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国内外防砂决策及工艺技术调研报告1.出砂机理理论基础1.1地层出砂的影响因素油层出砂是由于井底附近地带的岩层结构破坏所引起的，它是各种因素综合影响的结果，这些因素可以归结为两个方面，即地质条件和开采因素，其中地质条件是内因，开采因素是外因。
1.1.1内因—砂岩油层的地质条件(1)应力状态砂岩油层在钻井前处于应力平衡状态。
垂向应力大小取决于油层埋藏深度和上覆岩石的密度；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。
【防砂】油气田用各种防砂筛管及工艺技术简介防砂筛管是为了解决油气井开发中油气井出砂问题和水平井组不射孔开发问题而研发的产品。
目前常用的防砂筛管有：激光割缝防砂筛管、打孔筛管、金属棉防砂筛管、TBS防砂筛管、螺旋筛管、V缝自洁防砂筛管以及弹性防砂筛管等与目前国内外水平井使用的完井方式相比，各油田水平井产要是以筛管、打孔衬管、射孔三种完井方式为主。
由于绝大多数水平井是砂岩油藏和稠油油藏，稠油防砂问题是水平井开发的主要矛盾之一，因此以筛管完井占主导地位。
用于防砂完井防砂的筛管主要有:金属棉筛管、TBS筛管割缝筛管、弹性筛管、螺旋筛管、V缝自洁防砂筛管。
一、筛管防砂完井的发展历程及性能评价:1、1996年以前防砂完井技术试验阶段，主要以金属棉筛管完井防砂为主。
金属棉筛管防砂完井后井眼尺寸小，不利于注汽热采、采油生产和后期作业。
防砂材料强度不足、不均匀，容易堵塞和损坏（击穿）。
2、1996～2002年间开发并应用了TBS筛管。
TBS筛管是以打孔套管为基管，将金属纤维过滤单元烧结在基管上，单层管结构，内径大，可防细砂，解决了金属棉筛管内径小、堵塞和强度低的问题。
TBS筛管存在问题：过滤单元易脱落、加工工艺性差。
3、2002年以后由于机械加工工艺的进步，割缝筛管加工成本降低，近几年来在辽河油田应用的最多，主要适用于粗砂、分选性好的油藏。
存在问题：不能防止细砂，缝隙易冲蚀变大、缝型为单一直缝抗压强度低。
4、2005年以后割缝筛管防砂完井技术推广应用阶段和弹性筛管现场试验阶段。
高强度弹性筛管进入现场，显示出明显的优势。
解决了TBS过滤单元脱落的问题，防砂材料采用弹性金属纤维，渗透性能好，抗堵塞性能高，扩大了防砂范围。
目前水平井最主要的防砂完井筛管是弹性筛管和割缝筛管。
目前水平井筛管完井方式主要有两种：A、95/8″套管内悬挂7″筛管。
B、7″套管下接7″筛管，上部固井。
二、完井筛管多样化技术1、割缝筛管割缝筛管是在套管或油管管体上切割出细缝，将地层砂挡在筛管之外实现防砂，其结构简单、成本低，可用于水平井等弯曲井眼的完井和防砂，但存在如下问题：1、受加工工艺影响，不能加工成梯缝，自洁能力差。
防砂技术梳理方案防砂技术主要是通过一系列的措施来减少或消除土壤的流失，保持地表的稳定和生态环境的健康。
下面是一种防砂技术梳理方案：1. 土地治理方面：- 植被恢复：通过种植适宜的草本植物或树木来增加土地的植被覆盖率，提高土壤的结构稳定性，减少土壤流失。
- 濒危地区改造：对悬崖、河岸等容易发生土砂流的区域进行改造，增设护岸或搭建支护结构，防止土壤侵蚀和崩塌。
- 沙丘固定：采用人工措施，如植树、安装防护网等方式，固定沙丘，防止沙丘活动造成土壤流失。
- 土地透水性改善：采用改良土壤的方法，如加入有机物质、石子等，提高土壤的透水性，减少水分在土壤中滞留，降低发生土砂流的概率。
2. 水资源管理方面：- 河流整治：清理、疏浚河道，保持河道的通畅，减少土砂的滞留和堆积，防止河道淤积和水质恶化。
- 水库建设：建设水库来调节水资源的分配和供应，减少洪水发生的频率和强度，降低土壤流失的风险。
