第3章 出砂机理及防砂

油层
衬管悬挂器上）
安全 接 头：悬挂器与衬管之间，打捞衬
管时，先将安全接头倒开，
油层
捞出悬挂器，以免作业复杂。
皮
碗：防砂管底端，帮助衬管之间
环空形成砂桥。
扶 正 器：防砂衬管上下两端，保护衬
油层
管下井时偏磨套管壁。
丝
堵：最底端，防皮碗损坏时，地
层砂从底端进入管柱内。
套管 油管 抽油杆 抽油泵 防砂丢手 安全接头 防砂衬管 皮碗
（2）砂桥形成：流速低于临界流 速时，自然形成砂桥，高于临界 流速会大量出砂，不能形成砂桥。
（3）砂桥稳定性：砂桥形成 前会出砂，形成后出砂渐少， 甚至不出砂，即形成稳定砂桥。 砂桥稳定性主要受砂粒间摩擦 力和孔隙间毛管力支配。生产 中，一旦流速过大，超过临界 流速，流动压力大于砂粒间摩 擦力和毛细管力，使得砂桥垮 塌，油井出砂。
流速对出砂的影响 含水上升或注水对出砂的影响
地层伤害的影响
人为因素
射孔参数对出砂的影响等
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3.1 出砂机理及预测
三、出砂机理
❖ 1、拉伸破坏机理
随内外压差增大，流 体流向井内的流速也 增大，对岩石的拖曳 力增大，岩石承受拉 伸力也增大，当该力 超过岩石抗拉伸强度 时，岩石就会遭受拉 伸破坏。
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3.1 出砂机理及预测
（2）树脂预涂层砾石防砂
充填前使用树脂包覆砾石，充填后树脂涂层发生交联
固化反应，将松散的砾石颗粒连接在一起，形成既有好的
渗透性又有高的联结强度的砾石层。施工简单，成功率高，
施工后砾石层强度高。使用早期和后期防砂、中、高含水
井的防砂。
（3）人工井壁防砂
将支撑剂和未固化的胶结剂按一定比例混合均匀，
用液体携至井下挤入出砂部位，形成具有一定强度和渗透
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3.2 防砂方法与技术 1、机械防砂
B、绕丝筛管
单层绕丝筛管 多层绕丝筛管 缝宽>=0.15mm， 最小可到0.08mm
C、双层预充填砾石绕丝筛管防砂
内外绕丝筛管、砾石、中心管；
砾石不会被带走，比单层绕丝筛管效 果好，寿命长。
固定销钉
D、金属棉滤砂管防砂
滤砂网
带孔基管、金属棉、保护管；
基管
依靠致密不规则截面的金属丝网防砂；
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3.1 出砂机理及预测
四、出砂的危害
❖ 1、砂粒可能在井内沉积并形成砂堵，产量降低； ❖ 2、砂粒将磨损井内和地表设备，卡抽油泵进出口
凡尔、活塞、衬套等； ❖ 3、出砂严重的井还可能引起井壁坍塌而损坏套管
和衬管、砂埋油层导致油气井停产，使采油的难度 和成本都显著提高等等。 ❖ 4、污染环境，尤其是海洋油气田。
G、其它优质复合防砂管
保护罩和多层滤网。防砂范围广，强度高、抗冲蚀能力强。
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3.2 防砂方法与技术 1、机械防砂
机械防砂管柱结构
衬管悬挂器：防砂管柱悬挂在套管，封隔 油套环空，使带砂流体只能 通过防砂衬管滤砂套；丢开 上部工作油管，便于检泵、 热洗清蜡等。
丢
手：丢开上部工作油管，便于检
泵、热洗清蜡等。（丢手在
丝堵
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3.2 防砂方法与技术 1、机械防砂
❖ （2）砾石充填防砂
首先将筛管或割缝衬管下到出砂层段，用一定质量流体将一定粒度砾 石携带到防砂段，充填在筛管与地层之间或筛管与套管之间，形成一个由 粗到细的砂拱，砾石充填具有良好流通能力，又能阻止油层出砂，同时对 井壁具有一定的支撑作用。分为裸眼砾石充填和管内砾石充填，一般与绕 丝筛管共同使用。
❖ 出砂是由于油气井开采和作业等综合因素造成井底附近地层 破坏，导致剥落的地层砂随地层流体进入井筒，而对油气井 生产造成不利因素的现象。
❖ 防止油气井出砂称为防砂。
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3.1 出砂机理及预测
一、出砂类型
1、游离砂析出 未胶结的砂粒，随油气流带出岩石进入井筒。加强排液，不 必采取防砂措施。
2、弱胶结砂岩层的出砂 疏松岩石，当流体拖曳力超过砂粒联结强度时，形成出砂。 随流体流量增加而变大，随采液时间延长而加剧。
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3.2 防砂方法与技术
油井防砂方法有以下几种：
❖ 1、机械防砂法 仅下机械防砂管柱的方法
防砂管柱砾石充填的方法
❖ 2、化学防砂法 人工胶结地层法
人工井壁法
向地层挤入树脂砂浆液、乳
❖ 3、焦化防砂法
向化地，层形通成化干入具水灰热有泥砂能胶、等，结预使力涂原的层油薄砾在胶石砂结、粒层水表带面焦
