第3章_出砂机理与防砂

浅谈油井出砂机理及防砂工艺技术研究摘要：随着油田进入开发后期，开采的难度不断加大，含砂井越来越多。

这种现象已成为油田开发过程中的主要难题之一。

胜利油田孤东油区存在大量的高含砂井。

油井出砂的原因极其复杂，从开始钻井到采油、注水过程中，每一个环节对出砂都有影响。

而人为因素造成的油井出砂，应该尽量避免。

分析油井的出砂机理，应用更先进的防砂工艺技术，提高防砂效果显得尤为重要，下面着重分析油井的出砂机理及防砂措施。

关键词：油田开发出砂机理防砂措施随着油田的不断开发，地层能量不断下降，油井出砂问题日益突出，越来越多的高含砂井的出现，导致油田稳产的难度日益增大。

地层出砂进入井筒，会导致油砂卡等现象，造成泵的损坏，严重时会使油井停车。

出砂还会影响油井的后续生产，最终影响最终采收率。

1油井出砂因素分析1.1先天因素对于油井出砂来说，砂岩地层的地质条件、类型不同和分布规律、地质年代等共同构成油井出砂的先天因素。

通常情况下，胶结矿物多、类型好、分布均匀，这种地层的气藏的胶结强度较大，出砂量较小。

1.2开发因素油井出砂的开发因素主要指开采方法不恰当进而在一定程度上引发油井出砂。

通常情况下，开采速度突变、开采技术落后、修井作业质量低和修井频繁、酸化作业设计不良和管理不科学等，在一定程度上都可能造成油井出砂现象。

2 出砂机理的分析2.1地层的弱胶结出砂这类油气藏出砂发生在油气井生产初期，或关井后的第二个生产周期。

对于弱胶结地层，剪切破坏所导致的出砂量要比张应力作用所造成的出砂量大。

由于地层胶结性差，较小的采液强度就可以导致油气井出砂。

2.2中等胶结强度易出水地层这种中等强度定义在 3.45～6.8。

这种地层开始不出砂，地层出水后却开始出砂。

其主要原因是由于出水后使原来固结砂粒的毛管力消失，另外由于毛管力的消失，地层砂在地层内流动着流体作用下，剪切破碎增强，破碎的砂粒的运移增大了砂粒间的剪切力，从而使油气藏出砂加剧。

2.3油藏压力下降导致胶结性好的地层出砂由于油藏压力的降低，同时在主应力非常大的情况下，胶结强度高的地层易出砂，这种地层出砂状况较弱胶结地层差，同时也可能时断时续的发生。

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。

油井出砂因素分析与防砂技术对策探讨油井出砂是指油井在生产过程中，地层中的砂颗粒进入井筒，导致生产井筒中的砂量增加。

油井出砂不仅会降低油井的产能，还会对油井设备造成损坏，影响油井的稳定性。

探讨油井出砂的因素分析和防砂技术对策非常重要。

油井出砂的主要因素可以归纳为地层力学性质、油井完井、地层流体动力学以及产层特征等四个方面的因素。

地层中的力学性质是导致油井出砂的重要因素之一。

地层中如果存在弱层、疏松层、脆性层等地质构造，容易发生砂粒脱离地层进入井筒。

地层中的水动力作用也是导致出砂的重要因素，水流对地层中的砂粒起到冲刷作用，使砂粒脱落进入井筒。

了解地层的力学性质，对油井出砂的预测和防治非常重要。

油井完井对油井出砂的影响也非常大。

完井中的水泥固井质量、套管完井质量等都会影响到油井的防砂效果。

如果完井质量不好，套管间存在裸眼区或存在裂缝，会使得地层中的砂粒从这些位置进入到井筒中。

提高完井的质量，采取防砂措施非常重要。

地层流体动力学也是导致油井出砂的重要原因之一。

地层中的流体动力学主要与地层渗透性、井底流速、井底流量等因素有关。

如果井底流速过大，会使地层中的砂粒被冲刷进入到井筒中。

控制井底流速、流量，合理管理油井的生产参数，可以有效减少油井出砂。

产层特征也对油井出砂起到重要影响。

一些产层细颗粒砂岩、脆性砂岩等，容易发生砂粒脱离地层进入井筒。

在选择油井开发方案时，要根据产层特征合理选择防砂技术。

为了有效防止油井出砂，可以采取以下防砂技术对策：1. 合理选择完井方案：在完井过程中，应严格按照设计要求进行套管的安装和水泥固井，避免存在裸眼区或存在裂缝，确保完井质量。

