關(guān)于國內(nèi)外防砂決策與工藝技術(shù)的調(diào)研報告

國內(nèi)外防砂決策及工藝技術(shù)調(diào)研報告出砂機(jī)理理論基礎(chǔ)地層出砂的影響因素油層出砂是由于井底附近地帶的巖層結(jié)構(gòu)破壞所引起的，它是各種因素綜合影響的結(jié)果，這些因素可以歸結(jié)為兩個方面，即地質(zhì)條件和開采因素，其中地質(zhì)條件是內(nèi)因，開采因素是外因。1.1.1內(nèi)因—砂巖油層的地質(zhì)條件(1)應(yīng)力狀態(tài)砂巖油層在鉆井前處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。垂向應(yīng)力大小取決于油層埋藏深度和上覆巖石的密度；水平應(yīng)力大小除了與油層埋藏深度有關(guān)外，還與油層構(gòu)造形成條件及巖石力學(xué)性質(zhì)和油層孔隙中的壓力有關(guān)。鉆開油層后，井壁附近巖石的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，造成井壁附近巖石的應(yīng)力集中。在其它條件相同的情況下，油層埋藏越深，巖石的垂向應(yīng)力越大，井壁的水平應(yīng)力相應(yīng)增加，所以井壁附近的巖石就越容易變形和破壞，從而引起在采油過程中油層出砂，甚至井壁坍塌。(2)巖石的膠結(jié)狀態(tài)油層出砂與油層巖石膠結(jié)物種類、數(shù)量和膠結(jié)方式有著密切的關(guān)系。通常油層砂巖的膠結(jié)物主要有粘土、碳酸鹽和硅質(zhì)、鐵質(zhì)三種，以硅質(zhì)和鐵質(zhì)膠結(jié)物的膠結(jié)強(qiáng)度最大，碳酸鹽膠結(jié)物次之，粘土膠結(jié)物最差。對于同一類型的膠結(jié)物，其數(shù)量越多，膠結(jié)強(qiáng)度越大。油層砂巖的膠結(jié)方式主要有三種(圖9-1)，一是基底膠結(jié)，砂巖顆粒完全浸沒在膠結(jié)物中，彼此互不接觸或接觸很少，其膠結(jié)強(qiáng)度為最大，但由于其孔隙度和滲透率均很低，很難成為好的儲油層；二是接觸膠結(jié)，膠結(jié)物的數(shù)量不多，僅存于巖石顆粒接觸處，其膠結(jié)強(qiáng)度最低；三是孔隙膠結(jié)，膠結(jié)物的數(shù)量介于基底膠結(jié)和接觸膠結(jié)之間，膠結(jié)物不僅存在于巖石顆粒接觸處，還充填于部分孔隙中，其膠結(jié)強(qiáng)度也處于基底膠結(jié)和接觸膠結(jié)之間。圖1-1油層砂巖膠結(jié)方式示意圖a—基底膠結(jié)；b—接觸膠結(jié)；c—孔隙膠結(jié)容易出砂的油層巖石主要以接觸膠結(jié)方式為主，其膠結(jié)物數(shù)量少，而且其中往往含有較多的粘土膠結(jié)物。(3)滲透率的影響滲透率的高低是油層巖石顆粒組成、孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙度等巖石物理屬性的綜合反應(yīng)。實驗和生產(chǎn)實踐證明，當(dāng)其它條件相同時，油層的滲透率越高，其膠結(jié)強(qiáng)度越低，油層越容易出砂。1.1.2外因—開采因素(1)固井質(zhì)量由于固井質(zhì)量差，使得套管外水泥環(huán)和井壁巖石沒有粘在一起，在生產(chǎn)中形成高低壓層的串通，使井壁巖石不斷受到?jīng)_刷，粘土夾層膨脹，巖石膠結(jié)遭到破壞，因而導(dǎo)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溝通油流通道的方法，如果射孔密度過大，有可能使套管破裂和砂巖油層結(jié)構(gòu)遭到破壞，引起油井出砂。(3)油井工作制度在油井生產(chǎn)過程中，流體滲流而產(chǎn)生的對油層巖石的沖刷力和對顆粒的拖曳力是疏松油層出砂的重要原因。在其它條件相同時，生產(chǎn)壓差越大，流體滲流速度越高，則井壁附近流體對巖石的沖刷力就越大。另外，油、水井工作制度的突然變化，使得油層巖石受力狀況發(fā)生變化，也容易引起油層出砂。(4)其它油層含水后部分膠結(jié)物被溶解使得巖石膠結(jié)強(qiáng)度降低或者油層壓力降低，增加了地應(yīng)力對巖石顆粒的擠壓作用，擾亂了顆粒間的膠結(jié)，可能引起油井出砂。不適當(dāng)?shù)拇胧┤鐗毫押退峄龋档土擞蛯訋r石膠結(jié)強(qiáng)度，使得油層變得疏松而出砂?？傊贿m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變化、頻繁而低質(zhì)量的修井作業(yè)、設(shè)計不良的措施和不科學(xué)的生產(chǎn)管理等都可能造成油氣井出砂。這些都應(yīng)當(dāng)盡可能避免。由于油田開發(fā)過程中壓力變化而引起的巖石應(yīng)力狀態(tài)的失衡及油氣滲流的沖刷力，雖然是不可避免的，但應(yīng)盡量防止和減少它們可能對造成出砂的影響。對于膠結(jié)物中粘土含量高易發(fā)生粘土膨脹而可能引起出砂的井，采取必要的防膨措施則可防止和減少因此而造成的油層出砂。對于疏松油層除合理的工作制度外，主要是選擇合理完井方式和采取先期防砂。1.2.巖石破壞機(jī)理理論基礎(chǔ)1.2.1巖石破壞準(zhǔn)則（1）庫侖(Coulomb)破裂準(zhǔn)則庫侖假定：若巖石內(nèi)部某面上的正應(yīng)力和剪切力滿足條件： (1-1)則該面將發(fā)生破裂。式中的S0和是與巖石種類有關(guān)的材料常數(shù)。S0叫做聚合強(qiáng)度（Cohesion）,工程上稱為內(nèi)聚力；叫做內(nèi)摩擦系數(shù)，工程上常令稱為內(nèi)摩擦角。以上就是庫侖準(zhǔn)則的原始描述。下面據(jù)此進(jìn)一步討論巖石破裂的條件和破裂與加載應(yīng)力場的關(guān)系。進(jìn)一步推導(dǎo)可以將庫侖破裂條件（準(zhǔn)則）寫成： (1-2)其中： (1-3)為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，而q的表達(dá)式為： (1-4)（2）摩爾破裂準(zhǔn)則摩爾于1900年提出，當(dāng)一個面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力之間滿足某種函數(shù)關(guān)系時，即： (1-5)材料沿該面會發(fā)生破裂，這就是摩爾破裂準(zhǔn)則。其中函數(shù)f的形式與巖石種類有關(guān)。不難看出，摩爾準(zhǔn)則是庫侖準(zhǔn)則的一般化。因為庫侖準(zhǔn)則在平面上代表一條直線，而摩爾準(zhǔn)則代表了平面中的一條摩爾曲線，我們可以由巖石中的三個主應(yīng)力，用建造三維摩爾圓的方法，求出任意方位面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。如果巖石內(nèi)部各種可能的應(yīng)力狀態(tài)在摩爾曲線的下方，則不會發(fā)生破裂；如果以為半徑的大圓與莫爾曲線相切，則巖石會發(fā)生破裂，破裂面的方位可以由摩爾圓直接求出。（3）格里菲斯破裂準(zhǔn)則格里菲斯給出了另外一種巖石破裂準(zhǔn)則：當(dāng)時， (1-6)當(dāng)時，， (1-7)此處T0是巖石的單軸向抗張強(qiáng)度。格里菲斯準(zhǔn)則是基于斷裂力學(xué)得到的，它的優(yōu)點是企圖把抗張破裂準(zhǔn)則與剪切破裂準(zhǔn)則統(tǒng)一起來。（4）默雷爾破裂準(zhǔn)則1966年，Murrell（默雷爾）總結(jié)了砂巖實驗的資料，給出了巖石剪切破裂的條件。Murrell的經(jīng)驗公式為： (1-8)對于砂巖，。默雷爾公式從解析的角度給出了的具體函數(shù)關(guān)系式。在平面，表征這種關(guān)系的是一條向下彎曲的曲線(因n<1)。所以，如果破裂準(zhǔn)則是由默雷爾經(jīng)驗公式所確定，那么一個明顯的結(jié)論就是當(dāng)圍壓十分高時，破裂面與最大主應(yīng)力軸的夾角趨于45°。1.2.2剪切破壞機(jī)理剪切破壞是大多數(shù)現(xiàn)場出砂的基本機(jī)理。通常以巖石力學(xué)的庫侖-摩爾破壞準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，認(rèn)為出砂是由于炮孔及井眼周圍的巖石所受的應(yīng)力超過巖石本身的強(qiáng)度使地層產(chǎn)生剪切破壞，從而產(chǎn)生了破裂面，破裂面的產(chǎn)生降低了巖石承載能力并進(jìn)一步破碎和向外擴(kuò)張，同時由于產(chǎn)液流動的拖曳力，將破裂面上的砂子剝離、攜帶出來，導(dǎo)致出砂。剪切破壞與過大的生產(chǎn)壓差有關(guān)，巖石一旦發(fā)生剪切破壞，將造成大量突發(fā)性出砂，嚴(yán)重時砂埋油層、井筒，甚至造成油井報廢。1.2.3拉伸破壞機(jī)理流體流動作用于炮孔周圍地層顆粒上的水動力拖曳力過大，會使彈孔壁巖石所受的徑向應(yīng)力超過其本身的抗拉強(qiáng)度，脫離母體而導(dǎo)致出砂。它與過大的開采流速及液體粘度有關(guān)，并具有自穩(wěn)定效應(yīng)。M.B.Dusseault對彈孔周圍的巖石進(jìn)行了力學(xué)分析，圖1－1是射孔造成弱固結(jié)砂巖破壞的示意圖。經(jīng)過射孔后，炮孔周圍往外的巖石可依次分為顆粒壓碎區(qū)、巖石重塑區(qū)、塑性受損及變化較小的受損區(qū)，并可與巖樣做壓縮試驗時的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的各區(qū)相對應(yīng)（見圖1－2）。遠(yuǎn)離炮孔的A區(qū)是大范圍的彈性區(qū)，其受損較小，B1~B2區(qū)是一個彈/塑性區(qū)，包括塑性硬化和軟化，地層遭到不同程度的損壞，C區(qū)是一個完全損壞區(qū)，巖石經(jīng)受了重新塑化，產(chǎn)生了近于完全塑性狀態(tài)的應(yīng)變。緊挨彈孔周圍的巖石由于受到劇烈的震動被壓碎，一部分水泥環(huán)也受到了松動損害。如果巖石材料的抗剪切強(qiáng)度較低，射孔后使孔周圍的巖石強(qiáng)度進(jìn)一步下降，如果掩飾的強(qiáng)度無法抵抗由原地應(yīng)力作用在彈孔周圍的形成的應(yīng)力場，便會產(chǎn)生剪切破壞或屈服，進(jìn)而逐層剝離孔壁，形成出砂。另一方面，在開采時，由于存在差應(yīng)力的應(yīng)力場（生產(chǎn)壓差），流體的流動會降低巖石的剪切強(qiáng)度。微粒運移造成部分孔隙的堵塞所形成的表皮效應(yīng)也會使壓力降升高，導(dǎo)致在低拉伸強(qiáng)度的巖石中產(chǎn)生顆粒的拉伸剝離，如圖1－3所示。從圖中可以看出，切應(yīng)力幾乎永遠(yuǎn)是壓應(yīng)力，它與徑向應(yīng)力組成彈孔周圍的差應(yīng)力，這是產(chǎn)生剪切破壞的力源。研究認(rèn)為，因為彈孔周圍地層的孔隙度和滲透性高（疏松砂巖），因而，其孔隙壓力近似等于孔穴內(nèi)的壓力，即有效應(yīng)力為零，于是孔壁的巖石處于單軸壓縮狀態(tài)，很容易發(fā)生剪切破壞。與此同時，由于流體的流動在孔穴周圍形成劇烈的壓力降，而部分孔隙堵塞造成的表皮效應(yīng)將使流動壓降增大，從而可能使徑向應(yīng)力變成拉伸應(yīng)力，使孔壁材料產(chǎn)生拉伸破壞，導(dǎo)致巖石顆粒剝離孔壁而隨油氣產(chǎn)出。

