油、气、水防砂讲义.doc

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1、第九章油、气、水井防砂第九章油、气、水井防砂第一节第一节 出砂预测出砂预测多数疏松或较疏松的油层有出砂现象。油气井出砂会造成磨蚀井下、地面设备和工具 （如泵、分离器、加热器、管线等） ，桥堵或堵塞井眼，降低油气井产量或迫使油气井停产。 我国海上发现的疏松或较疏松油气藏较多。科学地进行出砂预测，为防砂提供了可靠的决策依据。出砂预测研究回答的问题是：1）油气水井在其生命期内（包括投产及生产后期）是否出砂？2）何时出砂？一、出砂机理及影响因素1出砂机理一般来说，地层应力超过地层强度就有可能出砂。地层强度决定于胶结物的胶结力、 流体的粘着力、地层颗粒之间的摩擦力以及地层颗粒本身的重力。地层应力包括地层

2、结构 应力、上覆压力、流体流动时对地层颗粒施加的推力，还有地层孔隙压力和生产压差形成 的作用力，因此地层出砂是由多种因素决定的。2出砂的影响因素1）岩石强度低。此为最重要的影响因素。一般认为单轴抗压强度低于 7.0MPa 的岩石 为弱固结岩石，有可能出砂。胶结物的种类性质和数量，对岩石的强度起着至关重要的作 用，地层岩石遭到破坏而出砂，其本质是胶结物被破坏，形成分散的砂粒。胶结物的破坏， 除了剪切和拉伸等机械力的作用外，还受到液体的溶蚀、电化学作用的伤害，有些本来不 出砂的井在酸化或产水、注水后出砂，就是这个道理。2）地层压力的衰减。地层压力的衰减相对增大了岩石的有效应力。3）生产压差或生产速

3、度过大。4）地层流体粘度大易出砂。5）油气井含水量的增长，出砂的可能性增大。某气田的产层段砂岩，当岩石含水后， 其强度降低 8095。6）不适当的增产措施（酸化和压裂） 。7）操作管理措施不当，例如造成井下过大的压力激动等。二、出砂预测方法和系统出砂预测方法有四类，分别为现场观测法、经验法、实验室模拟法和数值计算法。从 目前的研究水平来看，很难用单一方法准确预测一口井在生产全过程中是否出砂和何时出 砂，只有通过多种预测方法才能使预测结果比较可靠。1现场观测法（1）岩心观察疏松岩石用常规取心工具收获率低，很容易将岩心从取心筒内拿出或岩心易从取心筒 中脱落，有时其不需使用胶皮取心筒或海棉取心筒。用

4、肉眼观察、手触等方法判断岩心强度。疏松岩石或低强度岩石往往一触即碎、或停 放数日自行破裂、或可在岩心上用指甲能刻痕。对岩心浸水或浸盐水，岩心易破碎，说明当含水率上升时，岩石强度将降低。（2）DST 测试如果 DST 测试期间油气井出砂，甚至严重出砂，油气井初产期就可能出砂。有时在 DST 测试未见出砂，但仔细检查井下钻具和工具，在接箍台阶等处附有砂粒，或者 DST 测 试完毕后，砂面上升，则该井可能出砂。（3）生产动态邻近油气藏或邻井生产过程中若出砂，本油气藏或本井出砂的可能性大。（4）岩石胶结物岩石胶结物可分为易溶于水和不易溶于水两种。泥质胶结易溶于水，当油气井含水量 增加时，岩石胶结物的溶

5、解降低了岩石的强度。但当胶结物含量非常少时，岩石的强度主 要由压实作用提供，对含水量因素不敏感。2经验法（1）模量法地层强度同岩石的动弹性参数如剪切模量 Es、体积模量凡有良好的相关性。剪切模量 是剪切载荷同横向应变之比；体积模量是岩石体积压缩系数的倒数，取决于岩石颗粒和流 体的压缩性。国外通过大量生产实践总结出出砂预测的组合模量法和斯伦贝谢法。1）组合模量法。ECCtc2 （9-1-1） 式中 C常数9.94108；岩石密度；tc岩石纵波时差；EC岩石密度、声波时差的函数。根据岩心分析、测井资料解释和出砂史分析，EC值越小越易出砂，美国墨西哥湾地区 的经验是当 EC值大于 2104MPa（3

6、106psi）时油气并不出砂。北海地区也采用此标准。 用此方法对胜利油田的部分油井进行验证，符合率达 80以上。2）斯伦贝谢法 ES EB。（9-1-2） 式中 一岩石泊松比。ESEB是岩石密度、泊松比、声波时差的函数。斯伦贝谢公司对墨西哥湾进行大量试 验研究后提出 ESEB 值大于 3.8107MPa（0.81012psi）时油气井不出砂，而小于3.3107MPa（0.71012psi）时则有可能出砂，目前这一判别值已在美国加里福尼亚、阿 拉斯加以及加拿大、特立尼达和印度等地井深 10004000m 的油气井中使用，预测结果比 较准确，北海地区采用 ESEB 5.9107MPa（1.2510