2. 使用防砂工具：如防砂套管、防砂滤管等，可以阻止地层中的砂粒进入到井筒中。

3. 调整井底流速：合理管理井底流速和流量，减小油井的生产参数，降低地层中的砂粒冲刷进入井筒的风险。

4. 人工增注剂：通过注入人工增注剂来改变地层渗透性或黏结砂粒，减少砂粒从地层中脱离的可能性。

==防砂技术==油气井出砂是疏松砂岩油气藏面临的重要问题之一，油井出砂会造成油气井减产或停产，严重的可导致油气井报废，因此防砂作业是油气井完井作业中的重中之重。

1、出砂危害油气井出砂是疏松砂岩油气藏面临的重要问题之一。

出砂的危害主要表现在以下三个方面：1）油井减产或停产2）地面及井下设备加剧磨蚀3）套管损坏，油井报废2、出砂机理地层是否出砂取决于颗粒的胶结程度—地层强度。

一般说来，地层应力超过过地层强度就可能出砂。

地层应力包括构造应力、上覆压力、流体对颗粒的摩擦力、生产压差的拖曳力等。

而地层强度由颗粒的胶结类型、胶结物含量、孔隙内流体内聚力、颗粒之间的摩擦力来决定。

3、出砂因素1）先天因素油气井出砂的先天因素指砂岩地层的地质条件，如胶结物含量及分布，胶结类型，成岩压实作用，地质年代等。

一般说，胶结物含量高，分布均匀，地质年代早，埋藏深，成岩强度就高，越不易出砂，反之亦然。

2）开发因素①采液速度突然发生变化或采油速度过高；②低质量（指对地层伤害严重）和频繁的修井作业；③不合理的生产及作业措施造成油层伤害；④地层压力持续下降，油井含水上升；⑤开发中、后期油井提液，加剧了对颗粒的冲刷，泥质胶结的地层防膨措施不当；4、防砂方法防砂方法分类按防砂机理及工艺条件，防砂方法大致分为机械防砂、化学防砂、砂拱防砂及其他方法。

1）机械防砂①第一类：仅下入防砂用的滤砂管柱，如割缝衬管、绕丝筛管、各类地面预制成型的滤砂器（如双层预充填筛管、树脂砂粒滤砂管、金属棉纤维滤砂管、多孔陶瓷滤砂管等）。

这种方法简单易行，施工成本低，但是滤砂器易堵塞，不能阻止地层砂进入井筒，只宜用于中、粗砂岩地层。

②第二类：在下入绕丝筛管（或其他滤管）后，再用高渗透砾石充填于筛管和井壁之间的油井环空，并部分挤入井筒周围地层，形成多级过滤屏障，阻止地层砂运移，是当今最流行的防砂方法，也就是大家常说得—砾石冲填防砂。

2）化学防砂化学防砂是通过向套管外地层中挤入一定数量的化学剂或化学剂与砂浆的混和物，达到充填、胶固地层之目的，提高地层强度，减缓出砂。

1998年 特　种　油　气　藏 第5卷第4期油层出砂机理与防砂方法综述王玉纯Ξ　顾宏伟　张晓芳油井出砂可加速设备腐蚀,严重时,可造成设备无法工作。

对于稠油油藏,由于稠油的长期作用,油层往往处于弱胶结状态。

当油井处于中后期且油层亏空较大或油井见水时,油井出砂会加剧。

本文在调研大量中外文献及结合现场实践经验基础上,对油井出砂机理及防砂方法进行综述。

油层出砂机理油层出砂机理很复杂。

从宏观上看,油层出砂是井筒不稳定和射孔孔眼不稳定造成的;从微观上看,其与岩石强度、胶结状况、变形特征、所受外力(地应力、孔隙中流体压力、毛管力等)及外力施加过程等因素有关。

射孔后,首先在井筒周围形成较细长的圆柱形孔眼。

根据材料力学理论,在孔眼周围的壁面上产生应力集中,且形成一层塑性变形区。

在流体力作用下,该区中单个颗粒开始脱落,并随流体带入井底。

随着单个颗粒脱落并带走,孔眼趋于变成一个较大且较稳定的球形[1]。

颗粒会在球形孔腔壁附近聚集并形成一层较稳定的砂拱,这与建筑上所用的拱形牢固原理相类似[2]。

若孔腔周围液体径向压力梯度较大(如流量较大)或地应力较大(如油藏亏空较大),都会引起该砂拱坍塌,且会产生新的塑变区[3,4],继而,又会形成一个扩大了的新砂拱。

砂拱的渗透率和孔隙度都较大,T1K1Perkins等[3]对其给出了定量描述。

油层出砂的影响因素11　岩石强度、岩石变形特性和地应力的影响Y Wang等[5]提出了出砂的两个准则:孔腔或井筒周围的有效压应力大于地层强度;井底压降大于临界井底压降(即可将脱落的颗粒带走时的井底压降)。

随着作用在岩石上外力的增加,岩石由弹性变形向塑性变形转化,塑变中,由于硬化作用,岩石变形加剧,且随作用力增大,塑变区中塑应变与弹应变之比加大,该比值大小与岩石固结强度有关,固结强度越大,该比值越小。

