地层出砂机理及出砂预测

第一章疏松砂岩油藏出砂机理及出砂预测方法判断油层是否出砂，对于选择合理的完井方式、对经济有效地开采油田是非常重要的。

要判断生产过程中是否出砂，必须对影响出砂的因素、出砂机理、出砂预测方法的准确性有比较清楚的认识。

通过室内实验和理论研究，搞清油层出砂机理和规律，制订合理的生产制度和防范措施也就显得非常有意义。

1.1油气层出砂原因影响地层出砂的因素大体划分为三大类，即地质因素、开采因素和完井因素。

第一类因素由地层和油藏性质决定（包括构造应力、沉积相、岩石颗粒大小、形状、岩矿组成，胶结物及胶结程度，流体类型及性质等），这是先天形成的，当然在开发过程中，由于生产条件的改变会对岩石和流体产生不同程度的影响，从而改善或恶化出砂程度；第二、三类因素主要是指生产条件改变对出砂的直接影响，很多是可以由人控制的，包括油层压力及生产压差，液流速度，多相流动及相对渗透率，毛细管作用，弹孔及地层损害，含水变化，生产作业及射孔工艺条件等。

通过寻找这些因素与出砂之间的内在关系，可以有目的地创造良好的生产条件来避免或减缓出砂。

地层砂可以分为两种，即：骨架砂和填隙物。

骨架砂一般为大颗粒的砂粒，主要成分为石英和长石等，填隙物是环绕在骨架砂周围的微细颗粒，主要成分为粘土矿物和微粒。

在未打开油层之前，地层内部应力系统是平衡的；打开油层后，在近井地带，地层应力平衡状态补破坏，当岩石颗粒承受的应力超过岩石自身的抗剪或抗压强度，地层或者塑性变形或者发生坍塌。

在地层流体产出时，地层砂就会被携带进入井底，造成出砂。

图1-1 炮眼周围地层受损情况图1-1是射孔造成弱固结的砂岩破坏的示意图。

射孔使炮孔周围往外岩石依次可以为分颗粒压碎、岩石重塑、塑性受损及变化较小的较小受损区。

远离炮孔的A区是大范围的弹性区，其受损小，B1~B2区是一个弹塑性区，包括塑性硬化和软化，地层具有不同程度的受损，C区是一个完全损坏区，岩石经受了重新塑化，近于产生完全塑性状态的应变。

浅谈地层出砂一、出砂的主要危害：1、砂埋油层或井筒砂堵造成油井停产；2、出砂使地面和井下设备严重磨蚀、砂卡；3、冲砂检泵、地面清罐等维修工作量剧增；4、出砂严重时还会引起井壁坍塌而损坏套管。

二、油层出砂机理：1、剪切破坏：剪切强度包括两部分：胶结力和摩擦力。

在射孔通道周围有一个压力场，而其附近的塑性变形会引起井眼内剪切破坏，岩石将产生弹性变形（硬地层）或屈服变形（软地层），因而在射孔通道形成了一个塑性地层。

一旦剪切破坏发生，大小固体颗粒纷纷被剥离，这地层将逐渐遭到破坏。

2、拉伸破坏：拉伸机理发生在射孔通道周围，（这里的径向压力是由井眼压力和油藏压力控制的）。

压力骤变能超过地层拉伸强度，从而形成出砂和射孔通道的扩大。

3、粘结破坏：这一机理在弱胶结地层显得十分重要。

粘结强度是任何裸露的地层表面被侵蚀的一个控制因素。

这样的位置主要包括：射孔通道、裸眼完井的井筒表面、水力压裂的裂缝表面、剪切面或其它边界表面。

4、化学反应影响：岩石的强度由两部分组成：微粒之间的接触力和颗粒与胶结物之间的粘结力。

地层流体可能含有水、碱或酸，化学反应将溶蚀掉胶结物，从而破坏岩石强度。

三、油层出砂的具体原因：1、砂岩油层的地质条件（内因）：砂岩油层在钻井前处于应力平衡状态。

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。

其它条件相同时，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，井壁附近的岩石就越容易变形和破坏，引起在采油过程中油层出砂，甚至井壁坍塌。