7、12psi） 。国内出砂预测多采用组合模量和斯伦贝谢法。石油勘探开发科学研究院应用此方法， 将 ESEB5.9107MPa 作为判断出砂的定量指标（临界门限值） ，对冀东油田 25 口出砂 井的馆陶组、明化镇组和东营组地层进行验证，符合率达 100。新疆某油田 C和 C 油组的 EC和 ESEB值均高于临界门限值，目前已投产的前五口井中，2 口水平井日产油 10561064t，生产压差 1.26 和 1.27MPa，累积产量 27104t 和 710 4t，3 口直井日产液75264t，含水率 29.940.1，均未发现出砂，与预测结论一致。用同样的方法对南海某油田进行出砂预测，EC值范围为

8、2.683.78104MPa，ESEB 值范围为 12.825.8107MPa。可以看出，EC值和 ESEB值均高于临界门限值，油田生 产 初期不会出砂。（2）用声波测井数据确定出砂门限值声波测井测出的声波时差（纵波）值同岩石的孔隙度有良好的对应关系，较小的声波 时差值如 50sft（164sm）代表低孔隙度，坚硬、高密度的岩石；较大的声波时差 如 95sft （312sm）代表高孔隙度，松软、低密度岩石。通过声波测井同出砂井的对比，可以得出本地区的出砂临界值。如法国道达尔石油公司确定南海某油田砂岩油层出砂声波门限值为：t312sm（95sft） ，为稳定砂岩。t345sm（105sft） ，

9、为不稳定砂岩。t 在 312345sm（95105sft）之间，为难以判断的砂岩。（3）孔隙度法地层孔隙度可以作为判别地层是否出砂的依据之一。若地层孔隙度高于 30，出砂的 可能性就大。（4）单轴抗压强度法Shell 公司 Veeken 等人假设岩石出砂是由于遭受张力破坏。此方法源于岩石力学，其 在实际应用中，预测模式如下：pddLUCS （9-1-3） 式中 pdd临界生产压差，MPa；UCS 岩石单轴强度，MPa；L为系数，受地区因素影响。此方法简便，岩心试验易做，因此被较多公司采用。类似此方法还有布氏硬度法和厚壁筒法。3数值计算值此种预测出砂方法的研究对象是介于固结疏松之间的地层。许多公

10、司和专家在理论模型和数值计算、模拟方面做了大量有实用价值的工作，研究 范围覆盖了弹塑性力学、渗流力学、有限元、离散元、统计学、实验室力学岩石特性参数 测量、测井数据的解释等方面。在此方面，阿科公司和斯伦贝谢公司占居领先水平。（1）Weingarten Perkins 法（亦称阿科法）20 世纪 90 年代初阿科公司的 Weingarten 和 Perkins 提出一种简便、可靠的预测气井出 砂的数值计算方法。此方法已于过去的三年中在阿科公司的 16 个气田应用过。 Weingarten 和 Perkins 假设射孔炮眼圆柱形，前端为一半球体，流入半球面的稳定流体 服从达西定律，岩石破坏遵循摩尔

11、库仑准则（岩石破坏准则） ，同时对弱固结地层，假设其 抗拉强度为零，对非理想气体，推导出以下关系式：（9-1-4） 其中：式中 pa井底压力pw 油藏压力；c内摩擦力，是指由分子引力而引起的相同组份倾向聚合在一起的力。在宏观上 表现为没有正应力的抗剪强度；内摩擦角，反映岩石内摩擦力的大小，坚硬岩石的内摩擦角比松软岩石的内摩 擦角大；m同气体密度、压力有关的常数。当压力低于 7MPa（1000psi）时，指数“m”接近 1。对非压缩流体， “m”值为零。孔道生产压差 dp 为井底压力 pa和油藏压力 pw之差。Dp=pwpa （9-1-5） 当砂拱开始不稳定时，临界压差等于 dp。c、a 可通过

12、岩石三轴强度性质测定或测井资料解释获得。岩石机械学数据库中有一个经验关系式，可用模量或其它岩石物性资料推导 c、a 值， 但该关系式有一定的适用范围。581.05 （9-1-6）c（114 十 97Vcl）EEB （9-1-7） 式中 孔隙度；Vcl粘土含量；E杨氏模量；EB一体积模量。此方法在美国墨西哥湾得到较好应用。在已知地层压力及地层岩石强度参数及地层流 体性质即可求得临界生产压差。相对于摩尔库仑法而言，其预测结果不保守。（2）摩尔一库仑法Barrow 和 Lasseigne 用 Mohr-Coulomb 理论评价墨西哥湾油井出砂问题。当该理论用于 直井时，假设最大最小主应力为切向应力