- 土地利用规划：合理规划土地利用，避免在易发生土砂流的区域进行建设，保护河流、湖泊等水域的健康。
- 鱼类保护：加强河流等水域的生态系统保护，维持鱼类的数量和多样性，促进水生物的繁衍和生态平衡，降低人类活动对水资源的破坏。
3. 教育与宣传方面：- 环境教育：通过学校、社区等渠道，加强对居民和学生的环境教育，普及防砂知识，增强公众的环境保护意识。
- 宣传活动：组织各种形式的宣传活动，如举办防砂知识讲座、展览等，宣传防砂的重要性和科学方法。
- 产业规范：鼓励相关行业制定相应的防砂规范和操作指南，推动企业加强砂石的开采管理，减少对土壤流失的影响。
在实施防砂技术方案时，需要统筹考虑环境、经济和社会等各方面的因素，制定适合当地实际情况的防砂方案，并定期评估和调整方案的效果，以实现持续有效的土地治理和环境保护。
国内外防砂技术现状与发展趋势概述疏松砂岩油藏分布范围广、储量大，这类油藏开采中的主要矛盾之一是油井出砂。
因此，油井防砂工艺技术的研究和发展对疏松砂岩油藏的顺利开发至关重要。
目前国外在油气井防砂方面主要以机械防砂为主，约占防砂作业的90%，随着油田的进一步开发，现在又相继研究开发各类型的滤砂管、可膨胀性割缝筛管和压裂防砂、过油管防砂等防砂工艺技术。
化学防砂六十年代在美国墨西哥湾地区曾占据防砂作业的主导地位，但由于机械防砂的完善和发展，其主导地位逐渐被取代。
进入九十年代后，性能较好的固砂剂不断出现，化学防砂的前景又趋看好。
国内防砂工艺技术的发展已有数十年的历史，辽河油田、胜利油田、大港油田在油气井防砂方面也作了大量的工作，丰富和提高了国内防砂工艺技术水平。
目前已形成机械防砂工艺、化学防砂工艺和复合防砂工艺三大体系的油气水井防砂工艺技术。
其中辽河油田防砂中心，研制开发了复合射孔防砂技术，为国际领先水平。
随着辽河油田稠油开发比重的增加，辽河油田的出砂情况变得越来越复杂，防砂治理工作难度也越来越大，辽河油田结合油井出砂特点，开展了防砂基础理论及试验研究，主要包括：出砂机理分析、防砂数据库和出砂预测软件的建立、防砂机具性能评价研究。
先后研制开发了机械、化学、复合型防砂工艺技术近20项，主要有TBS筛管防砂技术、MC-Ⅰ组合式筛管防砂技术、塑料筛管防砂技术、激光割缝筛管高压砾石充填深部防砂技术、压裂防砂技术、复合射孔防砂技术、焦碳人工井壁防砂技术、泡沫树脂液防砂技术、乳液树脂固砂技术、桃壳人工井壁防砂技术、高温固砂技术、携砂采液技术、低压井冲砂技术。
一、机械防砂目前机械防砂主要化分两类：一类是下入防砂管柱挡砂，如割缝衬管、绕丝筛管、胶结成型的滤砂管、双层或多层筛管等。
这类防砂方法简单易行，但效果差，寿命短。
原因是防砂管柱的缝隙或孔隙易被进入井筒的细地层砂所堵塞。
另一类是下入防砂管柱后再进行充填，充填材料多种多样。
最常用的是砾石，还可用果壳、果核、塑料颗粒、玻璃球或陶粒等。
这种防砂方法能有效地把地层砂限制在地层内，并能使地层保持稳定的力学结构，防砂效果好，寿命长。
相对来说，机械防砂对地层的适应能力强，无论产层厚薄、渗透率高低，夹层多少都能有效的实施；在老油井作业中，还可起到恢复地层应力的作用，从而延长生产周期，使出砂井能得到充分的利用。
加上机械防砂成功率高，相对成本较低等优点，目前应用十分广泛。
1国外机械防砂技术国外油气井防砂工艺技术研究起步较早，最初采用限产的方法来控制油气井出砂，1932年开始采用砾石充填方法。
目前国外在油气井防砂方面主要以机械防砂为主，其中绕丝筛管砾石充填经过不断的完善和发展，到八十年代已发展成为一项较成熟的技术。
如美国的贝克—休斯公司、道威尔—斯伦贝谢公司、哈里巴顿公司、沙龙公司、雪弗龙公司等都拥有自己专门的防砂器材、施工设备和施工工艺，从砾石充填工具、封隔器、滤砂管、泵送设备到施工液体、化学药剂、技术咨询、现场服务等形式一条龙服务。
