出砂機(jī)理及防砂課件

6.1概述6.2出砂機(jī)理與預(yù)測6.3防砂方法與技術(shù)6.4防砂工具本章內(nèi)容第六章出砂機(jī)理及防砂6.1概述本章內(nèi)容第六章出砂機(jī)理及防砂1出砂是由于油氣井開采和作業(yè)等綜合因素造成井底附近地層破壞，導(dǎo)致剝落的地層砂隨地層流體進(jìn)入井筒，而對油氣井生產(chǎn)造成不利影響的現(xiàn)象。

骨架砂地層砂可以分兩種：

填隙物

6.1概述一、定義出砂是由于油氣井開采和作業(yè)等綜合因素造成井底附近地層破壞，導(dǎo)2二、影響地層出砂因素，三大類：

1、地質(zhì)因素

2、開采因素

3、完井因素人為因素自然因素構(gòu)造應(yīng)力的影響

顆粒膠結(jié)性質(zhì)流體性質(zhì)地層壓降及生產(chǎn)壓差對出砂的影響流速對出砂的影響含水上升或注水對出砂的影響地層傷害的影響射孔孔道填充物對出砂的影響射孔參數(shù)對出砂的影響6.1概述二、影響地層出砂因素，三大類：人為因素自然因素構(gòu)造應(yīng)力的影響31、砂?？赡茉诰畠?nèi)沉積并形成砂堵，產(chǎn)量降低；2、砂粒將磨損井內(nèi)和地表設(shè)備，卡抽油泵進(jìn)出口凡爾、活塞、襯套等；3、出砂嚴(yán)重的井還可能引起井壁坍塌而損壞套管和襯管、砂埋油層導(dǎo)致油氣井停產(chǎn)，使采油的難度和成本都顯著提高等等。4、污染環(huán)境，尤其是海洋油氣田。

6.1概述三、出砂的危害1、砂?？赡茉诰畠?nèi)沉積并形成砂堵，產(chǎn)量降低；6.1概述三、4

出砂地層根據(jù)地層砂膠結(jié)強(qiáng)度大小分成三種類型，每一類型有各自出砂特征。1.流砂地層指沒有膠結(jié)的地層砂。流砂地層僅靠很小的流體附著力和周圍環(huán)境圈閉的壓實(shí)力來聚集。這種地層一旦開井投產(chǎn)便連續(xù)不斷出砂，但產(chǎn)出液含砂量相對穩(wěn)定，基本是一常數(shù)。雖然累計(jì)出砂量不斷增大，但套管周圍不會出現(xiàn)地層空穴，只是地層越來越松。6.1概述四、出砂地層類型及出砂特征出砂地層根據(jù)地層砂膠結(jié)強(qiáng)度大小分成三種類型，每一類52.部分膠結(jié)地層含膠結(jié)物量少，膠結(jié)力弱，地層強(qiáng)度低。投產(chǎn)后地層砂會在炮眼附近剝落，逐漸發(fā)展成空穴，剝落的地層砂進(jìn)入井筒極易添滿井底，堵塞炮管。其產(chǎn)出液含砂量變化很大。6.1概述2.部分膠結(jié)地層6.1概述63、脆性砂地層也稱易碎砂地層，較多膠結(jié)物，中等膠結(jié)強(qiáng)度砂巖。開始投產(chǎn)時出砂幾天或幾周，隨后出砂量大減，幾乎無砂產(chǎn)出，到一定可能重新出砂。因出砂過程中套管外部地層沖蝕空穴突然增大，過流面積成倍增長，地層流體流速大幅下降，導(dǎo)致出砂量明顯下降。當(dāng)單位面積流體流速達(dá)到一定值時，又會出現(xiàn)地層砂大塊坍塌，過流面積倍增而停止出砂，出現(xiàn)另一個周期。周而復(fù)始任其發(fā)展，洞穴將越來越大，最終形成災(zāi)難性地層坍塌，使套管變形而報(bào)廢。6.1概述3、脆性砂地層6.1概述71、拉伸破壞機(jī)理