13、，和轴向应力 r，垂直应力 z，不做考虑。根据 Coates 和 Denoo 研究成果，有效切向应力和轴向应力分别为：effpwf一 pPreff312pwf一 pP 式中 pwf井底泥浆柱压力，MPa；1最大水平地应力，MPa；2最小水平地应力，MPa；pP孔隙或油藏压力，MPa；系数。 以上应力模型基于非渗透流体模型，通过研究 Coates 和 Denoo 认为此模型适合生产初 期井眼状况。最大最小水平地应力可用下式求得：ISF 为最大水平地应力同最小水平地应力之比。V为垂直地应力（上覆岩层压力） ； 式中 V上覆岩层压力，MPa；某段地层体积密度；h 一一井深，m。当由 eff和 ref

14、f构成的摩尔圆突破岩石破坏的包络线时，岩石就产生剪切破坏。 若定义临界生产压差为pddpPpwf（9-1-8）（3）多元统计法Gha11ambor 等提出用多元统计的数学方法，考虑应力、测井解释成果如声波时差、 弹性模量、孔隙度等参数，预测出砂的可能性。此种方法可预测某个区域的临界生产压差， 但局限性较大。4实验模拟法90 年代初，壳牌公司、斯伦贝谢公司和 TerraTek 公司等分别进行了实验室出砂模拟研 究，得到大量有价值的成果。斯伦贝谢公司采用一个简单的、易监测的出砂试验系统。斯伦贝谢公司选用带有模拟 炮眼的人造岩心，在试验中分别考虑应力、流量、流体粘度和岩石强度等因素，该实验得 出的结

15、论是在同类型岩心条件下，流速是出砂最主要的影响因素。对油或水，当射孔炮眼 中流体流速超过 0.2ms 时就有可能出砂。而流动又分为轴向和径向两部分。轴向流动 （沿炮眼轴线）对出砂影响较大，这是因为轴向流动更易于清除岩石表面已被破坏的岩石 颗粒。因此该公司建议使用大孔径、高孔密射孔可提高不出砂的临界生产压差。1992 年壳牌公司发表了大型出砂实验室试验研究结果。他们采用代表某油田某地层的 露头岩石做为试验岩样，同时考虑套管、水泥环、射孔等影响因素。该实验的目的是研究 应力和流速对出砂的影响，采用的岩样尺寸为 0.7m0.7m0.81m。该试验装置可模拟三维地应力、孔隙压力等。壳牌公司的实验结果有

16、许多新的内容，当增加压差时，都导致短时间的大量出砂，当 压差维持不变时，出砂速度降低到较低水平，这说明压力波动对出砂影响较大，另外当将 油切换成盐水后导致出砂速度增加，随之不久出砂速度又降低到原有水平，这说明纯盐水 对出砂影响并不大，而两相流动对出砂速度影响较大。5出砂预测系统前述的 4 种出砂预测方法在目前都占一席之地，相互之间相辅相成。现场观测法简单 实用，对易出砂弱固结地层可给出较好的预测，但对疏松一固结之间的地层的出砂预测就 勉为其难。此种方法的经验因素较重。经验法是目前国内外采用最多的方法。此法较现场 观测法准确，只需少量的测井或岩心数据。此法受地区影响较大，对新开发区预测较为困 难

17、。实验室模拟法得出的结论直观，但由于受实验条件的限制采用的公司较少。目前出砂 预测的发展方向是定量化，即将是否出砂定量化为临界生产压差、临界井底压力或临界产 量。该方法的缺点是受采集数据的准确程度影响较大，需较多的数据资料，时效性差。 四种方法各有其优势和局限性，单凭一种方法的预测结果可靠性差，应从系统角度预 测油气井出砂（或何时出砂） ，据此提出一个出砂预测系统（图 9-1-1） ，该系统预测的结论 应比单一方法可靠。第二节第二节 防砂方法及选择防砂方法及选择无论哪一种防砂方法，都应该能够有效地阻止地层中砂粒随着地层流体进入井筒。一、防砂方法分类油、汽、水井防砂方法，如表 9-2-1 防砂方

18、法分类所示。二、防砂方法概述1砂拱防砂和减少拖曳力防砂（1）砂拱防砂防拱防砂的机理如同拱桥承载一样，许多砂粒在炮眼处形成砂拱，具有一定的承载能 力，挡住地层砂随液产出。砂拱防砂成败的关键在于砂拱的稳定性。要想保持砂拱的稳定性必须考虑两个关键问 题：一是降低并稳定地层流体产出速度；二是保持或提高井筒周围地层的径向应力。一般来说，在套管井中砂拱防砂要求射孔后形成小孔径和高孔密的炮眼。小孔径有利 于形成砂拱和提高砂拱的稳定性。高孔密可以增大过流面积，降低地层流体的流速，使流 速控制在一定的临界值之内而不致冲垮砂拱。这个临界值称为“临界流速” 。 由于地层流体的速度并不稳定，随着产量的改变，流速在不断

