常用防砂工艺讲座

完井因素
射孔孔道填充物对出砂的影响
弹孔尺寸对油流阻力会产生巨大的影响。弹孔压降可以用下式表达
△P= B
LQ Q C L ( ) 2 KA A
弹孔流动阻力与弹孔尺寸及孔内充填物的渗透率有密切 关系：弹孔内充填物渗透率是决定弹孔压降的关键因素， 若其渗透率高，压降就小（阻力小），若弹孔畅通无阻 （K=∞）则阻力最小，若其渗透率低则弹孔压降大， 甚至完全堵塞（K→0）。
开采因素
流速
对于疏松砂岩易出砂的地层，常常存在速敏问 题，当油层内流体流速低于临界流速时，尽管也会 生产微粒的运移，但它们会在弹孔入口处自然形成 “砂拱”，可以进一步阻止出砂。但是随流速的增 加，砂拱尺寸不断增大，稳定程度降低（砂拱越小 越稳定），当流体流速等于临界流速时，砂拱平衡 完全被破坏，无法再形成新的砂拱，砂粒可以自由 流入井筒，开始出砂。如流速进一步增加，其带来 的后果只能是加剧出砂。根据实验研究，在一定流 速范围内，出砂量随流速线性增加。
构造应力
由于在断层附近或构造部位，原构造应力很大，已经 局部破坏了原有的内部骨架（已产生局部天然节理和微裂 隙），故岩石固有剪切强度更低。换言之，这些部位是地 层强度最弱的部位，也是最易出砂的部位和出砂最严重的 地区。断层附近或构造顶部区域是出砂最剧烈的区域，而 远离断层和构造低部区域出砂程度相对缓和，在胜利、中 原及其他油田发现相似的规律。因此，在防砂治砂过程中， 对这个区域要加倍重视，采用全面合理的防范措施。
开采因素
地层压降及生产压差
压降过大使岩石颗粒的负荷加大，造成岩石的剪切 破坏，导致地层大量出砂； 当油藏压力低于原油饱和压力后，将出现层内脱气， 形成油气两相流，使地层对油相的相渗透率显著下降。 此时，脱气还使原油粘度提高，两方面综合作用便增加 了油流阻力（严重时会产生气顶），欲保持产量不变， 必须提高生产压差，导致出砂情况更加恶化； 油层压力的下降总是伴随边、底水（或注入水）的 侵入，从而在层内出现油（气）、水多相流，同样使油 相渗透率急剧下降，不得不放大生产压差来维持产量， 势必产生出砂加剧的后果。
常用防砂工艺技术
清河工艺研究所
一、油气井出砂的危害
1、减产或停产作业 2、地面和井下设备磨蚀 3、套管损坏、油井报废
二、出砂机理
地层砂分类
骨架砂：一般为大颗粒地砂砾，主要成分为 石英和长石等
填隙物：是环绕在骨架砂周围的微细颗粒， 主要成分为粘土矿物和微粒。
出砂机理
塑性损害区 压碎区 （组构改变联结破坏） 水泥环 应力改变 （组构受损较少）
颗粒胶结性质
从岩石力学角度分析，地层的胶结性质直接影响了岩 石颗粒固有的剪切强度，低的地层强度是造成地层出砂 的主要内在因素。 高岭石在地层的构造中多以自由状态存在，易于运 移，是地层中自由颗粒的主要组成成分，因此，地层的 这一特点应在认识出砂规律和进行防砂中高度重视。
地质因素
流体性质
岩石的固结力还包括地层流体与颗粒之间的毛细管作用力。 若含油饱和度越高，则胶结较好；若含油饱和度低，则胶结 程度下降。 当然原油粘度也对胶结强度产生影响，稠油的毛细管作用力 小于稀油。 毛细管作用力大小还受颗粒表面润湿性的影响。强亲水，则 易与水牢固结合，内聚力就增加。 原油性质较差，在生产中，施加在岩石颗粒表面上的拖曳力 大，易造成出砂。
完井因素
射孔参数对地层出砂的影响
弹孔流通面积直接影响弹孔压降，对每个弹孔而言 既要提高孔径，对整个井段而言，就要增加孔密。增大 孔径、提高孔密的综合效果是提高了有效流动面积，从 计算表面：在孔径相同（孔径15mm），孔密 而降低流动阻力，也降低了流速，即在其他条件不变时， 32孔/m和16孔/m的弹孔压力梯度相差2倍多， 降低了生产压差，有利于减缓出砂。即使要采取防砂措 孔径变化造成的压力梯度变化大于1.7倍。 施，高孔密、大孔径射孔也有利于减少因防砂带来的产 量损失。
开采因素
其他因素
原油的粘度变化 岩石表面润湿性变化 油层激动
开采因素
蒸汽吞吐开采
蒸汽开采对岩石破坏作用主要表现在以下几方面： 蒸汽的冲刷作用对岩石产生了巨大的、持续的拉伸 破坏。气体有着高的线流速度，对岩石颗粒的拉伸破 坏作用高于液体。 注蒸汽时的高压差对岩石破坏造成了剪切破坏，使 岩石发生形变，这种破坏范围应局限在井周围。蒸汽 对岩石颗粒产生溶蚀作用，降低了岩石的胶结强度。 蒸汽中的水溶解了岩石颗粒的胶结物，降低了地层的 毛细管力。
