第六章_出砂机理及防砂

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1、v6.1 概述v6.2 出砂机理与预测 v6.3 防砂方法与技术 v6.4 防砂工具本章内容第六章 出砂机理及防砂v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影响的现象 。骨架砂 地层砂可以分两种：填隙物 6.1 概述一、定义二、影响地层出砂因素，三大类：1、地质因素2、开采因素3、完井因素人为因 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 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射孔孔道填充物对出砂的影响 射孔参数对出砂的影响 6.1 概述v1、砂粒可能在井内

2、沉积并形成砂堵，产量降低；v2、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；v3、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。v4、污染环境，尤其是海洋油气田。 6.1 概述三、出砂的危害出砂地层根据地层砂胶结强度大小分成三种类型 ，每一类型有各自出砂特征。 1. 流砂地层v指没有胶结的地层砂。流砂地层仅靠很小的流体 附着力和周围环境圈闭的压实力来聚集。这种地 层一旦开井投产便连续不断出砂，但产出液含砂 量相对稳定，基本是一常数。v虽然累计出砂量不断增大，但套管周围不会出现 地层空穴，只是地层越来越松。6.1 概述

3、四、出砂地层类型及出砂特征 2. 部分胶结地层v含胶结物量少，胶结力弱，地层强度低。投产后地层砂会在炮眼附近剥落，逐渐发展成空穴，剥落的地层砂进入井筒极易添满井底，堵塞炮管。v其产出液含砂量变化很大。6.1 概述3、脆性砂地层v也称易碎砂地层，较多胶结物，中等胶结强度砂岩。v开始投产时出砂几天或几周，随后出砂量大减，几乎无 砂产出，到一定可能重新出砂。v因出砂过程中套管外部地层冲蚀空穴突然增大，过流面 积成倍增长，地层流体流速大幅下降，导致出砂量明显 下降。当单位面积流体流速达到一定值时，又会出现地 层砂大块坍塌，过流面积倍增而停止出砂，出现另一个 周期。v周而复始任其发展，洞穴将越来越大，最

4、终形成灾难性 地层坍塌，使套管变形而报废。6.1 概述v1、拉伸破坏机理6.2 6.2 出砂机理与预测出砂机理与预测 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。一、地层出砂机理v2、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。6.2 6.2 出砂机理与预测出砂机理与预测 一、地层出砂机理v地层中存在诸如粘土之类精细颗粒，会随产出液一起运移，造成井壁周围渗透率

5、降低（地层损伤的一种），增加了流体的拖曳力，导致出砂。6.2 6.2 出砂机理与预测出砂机理与预测 v3、精细颗粒的影响 一、地层出砂机理二、油井出砂预测方法 有以下三种：v1、现场观测法v2、经验分析法v3、应力分析法岩心观察 DST测试 邻井状态 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 6.2 6.2 出砂机理与预测出砂机理与预测 1）裸眼井井筒附近应力分布 （1）裸眼井井筒附近应力分布的一般方法 （2）考虑孔隙流体的压力效应地层中任一点应力分布 2）射孔完成井出砂预测方法（1）沿最大水平主应力方向射孔时，求得孔眼周围地层 的应力分布（2）沿最小水平主应力方向射孔时，

6、求得孔眼周围地层 的应力分布 油井防砂方法有以下几种：v1、机械防砂法v2、化学防砂法v3、焦化防砂法v4、复合防砂法v5、其他防砂法仅下机械防砂管柱的方法 降低流速法 一、防砂方法防砂管柱砾石充填的方法 人工胶结地层法 人工井壁法 增大油层径向应力 向地层挤入树脂砂浆液、乳 化水泥、预涂层砾石、水带 干灰砂等 向地层通入热能，使原油在砂粒表面焦 化，形成具有胶结力的薄胶结层 机械防砂法 化学防砂法 + 增加射孔段长度、增加 射孔密度；控制产量。 裸眼产层膨胀式封隔器 6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 v1、机械防砂 （1）滤砂器防砂原理二、各防砂方法防砂原理地层砂产出后，经过滤砂

7、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、绕丝筛管B、割缝衬管不锈钢绕丝 筋板 基板C、双层预充填砾石绕丝筛管防砂D、金属棉滤砂管防砂E、陶瓷滤砂管F、树脂石英砂滤砂管防砂6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 B、割缝衬管套管 割线 垂直于轴线的(L=20-50mm) 平行于轴线的（L=50-300mm）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 D、金属棉滤砂管防砂 带孔基管 金属棉 保护管 二、各防砂方法防砂原理6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 二、各防砂方法防砂原理E、陶瓷滤砂管 外管 陶瓷管 密封 F、树脂石英砂滤砂管防砂 滤

8、砂管 引鞋 中心管G、多孔冶金粉末滤砂管 由铁粉或铜粉烧结而成，然后用铜合金包覆金属粉末。 6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 v（2）筛管砾石充填防砂机理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，将地层砂挡在砾 石层外，形成一个由粗到细的砂拱，良好流通能力，又能阻止油层出砂。1、先期裸眼绕丝筛管砾石充填防砂 2、套管完井筛管砾石充填防砂滤砂器管柱砾石填充油管 套管水泥环油藏滤砂器管柱砾石填充射孔管外充填管内充填先期长期出砂的老井6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 v（1）人工胶结固砂方法 酚醛树脂胶