6.2出砂機(jī)理與預(yù)測

隨內(nèi)外壓差增大，流體流向井內(nèi)的流速也增大，對巖石的拖曳力增大，巖石承受拉伸力也增大，當(dāng)該力超過巖石抗拉伸強(qiáng)度時，巖石就會遭受拉伸破壞。一、地層出砂機(jī)理1、拉伸破壞機(jī)理6.2出砂機(jī)理與預(yù)測隨內(nèi)外壓差增大，流體82、剪切破壞

上覆巖層壓力由孔隙壓力與骨架應(yīng)力共同平衡。隨開采進(jìn)行，油藏壓力逐漸降低，施加在巖石骨架上的壓力越來越大，當(dāng)該力超過巖石的抗剪切應(yīng)力，巖石就會被剪切破壞。6.2出砂機(jī)理與預(yù)測

一、地層出砂機(jī)理2、剪切破壞上覆巖層壓力由孔隙壓力與骨架應(yīng)力共同平9地層中存在諸如粘土之類精細(xì)顆粒，會隨產(chǎn)出液一起運(yùn)移，造成井壁周圍滲透率降低（地層損傷的一種），增加了流體的拖曳力，導(dǎo)致出砂。6.2出砂機(jī)理與預(yù)測

3、精細(xì)顆粒的影響

一、地層出砂機(jī)理地層中存在諸如粘土之類精細(xì)顆粒，會隨產(chǎn)出液一起運(yùn)移，造成井壁10二、油井出砂預(yù)測方法有以下三種：1、現(xiàn)場觀測法2、經(jīng)驗(yàn)分析法3、應(yīng)力分析法巖心觀察DST測試鄰井狀態(tài)巖石膠結(jié)物聲波時差法地層孔隙度法組合模量法出砂指數(shù)法6.2出砂機(jī)理與預(yù)測

二、油井出砂預(yù)測方法有以111）裸眼井井筒附近應(yīng)力分布（1）裸眼井井筒附近應(yīng)力分布的一般方法（2）考慮孔隙流體的壓力效應(yīng)地層中任一點(diǎn)應(yīng)力分布2）射孔完成井出砂預(yù)測方法

（1）沿最大水平主應(yīng)力方向射孔時，求得孔眼周圍地層的應(yīng)力分布（2）沿最小水平主應(yīng)力方向射孔時，求得孔眼周圍地層的應(yīng)力分布

1）裸眼井井筒附近應(yīng)力分布12油井防砂方法有以下幾種：1、機(jī)械防砂法2、化學(xué)防砂法3、焦化防砂法4、復(fù)合防砂法5、其他防砂法僅下機(jī)械防砂管柱的方法

降低流速法

一、防砂方法防砂管柱礫石充填的方法

人工膠結(jié)地層法

人工井壁法

增大油層徑向應(yīng)力

向地層擠入樹脂砂漿液、乳化水泥、預(yù)涂層礫石、水帶干灰砂等

向地層通入熱能，使原油在砂粒表面焦化，形成具有膠結(jié)力的薄膠結(jié)層

機(jī)械防砂法

化學(xué)防砂法+

增加射孔段長度、增加射孔密度；控制產(chǎn)量。裸眼產(chǎn)層膨脹式封隔器6.3防砂方法與技術(shù)

油井防砂方法有以下幾種：僅下機(jī)械防砂管柱的方法降低流速法131、機(jī)械防砂（1）濾砂器防砂原理

二、各防砂方法防砂原理地層砂產(chǎn)出后，經(jīng)過濾砂器才可到達(dá)地面，濾砂器具有高滲透性，但可以阻擋地層砂通過。A、繞絲篩管B、割縫襯管不銹鋼繞絲筋板基板C、雙層預(yù)充填礫石繞絲篩管防砂D、金屬棉濾砂管防砂E、陶瓷濾砂管F、樹脂石英砂濾砂管防砂6.3防砂方法與技術(shù)

1、機(jī)械防砂二、各防砂方法防砂原理地層砂產(chǎn)出后，經(jīng)過濾砂器才14B、割縫襯管套管割線

垂直于軸線的(L=20-50mm)

平行于軸線的（L=50-300mm）C、雙層預(yù)充填礫石繞絲篩管防砂

內(nèi)外繞絲篩管礫石中心管

D、金屬棉濾砂管防砂

帶孔基管金屬棉保護(hù)管

二、各防砂方法防砂原理6.3防砂方法與技術(shù)