2、开采因素（外因）：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。

四、冲砂：冲砂就是用高速液体将井底砂子冲散，并利用循环上返的液流将冲散的砂子带到地面的清砂方法。

1、冲砂原因：油井出砂后，如果井内的液流不能将砂全部带至地面，井内砂子逐渐沉积，砂柱增高，堵塞出油通道，增加流动阻力，使油井减产甚至停产。

出砂过程与危害 出砂机理 出砂预测第十章油井出砂一、出砂过程与危害1.1 出砂过程油井出砂大体上可分为两个阶段：由骨架砂变成松散砂，这是导致出砂的必要条件； 松散砂的运移只有满足这两个条件后才会引起大规模出砂。

✓对于出砂的第一阶段来说，应力因素，如井眼压力、原地应力状态、岩石强度等是影响出砂的主要因素；✓液力因素，如流速、渗透率、粘度以及两相或三相流动的相对渗透率等的作用主要表现在出砂的第二阶段，即运移由于剪切破坏而形成的松散砂。

1.1 出砂过程1.2 油井出砂的影响因素影响因素可分为三大类：①地质力学因素，包括：原地应力状态（垂直地应力与原始水平地应力）、孔隙压力、原地温度、地质构造等；②砂岩储层的综合性质—井深、砂岩的强度和变形特征、孔隙度、渗透率、泄流半径、流体的组成（油、气、水的含量及分布等）、粘土含量、组成、颗粒尺寸和形状及压实情况等；③工程因素：包括完井类型、井身结构参数（井深、井斜、方位、井径）、完井液的性能、增产措施（压裂、酸化等）、生产工艺参数（流速、生产压差及流量）、油层损害（表皮系数增大）、放油或关井方案、人工举升技术、油藏衰竭、累计出砂量等。

一、出砂过程与危害设备磨损◆油管、阻流阀、泵筒◆地面管线、阀门 管柱堵塞◆油井管柱堵塞◆地面管线堵塞 增加作业次数 套管损害 需要其它处理装备1.3 出砂的危害出砂的好处：✓增加产量✓消除近井地带的储层伤害✓提高储层孔隙度和渗透率二、出砂机理2.1 流体流动所需的生产压差对于高渗油藏来说，提高产量意味着增加生产压差。

而生产压差的增加提高了地层的偏应力水平，若超过地层抗剪强度，会引起地层破坏，导致油井出砂。

除达西流动的能量损失外，生产压差必须克服如下流动伤害：（1）钻井过程近井地带应力场变化导致的渗透率伤害、径向流汇聚和动量作用。

（2）井眼流动伤害，如井底不完善、射孔和表皮伤害。

（3）钻井液固相伤害。

生产压差不仅对孔隙压力产生扰动，还导致近井地带产生应力集中。

地层出砂的判断方法
地层出砂的判断方法主要包括以下几种：
1. 观察法：通过观察地面的裂缝、塌陷、隆起等现象，以及井壁坍塌、套管损坏等情况，判断地层是否出砂。

2. 钻井液携砂量法：通过观察钻井液的携砂量，如果携砂量明显增加，说明地层出砂。

3. 循环压力法：通过观察循环压力的变化，如果循环压力明显下降，说明地层出砂。

4. 钻屑法：通过观察钻屑的粒度和形状，如果钻屑明显变粗或形状不规则，说明地层出砂。

5. 声波探测法：通过声波探测地层的疏松程度和孔隙度，如果声波传播时间明显延长或反射波幅明显减小，说明地层出砂。

6. 测井法：通过测量地层的电阻率、声波传播时间、密度等参数，结合地层的地质特征，判断地层是否出砂。

以上是地层出砂的判断方法，具体使用哪种方法要根据实际情况而定。

如果发现地层出砂，应及时采取措施防止进一步恶化，保证钻井工程的安全顺利进行。

第一节出 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(包括投产及小产后期)是否出砂?（2）何时出砂？一、出砂机理及影响因素1.出砂机理—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。