由于砂巖儲層是由顆粒材料組成的，水動力拖曳力作用于靠近孔穴壁自由表面的顆粒上，它能夠克服周圍材料作用于單個顆?；蝾w粒群體上的接觸阻擋力（包括顆粒間的聯(lián)結(jié)力和摩擦阻力）而使顆粒剝離下來。巖石顆粒材料之間接觸的法向聯(lián)結(jié)力和切向摩擦力而使巖石固結(jié)在一起，這是保持孔穴穩(wěn)定的作用力。開采時，流體向井內(nèi)流動產(chǎn)生作用在材料上的內(nèi)向應(yīng)力，單個顆粒或不穩(wěn)定顆粒群體由于在孔隙內(nèi)外壓差dp的作用而出現(xiàn)指向孔穴內(nèi)的拖曳力，這兩種力同時產(chǎn)生顆粒的剝離作用，只要這兩種力克服了保持孔穴穩(wěn)定的力，便會出砂。這個模型更適合由于射孔使孔周材料已被剪切屈服的弱化材料。這時顆粒間的摩擦力和法向拱應(yīng)力是很小的，壓力降很容易驅(qū)走固結(jié)最弱的大顆?；蝾w粒群（團(tuán)塊/碎片）。不過，盡管固相砂粒產(chǎn)出是個別剝離事件的連續(xù)，但最后總要達(dá)到某些顆粒的穩(wěn)定而形成自然砂拱。環(huán)繞孔穴的橋拱應(yīng)力會有助于砂拱的穩(wěn)定，甚至在有流體向內(nèi)流動時也是這樣。使砂拱穩(wěn)定的另一因素是發(fā)展起來的破碎區(qū)會承擔(dān)一些應(yīng)力而提供部分支撐力（這可以從巖石材料強(qiáng)度的峰后效應(yīng)看出來）。彈孔周圍巖石受單向壓縮應(yīng)力或一向為拉伸、一向為壓縮的應(yīng)力，使巖石極易產(chǎn)生剪切破壞和拉伸破壞，這是開采過程中地層出砂的主要原因。1.2.4微粒運移機(jī)理在疏松砂巖油藏中，地層內(nèi)部存在著大量的自由微粒，在流動液體的拖拽力作用下，自由微粒會在地層內(nèi)部運移直至流入井筒造成出砂。如果這些微粒在被地層孔喉阻擋后，會使流體滲流阻力局部增大，進(jìn)一步增大流體對巖石的拖拽力，使未被阻擋的更細(xì)的微粒隨流體進(jìn)入井筒造成出砂。油層充填砂受力分析如圖1－4所示。設(shè)充填砂半徑R、組成巖石的骨架砂粒半徑為RS、多孔介質(zhì)孔道中的流速U。充填砂在運動方向所受的推力Fx、和與運動方向垂直的升力Fz、統(tǒng)稱為水動力。砂粒本身重力FG。任何兩顆微粒之間、微粒與孔壁之問，總存在有相互吸引力，即范德華力FA。處于多孔介質(zhì)孔道中的充填砂，當(dāng)流體的流動速度不斷增加時，則砂粒受到的流體沖刷力會越來越大、當(dāng)達(dá)到某一流速時，水動力和雙電層斥力就會克服各種阻力，推動砂粒在孔道中隨流體運動，大砂粒會在孔喉處聚集，使?jié)B透率降低、小砂粒則會通過孔喉，進(jìn)入油井，引起油井出砂。表1－1不同粒徑對門限速度的影響由實驗得到的表中數(shù)據(jù)可看出，粒徑R越大，則砂粒的啟動速度VS越小，因為R越大、所受的水動力也越大，砂粒越容易起動。因此，出砂油層中如果顆粒較大的砂粒比例越多，則越容易引起油層出砂（在相同條件下）。表1－2不同孔隙度對門限速度的影響從表中實驗結(jié)果我們可以看出，油層孔隙度φ越大，則門限速度越大。其原因是，當(dāng)油層φ增大時，相當(dāng)于油層中孔道變多、或變大，在表觀視速度相同時，則流體的真實流速變小、水動力減小、故砂粒越不易起動。2.出砂預(yù)測技術(shù)理論及應(yīng)用由于出砂造成的危害極大，所以準(zhǔn)確的預(yù)測出砂是非常重要的，而出砂預(yù)測是一項復(fù)雜而又困難的工作，它涉及到多孔彈性介質(zhì)力學(xué)、巖石力學(xué)、流體力學(xué)、油田化學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的理論，且受地層力學(xué)性質(zhì)、流體性質(zhì)、完井及開采工藝等多種因素的影響和控制。出砂預(yù)測方法的發(fā)展經(jīng)歷了一個從簡單到復(fù)雜、從定性到定量的曲折發(fā)展過程。起初，人們是通過觀察巖心和分析初始生產(chǎn)動態(tài)資料來預(yù)測出砂，此為出砂預(yù)測方法發(fā)展的第一階段。經(jīng)過對巖石力學(xué)性質(zhì)如彈性模量、剪切模量等的認(rèn)識，找出一個地區(qū)不出砂的巖石特性臨界值來預(yù)測出砂是出砂預(yù)測方法發(fā)展的第二階段。該階段較為典型的方法是組合模量法和斯倫貝謝法。進(jìn)入八十年代后，出砂預(yù)測向?qū)嶒炇夷M研究和數(shù)值計算方向發(fā)展，從前兩個階段的定性研究轉(zhuǎn)向定量研究，可以得出油氣井不出砂時的臨界產(chǎn)量和臨界壓差，這一階段為第三階段。也是當(dāng)今油氣井出砂預(yù)測方法研究的主要方向。但是，這方面的研究還很不完善，出砂預(yù)測模型的發(fā)展歷史較短。Stein于1972年引入了第一個重要的基本概念，他將地層的剪切強(qiáng)度與油井出砂機(jī)理聯(lián)系起來，利用聲波測井及密度測井的數(shù)據(jù)來建立出砂井與分析井生產(chǎn)狀態(tài)之間的聯(lián)系。此法的局限性在于油井必須先進(jìn)行完井與測試，要求地層大量出砂后才能獲得可靠的數(shù)據(jù)，而未考慮到油藏壓力衰竭及產(chǎn)水對出砂的影響，并假定不存在油層損害，故其結(jié)果只能反映生產(chǎn)中的瞬時情況而無法預(yù)測將來的動態(tài)。Tixier（1975年）等人采用類似于Stein的方法，利用密度測井和聲波測井資料來分析評價當(dāng)前生產(chǎn)狀態(tài)下的油井出砂，但其得出的結(jié)果只能是定性的，且考慮的因素也有限。后來，Coates等人（1981年）提出了“砂巖強(qiáng)度”的測井模型，利用摩爾圓應(yīng)力分析的方法描述了出砂的可能性與井眼應(yīng)力狀態(tài)間的關(guān)系，可用于產(chǎn)水量不大的油井出砂預(yù)測。R.J.Selby等人于1988年進(jìn)行了模擬井眼及其生產(chǎn)環(huán)境的徑向流動實驗（薄壁巖心圓柱實驗），并得到了油井出砂受到油層壓力、流速、顆粒大小及形狀等因素的影響的實驗結(jié)果。Morita等人（1989年）的研究表明：利用目前的巖石力學(xué)理論分析模型可以定性地認(rèn)識各種油藏及生產(chǎn)工藝參數(shù)對不穩(wěn)定出砂、突發(fā)性大量出砂的影響，但對生產(chǎn)過程中的連續(xù)性出砂沒有得到高度的重視。出砂預(yù)測方法還有一種礦場出砂監(jiān)測的方法，它是根據(jù)油井的產(chǎn)砂數(shù)據(jù)與生產(chǎn)工藝參數(shù)建立擬合關(guān)系，用以預(yù)測油井出砂。目前存在單參數(shù)模型、雙參數(shù)模型和多參數(shù)模型等不同的預(yù)測模型，由于單參數(shù)模型只通過一個極限井深來預(yù)測油井是否出砂，它的預(yù)測結(jié)果偏于保守，而多參數(shù)模型由于需要長期監(jiān)測和記錄出砂數(shù)據(jù)，使用困難而受到限制。由Dussealt對彈孔周圍巖石的受力分析可知，彈孔周圍巖石的應(yīng)力分布既和原地應(yīng)力有關(guān)，又和流體的流動有關(guān)，要得到真實情況下的解析解幾乎是不可能的。為了進(jìn)行理論分析，研究者將彈孔的形狀簡化成理想狀態(tài)——彈孔前部為一柱狀，尾部為球形。國外出砂模擬試驗及理論研究結(jié)果均表明，針對不同的生產(chǎn)條件，彈孔前部的柱狀部分易產(chǎn)生剪切破壞出砂，而尾部的球狀部分流量大，易發(fā)生拉伸破壞出砂。具體來說，經(jīng)常采用的出砂預(yù)測方法有：孔隙度法、聲波時差法、出砂指數(shù)法、組合模量法、斯倫貝謝比法和巖石穩(wěn)定性力學(xué)分析法。2.1孔隙度法預(yù)測出砂地層的孔隙結(jié)構(gòu)與地層的膠結(jié)強(qiáng)度有關(guān)，膠結(jié)強(qiáng)度大小與儲層的埋深、膠結(jié)物的種類、膠結(jié)方式、地層顆粒尺寸形狀密切相關(guān)。理論研究結(jié)論表明膠結(jié)強(qiáng)度的物理量就是地層強(qiáng)度。一般來說，地層埋藏越深，孔隙度越小，地層強(qiáng)度就越高，泥質(zhì)膠結(jié)的膠結(jié)強(qiáng)度較差。研究表明，若地層巖石孔隙度大于30%時，極易出砂；孔隙度在24.6%~30%之間時，出砂減緩；小于20%時基本不出砂。2.2聲波時差法預(yù)測出砂利用地層的聲波時差Δtc值進(jìn)行出砂預(yù)測，是目前國內(nèi)外油田進(jìn)行出砂預(yù)測最普遍、效果比較好的方法之一。地層聲波時差值越大，表明地層孔隙度越高，地層膠結(jié)越疏松，生產(chǎn)中越容易出砂。但各油田采用的聲波時差門限值有所不同（因地層條件和其他影響因素千差萬別）。國內(nèi)外資料和現(xiàn)場應(yīng)用均表明，Δtc臨界值在312μs/m左右：Δtc<312μs/m為穩(wěn)定砂巖，不易出砂；Δtc>395μs/m為不穩(wěn)定砂巖，極易出砂；312μs/m<Δtc<395μs/m，地層可能出砂（輕微出砂），后面兩種情況一般需要考慮防砂措施。