B、割縫襯管套管垂直于軸線的(L=20-50mm)平行于軸15二、各防砂方法防砂原理E、陶瓷濾砂管

外管陶瓷管密封

F、樹脂石英砂濾砂管防砂

濾砂管引鞋中心管G、多孔冶金粉末濾砂管

由鐵粉或銅粉燒結(jié)而成，然后用銅合金包覆金屬粉末。

6.3防砂方法與技術(shù)

二、各防砂方法防砂原理E、陶瓷濾砂管外管F、樹脂石英砂濾砂16（2）篩管礫石充填防砂機(jī)理

首先將篩管或割縫襯管下到出砂層段，用一定質(zhì)量流體將一定粒度礫石攜帶到防砂段，充填在篩管與地層之間或篩管與套管之間，將地層砂擋在礫石層外，形成一個由粗到細(xì)的砂拱，良好流通能力，又能阻止油層出砂。1、先期裸眼繞絲篩管礫石充填防砂

2、套管完井篩管礫石充填防砂濾砂器管柱礫石填充油管套管水泥環(huán)油藏濾砂器管柱礫石填充射孔管外充填管內(nèi)充填先期長期出砂的老井6.3防砂方法與技術(shù)

（2）篩管礫石充填防砂機(jī)理首先將篩管或割縫襯管下到出砂層段，17（1）人工膠結(jié)固砂方法①酚醛樹脂膠結(jié)砂層②酚醛溶液地下合成防砂（2）人工井壁防砂法①預(yù)涂層礫石人工井壁②水泥砂漿人工井壁③樹脂核桃殼人工井壁④樹脂砂漿人工井壁2、化學(xué)防砂的機(jī)理適用在早期防砂先期、早期防砂方法苯酚甲醛催化劑

柴油作為增孔劑

+

施工簡單成功率高膠結(jié)后的礫石的抗折強(qiáng)度大滲透率可在原滲透率的90%以上

水泥石英砂水油+

出砂部位+

粉碎的核桃殼顆粒酚醛樹脂柴油+

+

中性水油固化劑早期防砂后期防砂酚醛樹脂+

石英砂+

柴油后期防砂6.3防砂方法與技術(shù)

（1）人工膠結(jié)固砂方法2、化學(xué)防砂的機(jī)理適用在早期防砂先期18（1）物理方法固砂

原油中重質(zhì)部分尤其瀝青，在低溫下可凝固成半固態(tài)物質(zhì)，不再溶于原油，可以將疏松砂巖膠結(jié)在一起，形成具有一定滲透性的擋砂屏障。

（2）低溫氧化固砂

低溫氧化：指氧氣和烴類物質(zhì)在300度以下條件中化學(xué)反應(yīng)。低溫氧化固砂：利用原油和氧氣在低溫下反應(yīng)，使原油中的瀝青質(zhì)析出，把地層膠結(jié)在一起。（3）瀝青石油固砂3、焦化防砂的機(jī)理油井填砂用瀝青石油飽和砂粒注溶劑注蒸汽使瀝青固化6.3防砂方法與技術(shù)

（1）物理方法固砂3、焦化防砂的機(jī)理油井填砂用瀝青石油飽和19（1）常規(guī)機(jī)械-化學(xué)復(fù)合防砂法（2）高滲壓裂充填防砂4、復(fù)合防砂機(jī)理化學(xué)劑在出砂層位固結(jié)地層后，再下機(jī)械防砂管柱（一般為雙層預(yù)充填繞絲篩管）高滲疏松砂巖地層既水力壓裂，又礫石充填，兩工藝有機(jī)結(jié)合，油井既高產(chǎn)又控砂最佳效果。

（1）壓后地層流體流動特征徑向流雙線流（2）水力裂縫可以避免和緩解巖石的破壞（3）裂縫可以降低流動沖刷攜帶砂粒的能力（4）裂縫內(nèi)充填的礫石對地層砂粒有阻擋作用雙線流生產(chǎn)壓差降低流動壓力梯度降低+雙性流裂縫表面積流速大幅度降低+6.3防砂方法與技術(shù)