0
0 2 4 6 8 10 12 D
50
0.6
14 /d
50
16
18
20
砾石与地层砂粒度中值之比
设计步骤
防砂管柱设计
设计筛管直径的原则是既要尽可能加大以增加流 筛缝尺寸是防砂管柱设计最重要的设计尺寸。原 通面积，又要在套管与筛管之间留出足够的环形空间 则上应能满足挡住最小充填砾石的要求。具体计算应 1/ ～2/ 。根据八面河油田地 以保证充填层有足够的厚度，使之具有良好的挡砂能 等于最小充填砾石尺寸的 2 3 力和稳定性。管内砾石充填的筛管外径应等于或小于 层砂的粒径分布情况，选用的筛缝尺寸为 0.3mm，对 套管内径减去 50mm ，即砾石充填环形空间的径向厚 原油粘度较大的井，可选用 0.35mm的缝宽。 度不小于 25mm 。因此， 7in 套管井选用筛管外径为 3in，51/2in套管井选用筛管外径为21/2in。
七、常见问题处理
一、防砂原理
绕防是利用选定缝隙尺寸的绕丝筛管 下入油井正对出砂油层，然后在绕丝筛管 周围填入一定粒度的砾石，形成一个二级 拦截过滤体系，较细的地层砂在充填砾石 面上被阻留，而砾石本身（比筛缝大）又 被阻隔在筛管周围，以保证让流体流过而 阻挡地层砂进入井中，使油井既能获得产 能又可控制出砂。
设计步骤
防砂工艺选择 → 地层预处理 → 砾石设计 → 防 防止粘土颗 砂管柱设计 →携砂液设计 → 施工工艺
粒膨胀和运 移，既可减 少渗透率下 具有足够的密度，以保 降，又可减 证作业顺利实施； 缓地层出砂。 保护油、气层，尽量减 少对油、气层的损害。
设计步骤
砾石尺寸的选择
D50=（5 ～ 6）d50
开采因素
含水上升及注入水
含水上升使地层颗粒间原始的毛细管力下降，导致地层 强度降低； 由于胶结物被水溶解，特别是一些粘土矿物，如蒙脱石 等，遇水膨胀、分散，大大降低了地层的强度； 注水对地层的冲刷作用会导致地层强度降低。
开采因素
地层伤害
主要伤害类型包括：
弹孔及地层孔喉堵塞（固相颗粒堵塞）
粘土伤害（粘土膨胀、分散和运移） 产生二次沉淀和原油乳化伤害
地质因素
颗粒胶结性质
颗粒胶结程度是影响出砂的主要因素， 胶结性能是否良好又和地层埋深，胶结物种 类、数量和胶结方式、颗粒尺寸形状密切相 关。表示胶结程度的物理量是地层岩石强度。
一般的说：地层埋藏越深，压实作用 越强，地层岩石强度越高，反之亦然，这 就是浅层第三系油气藏易出砂的原因之一。
颗粒胶结性质
上升速度较快，当信号筛管全部被砾石填满后，压 还阻止地层流体（包括产出砂）沿着环空向上窜流。 力剧增，表明井桶内砾石储备量已达到设计要求， 扶正器 生产筛管的长度应超过射孔井 充填停止，可进行下步工序。 信号筛管 段上、下界各1.0～1.5m，以 便确保筛管对准生产层，获得 扶正器的作用是使防砂管 筛管的最大利用率，有利于提 柱在井内处于中心位置， 高产量 以使砾石均匀地充填到筛 油层 生产筛管 管周围，形成良好的挡砂 屏障。
二、工艺特点
1、防砂强度高 2、有效期长 3、适应范围广 4、具有一定的产能损失
三、适用范围及选井条件
不宜用于粉细砂岩和高泥质含量的地层 ； 不适用于高压井； 套管直径小于5in的小井眼施工困难，应慎用或不用； 对于多层系油藏，若要经常调层开采的油井应慎用；
进行火烧油层开采的特稠油油藏不适合。
射孔参数对地层出砂的影响
弹孔穿透深度
只需要突破钻井液伤害半径即可。因为疏松砂 岩地层为高渗透层，没有深穿透的必要，此外，过 分追求孔深还会增加射孔成本费用。
四、影响防砂效果的因素
影响防砂效果和有效期的因素很 多，从防砂设计到现场施工结束，期 间每一个环节的疏漏或失误都可能给 最后的防砂效果造成很大的影响。
钙质胶结为主的砂岩较致密，地层强度高；而以泥 质胶结的砂岩较疏松，强度较低（此外泥质胶结物 性能不稳定，易受外界条件干扰而破坏胶结）。
胶结方式中以孔隙式胶结性能最好，其它如孔隙—接触 式、接触式的胶结强度较低。 颗粒的大小、形状及分选性也影响胶结强度，细的 分选差而带有菱角的颗粒其胶结较好，反之粗颗粒分 选好的圆颗粒则表现为弱胶结。
