瑞泰石油小編帶您了解防砂方法

石油工業(yè)中，油井生產(chǎn)出砂是個(gè)普遍性問(wèn)題，而且油井生產(chǎn)出砂問(wèn)題的研究十分困難，原因是：

①無(wú)法直接觀測(cè)出砂過(guò)程。油田開(kāi)發(fā)在地層深處進(jìn)行，在地面無(wú)法直接觀測(cè)；

②巖石力學(xué)性質(zhì)(rock mechanical properties )復(fù)雜。地層巖石的力學(xué)性質(zhì)可能在較大范圍內(nèi)變化，地層深部取心不但花費(fèi)昂貴，而且也有一定的偶然性、局限性，如地層深部的含水率、溫度和壓力條件在地面上難以保持，而這些因素對(duì)地層巖石的力學(xué)性質(zhì)有很大影響；

③儲(chǔ)層條件復(fù)雜。隨著生產(chǎn)的進(jìn)行和各種增產(chǎn)措施的實(shí)施，使儲(chǔ)層變得十分復(fù)雜，這也給研究出砂機(jī)理帶來(lái)困難。

④油井出砂影響因素多。油井出砂受許多復(fù)雜因素的影響，如；地質(zhì)條件、巖石力學(xué)性質(zhì)、生產(chǎn)參數(shù)等；

在一口井最終完成之前以及在其生產(chǎn)過(guò)程中，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其是否出砂是至關(guān)重要的，因?yàn)闊o(wú)論采取何種防砂措施費(fèi)用都會(huì)很高，所以不必要的采取防砂措施，不僅使生產(chǎn)費(fèi)用增加，而且污染油氣層，降低生產(chǎn)效率。但是對(duì)那些因出砂而被放棄或不能繼續(xù)開(kāi)發(fā)的井，采取防砂措施又是使油井成為有開(kāi)采價(jià)值的唯一方法。

地層砂可分為兩種：充填（松散）砂和骨架砂(framework sand)。當(dāng)流體的流速達(dá)到一定值時(shí)，首先使得充填于油層孔道中的未膠結(jié)的砂粒發(fā)生移動(dòng)，油井開(kāi)始出砂，這類充填砂的流出是不可避免的，而且起到疏通地層孔隙通道的作用；反之，如果這些充填砂留在地層中，有可能堵塞地層孔隙，造成滲透率下降，產(chǎn)量降低。因此充填砂不是防治的對(duì)象。

當(dāng)流速和生產(chǎn)壓差達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，巖石所受的應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)它的強(qiáng)度，造成巖石結(jié)構(gòu)損壞，使骨架砂變成松散砂，被流體帶走，引起油井大量出砂。防砂的主要對(duì)象就是骨架砂，上述情況是在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)盡量避免的。

根據(jù)以上情況可以把油井出砂過(guò)程分為兩個(gè)階段：

第一階段是由骨架砂變成自由砂，這是導(dǎo)致出砂的必要條件；

對(duì)于出砂的該階段來(lái)說(shuō)，應(yīng)力因素：如井眼壓力(borehole pressure) 、原地應(yīng)力狀態(tài)(in site stresses state)及巖石強(qiáng)度(rock strength)等是影響出砂的主要因素。

第二階段是自由砂的運(yùn)移。

要運(yùn)移由于剪切破壞而形成的松散砂，液力因素是主要影響因素：如流速、滲透率(permeability )、粘度以及兩相或三相流動(dòng)的相對(duì)滲透率等的作用等。

生產(chǎn)過(guò)程中，只要滿足以上兩方面條件，油井就會(huì)出砂。因此，對(duì)于具有一定膠結(jié)強(qiáng)度(cementation strength )的地層而言，要實(shí)現(xiàn)有效的防砂(sand control )，首先要防止地層發(fā)生破壞，即不讓出砂的必要條件得到滿足，這主要通過(guò)控制應(yīng)力因素：如保持儲(chǔ)層壓力、減小生產(chǎn)壓差(draw-down)等來(lái)實(shí)現(xiàn)。

但是，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，儲(chǔ)層壓力衰減，巖石強(qiáng)度降低都是必然要發(fā)生的，那么，巖石不可避免要發(fā)生破壞。這樣，過(guò)程就由出砂的第一階段過(guò)渡到第二階段，這時(shí)主要通過(guò)控制流速來(lái)阻止自由砂的運(yùn)移達(dá)到防砂(sand control)的目的，即控制產(chǎn)量（流速）。

同樣，對(duì)于弱膠結(jié)和未膠結(jié)儲(chǔ)層而言，出砂第一階段的條件很容易滿足，這樣防砂(sand control )的關(guān)鍵在于不讓出砂第二階段所需要的條件得到滿足，即可通過(guò)控制流速和生產(chǎn)壓差來(lái)達(dá)到防砂的目的。

油、氣井出砂是石油開(kāi)采遇到的重要問(wèn)題之一。每年要花費(fèi)大量人力物力進(jìn)行防治和防砂(sand control )研究。出砂給生產(chǎn)帶來(lái)的危害可概括為以下三類：