（1）常規(guī)機(jī)械-化學(xué)復(fù)合防砂法4、復(fù)合防砂機(jī)理化學(xué)劑在出砂層205、其他方法－砂橋形成與穩(wěn)定（1）砂橋：地層砂?；虺涮钌傲Ｔ谂谘壑車鷺?gòu)成的圓拱結(jié)構(gòu)。（2）砂橋形成：流速低于臨界流速時，自然形成砂橋，高于臨界流速會大量出砂，不能形成砂橋。為保證沙橋穩(wěn)定性，最簡單方法是把產(chǎn)量控制在臨界流速以下；在一定采液流速下，可增大出油面積，降低生產(chǎn)壓差，如增大射孔密度，增大孔徑，甚至裸眼完井。（3）砂橋穩(wěn)定性：砂橋形成前會出砂，形成后出砂漸少，甚至不出砂，即形成穩(wěn)定砂橋。砂橋穩(wěn)定性主要受砂粒間摩擦力和孔隙間毛管力支配。生產(chǎn)中，一旦流速過大，超過臨界流速，流動壓力大于砂粒間摩擦力和毛細(xì)管力，使得砂橋垮塌，油井出砂。6.3防砂方法與技術(shù)

5、其他方法－砂橋形成與穩(wěn)定（1）砂橋：地層砂粒或充填砂粒在215、其他方法－投產(chǎn)與管理（1）防砂后及時開井排液（2）投產(chǎn)初期適當(dāng)控制工作制度（3）合理生產(chǎn)壓差防砂后適當(dāng)關(guān)井候凝或壓力擴(kuò)散，及時開井，盡快排液生產(chǎn)。投產(chǎn)初期，控制產(chǎn)液量，使地層砂在礫石充填體外沿形成“砂拱”或“砂橋”。較大砂粒能阻止外面較小地層砂，在井壁形成一個由粗到細(xì)粒濾砂器，具有良好滲透性，又能阻止油層出砂。

防砂井存在人工井壁結(jié)構(gòu)破壞而重新大量出砂可能。防砂后，要先保持防砂前生產(chǎn)壓差，定期取樣分析，觀察油井出砂情況，經(jīng)一段時間證明油井不出砂，油層本身又具有潛力時可適當(dāng)放大生產(chǎn)壓差，增加采油量。6.3防砂方法與技術(shù)

5、其他方法－投產(chǎn)與管理（1）防砂后及時開井排液防砂后適當(dāng)關(guān)22機(jī)械防砂管柱結(jié)構(gòu)襯管懸掛器：防砂管柱懸掛在套管，封隔

油套環(huán)空，使帶砂流體只能

通過防砂襯管濾砂套；丟開

上部工作油管，便于檢泵、

熱洗清蠟等。丟手：丟開上部工作油管，便于檢

泵、熱洗清蠟等。（丟手在

襯管懸掛器上）安全接頭：懸掛器與襯管之間，打撈襯

管時，先將安全接頭倒開，

撈出懸掛器，以免作業(yè)復(fù)雜。皮碗：防砂管底端，幫助襯管之間

環(huán)空形成砂橋。扶正器：防砂襯管上下兩端，保護(hù)襯

管下井時偏磨套管壁。絲堵：最底端，防皮碗損壞時，地

層砂從底端進(jìn)入管柱內(nèi)。6.3防砂方法與技術(shù)

機(jī)械防砂管柱結(jié)構(gòu)襯管懸掛器：防砂管柱懸掛在套管，封隔

231、防砂方法選擇原則

（1）立足于先期和早期防砂（2）綜合技術(shù)現(xiàn)狀、工藝條件和經(jīng)濟(jì)成本，合理選用防砂方法（3）立足油層保護(hù)，減少傷害，保持油氣井最大產(chǎn)能為目標(biāo)，

結(jié)合有效期，選擇防砂方法。根據(jù)地質(zhì)資料和試油試井資料，結(jié)合出砂預(yù)測，一旦判斷地層必然出砂，則應(yīng)先期防砂完井或短暫排液后早期防砂，以此為基礎(chǔ)來選擇防砂方法。如果在地層巖石骨架被破壞后才進(jìn)行防砂，防砂難度將大大增加，而且也以保證防砂效果。1、防砂方法選擇原則2、防砂方法優(yōu)選基本思路3、影響防砂效果因素三、防砂方法優(yōu)選6.3防砂方法與技術(shù)