19、变化，特别是使用大排 量抽油时，在炮眼里会造成十分严重的紊流，易使炮眼处砂拱坍塌，因此砂拱防砂的应用 是有限的。（2）减少拖曳力防砂减少拖曳力防砂是最有效和最简单的防砂方法。增加流动面积，以减少拖曳力。在一定的流量条件下，可通过增加流动面积，降低单 位面积上的流速来减少拖曳力。单位面积上的流速可采用以下方法来减小：l）采用负压射孔。射孔炮眼要大，并要清洁。2）增加射孔密度。3）增加射孔段长度。4）利用压裂填砂的方法，在地层内造成通道。但上述方法由于限制了油气井的产量，一般在海上不会被采用。2机械防砂方法（1）滤砂管防砂此方法是将滤砂管联接于生产管柱的下部下入井内，滤砂管正对产层，滤砂管上部用

20、封隔器分隔上部井段，迫使产层的流体经滤砂管过滤，将砂挡在滤砂管外面、而流体进入 生产管柱内；或者将滤砂管和封隔器联接成防砂管柱用钻杆将防砂管柱送入到产层，坐封 丢手后，封隔器永久性地将滤砂管固定于井下，然后在封隔器上部下入生产管柱。 目前常用的滤砂管如表 9-2-2。 表 9-2-2 滤砂管结构及用途序号滤砂管结 构流通孔缝，mm用 途1割缝衬管以油管或套管经割缝而成，图 9-2-1 割缝衬管0.30.6直井、斜井、水平井、分 枝井当尾管。中粗粒砂地 层2石央砂滤砂管由基管和石英砂固结的外砂管构成， 图 9-2-2 石英砂滤砂管0.060.15直井防砂 容易破碎，不宜用于海上 生产井3单层多层

21、绕丝管由基管、纵向筋条、外层绕丝层构成， 图 9-2-3 单层多层绕丝筛管0.150.75直井、斜井、水平井分枝 井防砂。现代一般用于配 合砾石充填防砂4双层绕丝预充填砾石滤 砂管由基管、纵向筋条、绕丝层树脂胶结 的砾石充填层外绕丝层构成，图 9-2- 4 双层绕丝预充填砾石筛管绕丝缝： 0.150.75 砾石层 0.060.15单独或配合砾石充填，适 用直、作、分枝井。当代 常用的滤砂管5双开孔预充填砂石筛 管由基管、筋条、绕丝层、树脂胶结的 砾石充填层、外层保护钢管，图 9-2- 5 双层开孔预充填砾石筛管0.060.15单独用于直斜、分支、水 平井裸眼段防砂6金属丝编织滤砂管由基和、粗金

22、属丝网层，细金属丝网 （多层） 、螺纹和保护层构成，图 9- 2-6 金属丝纺织滤砂管0.010.190 年代产品。可单独用于 任何井眼的油气井防砂7不锈钢碎粒烧结滤砂管由基管金属碎粒（不锈钢）烧结层构 成，图 9-2-7 不锈钢碎粒烧结滤砂管0.010.0890 年代产品。可单独用于 任何井眼的油气井防砂8金属丝纺织层多层金 属碎粒烧结层滤砂管由基管、内金属丝纺织层，多层细风 与金属碎粒烧结层、外螺纹保护管构 成0.010.0890 年代产品。可单独用于 各类井眼的油气井防砂性能根据滤砂管的结构、长度及地层砂粒度的均匀程度、胶结物等条件的不同而异， 因此选择滤砂管时一般要考虑下述几个方面的因

23、素：1）选择合适的缝隙的滤砂管。依据地层砂粒径的组成、井下举升设备（如电潜泵、水 力活塞泵等）的技术要求，选择合适的缝隙的滤砂管。 2）根据海上长期和高强度采油的要求，选择强度高、寿命长，适用于酸化解堵作业和 进行补救措施的滤砂管。3）根据井眼结构，选择不同结构的滤砂管，如裸眼段防砂，选用带砾石预充填的双层 绕丝滤砂管等。 4）根据流体的不同选择不同强度的滤砂管。如气井宜选择带预制砾石充填的滤砂管或多层 金属碎粒烧结滤砂管。SHELL 公司在气井上采用多层金属碎粒烧结滤砂管防砂。 针对普通筛管不能防细粉砂，PALL 公司和 BAKER 公司发展了新型滤砂管。（2）割缝衬管与绕丝筛管 割缝衬管和

24、绕丝筛管是一种带缝隙的管子，在生产过程中严格控制缝隙尺寸（指：割缝或 绕丝缝隙的宽度）的大小。割缝衬管或绕丝筛管缝隙大小的规格通常用“标准尺寸”来表 示。 1）割缝衬管。割缝衬管（如图 9-2-1）是用油田标准的管材来制造，即在管子壁上割出一系列纵向的 “缝” ，现在一般采用激光来割“缝” 。割缝断面的形状可以是“直槽形”或“梯形” ，见图 9-2-8。梯形断面的割缝管子外表面的缝宽比内表面的缝宽稍窄。这种形状割缝的横断面象 倒置的“V”字， ”它不容易被堵塞，因此任何通过了割缝的外表面开口的砂粒都能继续流 入割缝衬管内，而不会堵塞在割缝处。每一割缝的长度以基管内表面来度量。通常， 38mm（