通過大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，勝利油田疏松砂巖油藏的Δtc臨界值大約為310μs/m。2.3出砂指數(shù)法預(yù)測出砂出砂指數(shù)法是利用測井資料中的聲速及密度等有關(guān)數(shù)據(jù)計算巖石力學(xué)參數(shù)，計算地層的出砂指數(shù)從而進(jìn)行出砂預(yù)測的一種方法。地層的巖石強(qiáng)度與巖石的剪切模量G、體積模量K之間具有良好的相關(guān)性。巖石的出砂指數(shù)定義為：(2-1)B值為出砂指數(shù)，B值越小，表明巖石強(qiáng)度越低。按勝利油田長期的生產(chǎn)實踐總結(jié)得到的出砂判定標(biāo)準(zhǔn)（經(jīng)驗值）為：當(dāng)B>2×104MPa時，油井正常生產(chǎn)不出砂；當(dāng)1.4×104MPa<B<2×104MPa時，油井正常生產(chǎn)時輕微或中等出砂；當(dāng)B<1.4×104MPa，油井正常生產(chǎn)嚴(yán)重出砂。經(jīng)過數(shù)千口井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗證，上述判識標(biāo)準(zhǔn)的符合率在90%以上。2.4組合模量法預(yù)測出砂組合模量法是采用聲波時差及密度等測井資料，計算巖石的彈性組合模量Ec。見式2－2：（2-2）式中：EC.為巖石彈性組合模量，MPa；EB為巖石彈性體積模量，MPa；ES為巖石彈性剪切模量，MPa；為地層巖石體積密度，g/cm3；為縱波聲波時差，μS/m。根據(jù)巖石的測井資料以及出砂史分析，EC值越小，出砂的可能性越大。即地層巖石體積密度越小，聲波時差值越大，地層膠結(jié)越疏松。根據(jù)勝利油田多年來的開發(fā)實踐，由勝利油田采油工藝研究院防砂中心對現(xiàn)場大量出砂油井的統(tǒng)計回歸研究，結(jié)果認(rèn)為：當(dāng)EC≥2.0×104MPa正常生產(chǎn)油層不出砂；1.4×104<EC<2.0×104MPa正常生產(chǎn)油層輕微出砂；EC<1.4×104MPa生產(chǎn)中油層出砂嚴(yán)重。2.5斯倫貝謝比法預(yù)測出砂斯倫貝謝法主要考慮剪切模量與體積模量的乘積值，斯倫貝謝比值越大，巖石強(qiáng)度越大，穩(wěn)定性越好而不易出砂，反之則易出砂。斯倫貝謝比R定義為：(2-3)式中：為巖石體積模量；為巖石切變模量；為巖石密度；為縱波波速；為橫波波速。表2—1油層出砂斯倫貝謝比經(jīng)驗門檻值參數(shù)（MPa）一般砂巖疏松地層堅硬地層R4.14×1038.97×10337.1×1062.76×1035.31×10314.7×106稍大于4.14×103高至27.6×103稍大于114×1062.6巖石穩(wěn)定性力學(xué)分析法在完井工程設(shè)計中，必須根據(jù)產(chǎn)層特性和各種工程要求來優(yōu)選完井方式，而在影響完井方式優(yōu)選的諸多因素中，有些需要作出定量判斷，這是確定采用防砂型完井還是非防砂完井的定量判定指標(biāo)，即“C”公式。C≥σMax對于垂直井：(2-4)對于水平井：(2-5)式中：C為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；υ為泊松比，無量綱；ρ為上覆巖石平均密度，g/cm3；g為重力加速度，m／s2；H為油層中部深度；mPs為原始地層壓力，MPa；Pwf為井底生產(chǎn)流壓，MPa；σmax為地層巖石承受的最大切向應(yīng)力，MPa。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的研究成果，井壁巖石所受的切向應(yīng)力是最大張應(yīng)力，因此可以得出：。根據(jù)巖石破壞理論，當(dāng)巖石的抗壓強(qiáng)度小于最大切向應(yīng)力時，即時，地層巖石不堅固，將會引起巖石的破壞而出骨架砂。3.出砂規(guī)律研究的理論基礎(chǔ)目前，對于出砂規(guī)律的研究，主要是利用測井資料（密度、聲波時差、泥質(zhì)含量、井徑等），計算巖石的強(qiáng)度參數(shù)，然后計算出砂指數(shù)并進(jìn)行判斷，進(jìn)而計算地層的臨界出砂生產(chǎn)壓差和臨界出砂產(chǎn)量、出砂量。3.1臨界出砂生產(chǎn)壓差的預(yù)測和計算依據(jù)所采用的參數(shù)的不同，臨界出砂生產(chǎn)壓差的預(yù)測方法有兩種，即依據(jù)巖心實驗室數(shù)據(jù)進(jìn)行單點預(yù)測和依據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)預(yù)測，臨界出砂生產(chǎn)壓差預(yù)測的理論依據(jù)是：隨著井底壓力的降低，炮孔周圍的巖石的塑性變形量超過巖石的極限變形量，巖石顆粒將從炮孔表面脫落下來，造成出砂；臨界出砂生產(chǎn)壓差的連續(xù)預(yù)測：為了對一口井的整個油層進(jìn)行出砂預(yù)測，這里采用了單軸抗壓強(qiáng)度法，單軸抗壓強(qiáng)度法認(rèn)為，當(dāng)生產(chǎn)壓差超過巖石單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）的1/2時，油氣井開始出砂，即極限生產(chǎn)壓差為：ΔPc=UCS/2(3-1)通過測井?dāng)?shù)據(jù)獲得單軸抗壓強(qiáng)度后，即可求出極限生產(chǎn)壓差隨井深變化的剖面。3.2臨界出砂產(chǎn)量的預(yù)測和計算依據(jù)所采用的參數(shù)的不同，臨界出砂產(chǎn)量的預(yù)測方法有兩種，即依據(jù)巖心實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行單點預(yù)測和依據(jù)測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)預(yù)測，臨界出砂產(chǎn)量預(yù)測的理論依據(jù)是：炮孔周圍流體的壓力梯度過高，在炮孔周圍產(chǎn)生誘導(dǎo)拉伸應(yīng)力，使巖石顆粒從炮孔表面剝落下來，造成出砂。極限產(chǎn)量的連續(xù)預(yù)測公式為：(3-2)其中：Qc、K、C、r、φ、μ分別為極限產(chǎn)量、巖心滲透率、巖心內(nèi)聚力、彈孔半徑、巖心內(nèi)摩擦角和流體粘度。若已知彈孔半徑及巖心中流體的粘度和巖心的滲透率，將測井?dāng)?shù)據(jù)計算出的巖石內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ代入上述公式，即可獲得極限產(chǎn)量隨井深變化的剖面。3.3出砂量的預(yù)測和計算在油氣開采過程中，由于地層壓力的衰竭，當(dāng)井底壓力低于某一臨界值時，油氣井開始產(chǎn)砂。產(chǎn)砂雖然會給油氣生產(chǎn)帶來很多麻煩，但是一定量的產(chǎn)砂能夠改善地下滲流環(huán)境，增大油氣井產(chǎn)能，尤其是對一些松散砂巖地層的稠油油氣藏進(jìn)行冷采時，無砂生產(chǎn)的產(chǎn)量幾乎沒有任何經(jīng)濟(jì)價值。因此，準(zhǔn)確的預(yù)測出砂量，為制定合理的油氣開采（模式）方案提供理論指導(dǎo)，將產(chǎn)砂量控制在既不影響油氣井正常生產(chǎn)，又能最大限度的增加產(chǎn)能的范圍內(nèi)，是十分必要的。為了解決出砂量的預(yù)測問題，研究者提出了很多經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，如根?jù)某一區(qū)塊油氣井的出砂歷史與生產(chǎn)參數(shù)和測井參數(shù)間的關(guān)系建立起來的單參數(shù)或多參數(shù)回歸模型。雖然經(jīng)驗公式也能很好的預(yù)測出砂量，但是經(jīng)驗公式的建立需要大量的生產(chǎn)實踐資料；因此，它不適用于剛投產(chǎn)的新區(qū)塊。另外，經(jīng)驗公式中只含有限個參數(shù)，而其它參數(shù)的穩(wěn)定性也直接影響計算精度。這樣一來，經(jīng)驗公式的適用范圍就受到了很大限制，這里介紹兩種出砂量預(yù)測模型。M.B.Geilikman和M.B.Dusseault在他們的文章中分析了塑性區(qū)的性質(zhì)極其與出砂量的關(guān)系，他們認(rèn)為，出砂主要是由于塑性區(qū)的發(fā)展引起的；出砂后塑性區(qū)的巖石材料與彈性區(qū)的巖石材料相比，孔隙度明顯增大。造成孔隙度增大的主要原因是巖石屈服后材料發(fā)生微破壞造成的。由于流動流體的存在，微破壞產(chǎn)生的巖石顆粒被流體帶入井眼，隨油氣產(chǎn)出。B.Geikman和M.B.Dusseault采用物質(zhì)平衡法得出如下出砂量的物理方程：(3-3)式中：Sc為累積出砂量；y、I分別為塑性區(qū)和彈性區(qū)的孔隙度；R、rw分別為塑性區(qū)半徑和井眼半徑。從上式可以看出，出砂量的預(yù)測模式最終目的歸結(jié)為塑性區(qū)半徑的確定。由現(xiàn)場實踐可知，油氣井出砂主要集中在油氣開采的初始階段，即不穩(wěn)定開采階段。如果確定了這一階段的塑性區(qū)變化規(guī)律，就能解決出砂量的預(yù)測問題。由于塑性區(qū)半徑的計算十分復(fù)雜，M.B.Dusseault等人給出了一種簡化方法：(3-4)式中：RM為塑性區(qū)終止發(fā)展時的半徑；為巖石內(nèi)摩擦系數(shù)；Pc為井底周圍巖石開始屈服時的壓力；b為滲流體力系數(shù)；c為巖石膠結(jié)強(qiáng)度。YarlongWang（1997）在分析含氣油層開采過程中井眼周圍應(yīng)力應(yīng)變分布的基礎(chǔ)上，提出了一種計算出砂量的方法。他認(rèn)為，出砂過程中，井徑保持不變，井眼周圍巖石骨架的切向變形量即為出砂量。即：(3-5)式中：S為出砂量；n為巖石孔隙度；a為井眼半徑；e、p為彈、塑性區(qū)的變形分量。除了以上這些理論模型外，還有其它一些模型，其研究方法和上述模型基本相似。