❖ 4、复合防砂法
3、砂岩骨架破碎出砂 胶结强度较高的砂岩层，生产初期无出砂，中后期出砂，一 般为骨架砂。
游离砂有利于疏通孔隙喉道，提高产能。防砂防的是后两种。
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3.1 出砂机理及预测
二、影响地层出砂的因素
1、地质因素 2、开采因素 3、完井因素
自然因素
构造应力的影响 颗粒胶结性质 流体性质
地层压降及生产压差对出砂的影响
机械防砂法 + 化学防砂法
❖ 5、其他防砂法 自然砂拱防砂
合理生产制度
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3.2 防砂方法与技术 1、机械防砂
（1）滤砂器防砂
地层砂产出后，经过滤砂器才可 到达地面，滤砂器具有高渗透性， 但可以阻挡地层砂通过。
A、割缝衬管
平行于轴线的（L=50-300mm） 缝长 垂直于轴线的(L=20-50mm) 缝宽：<=2D10 能加工的缝隙宽度最小为0.6mm。 工艺简单，成本低，产能高；防砂能力有 限，衬管容易堵塞、腐蚀，适用于中粗砂 岩高产能储层。
（1）压后地层流体流动特征
径向流
双线流
（2）水力裂缝可以避免和缓解岩石的破坏
双线流
生产压差降低 + 流动压力梯度降低
（3）裂缝可以降低流动冲刷携带砂粒的能力
双性流 + 裂缝表面积
流速大幅度降低
（4）裂缝内充填的砾石对地层砂粒有阻挡作用
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3.3 防砂方法与技术 5、砂拱防砂（自然防砂）
（1）砂桥：地层砂粒或充填砂粒 在炮眼周围构成的圆拱结构。
缺点：强度低，可控性差，对油藏 流体性质有较大的依赖性。
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3.3 防砂方法与技术
4、复合防砂
❖ （1）常规机械-化学复合防砂法
化学剂在出砂层位固结地层后，再下机械防砂管柱（一 般为双层预充填绕丝筛管）
❖ （2）高渗压裂充填防砂
高渗疏松砂岩地层既水力压裂，又砾石充填，两工艺有机结合， 油井既高产又控砂最佳效果。
三、出砂机理
❖ 2、剪切破坏
上覆岩层压力由孔 隙压力与骨架应力共 同平衡。随开采进行， 油藏压力逐渐降低， 施加在岩石骨架上的 压力越来越大，当该 力超过岩石的抗剪切 应力，岩石就会被剪 切破坏。
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3.1 出砂机理及预测
三、出砂机理 ❖ 3、粘结破坏
❖ 岩石的强度有两部分组成：微粒之间的接 触力和颗粒与胶结物之间的粘结力。由于 各种物理、化学反应，导致胶结物被破坏 掉或者溶解掉，岩石强度降低，造成出砂。
砾石尺寸选择
太大则渗透性好，防砂效果差；太小则渗透率小，产能低。
合理的砾石尺寸：D50砾石/D50砂=5～6。
砾石的强度和圆度 最常用的砾石是石英砂，砾石的石英含量应不低于98%，圆度、球度大
于0.6；也有在水平井中使用人造砾石，如陶粒等。
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3.2 防砂方法与技术 1、机械防砂
❖ （2）砾石充填防砂
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3.2 防砂方法与技术 1、机械防砂
❖ （2）砾石充填防砂
砾石充填工具 分为反循环砾石充填和采用专用工具的正循环充填。反循环充填工艺
简单，要求排量大，对地层伤害严重。目前，一般采用正循环充填。 常用工具有：卡瓦封隔器式砾石充填工具、皮碗自封式砾石充填工具。
其原理类似：下井后，先使用卡瓦或皮碗密封环空，打开充填孔对地层进 行挤压充填，然后打开套管闸门进行环空砾石充填，充填完毕后上提管柱， 打开反循环孔，反洗出多余砾石，反洗结束后正转倒扣提出内管柱。
衬管类型选择 地层流体腐蚀性弱，砂粒较粗，产能偏低的地层，一般选用割缝衬管；
反之选用绕丝筛管； 产层厚度超过30m，海上油气田应考虑使用绕丝筛管； 硫化氢含量高的井，应选用有高的抗硫化氢能力的不锈钢材质； 热采井可以采用滑动式筛套；
衬管缝隙选择 原则上筛管缝隙应能挡住最小的充填砾石，能挡住绝大多数的地层砂。 衬管缝隙尺寸应为最小砾石粒径的2/3左右。
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3.2 防砂方法与技术 1、机械防砂
❖ （2）砾石充填防砂
裸眼防砂效果好，成功率高，在条件允许情况下尽可能选用裸眼防砂； 裸眼砾石充填前，需要对井壁的泥饼进行清洗。 管内砾石充填前，应对孔道进行清洗，否则影响充填效果； 管内砾石充填包括常规砾石充填和压裂充填，后者增产作用明显。
1、套管完井筛管砾石充填防砂
为保证沙桥稳定性，最简单方
法是把产量控制在临界流速以
下；在一定采液流速下，可增