25、11/2in）长割缝宽 0.76mm （0.30in） ， 50.8mm（2in）长割缝宽在 0.761.5mm（0.0300.060in） 之间；63.5mm（21/2in）长割缝宽 1.52mm（0. 060in）或稍 宽一些。缝宽大于或等于 lmm（0.040in）的割缝，缝宽的 公差通常为士 0.075mm（0.003in） ；缝宽小于 1mm（0.040in） ，缝宽的公差通常为上 0.05mm（土 0.002in） 。有多种几何分布的割缝衬管，见图 9-2-9 所示。通常采 用单缝交错分布的几何形状，原因是这种割缝分布基本保持 了基管原有的抗拉强度，并且使割缝在基管表面均匀分布。单

26、缝交错分布的割缝衬管在基 管表面构成每行数量均等的割缝，最常用的是每二行割缝， 之间纵向间距为 152mm（6in）的几何分布。割缝衬管的割缝面积占基管外表面面积的 3，但一些特殊情况下，割缝开口面积也 可高达基管外面面积的 6。每 ft 割缝的数量需要达到由下列公式计算得到的预定开口面积。通常，标准基管每 ft 割缝数量见表 9-2-3。（9-2-1） 式中 N要求的割缝数量，缝数ft； 一一常数，3.1416；D 一一外径，h；C需要的开口面积，；W 一一割缝宽度，h；L一内表面割缝的长度，in。表 9-2-3 标准基管每英尺割缝数量衬管流动面积为 3和气时开缝条数，缝数m（ft） 缝宽

27、31/2in 41/2in 51/2in 7in 3%6%3%6%3%6%3%6%mm(in)2104 m2/m (4.0in2/ft)4104 m2/m (7.9in2/ft)2.6104 m2/m (5.1in2/ft)5.2104 m2/m (10.2in2/ft)3.2104 m2/m (6.2in2/ft)6.3104 m2/m (12.4in2/ft)4.0104 m2/m (7.9in2/ft)4.0in2/ft (15.8in2/ft)0.30(0.012)735/2241443/440945/2881836/5681154/3522282/6961443/4402886/88

28、0 0.38(0.015)577/1761154/352760/2321495/456918/2801836/5601154/3522309/704 0.45(0.018)499/152970/296629/1921260/384760/2321522/464970/2961941/592 0.51(0.020)446/136865/264577/1761128/344682/2081364/416865/2641731/528 0.64(0.025)367/112708/216446/136892/272551/1681102/336708/2161390/424 0.71(0.028)31

29、5/96630/192420/128813/248498/152997/304630/1921260/384 1.025(0.04)183/56341/104209/64420/128262/80524/160341/104656/200 1.52(0.06)131/40236/72157/48288/88183/56341/104236/72446/136 3.18(0.125)52/16105/3278/24157/4891/28183/56104/32209/64 6.35(0.25)26/852/1639/1278/2452/1691/2852/16104/32割缝衬管与绕丝筛管相比，

30、它的优点是价格便宜；它的缺点是割缝的流入面积受限制 （且易于被堵塞） ；理论上最小割缝宽度可达 0.3mm，不过在实际制造中会大大超过；甚 至达 5mm 宽。在标准碳素钢基管上切割出小于 0.5mm（0.020in）的缝隙，会产生的另一 潜在问题是，流体对割缝的腐蚀，在某种情况下，腐蚀使割缝增宽，以至割缝衬管不再能 挡砂。2）绕丝筛管。 绕丝筛管是由不锈钢丝盘旋缠绕在一基管外衬套上制成。其断面形状如图 9-2-10 所示，它们的一个共同特点是使用了三角形（断面）的不锈钢 丝，三角形的顶点朝里面，这样就形成了一个梯形断面的开口缝隙。其开口缝隙形状与割 缝衬管开口缝隙形状一样，梯形断面的开口缝隙减

31、少了缝隙被堵塞的趋势。 绕丝筛管与割缝衬管相比，它最主要的优点是极大地增大了流体流入面积。典型的绕 丝筛管的开口缝隙流入面积比割缝衬管的割缝缝隙流入面积多 212 倍（两者缝宽一样） 。 因为筛套由不锈钢丝或合金材料制造，所以腐蚀不是个问题，正如前面提及的，绕丝筛管 的开口缝隙缝宽制造时很容易控制到 0.15mm（0.006in） 。绕丝筛管开口缝隙缝宽制造时公 差范围：0.0254mm（0.01in）一 0.05mm（一 0.002in） 。与割缝衬管一样，用于制造绕丝筛管的基管使用油田管材。在基管上钻孔眼的尺寸及 数量依据基管尺寸来定。孔眼布置方式应尽可能保留基管抗拉强度。在某种程度上讲，