將這些模型綜合起來看，它們有著很多共同之處。出砂的理論研究往往將巖石看成是理想彈塑性材料，用Mohr—Coulomb屈服準(zhǔn)則描述材料的屈服特性；將彈孔看成是理想的球狀孔穴或柱狀孔穴，處在均勻地應(yīng)力之下；將地層流體的滲流看成是穩(wěn)定或準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)的達(dá)西滲流。出砂理論分析的這些觀點和井下的實際情況有著很大的差異，因此在工程實際應(yīng)用時應(yīng)進(jìn)行修正。4.防砂方法和工藝技術(shù)綜述4.1機(jī)械防砂技術(shù)國外油氣井防砂工藝最初采用限產(chǎn)的辦法控制出砂，1932年開始采用礫石充填方法。目前國內(nèi)外在油氣井防砂方面主要以機(jī)械防砂為主，其中繞絲篩管礫石充填工藝經(jīng)過不斷的完善和發(fā)展，到80年代已發(fā)展成為一項較為成熟的技術(shù)，國外著名的公司都擁有自己專門的防砂器材、設(shè)備和施工工藝，從礫石充填工具、封隔器、濾砂管、泵送設(shè)備到施工液、化學(xué)藥劑、技術(shù)咨詢、現(xiàn)場服務(wù)等形成一條龍服務(wù)。隨著油田的進(jìn)一步開發(fā)，現(xiàn)在國外又相繼研究開發(fā)出各種類型的濾砂管和各種防砂工藝技術(shù)。近年來，國內(nèi)機(jī)械防砂工藝技術(shù)發(fā)展較快，主要應(yīng)用區(qū)域集中在東部油區(qū)，以勝利、大港、遼河及海洋公司為主。4.1.1繞絲篩管礫石充填防砂該方法具有防砂強(qiáng)度高，成功率高，有效期長，適應(yīng)性好的特點，經(jīng)過數(shù)十年研究、應(yīng)用和發(fā)展，技術(shù)十分成熟。該方法防砂原理可參見圖4—1。在井眼內(nèi)（裸眼或套管內(nèi)）正對出砂地層下入金屬全焊接繞絲篩管，然后泵入礫石砂漿于篩管和井眼環(huán)空，如果是套管射孔完成井，還要將部分礫石擠入彈孔和周圍地層內(nèi)，利用充填礫石的橋堵作用來阻止地層砂運移，而充填礫石又被阻隔于篩管周圍。這種多級過濾屏障，保證油流沿充填體內(nèi)多孔系統(tǒng)經(jīng)過篩管被源源不斷地舉升至地面，而地層砂則被控制在地層內(nèi)，實現(xiàn)油井長期生產(chǎn)又不出砂或輕微出砂。其主要特點是：——防砂強(qiáng)度高套管內(nèi)、外密實的礫石充填體阻止地層骨架砂運移，而金屬繞絲篩管本身強(qiáng)度很大，滲流面積大，通過篩縫的流動阻力小。所以，該過濾系統(tǒng)能承受較大的生產(chǎn)壓差而阻止地層出砂。——有效期長由于防砂強(qiáng)度高，不銹鋼繞絲篩管耐腐蝕，礫石的化學(xué)性能穩(wěn)定，篩管和充填體過濾體系無運動部件，砂粒被阻隔于系統(tǒng)之外，因此，系統(tǒng)可以保證長期安全生產(chǎn)?！m應(yīng)范圍廣由于防砂機(jī)理是多級過濾，多年的發(fā)展，使技術(shù)成熟，可供選擇的工藝方式很多，因而對地層，油井適應(yīng)性很好。不管井段長短，地層流體特性，無論直井、斜井、常規(guī)井、熱采井，單層完成或多層完成均可獲得成功。但對粉細(xì)砂巖要慎用，因極細(xì)的地層砂可能侵入充填體內(nèi)造成堵塞使防砂失效?！a(chǎn)能損失相對較小傳統(tǒng)的防砂方法都不可避免地帶來油井的產(chǎn)能損失，正常的管內(nèi)礫石充填產(chǎn)能損失約30%，采取有效的補(bǔ)救措施后，產(chǎn)能損失可降至15%左右。本技術(shù)主要缺陷是：井底留有篩管/礫石系統(tǒng)，防砂一旦失效時，后期處理（大修）困難，費用較高。（2）適用范圍及選井條件——不宜用于粉細(xì)砂巖（d50<0.07mm）；——套管直徑小于5in的小井眼施工較困難；——對于多層系油藏，若油田開發(fā)方案要求經(jīng)常調(diào)換層系開采的油井慎用；——注水井和水平井應(yīng)用較少，尚待研究；——進(jìn)行火燒油層采油的特稠油油藏不宜使用。除以上條件外，絕大部分油氣井和地層都適宜采用礫石充填防砂技術(shù)。4.1.2濾砂管防砂由于濾砂管防砂施工工藝簡單，不進(jìn)行礫石充填作業(yè)，無需大型防砂（泵送）設(shè)備，以及施工成功率較高等特點，目前國內(nèi)外在這方面發(fā)展很快，不同過濾材料和結(jié)構(gòu)的新產(chǎn)品新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，滿足了不同類型油井防砂的需要。（1）雙層預(yù)充填繞絲篩管利用同心的雙層繞絲篩管組焊在一起，其環(huán)空內(nèi)預(yù)先充填好密實的（已固化）涂層礫石，中心是中心管，其復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠形成多層擋砂屏障，防止地層砂進(jìn)入生產(chǎn)井筒。內(nèi)外篩管的尺寸、縫隙以及與充填礫石層的厚度，礫石尺寸都是根據(jù)地層及油井的實際情況確定，由地面預(yù)制后再下入井中正對出砂地層。其特點是：礫石充填及高溫膠結(jié)（固化）在地面完成，質(zhì)量有保證，篩管的抗壓強(qiáng)度高，滲透率高，有效面積大，施工簡單，作業(yè)周期短。（2）金屬棉濾砂管防砂將一定長度的纖維狀不銹鋼絲按一定的要求鋪制成一定密集度的金屬棉防砂濾體，將濾體卷成圓柱形，牢牢地固定在帶孔的中心管和護(hù)管之間，再經(jīng)過焊接制成金屬棉濾砂管。濾砂管和井下配套器具一并下入油層出砂部位，當(dāng)含砂流體通過護(hù)管流經(jīng)濾體進(jìn)入中心管時，油層砂被擋在濾體之外，從而達(dá)到了防砂的目的。該濾砂體具有滲透性好(Ｋ>100m2)、強(qiáng)度高、耐高溫(>350℃)的特點，適用于泥質(zhì)含量<20%，油層砂粒度中值≥0.1mm的疏松砂巖油藏油井的先期、早期和后期防砂，可用于蒸汽吞吐熱采井的防砂。（3）可膨脹割縫管一種新式可膨脹割縫管（EST）1995年8月在Oman油田通過現(xiàn)場試驗，膨脹的割縫管與篩網(wǎng)組合將防砂篩網(wǎng)緊貼近射孔套管，支撐和壓緊篩網(wǎng)而共同起到防砂作用。這種防砂管柱的優(yōu)點有：（1）可用于直井、斜井，尤其對水平裸眼完井防砂效果更理想。（2）因篩網(wǎng)受壓，緊靠在套管射孔孔眼上，可防止地層砂隨油流流入井筒，造成地層虧空，故可保持地層的支撐作用，起到很好的防砂效果，這種防砂方法尤其適用于油井先期防砂。（3）該方法的最大優(yōu)點是后期處理簡單。它只需從EST的一端拉拔，割縫管便可收縮到原有直徑，使用撈矛即可將防砂管柱起出井筒。（4）多層濾膜組合篩管該類篩管是美國Pall公司研制成功的，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場。該濾砂管的技術(shù)優(yōu)勢在于：①中心管金屬網(wǎng)及外管之間零間隙的緊湊結(jié)構(gòu)使其外徑較小，可應(yīng)用于側(cè)鉆的小井眼防砂和過油管防砂（補(bǔ)救處理）。②獨立的多層濾膜結(jié)構(gòu)及韌性材料，使之在嚴(yán)重機(jī)械變形的情況下也不會影響其防砂效果。③該結(jié)構(gòu)具有較大的柔性，抗彎曲能力好，適用于水平井及大斜度井防砂。④該結(jié)構(gòu)不易堵塞，濾砂管滲透率高，生產(chǎn)壓差小，生產(chǎn)能力強(qiáng)。⑤該濾砂管抗腐蝕能力好，可承受較高的拉應(yīng)力，適合不同類型的油氣井防砂。（5）雙層半剖面繞絲篩管為了解決水平井或大斜度井礫石充填中篩管上部充填不密實而使防砂失敗的難題，Spatin等人研制開發(fā)出這種新型濾砂管，由中心管和兩層環(huán)形套組成，環(huán)形管一半是繞絲篩管，另一半是完體管。外套與內(nèi)套交錯焊接在帶孔中心管上，并沿內(nèi)外環(huán)形套安裝一個遮擋板，從而在交錯體內(nèi)產(chǎn)生一曲線流道，以減少地層砂的堵塞。（6）金屬氈濾砂管該種濾砂管是1998年3月為埕島油田海上雙管注水井防砂而研制的。其原理為在帶孔中心管外纏繞鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)外再均勻輔墊金屬絲，呈氈狀，然后在氈外纏扎鋼絲網(wǎng)，再套入帶孔套管（外管）內(nèi)，兩端密封，并將中心管與套管焊接在一起，利用不銹鋼絲網(wǎng)與金屬氈阻擋地層砂的反吐。達(dá)到注水防砂的目的。技術(shù)指標(biāo)及工藝特點為：①該注水防砂管中心管內(nèi)徑Φ=100mm，通徑較大，適應(yīng)大注入量的要求。②可用在油井防砂，特別在一次防砂失敗后，可在中心管內(nèi)再下入小直徑的金屬氈濾砂管，不動原防砂管柱而進(jìn)行二次防砂。③在雙管注水防砂井中，利用配套管柱可實現(xiàn)兩個層段同時注水防砂。（7）陶瓷濾砂管陶瓷濾砂管的防砂原理是利用燒結(jié)形成的多孔陶瓷管阻擋地層砂的侵入。擋砂精度和滲透率可通過選擇陶粒粒徑和燒制工藝來控制，其結(jié)構(gòu)與環(huán)氧樹脂濾砂管大致相同，所不同的是在陶瓷管外又加了一層割縫套管（保護(hù)外套），避免下井時因碰撞而損壞濾砂管，同時也提高了濾砂管的強(qiáng)度。由于陶瓷材料的耐高溫穩(wěn)定性極好，故它特別適用于注蒸汽熱采井防砂。（8）環(huán)氧樹脂砂粒濾砂管防砂選用具有良好粘結(jié)性能的環(huán)氧樹脂為膠結(jié)劑，同經(jīng)過篩選的石英砂按比例混合，在一定的條件下固結(jié)成型，制成具有較高強(qiáng)度和滲透性的濾砂器，與配套器具組合下入油層出砂部位，阻擋地層砂進(jìn)入井筒，防止油井出砂。適用條件是井斜小于3°、套管無變形和破損、油層砂粒度中值>0.1mm、泥質(zhì)含量<20%、地層溫度低于80°的油井。（9）粉末冶金濾砂管防砂該方法選用不同顆粒度的銅合金為基本原料，按一定比例混合后在高溫下燒結(jié)成具有較高強(qiáng)度和滲透性的濾砂器。該方法具有耐高溫、耐腐蝕、強(qiáng)度大、滲透性好、施工簡單、成功率高等特點，適用于油井早、中、后期防砂，亦可用于注蒸汽稠油井防砂。適用于油層泥質(zhì)含量<10%、油層砂粒度中值>0.07mm的油井防砂。