1、防砂方法選擇原則（1）立足于先期和早期防砂根據(jù)地質(zhì)資料24防砂方法選擇中存在的問題

（1）難以兼顧各種因素，具有片面性（2）防砂方法適應(yīng)界限難以確定（3）片面經(jīng)驗(yàn)起主要作用（4）注重防砂效果，忽略經(jīng)濟(jì)效果2、防砂方法優(yōu)選基本思路建立一套綜合防砂方法技術(shù)適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)效果的優(yōu)選模型。6.3防砂方法與技術(shù)

（1）現(xiàn)有防砂方法適應(yīng)性歸納分析，建立適應(yīng)條件數(shù)據(jù)庫；（2）根據(jù)專家和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建立各因素權(quán)重系數(shù)數(shù)據(jù)庫，

表達(dá)各因素權(quán)重；（3）應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)原理建立防砂綜合模糊評判模型（技術(shù)評價(jià)）（4）不同防砂方法下油井產(chǎn)能預(yù)測。三、防砂方法優(yōu)選防砂方法選擇中存在的問題（1）難以兼顧各種因素，具有256.3防砂方法與技術(shù)

三、防砂方法優(yōu)選6.3防砂方法與技術(shù)三、防砂方法優(yōu)選26（1）地層砂侵入影響四、影響防砂效果因素

地層粘土含量高時，會加劇滲透率下降趨勢礫石破碎產(chǎn)生粉細(xì)砂，結(jié)果相當(dāng)于砂侵

混合物中砂子的百分?jǐn)?shù)6.3防砂方法與技術(shù)

（1）地層砂侵入影響四、影響防砂效果因素地層粘土含量高時27

(2)地層膠結(jié)程度與地層砂粒徑（3）粘土與細(xì)粉砂泥質(zhì)的含量（4）油藏流體物性粉細(xì)砂巖與高粘土地層，防砂效果差，因粉細(xì)砂和粘土易堵塞濾砂管，粘土遇水膨脹。一般先預(yù)處理地層，防止粘土顆粒膨脹和運(yùn)移。高粘液體與粘土、粉細(xì)砂一起易堵塞濾砂管，油井喪失產(chǎn)能。

6.3防砂方法與技術(shù)

四、影響防砂效果因素

(2)地層膠結(jié)程度與地層砂粒徑粉細(xì)砂巖與高粘土地層，防砂效28（5）地層垂向非均質(zhì)性（6）地層溫度（7）井段長度（8）多油層防砂井段較長、垂向非均質(zhì)性較強(qiáng)井，化學(xué)劑擠注效果較差，防砂效果不好，導(dǎo)致繼續(xù)出砂?；瘜W(xué)防砂方法影響較大，化學(xué)固砂劑一般對溫度要求苛刻井段較長不適宜用化學(xué)防砂，會使化學(xué)劑擠注不均勻

化學(xué)劑固砂與人工井壁法都不適用多層防砂，易擠注不均勻即使礫石充填，夾層超過一定厚度也要進(jìn)行分級防砂。6.3防砂方法與技術(shù)

四、影響防砂效果因素

（5）地層垂向非均質(zhì)性井段較長、垂向非均質(zhì)性較強(qiáng)井，化學(xué)劑擠29（9）射孔參數(shù)

（10）井身狀況高孔密

大孔徑

提高滲透率

增大滲流面積

降低流速

大徑礫石充填

高斜度井中礫石充填易虧空甚至充填失敗。化學(xué)劑固砂不適合斜井，化學(xué)劑可能在井筒周圍擠注不均勻。其他條件允許情況下，斜井常采用篩管防砂方法。

6.3防砂方法與技術(shù)

四、影響防砂效果因素

（9）射孔參數(shù)

高孔密大孔徑提高滲透率增大滲流面積降30（11）礫石尺寸選擇不當(dāng)（12）礫石破碎影響考伯里：礫石尺寸為地層砂d1013倍?？ú７颍旱[石尺寸為地層砂d505-10倍，地層砂細(xì)時效果較好。