9、结砂层 酚醛溶液地下合成防砂v（2）人工井壁防砂法预涂层砾石人工井壁水泥砂浆人工井壁树脂核桃壳人工井壁树脂砂浆人工井壁2、化学防砂的机理适用在早期防砂 先期、早期防砂方法 苯酚 甲醛 催化剂 柴油作为增孔剂 + 施工简单 成功率高 胶结后的砾石的抗折强度大 渗透率可在原渗透率的90%以上 水泥 石英砂 水 油 + 出砂部位 + 粉碎的核桃壳颗粒酚醛树脂柴油+ + 中 性 水 油 固化剂 早 期 防 砂 后 期 防 砂 酚醛树脂+ 石英砂 + 柴油后期防砂 6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 v（1）物理方法固砂原油中重质部分尤其沥青，在低温下可凝固成半固态物质 ，不再溶于原油，可以将

10、疏松砂岩胶结在一起，形成具有一定渗透性的挡砂屏障。 v（2）低温氧化固砂低温氧化：指氧气和烃类物质在300度以下条件中化学反应 。低温氧化固砂：利用原油和氧气在低温下反应，使原油中的 沥青质析出，把地层胶结在一起。v（3）沥青石油固砂3、焦化防砂的机理油井填砂 用沥青石油饱和砂粒注溶剂注蒸汽使沥青固化6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 v（1）常规机械-化学复合防砂法v（2）高渗压裂充填防砂4、复合防砂机理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）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。 （1）压后地层流体流

11、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（3）裂缝可以降低流动冲刷携带砂粒的能力（4）裂缝内充填的砾石对地层砂粒有阻挡作用双线流 生产压差降低 流动压力梯度降低 +双性流 裂缝表面积 流速大幅度降低+6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 5、其他方法砂桥形成与稳定（1）砂桥：地层砂粒或充填砂粒 在炮眼周围构成的圆拱结构。 （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 。 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

12、。（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。6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 5、其他方法投产与管理（1）防砂后及时开井排液（2）投产初期适当控制工作制度（3）合理生产压差防砂后适当关井候凝或压力扩散，及时开井，尽快排液生产 。投产初期，控制产液量，使地层 砂在砾石充填体外沿形成“砂拱” 或“砂桥”。较大砂粒能阻止外面 较小地层砂，在井壁形成一个由 粗到细粒滤砂器，具有良好渗透 性，又

13、能阻止油层出砂。 防砂井存在人工井壁结构破坏而重新大量 出砂可能。防砂后，要先保持防砂前生产 压差，定期取样分析，观察油井出砂情况 ，经一段时间证明油井不出砂，油层本身 又具有潜力时可适当放大生产压差，增加 采油量。6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 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，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

14、空形成砂桥。 扶 正 器：防砂衬管上下两端，保护衬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。6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 1、防砂方法选择原则（1）立足于先期和早期防砂（2）综合技术现状、工艺条件和经济成本，合理选用防砂方法（3）立足油层保护，减少伤害，保持油气井最大产能为目标，结合有效期，选择防砂方法。根据地质资料和试油试井资料，结合出砂预测，一旦判断地 层必然出砂，则应先期防砂完井或短暂排液后早期防砂，以 此为基础来选择防砂方法。如果在地层岩石骨架被破坏后才 进行防砂，防砂难度将大大增加，而且也以保证防砂效果。v1、防砂方法选择原则v2、防

15、砂方法优选基本思路v3、影响防砂效果因素三、防砂方法优选6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 防砂方法选择中存在的问题 （1）难以兼顾各种因素，具有片面性 （2）防砂方法适应界限难以确定 （3）片面经验起主要作用 （4）注重防砂效果，忽略经济效果 2、防砂方法优选基本思路 建立一套综合防砂方法技术适应性和经济效果的优选模型。 6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 （1）现有防砂方法适应性归纳分析，建立适应条件数据库； （2）根据专家和实践经验，建立各因素权重系数数据库，表达各因素权重； （3）应用模糊数学原理建立防砂综合模糊评判模型（技术评价） （4）不同防砂方法下油井产能预测

16、。三、防砂方法优选6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 三、防砂方法优选（1）地层砂侵入影响四、影响防砂效果因素 地层粘土含量高时，会加剧渗透率下降趋势砾石破碎产生粉细砂，结果相当于砂侵 混合物中砂子的百分数6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 (2)地层胶结程度与地层砂粒径（3）粘土与细粉砂泥质的含量（4）油藏流体物性粉细砂岩与高粘土地层，防砂效果差，因粉细砂和粘土易 堵塞滤砂管，粘土遇水膨胀。一般先预处理地层，防止粘 土颗粒膨胀和运移。高粘液体与粘土、粉细砂一起易堵塞滤砂管，油井丧失产能。 6.3 6.3 防砂方法与技术防砂方法与技术 四、影响防砂效果因素 （5）地层垂向非均质性（6）地层温度（7）井段长度（8）多油层防砂井段较长、垂向非均质性较强井，化学剂挤注效果较差， 防砂效果不好，导致继续出砂。化学防砂方法影响较大，化学固砂剂一般对温度要求苛刻 井段较长不适宜用化学防砂，会使化学剂挤注不均匀 化学剂固砂与人工井壁法都不适用多层防砂，易挤注不均匀 即使砾