4.1.3割縫襯管防砂割縫襯管防砂技術(shù)簡單實用，重復(fù)利用率高，適用于油層出砂中等、地層虧空不大的油井防砂，要求油層套管無破裂或嚴(yán)重變形；防砂井段不太長(一般不超過30m)的油井；也可適用于注蒸汽熱采井及原油粘度小于3000mPa·s的（冷采）油井防砂，對疏松砂巖稠油油藏用割縫管進(jìn)行注汽前一次性防砂，避免了繞絲篩管結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大修率高、濾砂管又易破損、熱采井防砂修井時間長等一系列問題。割縫襯管的形式分為：縱向割縫和橫向割縫(縱向縫較常見)，其縫的結(jié)構(gòu)主要有平行式和楔縫式。——割縫的形狀縫眼的剖面呈梯形，梯形兩斜邊的夾角與襯管承壓大小及流通量有關(guān)，一般為12°左右。梯形大的底邊應(yīng)為襯管內(nèi)表面，小的底邊應(yīng)為襯管外表面。這種外窄內(nèi)寬的形狀可以避免砂?？ㄋ涝诳p眼內(nèi)而堵塞襯管，具有“自潔”作用?！p口寬度梯形縫眼小底邊的寬度稱為縫口寬度。割縫襯管防砂的關(guān)鍵就在于如何正確地確定縫口寬度。根據(jù)實驗研究，砂粒在縫眼外形成“砂橋”的條件是：縫口寬度不大于需阻擋砂粒直徑的兩倍。割縫襯管防砂完井方式是重要的完井方式之一。它既起到裸眼完井的作用，又防止了裸眼井壁坍塌造成井筒堵塞，同時在一定程度上起到防砂作用，由于這種完井方式工藝簡單，操作方便，成本低，故多在一些出砂不嚴(yán)重的中粗砂粒油層中廣泛使用。表4－1割縫襯管完井套管、鉆頭、襯管匹配情況技術(shù)套管裸眼井段鉆頭割縫襯管公稱尺寸in套管外徑mm公稱尺寸in鉆頭外徑mm公稱尺寸in襯管外徑mm7177.861525~51/2127~14085/8219.171/219051/2~65/8140~16895/8244.581/221665/8~75/8168~194103/4273.195/8244.575/8~85/8194~2194.2化學(xué)防砂技術(shù)油井化學(xué)防砂在19世紀(jì)60年代應(yīng)用較為廣泛，到了70年代以后，隨著繞絲篩管礫石充填技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，化學(xué)防砂的主導(dǎo)地位開始逐漸下降，但由于這種技術(shù)具有以下優(yōu)點，目前仍在國內(nèi)外廣泛采用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，化學(xué)防砂技術(shù)表現(xiàn)出較好的發(fā)展勢頭。近年來，國外興起了多種新型的化學(xué)防砂方法，如高能氣體樹脂防砂。微生物固砂等，對于蒸汽吞吐和蒸汽驅(qū)類油井，國外正在研究耐高溫性能更好的樹脂和其它化學(xué)膠結(jié)劑。另外，適合與定向井、水平井、淺海地區(qū)探井及生產(chǎn)井的化學(xué)防砂方法是有待研究的新問題。從總體來看，根據(jù)防砂需要，研究價廉、適用、高效的新型化學(xué)防砂方法成為開發(fā)疏松砂巖油田的重要趨勢。（1）化學(xué)防砂的油井，井筒內(nèi)不留任何機(jī)械物質(zhì)，這非常適用于多層完井作業(yè)中的上部地層的完井處理；（2）后期修井作業(yè)簡單，費用低，無需套銑、打撈之類的工藝程序；（3）地層膠結(jié)防砂作業(yè)可以在無鉆機(jī)或修井機(jī)的情況下進(jìn)行，可利用原生產(chǎn)油管、無須起下管柱而直接進(jìn)行地層膠固處理?；瘜W(xué)防砂方法種類繁多，化學(xué)膠結(jié)劑從無機(jī)物到有機(jī)物，膠結(jié)機(jī)理各不相同，并形成了配套的施工工藝。4.2.1樹脂砂漿防砂環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂、呋喃樹脂等都已成功地用于油田防砂，除直接往地層注入樹脂液外，還可以使樹脂液在地下合成進(jìn)行防砂，如：酚醛溶液地下合成防砂就是將加有催化劑的苯醛與甲醛按一定比例混合均勻后注入地層，在地層溫度下逐漸形成樹脂并粘附于砂子表面，固化后使地層膠結(jié)牢固，從而防止出砂。將液態(tài)樹脂注入地層，在油層溫度下使之在地層砂粒表面逐漸固化，在砂粒接觸點形成膠結(jié)狀態(tài)，從而阻止砂粒進(jìn)入油井。國外多采用呋喃樹脂防砂。呋喃樹脂除了應(yīng)用于常規(guī)油井防砂外，也用于氣井防砂和熱采井防砂。4.2.2涂敷砂防砂在油田開發(fā)進(jìn)入中后期，隨著大量出砂地層虧空嚴(yán)重，此時防砂施工要求向虧空的地層擠入大量充填材料——地層預(yù)充填，以提高防砂效果。因而，涂敷砂防砂技術(shù)作為油井后期防砂的重要手段應(yīng)運而生，并取得迅猛發(fā)展。利用在地面工廠內(nèi)預(yù)制的涂料砂——即在石英砂粒涂敷一層極薄的熱固性塑料，干燥篩選后呈單顆粒分散狀態(tài)，利用低傷害攜砂液將涂料砂泵送至出砂地層，填滿擠實后關(guān)井，在地層溫度條件下（或在催化劑作用下），涂料砂粒固結(jié)形成一個滲透性較好的人工井壁，從而阻止地層出砂（見圖4－11）。通過研究和應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)它具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢：（a）通過高壓向地層虧空帶注入高滲透涂料并固結(jié)，形成堅固的人工井壁，可以完全阻止地層砂運移；（b）井筒內(nèi)不留下任何機(jī)械裝置，十分有利于后期補(bǔ)救性防砂或處理作業(yè)；（c）對于機(jī)械（過濾）防砂所不能勝任的粉細(xì)砂巖油層（但井段不宜太長）具有良好的防砂效果；（d）特別適用于油井中后期，地層嚴(yán)重出砂的油井防砂（對油井含水無特殊要求）。由于具有上述優(yōu)勢，當(dāng)油田開發(fā)進(jìn)入開發(fā)中后期——20世紀(jì)80年代，涂料砂防砂技術(shù)異軍突起。形成廣闊的戰(zhàn)場，很快成為一種新的化學(xué)防砂技術(shù)。經(jīng)過近二十年的發(fā)展應(yīng)用，該技術(shù)已經(jīng)成熟，形成工業(yè)生產(chǎn)能力，表現(xiàn)為：（a）涂敷砂產(chǎn)品已實現(xiàn)規(guī)格系列化和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化；（b）施工設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，工藝參數(shù)優(yōu)化；（c）施工設(shè)備齊全、配套；（d）低傷害工作液設(shè)計及現(xiàn)場配制。對于已進(jìn)入高含水階段開發(fā)的疏松砂巖油田，該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。該技術(shù)的缺陷是：目前施工井段不宜過長（以小于20m為宜），若太長可能涂敷砂在縱向剖面上分布不均導(dǎo)致防砂失敗（這依賴于開發(fā)分層（段）防砂工具后加以解決）。其次，涂敷砂固結(jié)強(qiáng)度不穩(wěn)定，質(zhì)量有待提高（可通過改善配方和地面預(yù)制工藝加以克服）。目前涂敷砂防砂已是勝利油田化學(xué)防砂的主導(dǎo)技術(shù),占化學(xué)防砂的50%以上。目前，在常溫涂敷砂技術(shù)的基礎(chǔ)上，涂敷砂技術(shù)又發(fā)展了低溫涂敷砂防砂工藝和高溫涂敷砂防砂工藝。（a）低溫涂敷砂防砂技術(shù)低溫涂敷砂防砂工藝主要是針對勝利油田的某些油層溫度低于50℃的特點，而研制出在30℃條件下具有較高固結(jié)強(qiáng)度的低溫涂敷砂防砂工藝。目前勝利油田防砂中心及其它單位已開發(fā)出低溫涂敷砂產(chǎn)品，已在尚、林油田應(yīng)用。尚、林油田地層溫度低，易出砂，地層砂粒度中值較小（平均0.09mm~0.11mm），在室內(nèi)試驗基礎(chǔ)上，1998年~2000年共實施涂敷砂防砂27口井,取得了較好的防砂效果。（b）高溫涂敷砂防砂技術(shù)傳統(tǒng)的注蒸汽井采用金屬繞絲篩管礫石充填防砂技術(shù)，由于存在很多問題——如有效期短，后期處理困難，致使總體生產(chǎn)成本較高，效益下降。為解決這一問題，試圖用化學(xué)方法來解決高溫注汽井的防砂問題，于是開發(fā)了高溫涂敷砂防砂技術(shù)及產(chǎn)品。原理與傳統(tǒng)的涂敷砂防砂相同?！夹g(shù)優(yōu)點防砂結(jié)束后，井筒內(nèi)無任何機(jī)械裝置，采取后期補(bǔ)救性作業(yè)措施簡便、容易，降低了成本；涂敷砂膠固后，具有足夠的強(qiáng)度（3MPa~7MPa）又保持較高的滲透率（50μm2）；涂敷砂耐溫350℃，能滿足高溫蒸汽熱采井高溫及高產(chǎn)的要求；向地層內(nèi)擠入高溫涂敷砂實現(xiàn)地層預(yù)充填，有利于延長防砂有效期；施工比繞絲篩管礫石充填更便捷。——高溫涂敷砂技術(shù)性能指標(biāo)勝利油田采油工藝研究院生產(chǎn)的高溫涂敷砂產(chǎn)品技術(shù)性能見表4－2。表4－2高溫涂敷砂的性能指標(biāo)規(guī)格mm抗壓強(qiáng)度MPa液相滲透率μm2擋砂精度mm膠結(jié)介質(zhì)pH值的影響pH<6pH=6~9pH>90.30~0.6065℃250℃350℃500.07~1加速固結(jié)正常固結(jié)阻止固結(jié)≥3.5≥7.0≥3.04.2.3干灰砂防砂這是勝利油田獨創(chuàng)的一種防砂技術(shù)，對于多油層高含水井，兼有防砂和堵水雙重功能，尤其適用于高含水階段油井后期防砂，加上施工原材料價格低廉，很有發(fā)展?jié)摿Α⒘６冗m當(dāng)?shù)氖⑸昂退喟匆欢ū壤旌暇鶆蚝?，用水將干灰砂泵入出砂層段，擠飽填實已出砂的虧空地層，在油層溫度下，灰砂固結(jié)后形成具有一定滲透和擋砂強(qiáng)度的人工井壁，達(dá)到阻止地層出砂的目的。對于多油層油井，主力出水層往往是嚴(yán)重的出砂部位（即特高滲透層），在施工中，灰砂自動選擇性地擠入高含水層（嚴(yán)重出砂層），由于水泥的不透水性，對高含水層產(chǎn)生一定的堵塞，直接降低了油井含水，故該技術(shù)具有防砂和堵水的雙重作用。