，

Saucier：地層砂d504-8倍（通常為5-6）。

殼牌公司Schwartz：根據(jù)地層砂篩析曲線選擇礫石尺寸

較大尺寸礫石，雖滲透率較大，但地層砂易侵入礫石層，反而降低滲透率，形成較大壓降，降低產(chǎn)能。一般選尺寸較小礫石，最好選允許范圍底限，減少砂侵。礫石輸送和泵送過程顛簸振動，泵入時活塞擠壓和流體沖蝕，可產(chǎn)生破碎。重新篩選，適當(dāng)控制泵送流速，但流速過低會礫石沉淀堵塞。

高產(chǎn)井高速攜砂液對礫石層產(chǎn)生沖蝕，產(chǎn)生粉碎細(xì)砂，堵塞充填層，降低產(chǎn)量

半對數(shù)篩析曲線上累積重量10％的砂粒直徑6.3防砂方法與技術(shù)

四、影響防砂效果因素

（11）礫石尺寸選擇不當(dāng)考伯里：礫石尺寸為地層砂d1013倍31（13）入井液影響（14）油井產(chǎn)能影響（15）含水率影響礫石充填入井液最基本要求是清潔與地層有較好配伍性。不清潔會對地層造成堵塞，即使很細(xì)固粒和地層砂混合也會使?jié)B透率降低到幾個毫達(dá)西。另外入井液必須與地層相配伍，不能引起粘土膨脹、運(yùn)移。

產(chǎn)出攜砂液流速高，對機(jī)械防砂管柱造成破壞。另外高產(chǎn)井不宜采用對產(chǎn)能有較大影響的防砂方法。高含水油井中采用與化學(xué)劑有關(guān)的防砂方法可能降低防砂有效期，因?yàn)楦吆畷档突瘜W(xué)劑固結(jié)作用。6.3防砂方法與技術(shù)

四、影響防砂效果因素

（13）入井液影響礫石充填入井液最基本要求是清潔與地層有較好32分類防砂法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)備注機(jī)械防砂繞絲篩管礫石充填（1）成功率高達(dá)90%以上（2）有效期長（3）適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用普遍（4）裸眼充填產(chǎn)能為射孔完井1.2-1.3倍（1）井內(nèi)有防砂管柱，后期處理復(fù)雜，費(fèi)用高（2）不適用于粉細(xì)砂巖（3）管內(nèi)充填產(chǎn)能損失大按工藝條件和充填方式再細(xì)分濾砂管（1）施工簡單，陳本低（2）適合多油層完井，粗砂地層（1）不適用粉細(xì)砂巖（2）濾砂管易堵塞使產(chǎn)能降低（3）濾砂管易受沖蝕，壽命短按材料形成多種濾砂管割縫襯管（1）成本低，施工簡單（2）適用于出砂不嚴(yán)重的中、粗砂巖，水平井常用（1）不宜用于粉細(xì)砂巖（2）砂橋易堵塞，影響產(chǎn)能化學(xué)防砂膠固地層（1）井內(nèi)無留物，易進(jìn)行后期補(bǔ)救作業(yè)（2）對地層砂粒度適應(yīng)范圍廣（3）施工簡單（1）滲透率下降，成本高（2）不宜多層長井段和嚴(yán)重出砂井（3）化學(xué)劑有毒，易造成污染樹脂液、樹脂砂漿、溶液地下合成、化學(xué)固砂劑人工井壁（1）化學(xué)劑用量少，成本可下降20-30%（2）井內(nèi)無留物，補(bǔ)救作業(yè)方便（3）可用于出砂嚴(yán)重的老井（4）成功率高達(dá)85%以上（1）不宜用于多油層、長井段（2）不能用于裸眼井預(yù)涂層礫石、樹脂砂漿、水帶干灰砂、乳化水泥砂拱防砂套管外封隔器(1)施工簡單，費(fèi)用較低（2）可用于多層完井施工（3）產(chǎn)能損失小，后期不久處理較容易（1）不宜用于粉細(xì)砂巖及疏松砂地層（2）砂共穩(wěn)定性不好（3）控制流速影響產(chǎn)能