随着油田的进一步开发，为满足各种类型的油气井防砂需求，现在国外又相继研究开发出各种类型的滤砂管和多种防砂工艺技术。
a绕丝筛管砾石充填防砂技术充填工具国外各大石油防砂公司都拥有自己的砾石充填工具，且种类繁多，已成为系列化。
目前广泛应用于现场的主要有以下几种类型：（1）皮碗式充填工具（2）封隔器转换总成类充填工具（3）振动充填工具：这类充填工具是由美国沙龙石油公司研制的，主要由皮碗充填工具、旋转式衬管振动器及倒扣丢手工具组成。
衬管振动器的间距为60英尺，充填过程中，利用地面转盘带动振动器产生水平振动，以获得密实的充填层。
绕丝筛管目前，国外除少数地区继续沿用割缝衬管外，大部分地区均采用全焊接不锈钢绕丝筛管。
国外主要绕丝筛管制造厂商及其产品如下：充填材料绕丝筛管砾石充填防砂材料目前国外使用的有石英砂、陶粒和涂层砾石。
在美国和西欧市场上供应的商品石英砂规格从40/100～6/10美国目，砾石质量按API推荐的标准检验。
在国外的充填材料中，公认Ottawa砂质量最好，委内瑞拉砂次之。
携砂液目前国际上在携砂液研究方面持有两种观点：一种是朝高质、高效及高粘方向发展。
而另外一种趋向于低粘或清水方向发展。
如何评价视油井类型而定。
b滤砂管防砂工艺膨胀筛管这种防砂筛管由可膨胀割缝内管、可膨胀割缝外管和过滤层组成，当筛管与封隔器联接在一起下到设计位置时，通过一个胀锥，使其径向膨胀，贴紧套管壁。
当打捞作业时，通过一个捞锚，在轴向拉力作用下，筛管径向收缩，解卡提出。
其优点是：（1）可用于直井、斜井，尤其对水平井裸眼井防砂效果更理想。
（2）将筛网压紧靠在套管射孔孔眼上，可防止地层砂随油流流出，亏空地层，故可保持地层应力，起到很好的防砂效果，这种防砂方法尤其适用于油井先期防砂。
（3）该防砂方法的最大优点是后期处理简单。
它只需从一端拉拨，割缝管便可收缩到原有直径，使用捞锚即可将防砂管柱起出井筒。
多层组合筛管该新型滤砂管是美国Pall公司研制成功的，该滤砂管的先进性在于：(1)中心管、金属网及外管之间零间隙紧凑结构使其外径较小，可应用于侧钻小井眼防砂、过油管防砂。
(2)该结构具有较大的柔性，抗弯曲能力好，适合于水平井及大斜度井防砂。
(3)该滤砂管抗腐蚀性能好，可承受较高的拉应力，适合不同类型的油气井防砂。
双层半剖面绕丝为了解决水平井或大斜度井砾石充填筛管上部充填不密实而防砂失效的难题，Spatin 等人研制开发出这种新型滤砂管。
其结构由中心管和两层环形套组成，环形套一半是绕丝筛管，另一半为完体管。
外套与内套交错焊接在带孔中心管上，并沿内外环形套安置一个遮挡板，从而在交错体内产生一曲线流道，以减少地层砂的堵塞。
另外，中心管装有暂时堵塞器的预制筛管、中心管装有mill—owt堵塞的预制筛管、外层有暂时堵塞器的带孔预制筛管，是针对水平井裸眼井完井这一特殊问题设计开发出的、可用于清洁井底条件的新型筛管。
2 国内机械防砂技术近年来，国内机械防砂工艺技术发展较快，仅辽河油田、胜利油田、大港油田在油气防砂研究方面也作了大量的工作，使国内防砂工艺技术水平有了较大提高。
在国内陆上、海上十几个油田现场应用一万余井次，施工成功率90%以上。
a绕丝筛管砾石充填技术充填工具(1)常规砾石充填工具：又可为正循环工具和反循环工具(2) 振动砾石充填工具国内于1992年成功地研制出振动砾石充填工具，它主要有：旋转充填工具、丢手工具、旋挂振动器、密封总成组成。
旋挂振动器使用时由筛管联结，下入到筛管中心管内，由地面动力钳带动管柱旋转，经充填工具和生产心轴，传至冲管下，振动块产生径向往复运动，连续敲击中心管内壁，实现振动充填砾石。
(3) 长井段分层砾石充填工具多层砾石充填是针对多层分采和厚夹层长井段油井如何有效的进行防砂提出的。
国内于1995年成功的研制出二次管柱和一次管柱分层砾石充填工具。