大出油面积，降低生产压差，
如增大射孔密度，增大孔径，
甚至裸眼完井。
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3.3 防砂方法与技术 6、其他方法－投产与管理
（1）防砂后及时开井排液 防砂后适当关井候凝或压力扩散，及时开井，尽快排液生产。
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3.2 防砂方法与技术 1、机械防砂
❖ （2）砾石充填防砂
砾石携带液（携砂液） 要求：携带液对地层无污染，液体中的悬浮颗粒直径小于地层孔隙尺
寸；能防止地层粘土膨胀；能防止地层液体的乳化；性能稳定，能平衡地 层压力。分为低、中、高粘度和泡沫砾石携带液。 低粘度携带液：盐水加增粘剂，携砂比为50-400kg/m3，粘度为50-100cP，
第3章 出Βιβλιοθήκη Baidu机理及防砂
本章内容
❖ 3.1 出砂机理及预测 ❖ 3.2 防砂方法与技术 ❖ 3.3 防砂方法优选
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3.1 出砂机理及预测
❖ 油气层岩石在井下未开采时处于稳定状态，地层被钻开后井 壁岩石的应力状况发生变化。在采出地层岩石中的流体后， 岩石既要承受其它岩石的作用力，又要承受流体的作用力， 在力的作用下强度弱的岩石可能会破碎，形成出砂。
2、裸眼绕丝筛管砾石充填防砂
水泥环 套管
射孔
油藏
滤砂器管柱
砾石填充
油管
滤砂器管柱 砾石填充
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3.3 防砂方法与技术 2、化学防砂
（1）人工胶结固砂方法 从地面向油层挤入液体胶结剂及增孔剂（柴油），待胶结剂凝固后，可以将
疏松的地层砂胶结在一起，组织地层砂进入井眼，并且保持固结的砂层具有一定 的渗透率。常用： 酚醛树脂胶结砂层和酚醛溶液地下合成防砂。适用于早期防砂、 细砂薄产层。工艺简单但成本高。
性的壁面，达到防砂又不影响生产的目的。常用水泥砂浆、
树脂核桃壳、树脂砂浆人工井壁等。施工简单，适应性强。
（4）其它
热力熔融固砂、“硅锁”法固砂。
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3.3 防砂方法与技术 3、焦化防砂
焦化防砂的原理是向油层提供热能， 促使原油在砂粒表面焦化，形成具有胶 结力的焦化胶层。
主要有注热空气固砂和短期火烧油 层固砂两种方法。
B K 4G 3
Ec 2.0 10 4 MPa
2.0 10 4 Ec 1.5 10 4 MPa
Ec 1.5 10 4 MPa B 2 104 MPa 2 104 B 1.4 104 MPa B 1.4 104 MPa
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3.1 出砂机理及预测
六、地层砂的粒径分析
一般用粒径和不同粒径砂粒的百分含量表示砂粒尺寸及其分布特征。 粒径测量方法：筛析法、沉降法、观测法。 筛析法：将由粗到细的一套筛子叠放并固定在振动筛分机上，对已破碎 的砂岩颗粒进行筛析，测量每一种孔径的筛面上剩余砂粒（筛余）的重量， 即可得到颗粒粒径的质量分布。 地层砂粒筛析图：砂粒直径与累计质量的曲线图。 如：D50表示累计百分比占总砂粒质量50%的砂粒直径。 D50=0.34mm表示0.34mm直径以上的砂粒占总砂粒的50%。 累积曲线越陡，粒度组成越均匀；曲线越平缓，粒度越不均匀。
要求采用大排量充填。 中粘度携带液：携砂比400-500kg/m3，粘度为300-400cP，排量为0.15-
0.3m3/min。 高粘度携带液：携砂比1000-1800kg/m3，粘度为500-1000cP，排量为0.08-
0.3m3/min，用于高密度挤压充填作业。 泡沫砾石携带液：水基液体充气形成，用于低压井，污染小。
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3.1 出砂机理及预测
五、出砂预测方法
❖ 1、现场观测法 ❖ 2、经验分析法 ❖ 3、应力分析法
岩心观察 DST测试
临井状态 岩石胶结物 声波时差法 地层孔隙度法 组合模量法 出砂指数法
tc
1 VC
tc 295 s / m
30%
30% 20% 20%
Ec
9.94 108 r
t
2 c
适用于稠油热采和有细粒砂的场合。
中心管
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3.2 防砂方法与技术 1、机械防砂
E、陶瓷滤砂管
外管、陶瓷管、密封；
陶粒为防砂材料，抗折、抗压性
基管
内保护层
扩散层
过滤层
能高，能耐土酸、盐酸、高矿化
度水的腐蚀。
F、多孔冶金粉末滤砂管
由铁粉、铜粉等烧结成多孔材料筛网，焊接在衬管上。 厚度小，防砂效果好，可以阻挡0.06mm及更细的粉砂或黏土。