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3、覆岩石的密度；水平应力大小除了与油层埋藏深度有关外，还与油层构造形成条件及岩石力学性质和油层孔隙中的压力有关。钻开油层后，井壁附近岩石的原始应力平衡状态遭到破坏，造成井壁附近岩石的应力集中。在其它条件相同的情况下，油层埋藏越深，岩石的垂向应力越大，井壁的水平应力相应增加，所以井壁附近的岩石就越容易变形和破坏，从而引起在采油过程中油层出砂，甚至井壁坍塌。(2)岩石的胶结状态油层出砂与油层岩石胶结物种类、数量和胶结方式有着密切的关系。通常油层砂岩的胶结物主要有粘土、碳酸盐和硅质、铁质三种，以硅质和铁质胶结物的胶结强度最大，碳酸盐胶结物次之，粘土胶结物最差。对于同一类型的胶结物，其数量越多，胶结强度
4、越大。油层砂岩的胶结方式主要有三种(图9-1)，一是基底胶结，砂岩颗粒完全浸没在胶结物中，彼此互不接触或接触很少，其胶结强度为最大，但由于其孔隙度和渗透率均很低，很难成为好的储油层；二是接触胶结，胶结物的数量不多，仅存于岩石颗粒接触处，其胶结强度最低；三是孔隙胶结，胶结物的数量介于基底胶结和接触胶结之间，胶结物不仅存在于岩石颗粒接触处，还充填于部分孔隙中，其胶结强度也处于基底胶结和接触胶结之间。图1-1 油层砂岩胶结方式示意图a基底胶结；b接触胶结；c孔隙胶结容易出砂的油层岩石主要以接触胶结方式为主，其胶结物数量少，而且其中往往含有较多的粘土胶结物。(3)渗透率的影响渗透率的高低是油层岩石颗粒
5、组成、孔隙结构和孔隙度等岩石物理属性的综合反应。实验和生产实践证明，当其它条件相同时，油层的渗透率越高，其胶结强度越低，油层越容易出砂。1.1.2外因开采因素(1)固井质量由于固井质量差，使得套管外水泥环和井壁岩石没有粘在一起，在生产中形成高低压层的串通，使井壁岩石不断受到冲刷，粘土夹层膨胀，岩石胶结遭到破坏，因而导致油井出砂。(2)射孔密度射孔完井是目前各油田普遍采用的沟通油流通道的方法，如果射孔密度过大，有可能使套管破裂和砂岩油层结构遭到破坏，引起油井出砂。(3)油井工作制度在油井生产过程中，流体渗流而产生的对油层岩石的冲刷力和对颗粒的拖曳力是疏松油层出砂的重要原因。在其它条件相同时，生产
6、压差越大，流体渗流速度越高，则井壁附近流体对岩石的冲刷力就越大。另外，油、水井工作制度的突然变化，使得油层岩石受力状况发生变化，也容易引起油层出砂。(4)其它油层含水后部分胶结物被溶解使得岩石胶结强度降低或者油层压力降低，增加了地应力对岩石颗粒的挤压作用，扰乱了颗粒间的胶结，可能引起油井出砂。不适当的措施如压裂和酸化等，降低了油层岩石胶结强度，使得油层变得疏松而出砂。总之，不适于易出砂油藏的工程措施、不合理的油井工作制度及工作制度的突然变化、频繁而低质量的修井作业、设计不良的措施和不科学的生产管理等都可能造成油气井出砂。这些都应当尽可能避免。由于油田开发过程中压力变化而引起的岩石应力状态的失衡
7、及油气渗流的冲刷力，虽然是不可避免的，但应尽量防止和减少它们可能对造成出砂的影响。对于胶结物中粘土含量高易发生粘土膨胀而可能引起出砂的井，采取必要的防膨措施则可防止和减少因此而造成的油层出砂。对于疏松油层除合理的工作制度外，主要是选择合理完井方式和采取先期防砂。1.2.岩石破坏机理理论基础1.2.1岩石破坏准则（1）库仑(Coulomb)破裂准则库仑假定：若岩石内部某面上的正应力s 和剪切力t 满足条件： (1-1)则该面将发生破裂。式中的S0和是与岩石种类有关的材料常数。S0叫做聚合强度（Cohesion）,工程上称为内聚力；叫做内摩擦系数，工程上常令称为内摩擦角。以上就是库仑准则的原始描述
8、。下面据此进一步讨论岩石破裂的条件和破裂与加载应力场的关系。进一步推导可以将库仑破裂条件（准则）写成： (1-2)其中： (1-3)为岩石单轴抗压强度，而q的表达式为： (1-4)（2）摩尔破裂准则摩尔于1900年提出，当一个面上的剪应力与正应力之间满足某种函数关系时，即： (1-5)材料沿该面会发生破裂，这就是摩尔破裂准则。其中函数f的形式与岩石种类有关。不难看出，摩尔准则是库仑准则的一般化。因为库仑准则在平面上代表一条直线，而摩尔准则代表了平面中的一条摩尔曲线，我们可以由岩石中的三个主应力，用建造三维摩尔圆的方法，求出任意方位面上的正应力和剪应力。如果岩石内部各种可能的应力状态在摩尔曲线的