32、在 基管上钻孔使基管所损失的抗拉强度被焊接在基管上的绕丝筛套所补偿。在任何情况下， 绕丝筛管的抗拉强度都不低于基管（未钻孔）原有的抗拉强度的 80。绕丝筛管最常用的 扣型为 API 平式扣（NU） 、短螺纹扣（STC） 、和长螺纹扣（LTC） 。3）预充填砾石筛管。预充填砾石筛管是指内部充填了一层树脂涂敷的砾石层筛管，树脂涂敷砾石层起着阻 挡地层砂的作用。预充填砾石筛管是可用于充填砾石防砂作业的井中，以防万一充填砾石 防砂作业失败，如充填砾石质量差或筛管外出现空穴，预充填砾石筛管也可阻挡地层出砂， 尽管预充填砾石筛管的树脂涂敷砾石层也会被堵塞，但是局部的堵塞仍可以使油气井生产。 预充填砾石筛管

33、主要是用于难以进行充填砾石防砂作业的地方（如防砂层段很长，大斜度 井、水平井、多层非均质地层） 。有几种不同类型的预充填砾石筛管。最常见的双层绕丝预充填砾石筛管。单层绕丝预 充填砾石筛管和 Slim-pak 预制筛管。双层绕丝预充填砾石筛管包括二层筛套，一层标准绕丝筛套在里面，另一层绕丝筛套在外面，在二层筛套之间的环空部分填满树脂涂敷的砾石。整个筛管最后被放在火炉上 “烘烤”使树脂涂敷的砾石固结。单层绕丝预充填砾石筛管是由标准的绕丝筛管发展而来的。这类筛管，将一特殊的带 孔管罩在筛套外，带孔管外又罩上一层特殊的纸来密封带孔管的扎眼，并在带孔管与管罩 之间环空部分充填满树脂涂敷的砾石，然后将单层

34、绕丝预充填砾石筛管放在“烤炉”上烘 烤，使树脂涂敷的砾石固化，带孔管外罩的一层纸也就被除去了。外面的带孔管比筛罩要 结实一些，更不易损坏，特别适合下入“狗腿”角度大的井中或磨铣开窗侧钻井中。Slim-pak 筛管与标准绕丝筛管的制造工艺基本类似，它有两大特点：第一，缠绕在带 孔基管外面的是网眼很细的筛网，并且固定在基管上，然后才在筛网外面罩上绕丝筛套； 第二，在筛网与绕丝筛套之间的空间充填满树脂涂敷的砾石。最后将 Slim-pak 筛管放在烤 炉上烘烤，使树脂涂敷的砾石固化，在筛罩与筛网之间形成一层薄的固化的砾石层。Slim- pak 筛管与其它预充填砾石筛管相比，它的主要优点是内径最大。（3

35、）砾石充填防砂砾石充填防砂经几十年的技术改进和配套，是目前最有效的防砂方法。砾石充填的工艺方法是在油气井中下入滤砂管柱后，再进行滤砂管柱外部（包括炮眼 和地层近井地带）充填砾石，建立人工防砂屏障。目前，砾石充填有四种方法：l）低密度充填法：即砾石水充填，用低粘度的携砂液或盐水，用低的携砂比将砾石携 带至防砂井段和防砂管柱外。2）高密度充填法：即砾石胶液充填，用凝胶作携砂液，并用高的携砂比将砾石携带至 防砂井段和防砂管柱外。3）振动充填法：井下充填工具中带有振动装置，在砾石充填过程中引发滤砂管、盲管 等挡砂管柱振动，迫使砾石趋向紧密堆积。4）压裂充填法：将产层用水力压出裂缝后向裂缝挤人砾石，造成

36、离井眼更远的砾石充 填，进一步降低近井带的流动阻力和流速。（4）化学防砂方法将化学原料注入地层，胶结地层砂或将化学胶结剂预先涂在固体颗粒表面，然后将其 挤进套管外形成人工井壁以达到防砂的目的。表 9-2-4 为化学防砂选用参数表。化学防砂方法随着机械防砂技术的发展已越来越显得不重要，其优、缺点如下：优点：对细粉砂地层的防砂效果优于机械防砂。因为目前机械防砂的最小孔隙只达到 防 0.01mm（10）以上的砂粒，0.01mm 以下的粉状砂就只有依靠化学防砂方法。 缺点：化学防砂的胶结剂进入地层，降低地层渗透率；胶结剂易老化，寿命不长；一 般化胶结剂价格昂贵，成本高；作业成功率低于机械防砂。 表-