—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80％～95％。

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。

一，出砂机理油井出砂通常是由于井底附近地带的岩层结构破坏引起的，其中，弱固结或中等胶结砂岩油层的出砂现象较为严重。

由于这类岩石胶结性差，强度低，一般在较低的井底压力下，就容易造成井底周围地层发生破坏而出砂。

油井出砂与油藏深度、压力、流速、地层胶结情况、压缩率和自然渗透率、流体种类和相态（油、气、水的情况）、地层性质等有直接的关系。

从力学角度分析油层出砂有两个机理：即剪切破坏机理和拉伸破坏机理，前者是炮孔周围应力作用的结果，与过低的井底压力和过大的生产压差有关；后者则是开采过程中流体作用于炮孔周围地层颗粒上的拖曳力所致，与过高的开采速度或过大的流体速度有关。

这两个机理相互作用，相互影响。

除上述两个机理外，还有微粒运移出砂机理，包括地层中粘土颗粒的运移，因为这会导致井底周围地层的渗透率降低，从而增大流体的拖曳力，并可能诱发固相的产出。

二，出砂情况预测现有的出砂预测是建立在对出砂的现场观察、出砂的室内实验及对出砂进行理论模拟的基础上，我们针对永八块的地质情况及开采特点，主要从以下几个方面进行出砂预测：１、经验类比分析法从现有永八块的资料分析，它同胜利油田的大多数砂岩油藏情况相似。

据胜利砂岩油藏沙河街层组出砂情况分析，其中大部分油藏出砂。

一般开始出砂轻微，随着油田的进一步开发，油井见水后，出砂加剧。

同时地层压力也逐渐降低，从而导致生产压差增大，也会造成大幅度出砂。

胜利油田与之同层的各个砂层组在生产过程中都有不同程度的出砂现象，所以从经验上讲，永八块可能出砂。

２、孔隙度法一般认为，地层的孔隙结构与地层的胶结强度有关，通过对胜利油田的大量统计结果表明：如果地层孔隙度大于３０％，地层出砂较为严重，完井过程中必须考虑防砂措施；如果地层孔隙度在２０－３０％之间，地层出砂减缓，也许考虑防砂；如果地层孔隙度小于２０％，地层出砂轻微。

永八块的Ｓ２５、Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８砂层组的孔隙度平均为３３％，所以单从孔隙度方面考虑都将出砂。

一、出砂概况油井出砂是油气开采过程中由于储层胶结疏松、强度低、流体的冲刷而导致射孔孔道附近或井底地带砂岩层结构被破坏，使得砂粒随流体从油层中运移出来的现象[1].（李兆敏,林日亿,王渊,等.高含水期射孔井出砂预测模型的建立及应用[J].石油大学学报:自然科学版,2003,27,(4):58,61,65.）在我国,除了少数油田的油井是由于砂岩层胶结不好、砂粒疏松.在开采初期就有出砂现象之外,许多出砂现象都是发生在油井生产的中后期.油田的中后期出砂特点是出砂量大、时间持久且难预测何时发生、防治较为困难。

国外在出砂预测方面研究应用较早.开发出了大尺寸出砂试验模拟系统、多种出砂理论模型和软件.我国近几年也正在从小尺寸的出砂预测逐步向大尺寸的出砂预测过度。

二、出砂的危害(1)减产或停产作业：油、气井出砂最容易造成油层砂埋、油管砂堵，地面管汇和储油罐积砂。

沙子在井内沉积形成砂堵，从而降低油井产量，甚至使油井停产，因此，常被迫起油管清除砂堵、清洗砂埋油层，清理地面管汇和储油罐。

其工作量大，条件艰苦，既费时又耗资。

即使这样，问题也还没有最终解决。

恢复生产不久，又须重新作业。

(2)地面和井下设备磨蚀：由于油层出砂使得油、气井产出流体中含有地层砂，而地层砂的主要成分是二氧化硅（石英），硬度很高，是一种破坏性很强的磨蚀剂，能使抽油泵阀磨损而不密封，阀球点蚀，柱塞和泵缸拉伤，地面阀门失灵，输油泵叶轮严重冲蚀。