該技術(shù)有以下特點：（a）獨具防砂和堵水雙重功效，這是其它防砂方法無法替代的，特別適用于多油層的高含水出砂油井；（b）防砂原材料源廣價廉，施工簡便，具有明顯的成本優(yōu)勢；（c）本質(zhì)上屬于膠固地層類化學(xué)防砂，井筒內(nèi)不留下任何機(jī)械裝置，便于后期補(bǔ)救性作業(yè)處理；（d）可與其它機(jī)械防砂方法結(jié)合使用（如繞絲篩管或濾砂管）形成復(fù)合防砂技術(shù)，提高擋砂強(qiáng)度和防砂成功率（對嚴(yán)重出砂井）；（e）是目前在注水井上應(yīng)用最廣泛的防砂技術(shù)。隨著油田綜合含水不斷上升，出砂日益加劇，防砂難度增加，需對現(xiàn)有典型技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展和改造，以適應(yīng)地層和井況的新變化，滿足特高含水階段油井防砂和采油的需要。4.3復(fù)合防砂技術(shù)油田逐步進(jìn)入特高含水階段，由于地層條件發(fā)生很大變化及采液量不斷增加等諸多因素導(dǎo)致出砂日益嚴(yán)重。很多油井如僅采用一種防砂方法施工，往往不能奏效。于是，人們開始考慮將兩種（或兩種以上）的防砂方法相結(jié)合——這就是“復(fù)合防砂技術(shù)”的概念。所謂復(fù)合防砂就是將機(jī)械防砂和化學(xué)防砂結(jié)合起來，以控制油氣井出砂的一種防砂工藝技術(shù)。該方法綜合運用了化學(xué)固砂與機(jī)械擋砂相結(jié)合的原理，阻止地層砂隨生產(chǎn)油氣流采出而堵塞井筒，達(dá)到防砂目的。復(fù)合防砂一般首先在射孔段的出砂油層部位，通過樹脂固砂或向射孔孔眼內(nèi)及周圍地層中擠注涂層礫石，形成具有高滲透性和高強(qiáng)度的人工井壁；然后在油氣井井筒內(nèi)下入機(jī)械濾砂管或進(jìn)行繞絲篩管礫石充填，利用化學(xué)與機(jī)械防砂的結(jié)合，形成多級擋砂屏障體系，以有效地防止油氣層出砂、保證油氣井正常生產(chǎn)。復(fù)合防砂工藝技術(shù)主要是針對出砂嚴(yán)重的老井，地層虧空大，粉細(xì)砂巖油藏的防砂技術(shù)。其擋砂強(qiáng)度更高，防砂更可靠，有效期也更長。復(fù)合防砂的思路是內(nèi)外結(jié)合，多級屏障。即在油井井筒之外對地層進(jìn)行膠固，在油井內(nèi)再用機(jī)械裝置阻擋地層砂。目前現(xiàn)場應(yīng)用的最廣泛的復(fù)合防砂技術(shù)組合形式包括：——涂料砂+濾砂管；——涂料砂+繞絲篩管礫石充填；——干灰砂+濾砂管；——干灰砂+繞絲篩管礫石充填；——涂料砂+割縫管礫石充填。復(fù)合防砂技術(shù)發(fā)揮了單一防砂技術(shù)的優(yōu)勢，揚長避短，相互補(bǔ)充。要根據(jù)地層條件選擇最佳的技術(shù)組合，這是復(fù)合防砂技術(shù)成功的關(guān)鍵。復(fù)合防砂工藝技術(shù)特點：——擋砂精度高、防砂效果好，可以阻擋0.02mm以上的粉細(xì)砂；——可承受較高的采液強(qiáng)度和較大的生產(chǎn)壓差；——施工成功率高，防砂有效期長；——施工工序復(fù)雜，作業(yè)成本高，后期處理較困難。適用范圍——非均質(zhì)性嚴(yán)重的細(xì)砂巖及粉細(xì)砂地層；——出砂特別嚴(yán)重的油、氣、水井；——油、氣、水井的中后期防砂；——產(chǎn)液（氣）量大，采液強(qiáng)度較高的油、氣、水井防砂；——薄層、夾層多的油氣井防砂；——常規(guī)井及注蒸汽熱采井防砂。復(fù)合防砂工藝技術(shù)先后在勝利油田的孤島、孤東、濱南等采油廠應(yīng)用，主要應(yīng)用于粉細(xì)砂油氣井和稠油熱采井，取得了良好效果。目前勝利油田復(fù)合防砂井次約占23%。由于采用復(fù)合防砂技術(shù)，使一些原來單一防砂方法無法奏效的井重新恢復(fù)了活力，但在油田開發(fā)的特高含水階段，防砂成本較高。4.4防砂方法的選擇——技術(shù)適應(yīng)性評價和經(jīng)濟(jì)評價油、氣井投入開發(fā)之前，需結(jié)合油田的具體情況選擇防砂方法和確定防砂措施。通常應(yīng)綜合考慮下述因素：（1）完井類型完井類型分裸眼防砂和管內(nèi)防砂。原油粘度偏高，地質(zhì)條件相對簡單，地層砂具有一定膠結(jié)強(qiáng)度的產(chǎn)層可以考慮采用裸眼防砂，以改善井底滲流條件，提高油氣產(chǎn)量；而地層條件復(fù)雜，含油水、氣、泥巖夾層的井應(yīng)考慮采用管內(nèi)防砂（即在套管射孔井完成防砂）。（2）完井井段長度機(jī)械防砂一般不受井段長度的限制。夾層較厚的井，可考慮分層防砂?；瘜W(xué)防砂只能在薄層進(jìn)行。（3）井筒和井場條件小井眼、異常壓力井及雙層完井的上部地層適用化學(xué)膠結(jié)防砂方法。溫度對化學(xué)防砂有直接影響，應(yīng)注意井筒的溫度范圍，老油井一般不適合采用化學(xué)防砂方法，無鉆機(jī)或修井機(jī)的井場條件的井不能進(jìn)行機(jī)械防砂。（4）地層砂物性化學(xué)防砂對地層砂粒度范圍適應(yīng)性較好，膨脹式封隔器適用于泥質(zhì)低滲透產(chǎn)層，礫石充填對地層滲透率的均勻性要求不高。（5）產(chǎn)能無論選擇哪一種防砂方法，要想得到有效的防砂效果又不至于過分的影響產(chǎn)能，就必須進(jìn)行合理的設(shè)計和施工。一般來說，砂拱防砂對產(chǎn)能的影響最小，但難以保持砂拱的穩(wěn)定性。裸眼防砂能建立起較高的、穩(wěn)定的產(chǎn)能水平，有條件時應(yīng)盡量采用。（6）費用從施工成本考慮應(yīng)該選擇最經(jīng)濟(jì)的防砂方法，但是更重要的是應(yīng)該考慮綜合的經(jīng)濟(jì)效果。在進(jìn)行防砂設(shè)計時，應(yīng)全面分析已經(jīng)掌握的油、氣井資料，綜合考慮上述因素，權(quán)衡利弊進(jìn)行篩選。表4－3防砂方法優(yōu)選表比較項目防砂方法篩管篩管＋礫石充填樹脂固沙樹脂涂層礫石膨脹式封隔器適用地層砂尺寸中-粗細(xì)-粗細(xì)粉-中各種尺寸各種尺寸泥質(zhì)低滲透地層————適用非均質(zhì)地層適用適用—適用適用多油層適用適用適用適用井段長度短-長短-長<3m<10m6～12m無鉆機(jī)或修井機(jī)——適用——高壓井——適用—適用高產(chǎn)井—適用適用—適用裸眼井—適用—適用適用熱采井—適用—適用—嚴(yán)重出砂井—適用適用適用適用斜井適用適用適用適用適用老油井適用適用—適用適用套管完井適用適用適用適用—套管直徑常規(guī)常規(guī)小-常規(guī)小-常規(guī)小-常規(guī)井下留物有有無無無費用低中高中—高低成功率高高低－中中－高中－高有效期短很長中－長很長很長4.5防砂工藝技術(shù)的新進(jìn)展4.5.1高壓水充填——PS防砂技術(shù)PS防砂技術(shù)是勝利油田獨創(chuàng)的一種防砂技術(shù)，即在地層進(jìn)行人工造縫后進(jìn)行礫石充填防砂，其基本原理就是在近井地帶填入充足的礫石，形成新的擋砂屏障。該方法特別適應(yīng)于因油層套管在油層部位變形破裂導(dǎo)致油層出砂嚴(yán)重而無法采用機(jī)械防砂的油井。PS防砂技術(shù)是目前世界上較為先進(jìn)的防砂技術(shù)，成功地解決了因地層出砂影響油井正常生產(chǎn)的難題，特別是解決了因套管變形、破裂而且出砂嚴(yán)重的油井生產(chǎn)的難題。改進(jìn)后的PS防砂技術(shù)的防砂能力進(jìn)一步增強(qiáng)，在油層中形成了粒徑0.3～0.6mm石英砂、粒徑0.4～0.8mm石英砂和金屬繞絲篩管三級擋砂屏障，油井生產(chǎn)周期大大延長。對于特稠油油井的防砂難度很大，勝利油田應(yīng)用PS防砂技術(shù)在幾口井進(jìn)行了試驗，但效果不好，供液能力很低，這是亟待解決的問題。PS防砂首先是要解除近井地帶的污染堵塞（采用高壓大排量）達(dá)到疏通地層的目的，然后泵入一定數(shù)量的固砂液，并在地層內(nèi)產(chǎn)生若干通道，然后在通道內(nèi)及井壁周圍填滿高滲透礫石，套管內(nèi)仍以篩管和環(huán)空礫石作為擋砂屏障。因新的供油通道大大增加了供油面積，并且原有堵塞被消除而代之以高滲透礫石充填的通道，大大降低了流動阻力，達(dá)到既防砂又增產(chǎn)的目的。其主要防砂機(jī)理是從井筒向地層建立了四道擋砂屏障：a）固砂液防止粘土膨脹，在一定程度上穩(wěn)定了地層，減緩出砂；b）充滿礫石的通道對地層砂的橋堵作用，以及供油面積的增加降低了流速、減輕了流體對微粒的沖刷和攜帶作用；c）井筒周圍的后置覆膜砂形成的人工井壁對砂粒的阻擋作用；d）井筒內(nèi)篩管/礫石充填層是擋砂的第四道屏障。這種多層次多功能的攔截系統(tǒng)使防砂更有效，成功率更高，有效期更長，而且還使油井高產(chǎn)。其技術(shù)特點為：a）突破了傳統(tǒng)的防砂觀念，突破了原有的不能破壞油層結(jié)構(gòu)，不能采取有效措施解堵的禁區(qū)，PS防砂特別強(qiáng)調(diào)清除近井堵塞；b）突破了傳統(tǒng)防砂會降低油井產(chǎn)能的認(rèn)識誤區(qū)，PS防砂核心是改造油層、提高近井地帶滲透率，使油井增產(chǎn)；c）突破了傳統(tǒng)防砂地層預(yù)充填的概念，PS防砂強(qiáng)調(diào)要在周圍地層中產(chǎn)生新的通道并將其用礫石擠滿填實，這是地層預(yù)充填概念的發(fā)展；該技術(shù)2000年通過中石化集團(tuán)公司技術(shù)鑒定，評價認(rèn)為：該技術(shù)解決了疏松粉細(xì)砂巖油層防砂難題，適用于斜井、直井、稠油熱采井的防砂，在勝利油田和土庫曼斯坦國進(jìn)行了大規(guī)?，F(xiàn)場應(yīng)用，防砂效果明顯，有效期達(dá)到一年以上。PS防砂是針對地層預(yù)充填防砂的不足，在實踐中創(chuàng)立起來的一項新的防砂技術(shù)。與原有防砂技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：a）能夠有效地解除油層污染堵塞；b）顯著地提高近井油層的滲透率，增加油井產(chǎn)量；c）能對流砂地層和粉細(xì)砂巖層進(jìn)行防砂，成功率90％以上，有效期較長；d）能有效地恢復(fù)近井地層應(yīng)力，防止地層坍塌；e）能有效地抑制油層內(nèi)的粘土膨脹，降低稠油流動阻力，提高了復(fù)膜砂人工井壁的膠結(jié)強(qiáng)度；f）該技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，適合于斜井、側(cè)鉆井、稠油井、熱采井、分層防砂井、普通油氣水井的防砂；g）該技術(shù)原料易得，操作方便，不污染油層。