37、化学防砂选用参数表方 法配方（质量比）适 用 范 围水泥砂浆水:水泥:砂 0.5:1.0:4油、水井后期防砂原料来源广，强度较低，有效期较短水带干灰砂水泥:砂1:2高含水油井和注水井后期防砂原料来源广，成本低，堵塞较严重柴油水泥浆乳化液柴油:水泥:水 1:1:0.5少量出砂的油水井防砂原料来源广，成本低，堵塞较严重酚醛树脂溶液苯酚:甲醛:氨水 1:1.5:0.05油、水井先期和早期防砂适应性强，成本高，树脂储存期短树脂核桃壳树脂:核桃壳1:1.5油、水井早期和后期防砂胶结强度高，原料来源少，施工较复杂 树脂砂浆树脂:砂1.4油、水井后期防砂胶结强度高，施工较复杂酚醛溶液地下合成苯酚:甲醛:固化

38、剂 1:2:（0.30.36）油层湿度在 60以上的油水井先期 和早期防砂溶液粘度低，易于泵送，可分层防砂树脂涂层砾石树脂：砾石 1:（1020）油层湿度高于 60以上的油水井早 期和后期防砂强度较高，渗透率高，施工简单三、防砂方法的选择按储集层保护理论和防砂实践的经验，对油气水层实施早期防砂比中、后期防砂效果 好，特别是对海上油气田更应该考虑早期防砂。选择防砂方法通常应综合考虑以下因素的 利弊。1完井类型完井类型分裸眼防砂和管内防砂完井。要综合井身结构、井眼形状、地层强度、工艺 水平等条件选择防砂方式。原油粘度偏高、地质条件相对简单，地层砂具有一定胶结强度、 产层较薄但又要求高产量，可以考虑

39、裸眼完井防砂，以增大井底渗流面积；而地层条件复 杂，含有水、气、泥岩夹层的井应考虑采用管内防砂。管内防砂也分直井和斜井、水平井 管内防砂。水平井、多底井、多分枝井（3 个分枝井眼以上）一般选用滤砂管防砂。2防砂井段长度机械防砂不受井段长度的限制。隔层厚的井，可考虑分层防砂。化学防砂只能在薄层 段进行。3井筒和井场条件化学胶结防砂方法适用小井眼、异常压力井。温度对化学防砂有直接的影响，应注意 井筒的温度范围，老油井不适合采用化学防砂方法。无钻机或修井机条件的井，如不能进 行砾石充填防砂，可选用 Pal1（颇尔）公司用连续油管下入的金属网加金属颗粒滤砂管防 砂。4地层砂物性化学防砂对地层砂粒度范围

40、适应性大，砾石充填对地层渗透率的均匀性要求不高。5产能裸眼防砂和压裂砾石充填防砂能建立长期较高的、稳定的产能，有条件时应尽量采用。6费用应该考虑综合经济效果，如海上油田应考虑防砂的寿命和滤砂的效率。 根据防砂地层和油、气井的不同类型和特点，综合考虑上述因素，对照表 9-2-5 选出 合适的防砂方法。表 9-2-5 主要防砂方法优缺点序号防砂方法优 点缺 点建 议1控制生产压差1）费用低1）无井下监测出砂仪器，难以准 确操作 2）影响产量 3）砂拱稳性差 4）容易发生砂堵管柱一般不选用2滤砂管防砂1）施工成功率高 2）对井眼形状适应性强 3）方法可靠，有效期较长 4）可用于多层完井 5）作业简便

41、，有补救方法 6）可进和酸化解堵 7）适用油气井1）滤砂管易被堵塞，影响产能 2）滤砂管易受磨蚀3砾石水充填防砂1）成功率高达 95以上 2）方法可靠，有效期 10 年以上 3）作业相对简单，费用中等 4）材料来源广 5）适用油气井1）不适用于细粉砂地层防砂 2）对异常高压井不选用 3）一定程度上影响产能 4）多层防砂费用较高建议应用（海上）4砾石胶液充填防砂1）成功率高达 95以上 2）方法可靠，有效期 10 年以上 3）材料来源广 4）适用油气井1）目前不太适用于水平井、分枝 井和多底井 2）不适用于细粉砂岩 3）作业相对复杂 4）不适用于高温高压井建议应用（海上）5）一定程度上影响产能续

42、表序号防砂方法优 点缺 点建 议5砾石振动充填（与 水充填相近）防砂1）成功率高达 95以上 2）方法可靠，有效期 10 年以上 3）作业相对简单，费用中等 4）材料来源广 5）适用油气井 6）充填密实1）同砾石水充填 2）井下工具结构复杂，易出故障6压裂法砾石充填防 砂1）井眼附近渗透性高，流动压差 低，防砂效果好 2）方法可靠，有利于高产，有效 期长 3）适用于油气井，特别适宜细粉 砂硫松地层的气井防砂1）目前不适用于水平井、分枝井、 多底井 2）动用设备多，作业相对复杂 3）施工时间长 4）不适用于高温高压井 5）费用高适用于油气井， 特别是硫松砂岩、 粉细砂岩气层防 砂7化学防砂目前水