9、下方，则不会发生破裂；如果以为半径的大圆与莫尔曲线相切，则岩石会发生破裂，破裂面的方位可以由摩尔圆直接求出。（3）格里菲斯破裂准则 格里菲斯给出了另外一种岩石破裂准则： 当时， (1-6) 当时， (1-7)此处T0是岩石的单轴向抗张强度。格里菲斯准则是基于断裂力学得到的，它的优点是企图把抗张破裂准则与剪切破裂准则统一起来。（4）默雷尔破裂准则 1966年，Murrell（默雷尔）总结了砂岩实验的资料，给出了岩石剪切破裂的条件。Murrell的经验公式为： (1-8)对于砂岩，。默雷尔公式从解析的角度给出了的具体函数关系式。在平面，表征这种关系的是一条向下弯曲的曲线(因n 1)。所以，如果破裂
10、准则是由默雷尔经验公式所确定，那么一个明显的结论就是当围压十分高时，破裂面与最大主应力轴的夹角趋于45。1.2.2剪切破坏机理剪切破坏是大多数现场出砂的基本机理。通常以岩石力学的库仑-摩尔破坏准则为基础，认为出砂是由于炮孔及井眼周围的岩石所受的应力超过岩石本身的强度使地层产生剪切破坏，从而产生了破裂面，破裂面的产生降低了岩石承载能力并进一步破碎和向外扩张，同时由于产液流动的拖曳力，将破裂面上的砂子剥离、携带出来，导致出砂。剪切破坏与过大的生产压差有关，岩石一旦发生剪切破坏，将造成大量突发性出砂，严重时砂埋油层、井筒，甚至造成油井报废。1.2.3拉伸破坏机理流体流动作用于炮孔周围地层颗粒上的水动
11、力拖曳力过大，会使弹孔壁岩石所受的径向应力超过其本身的抗拉强度，脱离母体而导致出砂。它与过大的开采流速及液体粘度有关，并具有自稳定效应。M.B.Dusseault对弹孔周围的岩石进行了力学分析，图11是射孔造成弱固结砂岩破坏的示意图。经过射孔后，炮孔周围往外的岩石可依次分为颗粒压碎区、岩石重塑区、塑性受损及变化较小的受损区，并可与岩样做压缩试验时的全应力-应变曲线上的各区相对应（见图12）。远离炮孔的A区是大范围的弹性区，其受损较小，B1B2区是一个弹/塑性区，包括塑性硬化和软化，地层遭到不同程度的损坏，C区是一个完全损坏区，岩石经受了重新塑化，产生了近于完全塑性状态的应变。紧挨弹孔周围的岩石
12、由于受到剧烈的震动被压碎，一部分水泥环也受到了松动损害。如果岩石材料的抗剪切强度较低，射孔后使孔周围的岩石强度进一步下降，如果掩饰的强度无法抵抗由原地应力作用在弹孔周围的形成的应力场，便会产生剪切破坏或屈服，进而逐层剥离孔壁，形成出砂。另一方面，在开采时，由于存在差应力的应力场（生产压差），流体的流动会降低岩石的剪切强度。微粒运移造成部分孔隙的堵塞所形成的表皮效应也会使压力降升高，导致在低拉伸强度的岩石中产生颗粒的拉伸剥离，如图13所示。从图中可以看出，切应力几乎永远是压应力，它与径向应力组成弹孔周围的差应力，这是产生剪切破坏的力源。研究认为，因为弹孔周围地层的孔隙度和渗透性高（疏松砂岩），因
13、而，其孔隙压力近似等于孔穴内的压力，即有效应力为零，于是孔壁的岩石处于单轴压缩状态，很容易发生剪切破坏。与此同时，由于流体的流动在孔穴周围形成剧烈的压力降，而部分孔隙堵塞造成的表皮效应将使流动压降增大，从而可能使径向应力变成拉伸应力，使孔壁材料产生拉伸破坏，导致岩石颗粒剥离孔壁而随油气产出。图1-4流体向孔内流动产生孔穴壁的拉伸破坏坏坏图1-2 弹孔周围地层受损情况示意图 图1-3典型的岩石全应力-应变曲线由于砂岩储层是由颗粒材料组成的，水动力拖曳力作用于靠近孔穴壁自由表面的颗粒上，它能够克服周围材料作用于单个颗粒或颗粒群体上的接触阻挡力（包括颗粒间的联结力和摩擦阻力）而使颗粒剥离下来。岩石颗
14、粒材料之间接触的法向联结力和切向摩擦力而使岩石固结在一起，这是保持孔穴稳定的作用力。开采时，流体向井内流动产生作用在材料上的内向应力，单个颗粒或不稳定颗粒群体由于在孔隙内外压差dp的作用而出现指向孔穴内的拖曳力，这两种力同时产生颗粒的剥离作用，只要这两种力克服了保持孔穴稳定的力，便会出砂。这个模型更适合由于射孔使孔周材料已被剪切屈服的弱化材料。这时颗粒间的摩擦力和法向拱应力是很小的，压力降很容易驱走固结最弱的大颗粒或颗粒群（团块/碎片）。不过，尽管固相砂粒产出是个别剥离事件的连续，但最后总要达到某些颗粒的稳定而形成自然砂拱。环绕孔穴的桥拱应力会有助于砂拱的稳定，甚至在有流体向内流动时也是这样。
15、使砂拱稳定的另一因素是发展起来的破碎区会承担一些应力而提供部分支撑力（这可以从岩石材料强度的峰后效应看出来）。弹孔周围岩石受单向压缩应力或一向为拉伸、一向为压缩的应力，使岩石极易产生剪切破坏和拉伸破坏，这是开采过程中地层出砂的主要原因。1.2.4微粒运移机理图15 充填砂受力分析在疏松砂岩油藏中，地层内部存在着大量的自由微粒，在流动液体的拖拽力作用下，自由微粒会在地层内部运移直至流入井筒造成出砂。如果这些微粒在被地层孔喉阻挡后，会使流体渗流阻力局部增大，进一步增大流体对岩石的拖拽力，使未被阻挡的更细的微粒随流体进入井筒造成出砂。油层充填砂受力分析如图14所示。设充填砂半径R、组成岩石的骨架砂粒半径为RS、多孔介质孔道中的流速