4.5.2壓裂充填防砂技術(shù)壓裂技術(shù)作為一項常規(guī)增產(chǎn)增注措施工藝早已在低滲油氣藏得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)十分成熟。而將壓裂工藝大規(guī)模應(yīng)用于高滲透、膠結(jié)疏松的軟地層作為防砂完井措施卻是二十世紀(jì)九十年代的事。最早開始考慮將壓裂與防砂工藝結(jié)合起來應(yīng)用于中、高滲透疏松砂巖這一想法出現(xiàn)在二十世紀(jì)60年代的委內(nèi)瑞拉，但由于常規(guī)壓裂技術(shù)應(yīng)用于中、高滲透性油藏的限制和不利影響，直到1984年Smith等人首次發(fā)表了以充填寬裂縫為主要目的的“端部脫砂壓裂”技術(shù)，才使得中、高滲油藏的壓裂防砂進(jìn)入了工業(yè)應(yīng)用階段。目前，在全世界范圍內(nèi)，壓裂充填防砂施工井?dāng)?shù)與日俱增，而且，施工井?dāng)?shù)已占其它各類防砂井總數(shù)的50%，可見在防砂領(lǐng)域中地位舉足輕重，顯示出廣闊的發(fā)展前景。端部脫砂壓裂防砂工藝是防砂觀念和技術(shù)的重要突破，為疏松砂巖油氣藏防砂開辟了新的途徑，為提高出砂油層的經(jīng)濟(jì)效益提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。（1）防砂機(jī)理①巖石破壞機(jī)理地層出砂的原因在于地層巖石結(jié)構(gòu)的破壞。通常，由應(yīng)力作用引起的巖石破壞機(jī)理有四種：拉伸破壞、剪切破壞、粘結(jié)破壞和孔隙坍塌。巖石的破壞產(chǎn)生了大量脫落的顆粒，在液流攜帶下流向井底，導(dǎo)致大量出砂。②裂縫對緩解或避免巖石破壞的作用巖石的幾種破壞機(jī)理均和生產(chǎn)壓差或流動壓力梯度有密切關(guān)系。壓前流體的徑向流動特征和井底污染堵塞因素決定了生產(chǎn)壓差中的大部分壓力降分布在近井地帶較小的范圍內(nèi)，局部壓力梯度較大。壓裂后流體的雙線性流動特征及裂縫的穿透解堵作用，大大減小了近井地帶的壓力降和壓力梯度，較長的裂縫使生產(chǎn)壓差在一個較大滲透范圍內(nèi)分?jǐn)?，從而使每處的局部壓力梯度均保持一個較小的值。③裂縫對降低流體攜帶微粒能力的作用具有高導(dǎo)流能力的壓裂裂縫在穿透井底污染堵塞帶的同時，將地層流體由原來的徑向流形式轉(zhuǎn)變雙線性流形式（圖4－13）。壓后壓前的流速比：(1-2-1)式中：Vr、V——壓前和壓后流體流速，m/d或m/min；Qr、Q——壓前和壓后產(chǎn)量，m3/d；ho——油層有效厚度，m；r——以井底為圓心的同心圓半徑，m；xf——壓裂裂縫半長，m。對于適合中高滲透油藏30m～50m縫長的常規(guī)短裂縫情況下，當(dāng)壓后產(chǎn)量是壓前的2倍時，壓后流體流向裂縫的速度卻比壓前井壁處（r=0.1m）的流速降低了100倍以上，比壓前r=1.0m處的流速降低了10倍以上，比壓前r=5.0m處的流速也降低了2倍以上。裂縫所形成的雙線性流動形式發(fā)揮了很好的分流作用，大大降低了流體對地層微粒的沖刷和攜帶作用。④裂縫支撐帶對地層微粒的橋堵作用裂縫支撐帶對地層微粒的橋堵作用類似井底礫石充填層的防砂作用。根據(jù)地層微粒的粒徑分布規(guī)律和礫石充填中選擇礫石大小的準(zhǔn)則，同樣可以選擇壓裂砂粒徑規(guī)格。必要時，還可以設(shè)計在裂縫中完全充填涂料砂或在近井底的縫口段充填涂料砂，以提高裂縫對地層砂的橋堵作用。可見，壓裂產(chǎn)生的高導(dǎo)流能力裂縫對地層出砂趨勢的控制作用表現(xiàn)在三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)上：防止或減緩巖石結(jié)構(gòu)的破壞，降低流體對地層微粒的沖刷和攜帶能力，以及裂縫填砂帶對地層微粒的橋堵作用。（2）壓裂防砂的特點①與傳統(tǒng)防砂機(jī)理的區(qū)別傳統(tǒng)的防砂方法或是利用化學(xué)劑固結(jié)地層，提高強(qiáng)度，或是利用機(jī)械過濾裝置（篩管/礫石充填，濾砂管等），對地層砂的橋堵作用來阻止地層出砂。相反，壓裂防砂主要利用降低流速（或降低壓降梯度）來減少對巖石的有效應(yīng)力，同時減輕對巖石的沖刷作用而達(dá)到減緩出砂的目的。當(dāng)然，縫內(nèi)支撐劑的橋堵作用與傳統(tǒng)的防砂機(jī)理類似。②處理范圍的特點傳統(tǒng)的防砂方法及地層預(yù)充填措施只處理井筒內(nèi)部，彈孔及附近的周圍地層。而壓裂充填則在地層深部（數(shù)十米）形成一條高導(dǎo)流能力的支撐裂縫，在較大的范圍內(nèi)改善了地層深部的滲流條件，為高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。由于后者處理范圍較大，能有效地突破原有的近井傷害帶，解堵增產(chǎn)效果明顯。反之，傳統(tǒng)防砂方法施工難以完全解除近井堵塞，（只是局部地改善滲流條件），且防砂本身又增加了額外的滲流阻力，導(dǎo)致產(chǎn)量不可避免地下降。③施工工藝的特點傳統(tǒng)防砂方法要求施工泵壓小于破裂壓力，砂比低，其礫石充填的顆粒排列密實程度遠(yuǎn)小于壓裂的支撐劑的顆粒排列。尤其在環(huán)空內(nèi)的礫石排列主要靠重力沉降自然堆積，形成所謂“立方體排列”，而壓裂施工泵壓高，砂比又高，擠壓充填使縫內(nèi)支撐顆粒排列更容易形成“平行六面體排列”。“平行六面體排列”要比“立方體排列”緊密得多，對同樣地層砂尺寸，壓裂支撐劑選擇的尺寸可以大于用傳統(tǒng)礫石充填方法選擇的礫石尺寸而達(dá)到相同的橋堵控砂目的。這既提高了支撐裂縫的導(dǎo)流能力，降低了生產(chǎn)壓差，更有利于減緩出砂。④地層滲流流動模式的區(qū)別對于傳統(tǒng)的防砂方法，施工后仍然基本按平面徑向流的模式流向井底。而壓裂防砂后，地下流體的流動模式已改變?yōu)殡p線性流，即流體從裂縫面以幾乎垂直的方向流入裂縫內(nèi)（第一階段線性流），縫內(nèi)流體沿裂縫方向直線流向井底（第二階段線性流）。這種雙線性流動模式是壓裂裂縫防砂、解堵增產(chǎn)的基礎(chǔ)，是阻力最小的流動模式。（3）壓裂防砂方法及工藝1）壓裂防砂方法①壓裂防砂基本方法的劃分及技術(shù)特點壓裂防砂在國外各大石油技術(shù)服務(wù)公司如哈里巴頓、貝克、斯倫貝謝都形成了有各自特色的工藝技術(shù)，其中以哈里巴頓的技術(shù)最具代表性。哈里巴頓公司根據(jù)地層滲透率大小、巖石膠結(jié)強(qiáng)度、油井出砂史及傷害程度等，劃分出四種基本工藝措施：繞絲篩管礫石充填（Gravelpack）、壓裂充填（Fracpac）、優(yōu)化壓裂（Optifrac）和低滲透油層增產(chǎn)壓裂(Fracture)，其中單純的繞絲篩管礫石充填和低滲透層的常規(guī)壓裂屬于石油開采領(lǐng)域應(yīng)用多年的經(jīng)典技術(shù)，下面簡單介紹一下與中高滲油藏壓裂防砂有關(guān)的壓裂充填與優(yōu)化壓裂技術(shù)。a）壓裂充填這是一種壓裂和礫石充填兩種技術(shù)相結(jié)合的復(fù)雜作業(yè)，既要在地層充填支撐裂縫，又要在篩套環(huán)空進(jìn)行礫石充填。其作業(yè)程序可以一次也可以分兩次完成。主要應(yīng)用于井底污染較嚴(yán)重，地層非常松軟，出砂十分嚴(yán)重的油井。該技術(shù)綜合利用了裂縫的防砂作用、裂縫的解堵導(dǎo)流作用和繞絲篩管礫石充填的防砂作用，防砂效果好，增油顯著，缺點是施工復(fù)雜。b）優(yōu)化壓裂優(yōu)化壓裂不進(jìn)行礫石充填，單純依靠壓裂達(dá)到防砂和增產(chǎn)的目的。所適用的地層要有一定的強(qiáng)度以保證裂縫閉合后地層能擠住充填砂。其中較軟地層所壓開的裂縫需用固結(jié)劑固結(jié)，稍硬的地層壓裂裂縫不需要加外固化劑。②工藝方法的選擇哈里巴頓公司在考慮到地層傷害情況、地層軟硬程度、滲透率大小及油井出砂史等幾方面的因素，根據(jù)多年的研究和實踐，總結(jié)出一套系統(tǒng)的工藝選擇方法（見圖4－14）。從圖中可以看出，礫石充填、壓裂充填、優(yōu)化壓裂與常規(guī)壓裂所適用地層條件變化趨勢是：滲透率從大到小，地層強(qiáng)度從軟到硬，出砂程度從強(qiáng)到弱。而礫石充填與壓裂充填應(yīng)用條件的差別主要是地層污染程度的大小。2）壓裂充填作業(yè)的施工工藝壓裂充填涉及到壓裂和礫石充填兩個過程，從程序上分，又有兩步完成法和一次管柱完成法。兩步完成法是指壓裂和礫石充填分兩次施工完成，若壓裂后防砂效果較理想，則礫石充填可以省略；否則，在壓裂之后再下防砂管柱進(jìn)行礫石充填。所謂一次管柱完成法是指利用礫石充填施工管柱先對地層進(jìn)行壓裂充填，然后再進(jìn)行篩套環(huán)空內(nèi)的礫石充填，兩個過程通過一趟管柱一次施工完成。下面主要介紹該種方法。①施工工藝過程圖4－15是哈里伯頓公司提供的一次管柱施工過程中三階段流體流動示意圖。圖（a）為壓裂過程，環(huán)空閥門關(guān)死，壓裂液和攜砂液由油管泵入，通過礫石充填管柱的導(dǎo)向孔進(jìn)入油套環(huán)空，由篩管外進(jìn)入射孔孔眼與地層，把地層壓開并在裂縫中充填支撐劑；圖（b）為礫石充填過程，環(huán)空閥門打開，整個過程與常規(guī)正循環(huán)礫石充填相同；圖（c）代表礫石充填后期的反循環(huán)壓實過程，封隔器以上部分的流體流動方向與正循環(huán)充填過程相反。另外，在壓裂及礫石充填中，高砂比砂漿對充填工具轉(zhuǎn)向孔、篩管及套管產(chǎn)生磨蝕侵害，因此，要對泵注排量有所限制，哈里伯頓公司提供的限速數(shù)據(jù)見表4－3。