使得油、气井不得不停产进行设备维修或更换，造成产量下降，成本上升。

(3)套管损坏，油井报废：最严重的情况是随着地层出砂量的不断增加，套管外的地层孔穴越来越大，到一定程度往往会导致突发性地层坍塌。

套管受坍塌地层砂岩团块的撞击和地层应力变化的作用受力失去平衡而产生变形或损坏，这种情况严重时会导致油井报废。

(4)安全及环境问题：意料之外的由于出砂引起的管道渗漏或设备失效还会引起严重的安全问题和溢出事故，尤其是在海上或陆上有水的地方。

油井出砂原因及防砂预测分析摘要：在油田开采过程中，随着油田开采的不断进行，地层能量也会随之不断下降，此时油井内部的压差就会不断增大，进而导致油井出砂的问题不断严重，油井出砂会对其产能造成比较大的影响。

地层出砂会进入到井筒中，可能会造成管线和设备堵塞情况的出现，或者对泵造成破坏，甚至可能会导致井壁坍塌的问题，造成套管变形损坏，最终使油井不能够继续生产，而且会影响后续开采和最终的采收率，因此加强对油井出砂机理的研究，针对油井出砂机理采取有效的防砂措施来对油井出砂问题进行预防，对于保证油田产能的稳定，提高最终采收率具有重要的意义。

关键词：油井；出砂机理；因素分析；防砂技术1、油井出砂及危害油井出砂是油田的油井在生产过程中，因为储油层的岩石较为脆弱，或是在开采过程中，因为不合理的操作，导致储油层的岩石结构遭到破坏，导致岩石脱落。

脱落后的岩石随着原油一起进入采油设备中。

因为岩石体积较大，最终导致采油设备的损坏。

岩石脱落严重时还会对油井内的岩石稳定结构被破坏，导致油井坍塌，最终停产。

常见的油井出砂会导致油井减产，只有当油井出砂越来越严重时才会发生油井停产现象。

2、油井出砂原因分析油井出砂的原因并不都是一样的，不同区域的油井在出砂原因方面可能有一定的差异，但是总的来说油井出砂主要是两类原因导致的，一方面原因是油藏本身的地质条件，另一方面则是开采因素，这两方面因素是导致油井出砂的主要原因，下面就对这两方面因素进行分别的分析：2.1地质条件的影响开采区域内岩层的自然因素是导致油井出砂的主要原因。

在进行石油开采的过程中，原油输出会导致开采区域土层外部压力不断增大，引起岩层的松动，严重时会导致区域内的岩层脱落，进而出现油井出砂问题。

在石油开采的过程中，开采区域内岩层应力的分布是导致油井出砂的内因，随着开采深度的增加，开采石油需要的压力不断加大，此时油井内开采区域内的岩层应力状态平衡状态被打破，破坏了开采区域内的结构，引起岩层脱落，产生油井出砂问题。

2020年22期方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application西非K 断块地层出砂机理分析及出砂预测方法研究乐涛涛（中国石油大港油田分公司勘探开发研究院，天津300280）地层出砂是油田开发过程中经常会遇到的问题，对油井正常生产甚至地面管线会造成严重的危害。

地层出砂会造成电泵砂卡、磨蚀等，检泵周期缩短，增加作业成本；出砂会砂埋油层，造成产量降低甚至停产，冲砂作业增加作业成本；严重出砂会引起井壁坍塌，破坏地层原始渗透率，损坏套管；出砂会磨蚀井口设备和地面管线，并在处理罐中沉积，增大维护工作量，加大地面处理系统负担。