(1)井下、井口采油設(shè)備的磨損和腐蝕

產(chǎn)液中帶砂使各種采油泵、管線受到磨損，大大縮短了它們的壽命。對(duì)于輸油管線由于砂粒磨損加快了腐蝕速度；

(2)井眼穩(wěn)定(borehole stability )問(wèn)題 由于出砂使井眼失穩(wěn)而導(dǎo)致套管擠毀、油井報(bào)廢。通過(guò)對(duì)勝利油田某疏松砂巖區(qū)塊資料分析發(fā)現(xiàn)：隨著出砂的加劇和原地層壓力的降低，套損井逐年增加，疏松砂巖儲(chǔ)層油井套管(casing)損壞嚴(yán)重，總數(shù)已占10%以上，個(gè)別區(qū)塊已達(dá)30%以上。

（3）出砂會(huì)導(dǎo)致減產(chǎn)或停產(chǎn)作業(yè)油井出砂磨損泵筒與柱塞，降低泵效，甚至損壞采油泵，造成油井減產(chǎn)或停產(chǎn)。

影響油井出砂的因素很多，概括起來(lái)可分為三大類：

①地質(zhì)力學(xué)因素，包括：原地應(yīng)力狀態(tài)（垂直地應(yīng)力與原始水平地應(yīng)力）、孔隙壓力、原地溫度、地質(zhì)構(gòu)造等；

②砂巖儲(chǔ)層的綜合性質(zhì)：井深、砂巖的強(qiáng)度和變形特征、孔隙度、滲透率、泄流半徑、流體的組成（油、氣、水的含量及分布等）、粘土含量、巖石組成、顆粒尺寸和形狀及壓實(shí)情況等；

③工程因素，包括完井類型、井身結(jié)構(gòu)參數(shù)（井深．井斜、方位、井徑）、完井液的性能、增產(chǎn)措施（壓裂、酸化等）、生產(chǎn)工藝參數(shù)（流速、生產(chǎn)壓差及流量）、油層損害（表皮系數(shù)增大）、放油或關(guān)井方案、人工舉升技術(shù)、油藏衰竭、累計(jì)出砂量等。

這些因素和參數(shù)相互作用、相互影響、使研究出砂問(wèn)題變得十分復(fù)雜，對(duì)某一油田，只憑現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)很難決定哪些因素是地層出砂的主要因素。

若井眼出砂，就要采取防砂措施，針對(duì)出砂的危害，人們采取了多種防砂方法?？梢园堰@些措施概括以下幾種：

礫石充填

礫石充填有兩種方法：

一是套管內(nèi)礫石充填

在下入套管并射孔(perforation )的井中如有出砂，可在出砂井段下篩管，在篩管與油層套管之間的環(huán)空中充填礫石。

二是裸眼礫石充填

裸眼礫石充填是在鉆開(kāi)產(chǎn)層之前下套管封固，再鉆開(kāi)產(chǎn)層，在產(chǎn)層段擴(kuò)大井眼，下入篩管，在井眼與篩管之間的環(huán)形空間中充填礫石。礫石和篩管對(duì)地層的出砂起阻擋作用。

機(jī)械防砂

在我國(guó)，機(jī)械防砂方法從上世紀(jì)七十年代開(kāi)展以來(lái)，得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用?？煞譃楣苤鶠V砂和機(jī)械充填濾砂兩大類。

管柱濾砂是在生產(chǎn)管柱上或井筒內(nèi)封隔管柱上采取防砂濾砂措施，一般采取防砂泵防砂或?yàn)V砂管防砂。管柱濾砂的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)便、成本低，缺點(diǎn)是無(wú)法阻止地層砂進(jìn)入井筒，短期內(nèi)減少了卡泵和砂對(duì)設(shè)備的破壞，但仍會(huì)堵塞地層，砂埋管柱，而且只適于中粗砂巖地層（砂粒徑大于0.1mm），防砂管柱的縫隙或孔隙易被進(jìn)入井筒的地層細(xì)砂所堵塞。

防砂泵防砂的優(yōu)點(diǎn)是成本低，施工方便，適于中粗砂地層；缺點(diǎn)是只能減少泵的砂卡，

不能解決井筒出砂問(wèn)題。老式的防砂泵只是簡(jiǎn)單地在柱塞上做出防砂槽；而新式防砂泵一般采用雙泵套帶沉砂尾管的方式減少進(jìn)入泵筒的砂粒。

濾砂管防砂有兩種用法：一是在泵抽管柱中當(dāng)篩管，二是用于套管內(nèi)充填防砂。常用濾砂管有：繞絲篩管、割縫篩管、金屬粉末或樹(shù)脂砂粒濾砂管、多孔陶瓷濾砂管、金屬棉纖維濾砂管、雙層預(yù)充填濾砂管等。市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種HSG化學(xué)材料防砂管，結(jié)合機(jī)械防砂和化學(xué)防砂的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)度高、耐高溫、易打撈，是一種優(yōu)秀的防砂技術(shù)。