表4－4壓裂充填泵速限定工具尺寸，in/mm排量限定，m3/min2.55/64.77和2.75/69.85（普通型）1.272.55/64.77和2.75/69.85（高流速型）2.383.25/82.552.543.88/98.553.665.00/127.00(標(biāo)準(zhǔn)型)3.665.00/127.00(特殊型)5.72②防砂器材及井下工具在設(shè)計壓裂充填和選擇井下工具與防砂器材時，需要系統(tǒng)地考慮與作業(yè)相關(guān)的一些問題，其中地層溫度，壓力條件的變化對管柱受力狀態(tài)會產(chǎn)生重要影響，篩管的選擇主要從類型、外徑和篩管縫隙幾個方面考慮，壓裂充填井下工具的功能應(yīng)能與特種接頭、篩管、管線及封隔器配合使用，充填工具應(yīng)能承受高壓，轉(zhuǎn)向孔的面積應(yīng)足夠大，以便提高泵速和砂比，減少礫石對它們的腐蝕。③流體對井下工具及套管的磨蝕作用在油井的常規(guī)礫石充填防砂中，由于攜砂液用量少、砂比低、排量小，因而流體對井下充填工具及套管的磨蝕作用小。但是，在壓裂充填中，由于攜砂液用量大，砂比高，排量大，流體的沖擊磨蝕作用必須加以考慮。其主要磨蝕部位有四處，即礫石充填工具轉(zhuǎn)向孔、礫石充填延伸器出口、正對延伸器出口處的套管和射孔孔眼。對于壓裂充填而言，一次完成法的優(yōu)點是施工周期短、成本低；缺點是施工難度大、風(fēng)險大、防砂器材及套管的磨蝕嚴(yán)重。二次完成法的優(yōu)點是施工難度及風(fēng)險性小，缺點是施工環(huán)節(jié)多、周期長、成本高。3）端部脫砂壓裂形成具有高導(dǎo)流能力的“短寬裂縫”是中高滲透油藏壓裂防砂成功的關(guān)健。因此，不論是壓裂充填還是防砂壓裂，都必須采用可產(chǎn)生“短寬裂縫”的壓裂工藝方法──“端部脫砂壓裂”。①概念常規(guī)壓裂要求泵注足夠的前置液充分造縫，施工結(jié)束時縫內(nèi)砂漿前緣接近或恰好到達(dá)裂縫前緣（圖4-16(a)）；端部脫砂壓裂則要求在泵注攜砂液過程中，縫內(nèi)砂漿前緣提前到達(dá)裂縫周邊，限制縫長進(jìn)一步增長，促使縫寬較快地增大，因此成功的端部脫砂壓裂應(yīng)該是裂縫周邊脫砂（圖4－16）。②施工參數(shù)及泵注特點a）端部脫砂壓裂液粘度應(yīng)低于常規(guī)壓裂，以適時脫砂；b）泵注排量低于常規(guī)壓裂，以減緩裂縫伸長速度，便于控制縫高和脫砂；c）前置液用量比常規(guī)壓裂少，以使砂漿前緣在停泵前到達(dá)裂縫周邊；d）砂比通常比常規(guī)壓裂大，以提高裂縫支撐效率。③裂縫延伸規(guī)律及施工壓力特點常規(guī)壓裂在整個施工過程中，裂縫長、寬、高一般都是不斷增長的，因而井底壓力是基本穩(wěn)定的；端部脫砂壓裂在脫砂前裂縫增長規(guī)律及壓力特征同常規(guī)壓裂，開始出現(xiàn)脫砂后，縫長和縫高不再增長，只有縫寬增長較快，井底壓力開始按一定速率穩(wěn)步升高（圖4－17）。④施工現(xiàn)場監(jiān)控端部脫砂壓裂必須進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，主要是監(jiān)控井底壓力的變化趨勢，以判斷裂縫內(nèi)是否出現(xiàn)脫砂，脫砂時間是否符合設(shè)計要求以及脫砂后的壓力上升情況是否正常等，以便及時修正施工參數(shù)。4）壓裂液端部脫砂壓裂對壓裂液提出了很高的要求，因此合理選擇壓裂液是保證壓裂充填，提高防砂效果的關(guān)鍵。目前國外已開發(fā)研制出50多種壓裂液，可大致分為如下幾種體系：線性溶膠、硼交聯(lián)壓裂液、有機(jī)金屬交聯(lián)壓裂液、磷酸脂鋁交聯(lián)的油基液、泡沫壓裂液等。①線性溶膠：主要包括一些線性聚合物，如原性瓜膠（Gel）、羥丙基瓜膠（HPG）、羥乙基纖給素（HEC）、羥甲基羥丙基瓜膠（CMHPG）及羥甲基羥乙基纖維素（CM-HEC）等。線性溶膠粘度相對較低，懸砂能力差，可作為中淺井?dāng)y砂液。其突出特點是濾失速度快，侵入地層較深，在裂縫壁上不形成泥餅，液體易于返排。HEC基本沒有殘渣，可以作低溫淺井中壓裂液。②硼交聯(lián)壓裂液：其特點是懸砂性能較好，濾失速度小于線性溶液。由于其交聯(lián)反應(yīng)是可逆的，因此滲入地層的交聯(lián)可通過改變pH值使其破膠返排。故在高滲透中深中溫（小于148℃）地層，這類壓裂液是較好的選擇。③有機(jī)金屬交聯(lián)液：其主要優(yōu)點是耐高溫，可在148℃以上地層使用，其中的有機(jī)金屬交聯(lián)劑主要指有機(jī)鈦與有機(jī)鋯等，交聯(lián)反應(yīng)為不可逆，破膠主要靠溫度條件，返排困難，故高滲透地層壓裂防砂盡量不用它。④磷酸脂鋁交聯(lián)的油基液：它對地層的污染很小，幾乎與各類油藏匹配。但是成本高，安全與環(huán)保問題突出，目前尚未發(fā)現(xiàn)其在高滲油藏壓裂中的應(yīng)用。⑤泡沫壓裂液：泡沫壓裂液在低壓低滲油氣藏應(yīng)用較為合適，但對高滲油藏，該壓裂液對于降低濾失和強(qiáng)化返排的作用不太明顯。經(jīng)試驗得知，對中高滲透層硼交聯(lián)與羥丙基瓜膠的傷害程度最低，液體流動后的滲透率可恢復(fù)到實驗前的40%~70%。故在中高滲透油藏的壓裂防砂中，HPG為首選壓裂液，對溫度不很高的淺井，也可以用HEC線性溶液。5）支撐劑在壓裂防砂作業(yè)中，支撐劑除了要滿足常規(guī)壓裂的強(qiáng)度和導(dǎo)流能力要求外，其粒度組合還要兼顧礫石充填防砂的要求。根據(jù)地層的軟硬程度及出砂情況，支撐劑可以采用樹脂涂層砂，也可以是裂縫前面用石英砂、尾追部分涂料砂，或者全部用石英砂或強(qiáng)度更大的陶粒。6）大排量高壓水充填（WF）防砂技術(shù)壓裂充填工藝要求用壓裂液造縫和攜砂，目的是提高輸砂能力，形成“端部脫砂”，實現(xiàn)具有極高導(dǎo)流能力的寬短裂縫，達(dá)到油井高產(chǎn)而控制出砂的目的。通過深入的研究和應(yīng)用實踐發(fā)現(xiàn)：用低粘度的水來代替高粘壓裂液，盡管高滲透軟地層在施工中濾失量較大，但只要保持足夠大的排量，仍能使地層造縫（因軟地層破裂壓力較低），突破原有近井地帶堵塞并且能實現(xiàn)端部脫砂。雖然水做攜砂液降低了輸砂性能，但是因排量很大足以彌補(bǔ)懸砂性差的缺陷，當(dāng)然攜砂比會有所下降，使縫內(nèi)的鋪砂濃度及導(dǎo)流能力有所下降。但計算及現(xiàn)場對比表明：盡管大排量高壓水充填的裂縫比高粘液壓裂的導(dǎo)流能力稍低，但是水壓裂充填裂縫內(nèi)卻完全不存在聚合物傷害，這就使較短的水充填裂縫和較長的壓裂充填裂縫具有幾乎相等的產(chǎn)能（這兩種方法施工都可以突破污染區(qū)）。由于油藏性質(zhì)、流體性質(zhì)及泵組條件的不同，這兩種技術(shù)均有其適應(yīng)范圍，具體情況如下：①當(dāng)存在多層時或射孔井段距離水層大于10ft（在同一砂層內(nèi)）或在射孔段和水層存在10ft的頁巖隔層時，最好使用水壓裂。另外，由于使用低粘度攜砂液使得環(huán)空充填質(zhì)量也比較高，特別是當(dāng)井斜大于60°時更是如此。②對于裂縫垂直高度可能增長的地層，壓裂充填較適宜于裂縫垂直高度大于50ft的薄層井段。壓裂充填對于那些曾經(jīng)使用增產(chǎn)措施來擴(kuò)展裂縫長度的滲透率小于50×10-3μm2的油井和滲透率小于10×10-3μm2的氣井特別適用，對于滲透率和地層厚度乘積（Kh）大于40μm2.ft的地層，為了能有效地突破污染區(qū)，壓裂充填是一項較好的技術(shù)。③在不能或不需壓裂的情況下，進(jìn)行高壓水充填是一種較好的完井方法。不需壓裂的地層是指地層本身的Kh較高，而且污染又較輕。在這種情況下，利用酸處理技術(shù)降低地層污染是一種比較有效的方法。對于那些在油水界面附近的井（在同一砂層內(nèi)距離油水界面小于10ft），即使采用水壓裂也會使裂縫進(jìn)入水層，在這種情況下，建議施工壓力不要超過地層的破裂壓力。一般，用水取代壓裂液可以降低施工成本。因此很多公司采用大排量高壓水充填替代早期的高粘液壓裂充填，仍然達(dá)到了高產(chǎn)而控制出砂的目的。7）無篩管壓裂防砂技術(shù)由于該技術(shù)防砂后井筒不留下工具，避免了大修打撈工具，方便了今后的作業(yè)，具有很大優(yōu)越性。當(dāng)然，無篩管壓裂充填防砂適用于9.14m或更短的射孔井段，在此條件下，可獲得顯著的效益，長層段射孔可能導(dǎo)致多個雁行式裂縫的產(chǎn)生，增加了復(fù)膜砂支撐射孔孔眼的難度，這些多層裂縫沖淡了裂縫長度和導(dǎo)液率，增加了防砂液過早漏失的機(jī)會。4.5.3“一次管柱”多油層礫石充填防砂工藝一次管柱多層礫石充填技術(shù)是美國Baker－Hughes公司對長井段進(jìn)行一次管柱多層礫石充填的的一項防砂工藝新技術(shù)（Mini-Beta系統(tǒng)），該工藝技術(shù)節(jié)省了施工時間和作業(yè)費用，簡化了施工步驟，在海上油田，尤其是中國渤海油田得到了廣泛的應(yīng)用，僅2000年3月至9月，渤海SD36-1油田在三個平臺上進(jìn)行防砂施工96口井，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，美國Halliburton公司的Single-Trip防砂完井工藝技術(shù)也是一次管柱多層礫石充填，和Baker公司的工藝、工具基本相同，唯一不同的是Halliburton公司的防砂管柱是二趟管柱，第一趟管柱送入防砂外管及相應(yīng)的送入工具，打壓坐封頂部封隔器，丟手，坐封防砂封隔器，起出坐封工具，然后，下入充填工具，從下至上逐級充填。目前已在Qk17-2、3和秦皇島油田成功實施82口井。相比較而言，Mini-Beta系統(tǒng)較Single-Trip防砂工藝更簡單、更先進(jìn)，下面主要對該項技術(shù)進(jìn)行介紹。（1）技術(shù)原理、特點（2）基本數(shù)據(jù)及施工參數(shù)1）Mini-Beta系統(tǒng)井下內(nèi)、外防砂管串尺寸Mini-Beta系統(tǒng)井下內(nèi)、外防砂管串尺寸及說明見表4－5、4－6。表4－5井下防砂外層管柱系統(tǒng)序號外徑，in內(nèi)徑，in名稱及說明13.8753.31隔離管,帶斜切管鞋或下部連接自動管鞋25.8754.000留井生產(chǎn)封隔器35.0003.28卡簧式密封總成43.548防砂篩管，基管為4in的套管54.0003.5484in光管65.033.2