43、平下不适宜海上使用第三节第三节 管内砾石充填防砂工艺管内砾石充填防砂工艺管内砾石充填防砂是油气井在套管射孔后，将砾石充填在射孔炮眼内及筛管套管、 盲管套管环形空间的一种机械防砂方法。一、管内砾石充填防砂设计1设计原则防砂井设计应符合以下三个基本原则：1）注重防砂效果。正确选用防砂方法，合理设计工艺步骤和工艺参数，使防砂井的原 油含砂量小于 0.03。2）发挥油井产能。尽量采用先进的工艺技术，最大限度地发挥可能出砂井的产能，甚 至增产。3）讲求综合经济效益。提高设计质量，施工成功率，降低成本，使防砂井具有高的经 济效益。2砾石充填设计步骤施工设计要形成一个完整的程序，有利于方案的系统化和规格化，

44、不至于顾此失彼而 影响设计质量。设计应分步进行，如图 9-3-1 防砂施工分步设计程序所示，逐项展开。地层预处理设计要根据地层砂样分析化验的结果和防砂井的具体情况，确定酸化解堵方 案和粘土稳定处理方案，同时考虑防乳化，防止新生沉淀物等化学处理的问题，对于提高 作业成功率，发挥防砂井的产能有密切的关系。3砾石的选择（1）收集地层砂样砾石充填的原理是地层砂被较大砾石挡住，而砾石本身又被筛管挡住。因此，在砾石 充填完井中，最重要的设计参数，是有代表性的地层砂样。通常有几种方法可以获得砂样。 下面按其可信程度的次序列出可以获得地层砂样的四种方法，应该尽一切努力，使用第 1 种和第 2 种方法获得砂样。

45、1）用橡皮套取心筒取心，也称密闭式取心。2）用钢丝绳方法进行井壁取心。3）用打捞桶捞砂。4）生产时随产液带出来的砂。将取得的砂样送到实验室进行筛析分析，尽量使具有代表性的砂样总重量不少于 200g。 另外，在进行防砂技术设计时，仔细借鉴相同区域其它井在防砂时所使用的砾石尺 寸和经验。假如得不到样品，而且，该地区也没有其它井进行过砾石充填作业，那么，最好的办 法就是使用最小尺寸的砾石。（2）地层砂样的筛析1）筛析地层砂样粒度中值 d50。取得砂样以后，在实验室进行筛析。步骤如下：先清洗砂粒表面粘附的原油，再进行 解集和烘干，使砂样变成无油污、干燥、洁净的单颗粒状态。然后称取 100g 洁净砂样，

46、放 入 10 个一组不同筛目的标准组筛的顶筛之中并装入振筛机，进行振动分筛 10min 以后， 停机取出组筛，并在精确天平上称取每一级标准筛中保留的砂样质量。假设如表 9-3-1 筛析结果。根据这些筛分数值，计算各级筛目的累积质量百分比。S 形曲线法。把筛目号与对应的累积质量百分比描绘到半对数纸上，如图 9-3-2 筛析曲线所示，得 到一条 S 形曲线。在此曲线上找出累积质量百分比为 50这点上所对应的筛目尺寸，即为 地层砂粒度尺寸，定义为该砂样的粒度中值 d50。 （本例 d500.167mm） 。 有时候，所获得的砂样是取自相同层段的几个不同的部位，在这种情况下，必须对每 个不同部位样品作

47、出“S”形曲线。通常这些“S”形曲线都绘制在同一张图表下，而且每 个“S”形曲线都应标出 50点处的粒度值。为了计算出合适的砾石尺寸，不能取它们在 50点处的平均值，只能以在 50点处粒度值最小的那根“S”形曲线为标准，来选择砾 石尺寸。表 9-3-1 筛析结果筛目号所得砂样的质量，g累积质量百分比， 16 2511 3534 45711 601021 802344 1203579 1701594 230397 灰分3100“S”型曲线为大多数地区所使用的一种方法。这是一种已经得到了证实的可靠的砾 石尺寸选择方法。对数曲线法。 把筛目号和累积质量百分比描绘到对数概率纸上形成筛析曲线，如图 9-

48、3-3 对数概率筛析 曲线所示。它表明了同一口油井三个砂样的筛析曲线。对数概率曲线不是“S”形的，如果所有使用的砂样是有代表性的话，对数概率曲线 应是一条直线。这种对数概率法有其固有的优点。首先，取样和筛析过程中的错误和误差可以根据曲 线的形状鉴别出来，而不会导致选择不正确的砾石尺寸。其次，对数概率曲线更容易解释， 因为不规则的现象很容易看出来。值法。先要把筛目尺寸转换成一定的数学关系值：log2Dlnd/ln2 式中 D筛目尺寸，mm。 标准筛目号所对应的值可以从表 9-3-2 中查找。然而再把标准筛目对应的值和累积 质量百分比描绘到半对数纸上，如图 9-3-4值筛析图，所得到的图形呈一条直线。其优点 是比 S 形曲线精确，因为用点连成的曲线途径有许多条，但