对于疏松砂岩油藏，由于地质沉积、岩石力学、开发开采等因素，都会不同程度地影响出砂类型、出砂规律，分析地层的出砂机理、有针对性的开展出砂预测，对于提前采取防砂措施、保证油井正常，具有十分重要的意义[1]。

西非K 断块为新发现断块，目前仅钻有少量探井、评价井，暂无井投产。

该断块以构造油藏类型为主，油藏埋藏较浅，主力油层埋深1200耀1400m ，总体沉积环境为三角洲前缘沉积，油层以中孔中渗储层为主。

通过对地层出砂机理分析，及能够较容易获取的钻井取心、测井解释、试油等资料的综合分析，进行地层出砂预测研究，找到一套预测可靠、在实际生产中可操作性强的地层出砂预测方法，以便采取适当的防砂措施，在油田开发中具有重要意义。

1出砂机理分析1.1出砂类型从地层出砂的微观方面分析，是砂粒由于受到流体流动的冲刷而从岩石骨架上剥落、运移，地层出砂分为以下三种类型。

游离砂析出：未胶结的砂粒，随油气流带出岩石进入井筒，加强排液，不必采取防砂措施。

游离砂有利于疏通孔隙吼道，提高产能。

弱胶结砂岩层出砂：岩石较疏松，当流体拖曳力超过联结强度时，形成出砂。

随流体流量增加而增大，随采液时间延长而加剧[2]。

砂岩骨架破碎出砂：胶结强度较高的砂岩层，生产初期无出砂，中后期出砂，一般为骨架砂。

出砂的原理出砂是指地下水中的沉积物进入井底或井筒的现象。

地下水中的沉积物主要包括细粒土壤颗粒、泥沙和碎屑物质等。

当地下水中的沉积物进入井底或井筒后，会造成井水变浑浊、水质变差，严重时可能会阻塞井眼或损坏井筒设备。

出砂现象通常发生在各类水井中，包括地下水源井、工业、农业和家庭的水井等。

出砂的原理涉及到地下水的信息、流动、沉积以及其他地下水动力学过程。

出砂现象通常与以下几个因素有关：1. 地下水水力梯度：地下水的流动速度通常会受到水力梯度的驱动。

当井底或井筒附近的水压高于井底，地下水会向井底流动，从而带动沉积物进入井底或井筒。

2. 地下水流动速度：地下水的流动速度与地下水位差、渗透系数、含水层孔隙度等因素有关。

当地下水流动速度增加时，较大颗粒的沉积物会带到井底，造成出砂现象。

3. 地下水通道的粗糙度：地下水通道的粗糙度与地下水流动速度、沉积物悬浮情况相关。

当地下水流经粗糙的通道时，沉积物会更容易悬浮在水中，从而进入井底或井筒。

4. 地下水中的沉积物含量：地下水中的沉积物含量越高，出砂的可能性也越大。

沉积物可通过水分运动悬浮在地下水中，在高速流动条件下，会带动更多的沉积物进入井底或井筒。

当这些因素同时起作用时，就会导致出砂现象。

当井底或井筒附近的地下水流动速度较快时，会带动沉积物进入井底；当井底或井筒附近的地下水完全饱和时，更容易出现出砂现象；当地下水中的沉积物含量较高时，也会加剧出砂的程度。

为了解决出砂问题，常采取以下措施：1. 控制地下水流速：通过调整地下水抽水量或调整地下水位差，可以减缓地下水流速，从而减少沉积物进入井底的风险。

2. 加装滤网或过滤器：在井底和井筒中加装滤网或过滤器，可以阻止较大颗粒的沉积物进入井底或井筒，并保护井筒设备的正常运行。

3. 定期清理维护：定期清理井底和井筒，清除沉积物，保持井筒的通畅。

4. 加强水井设计：在水井设计时，应根据地下水中的沉积物含量、流速等因素，合理设计井底和井筒的尺寸和通道结构，以减少沉积物聚集和进入井底的风险。