危害
油、气、水井出砂是石油开采遇到的重要难题之 一。每年要化费大量的人力物力进行防砂。
油层出砂是由于井底附近地带的岩石结构破坏引起 的，它与岩石的胶结强度、应力状态、开采条件、 油井含水等因素有关。
二、化学防砂
（4）HY液体防砂工艺 HY防砂剂是液、固两相材料组成。液相为一种良好的
粘结剂，在特定的催化剂作用下能与地层砂和固相材料很好 固结，且固结后有一定的收缩性，能保证较好的渗透性。固 相为分散状的纤维材料，密度与液相相近，确保了施工中被 均匀地携带至地层。防砂材料被泵送到地层，固相材料填充 已亏空地层后堆积于井壁附近；通过液相胶结剂把固相材料 和井壁附近地层的疏松砂粒固结住，形成具有较高抗压强度 和良好渗透性能的挡砂人工井壁，达到有效防止地层出砂的 目的。
存在老化现象，有效期不如机械 防砂长，防砂后不影响井筒内的 作业。
套管无变形、无破损；适用于油层温度>55℃的常规开采井防砂； 要 适用于油层吸收能力>500l/min(泵压小于20Mpa)；适应于光油管 求 全井及分层，每次防砂井段<20m。适应于油田中后期出砂的常
规油水井的防砂，防砂半径1.5m。
机理如同拱桥承载一样，许 多砂粒在炮眼口处形成砂拱， 具有一定的承载能力，阻挡地 层砂随液流产出。
2、管外膨胀封隔器防砂：
其内管是套管，外壁为 橡胶筒，外壁与内筒之间 可以注入水泥，使橡胶筒 向外扩张压实裸眼井壁， 停泵后胶皮同内部的单流 阀关闭，使胶皮筒内腔仍 保持高压。
二、化学防砂
向地层注入一定的固砂剂，就地胶结地层砂； 或向射孔孔眼外挤注入砂浆，待砂浆凝固后形 成人工井壁。
(2)水泥砂浆人工井壁
二、化学防砂
是以水泥等为胶结剂，以石英砂为支撑剂，按比例混 合均匀，拌以适量的水，用油携至井下，挤入套管外， 堆积于出砂部位，凝固后形成具有一定强度和渗透性的 人工井壁，防止油层出砂。
适于：套管无变形、无破损；适用于后期出砂油水井防砂；适
用于油层含水>85%，单井日产液量<70m3的油井；适用于日注水 量>100m3，注入压力<7MPa的注水井；适应于光油管全井及分层， 防砂每次防砂井段<20m。适于油田中后期出砂严重、地层亏空大 高含水出砂常规油井及注入压力低、注水量大出砂的常规水井。
分层化学防砂管柱结构
对于两套油层的分层防砂管柱（见图一）
三套油层的分层防砂（见图二）
化学防砂施工工序
干灰（涂防、固结砂、地填）：
压（洗）井→起原井→探冲捞→探冲砂 →通井→套管试压→下防砂管柱→干灰 （涂防、固结砂、地填） →候凝→探 钻塞→通井。
适用条件：
a.油层均质性好、油层厚度小(3m左右)的油层。油层厚度较 大（多层）时应分段（分层）施工，否则挤注不均匀，降低 防砂效果；
第一节 出砂 原因及危害
1、岩石的胶结强度
砂岩的胶结物有泥质、碳酸盐、硅质等胶结物。其 中泥质胶结强度最小。
胶结物的多少也是影响胶结强度的重要因素。胶 结物少、胶结强度低是油井出砂的主要内因。
2、岩石的应力状态
油层钻开前处于应力平衡状态，钻开后，平衡 状态受到破坏，井壁附近岩石应力集中，故井壁附 近岩石易发生剪切破坏。
b.细粉砂到中等地层砂，地层垂向渗透性好。 对于粘土和粉砂含量高、受钻井泥浆污染的地层，在固砂前要
进行酸洗处理；
c.套管射孔完井的垂直小井眼井（侧钻井）、高压井防砂。 d.高含水期不宜适用。不适用于裸眼井、热采井和老油井；适用 于低含水井。
缺点：
成功率偏低，费用相对较高；对地层的渗透性有一定的伤害，并 且存在老化现象。
3、开采因素的影响
1)地层压力的下降超过了极限， 从而使岩石发生塑性变形，破坏 岩石结构，引起出砂。
由于压降主要发生在 近井地带，故主要引起 近井地带出砂。
第一节 出砂 原因及危害
第一节 出砂 原因及危害
2)流体流向井底，对岩石颗粒产生拖拽力； 稠油粘度大，因此容易出砂；
3)油井工作制度的改变方式 在同样的压差下，地层是否容易出砂还取决于建立压 差的方式(急剧、缓慢)；
二、化学防砂
（3）固结砂防砂工艺
a、适用条件 套管无变形、无破损；适用于油层温度30-90℃的油水 井防砂；高温固结砂适应于热采井注汽前防砂；适用于 出泥粉砂严重的油水井防砂；适应于光油管全井及分层， 防砂每次防砂井段<20m。 b、适用范围 固结砂防砂工艺适应于油田中后期出泥粉砂严重的油水 井防砂及热采井注汽前防砂。
4)油井产水后胶结物的溶解； 热采井易出砂、一般油井含水高时出砂就是此原因。
第一节 出砂 原因及危害
4、注水井停注的影响
由于注水井井下管柱、工具损坏、地面设备故障 等原因造成注水井停注引起井底压力降低，注入水回 流，引起出砂。是注水井出砂的主要原因。
ห้องสมุดไป่ตู้
5、出砂的危害
第一节 出砂 原因及危害
① 导致地层亏空，地层坍塌，损坏套管。 ② 造成油井减产停产。 ③ 加快磨损井下管柱，工具及地面设备。 ④ 增加原油处理难度。 ⑤ 增加环境污染及运输处理等问题。
化学防 砂
树脂胶结
人工井壁
其它化学方 法
树脂注入法、树脂地下合成
预涂层砾石
树脂砂浆
水泥砂浆
水带干灰砂泥砂浆
树脂核桃壳
乳化水泥
焊接玻璃固砂
氢氧化钙固砂
四氯化硅固砂
水泥碳酸钙混合液固砂
1、人工井壁防砂：
二、化学防砂
(1)预涂层砾石防砂 将树脂涂敷砂挤到套管
外，形成强度高、渗透率 高的人工井壁。
特点：
第二节 防砂方法及其适应条件
油、气井防砂方法很多，根据防砂原理，大 致可以分为砂拱防砂、化学防砂、热力焦化防 砂、机械防砂、复合防砂及其它防砂方法。
一、砂拱防砂
适于：产量较低的常规油井
砂拱 防砂
降低流速 增大射孔段长度，增加射孔密度
控制产量
增大地层径向应力 降低流速
裸眼产层膨胀式封 隔器
1、降低流速砂拱防砂：
二、化学防砂
（3）固结砂防砂工艺 经多次干灰和涂防无效的注聚井的防砂问题而引进应用的一种
化学颗粒防砂新工艺，其主要有以下特点： ⑴防砂材料本身部分水化后胶结固化，使其具备较强的固结强度， 且受地层泥粉砂混杂的影响较小。 ⑵其固结强度受地层温度影响很小，在350℃以内均能水化固结， 达到防砂所需的抗压强度，因此其比涂料砂的适用性更广。 ⑶固化胶结致密，但仍有较好的渗透性，室内试验的渗透率为 3.0μm2左右，比涂料砂要低，但比干灰砂要高得多。因此其对水 井地层的吸水能力影响不大。