機(jī)械防砂的第二種用法是充填濾砂。下入防砂管柱（繞絲篩管或其他濾砂管）后將充填材料充填于篩管和井壁之間的環(huán)空并將部分礫石擠入近井周圍地層內(nèi)，阻擋砂粒運(yùn)移。充填材料多種多樣，最常用的是礫石，還可用果殼、果核、塑料顆粒、玻璃球或陶粒等。這種防砂方法能有效地把地層砂限制在地層內(nèi)，并能使地層保持穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)，防砂效果好，壽命長(zhǎng)。這種方法的應(yīng)用有：管內(nèi)礫石充填、多層礫石充填、裸眼礫石充填、高溫注氣井礫石充填、定向井或水平井礫石充填。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，機(jī)械防砂對(duì)地層的適應(yīng)能力強(qiáng)，無(wú)論產(chǎn)層厚薄、滲透率高低、夾層多少都能有效地實(shí)施；在老井作業(yè)中，還可起到恢復(fù)地層應(yīng)力的作用，從而延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，使出砂井能得到充分的利用。加上機(jī)械防砂成功率高，相對(duì)成本較低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。但是，機(jī)械防砂不適用于細(xì)粉砂地層和高壓地層。

化學(xué)固結(jié)

化學(xué)固結(jié)(consolidation)是把一種化學(xué)物質(zhì)注入井眼附近，使其強(qiáng)度增大以防止出砂。穩(wěn)定砂拱法(stable arch sand control )是用水力封隔器將井眼附近地層機(jī)械壓實(shí)的方法。其目的是改善地層顆粒之間的橋堵能力。

砂拱防砂是一種自然防砂法，是指油、氣井射空完井后不再下入任何機(jī)械防砂裝置或充填物，也不注入任何化學(xué)藥劑的防砂方法。

砂拱防砂的機(jī)理如同拱橋承載一樣，砂粒在炮眼口處形成砂拱，具有一定的承載能力，擋住地層砂隨液產(chǎn)出。砂拱防砂成敗的關(guān)鍵在于砂拱的穩(wěn)定性。要想保持砂拱的穩(wěn)定性必須考慮兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是降低并穩(wěn)定地層流體產(chǎn)出速度；二是保持或提高井筒周圍地層的徑向應(yīng)力。

一般來(lái)說(shuō)，套管完井砂拱防砂要求小孔徑和高孔密的炮眼。小孔徑有利于形成砂橋和提高砂橋的穩(wěn)定性。高孔密可以增大過(guò)流面積，降低地層流體的流速，使其控制在一定的臨界值之內(nèi)而不致沖垮砂橋。

但是，由于地層流體的速度并不穩(wěn)定，隨著抽油機(jī)沖程和沖數(shù)的改變，流速在不斷變化，特別是使用大泵量無(wú)桿泵抽油，在炮眼里會(huì)造成十分嚴(yán)重的紊流，更易使砂拱垮塌。因此，這種單純的套管射孔砂拱防砂方法的實(shí)際應(yīng)用受到限制。

熱力焦化防砂

此法的原理是向油層提供熱能，促使原油在砂粒表面焦化，形成具有膠結(jié)力的焦化薄層。主要有熱空氣固砂和短期火燒油層固砂兩種，應(yīng)用較少。

無(wú)論哪一種防砂方法，都應(yīng)該能夠有效地阻止地層中承載骨架砂隨地層流體進(jìn)入井筒。承載骨架砂是指那些組成地層力學(xué)結(jié)構(gòu)的固體顆粒物質(zhì)。游離于承載骨架砂孔隙之中的“非承載砂”最好能夠隨著地層流體產(chǎn)出，起到疏通地層空隙通道的作用；反之，如果這些游離砂留在地層中，再雜以各種完井液、修井液中的固相傷害物，就有可能堵塞地層孔隙，造成滲透率下降，產(chǎn)量降低。

所以，最為有效的“防砂”手段應(yīng)該是將地層砂粒粒徑小于40微米的粉砂隨油流產(chǎn)出地面，否則，這些粉砂顆粒將堵塞井下安裝的防砂系統(tǒng)，并導(dǎo)致油井產(chǎn)量降低。這一點(diǎn)已被理論和時(shí)間所證實(shí)。而不造成防砂管縫隙堵塞的技術(shù)關(guān)鍵是設(shè)計(jì)合理的縫隙開(kāi)口尺寸，以滿足允許防砂系統(tǒng)將一定粒徑范圍內(nèi)的小粒粉砂產(chǎn)出地面的要求。因而，世界防砂界權(quán)威人士認(rèn)為，最值得提倡的防砂完井方式是在裸眼井中下入高強(qiáng)度的繞絲防砂篩管。主動(dòng)防砂法的共同點(diǎn)：一是價(jià)格昂貴；二是會(huì)降低油層的滲透率，從而降低油井的生產(chǎn)能力。

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