其中一次管柱防砂管柱包括以下几种工具：上部充填工具补偿装置、下部充填工具、封隔器和补偿器。
筛管国内砾石充填筛管主要有全焊接式不锈钢绕丝筛管、割缝衬管、双层预充填筛管和金属棉滤砂管。
其中全焊式不锈钢绕丝筛管应用最为广泛。
充填材料目前国内砾石充填材料主要有石英砂、陶粒和树脂涂敷砂，其中以石英砂为主。
质量检测标准执行国际API质量检查标准。
国内石英砂中以兰州砂质量最好，其次是福建砂。
由于陶粒价格较贵，一般用量不大，只在少数高温井中陶粒和树脂涂敷砂应用。
充填方式充填方式主要反循环充填、正循环充填。
其中正循环挤压方式是国内外许多油田优先采用的方式，由于有较多的砾石进入射孔炮眼内，充填饱满，因此防砂时成功率高，效果较好。
对于井斜度较高的定向井或丛式井，常规低密度正循环挤压充填效果更佳，这已为国内许多油田现场实例所证实。
b激光割缝筛管砾石充填防砂技术激光割缝筛管砾石充填防砂技术是在绕丝筛管砾石充填防砂技术上发展起来的新技术，其原理是利用油管将防砂筛管与填砂工具等组合而成的防砂管柱下至油层段，然后利用填砂车组将混砂液正填入筛套环空、近井地层中，以实现人工砾石形成的砂桥防治油层细粉砂的目的。
截止到2003年6月20日，该技术已在辽河油田现场应用101口井，防砂有效率91%，取得良好的防砂效果，累产油51940 t，创经济效益4675万元，实现投入产出比1：5。
(1) 技术特点：实施近井地层内防砂、固砂，防砂效果好；防砂管柱内通径大（Ф100mm～Ф110mm），便于后期作业；填砂、丢手、坐封一次管柱完成，施工方便、快捷；筛缝排列密度大，提高了过流面积，而且筛管强度高。
(2)技术关键：激光割缝筛管；填砂一体化工具；填砂施工工艺技术。
(3)技术突破点：新型激光割缝筛管同绕丝筛管相比具有强度高，内通径大的特点，激光技术的应用与开发使筛管砾石充填防砂技术得到了进一步提高；大通径填砂一体化工具的研制，改变了以往砾石充填工具通径小；采用了三种丢手方式，增加了管柱安全性，避免了丢手丢不掉的事故隐患，为大排量、高泵压挤压式充填工艺的实施提供了条件；挤压式充填工艺使填砂量大大增大，对提高防砂效果十分有利，改变了以往循环式充填填砂量小、地层砂与人工砾石混合降低砾石层渗透率的情况。
挤压式充填工艺取代循环式填砂工艺，对提高防砂效果十分有利。
c滤砂管防砂技术滤砂管防砂施工工艺目前国内外发展很快，滤砂管工艺管柱同国外基本相同。
下面主要介绍几种国内应用效果较好，比较新型的滤砂管，以及它们的适用范围。
双层预充填筛管和金属棉滤砂管国内在90年代初开发研制出双层预充填筛管和金属棉滤砂管，其性能指标与国外大致相同，而应用范围较国外更为广泛。
金属毡滤砂管该种金属毡滤砂管是1998年3月为埕岛油田海上双管注水防砂而研制的。
技术指标及工艺特点：（1）该注水防砂管中心管内径φ110mm，通径大、渗流面积大，适应大注入量的要求。
（2）可用在油井防砂中，特别地在一次防砂失效后，可在中心管内再下入小直径滤砂管，不动原防砂管进行二次防砂。
（3）在双管注水防砂中，利用配套管柱可同时进行两个层段的注水防砂。
TBS筛管防砂技术整体烧结金属纤维筛管（简称TBS筛管）是用套管或油管作为基管，在基管上按一定规则打孔并在高温高压条件下，将金属纤维烧结在打孔的基管上，从而形成立体网状滤砂屏蔽。
该金属纤维能使原油及小于Φ0.07mm的细粉砂通过，并随油流一起被携带出井筒，而较大粒径的粗砂被阻挡在筛管外，形成自然的挡砂屏障，从而达到防砂的目的。
该技术拥有国家专利，1997年获中国石油天然气总公司技术推广一等奖，2002年在SPE 亚太地区石油天然气会议和展览会上发表论文，论文号SPE-77846。
防砂管柱不仅可以用在直井、斜井、侧钻井及水平井等套管完井的各类油、气、水井的防砂，而且对于裸眼完钻的上述各类型的油、水井也同样适用。