地层砂侵入影响
700 600
渗透率（达西）
500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
混合物中砾石百分比（%）
砾石层侵入细砂后的渗透率变化
地层胶结强度与地层砂粒径 地层胶结强度与地层砂粒径
粘土与细粉砂的含量
油藏流体物性
地层垂向非均质性 地层垂向非均质性
地层温度
井段长度
多油层防砂
射孔参数
△P= B
LQ Q C L ( ) 2 KA A
井身状况
砾石尺寸选择不当
砾石破碎影响
入井液的影响
油井产能的影响
含水率的影响
金属绕丝筛管砾石充填防砂
一、防砂原理 二、工艺特点 三、适用范围及选井条件 四、绕防施工设计 五、防砂前施工准备及要求
六、现场施工工艺
射孔参数对地层出砂的பைடு நூலகம்响
井斜
当井斜小于45°时，仍可把它当作垂直井，不会 对出砂生产重大影响。只有当井斜大于45°时，对高 斜度井甚至水平井，由于与油层接触面积大大增加， 在保持相同产量的条件下，将使出砂减缓。这就是为 什么超长的水平井出砂轻微的原因（由于水平井渗流 面积可提高几十倍，于是流速很低，低于临界流速， 并且在弹孔周围由于砂粒堆积形成稳定的砂拱，阻止 地层进一步出砂）。
射孔孔道填充物对出砂的影响
对疏松易出砂地层了解这一点十分重要。地层经过 射孔后，由于枪弹碎片、碎屑、地层微粒总不可能完全 从弹孔中清除，对弹孔总有局部堵塞，会增加流动阻力。 而且弹孔压降是生产压差的最主要的组成部分（约占 80%），因而采取有效措施来消除弹孔堵塞是十分必要 的，如弹孔清洗工艺、反冲洗工艺、负压射孔工艺等， 只有弹孔畅通，才有利于减缓出砂（假如油井不采取防 砂措施的话）。如果采取防砂措施，疏通弹孔同样重要， 可以向地层内挤入渗透率极高的充填材料——砾石，保 证畅通的流道。
C
B2
B1
A
地层
套管
炮眼 岩石重塑区
炮眼周围地层受损情况
出砂机理
剪切破坏机理 拉伸破坏机理 微粒运移
与压力有关 与流速有关
三、油井出砂的原因
影响地层出砂的因素：
地质因素
开采因素
由地层和油藏性质决定
指生产条件改变
完井因素
地质因素
构造应力
在疏松砂岩地层中只要完成钻井，则在井壁 附近总是存在一个塑性变形地带，塑性带的稳定 条件是： σ1-ρ0=2S0tanβ （1） β =α /2+π /4 （2）
射孔参数对地层出砂的影响
射孔相位
研究表明90°时最好。软件优化计算发现产能比 最高（即阻力最小），这是由于地层流线以井轴为中 心，相对对称，减少了流线的弯曲和收缩，阻力最低， 有利于减少出砂。螺旋布孔格式目的是减少因射孔带 来的套管强度下降。
对于高斜度井和水平井，为减缓出砂，要求在90°～+90°相位角范围内射孔，可减少套管上方油层出 砂的可能性。
1 充填前后砾石渗透率之比
实际使用时若地层砂砂粒粒度分布范围广，则采用： 砾石的质量应该达到如下标准： 超大或过小尺寸的颗粒含量不得超过砾石总质量的 2%； D50=（4 ～ 8）d50
0.8
八面河油田一般砾石直径为 0.4～0.8mm。 砾石的圆、球度不低于 0.6； 理 想 在标准土酸中的酸溶度小于 1%； 的 0.4 粒 若需热采砾石直径为 径 砾石试样水浊度不大于 50度； 0.6～1.2mm。 砾石绝对 比 地层砂可以自由通 渗透率太低 0.2 显微镜观察不能发现两个或两个以上的颗粒结晶快； 充填体渗透率急剧下降 过 抗破碎试验产生的细颗粒砂质量应符合要求。
除了以上条件外，绝大部分油气井和地层有适宜采 用砾石充填防砂技术。
四、绕防施工设计
1、设计原则
2、设计步骤
3、砾石用量的确定
设计原则
注重防砂效果
恢复防砂井产能
强调综合经济效益
井筒准备：射孔（对新井、新层）→气举吐砂→ 冲砂→刮管→查套→洗井； 解除钻井液、水泥 预处理：下管柱→试挤→挤前置液→挤酸或粘土 浆和射孔完井或二 稳定剂→挤顶替液→关井反应→起管柱； 次作业造成的损害。 砾石充填：下防砂管柱→洗井（反洗、正洗）→ 解堵处理 针对地层条 加砂 →顶替→反洗井→丢手起管柱； 件及井况 粘土稳定处理 根据要求进行下步施工。