Y1Wang[6]给出了塑变区中弹应变和塑应变的解析分析。

结果表明,塑变区和弹变区的周向应力在二区交界处最大,且不连续,而径向应力连续。

浅析油井出砂原因及防砂措施摘要：在石油开采过程中，油井出砂的问题一直是石油开采业急需解决的难题之一。

油井出砂不仅会造成油井减产、加快油井井下开采设备的磨损、老化，还会导致开采区域地层出现亏空，引起油井报废。

因此，如何解决油井出砂问题成为很多专家学者研究的重要课题。

基于此本文对油井出砂机理进行了分析，并且对防砂措施进行了探讨。

关键词抽油泵；油井出砂；原因分析；防砂技术引言在油田开采过程中，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。

1.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：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。

油层胶结强度。

油层胶结强度对于出砂有着比较大的影响，影响油层胶结强度的因素包括胶结物的种类、数量和强度。

油井出砂现象通常是油藏开采过程中常见问题之一，它是指由于油井开采和作业等各种综合因素造成井底附近地带的岩层结构破坏，导致部分脱落的岩层随油层流体一起流进井筒，从而对油井正常生产造成一系列不利影响的过程或现象。

其中，弱固结或中等胶结砂岩油层的出砂现象较为严重，在这类油藏的地层中，砂岩胶结物数量少，类型差分布不均匀，地质年代晚，其胶结程度就差，一般在较大的生产压差下，就容易造成井底周围岩层发生破坏而出砂。

根据岩层出砂的类型（游离砂的析出，弱胶结砂岩层的出砂，砂岩骨架破碎）可将地层出砂特征大致分为三种形式。

⑴稳定出砂：稳定出砂是地层岩石中存在的尚未胶结好的砂粒，它在岩石孔隙中呈游离状态，游离砂粒随油气流一同进入井筒。

在正常生产条件下，其出砂量（出砂浓度、体积）会随时间的增加而递减。

⑵连续出砂：连续出砂不仅与组成砂岩的砂粒强度有关，还与砂粒间的胶结强度有关，当流体对砂粒的拖曳力超过砂粒之间的胶结强度时，砂粒就随流体而移动，形成出砂。

这种出砂的特点是只要有流体而移动，就存在出砂，出砂量随流体的流量的增加而变大，随采液的时间延长而加剧，在连续出砂过程中，生产参数、出砂浓度都比较稳定，衰减随时间变化小。

⑶突发性大量出砂：砂岩的胶结物有一定的强度，能承受一定范围内流体的冲击和岩石压力的变化。

但由于各种原因引起岩石承受的压力变大或岩石的胶结物强度变小，砂岩的胶结物被压碎，砂粒失去胶结，形成出砂。

这类出砂的特点是：油井在短时间内大量出砂造成油井突然砂堵或关井。

研究认为,一定条件下的稠油挟砂开采可以提高稠油油井产量委内瑞拉就有这样的稠油出砂冷采的情况用的是螺杆泵效果据说不错哈里伯顿的新水砂防治工艺能够从源头上解决和克服出水、出砂问题。

该工艺包括向地层注入相对渗透率调节剂（RPM），这是一种抑制水流动的聚合物，它能够附着在多孔表面的吸性聚附点上，减少水流量，而油气流量并没有实质上的减少。

RPM是一种改良的亲水水溶合物。

浅谈油井出砂原因及防砂技术摘要：本文通过本公司所属油田出砂原因分析，重点介绍了防砂概述、防砂机理、跃进二号油田出砂分析、械防砂、化学防砂。

针对出砂种种危害，我们来研究油井砂原因及油井出砂防治方法，延长油水井套管使用寿命，对于油田稳产和提高经济效益是油田下一步面临的重要问题，也对油田持续发展具有重要的现实意义。

关键词：防砂；防砂机理；跃进二号油田出砂分析1 跃进二号油田出砂分析（1）根据油井的储层特征、出砂类型、出砂程度和生产状况，实施配套的防砂技术，油井冲检周期明显延长，生产效果得到改善。

（2）采用从钻完井到生产的全过程综合防砂技术，在严重出砂区域先导试验阶段效果明显（3）应用水力喷射泵强制排砂，达到排空浮砂，使近井地带形成亏空的目的。

由于新井投入初期，近井地带压力较高，固砂剂很难挤入油层，造成防砂效果不理想，而用普通深井泵开采方式又容易因砂卡很难维持正常生产，所以在新井投入初期选用水力喷射泵进行生产，由于水力喷射泵的工作原理是靠液体流动的携带作用举升的，所以不会因出砂造成停运，所以是提液排砂最有效手段。

（4）油井进入到中后期生产，出砂的主要原因是粘土水化膨胀，骨架胶结被破坏，砂砾堵塞吼道和空隙，造成近井地带憋压，流体流速过快。

所以需要对油层深部进行防砂，压裂防砂，既可以解决近井地带油层堵塞的问题，还可在油层的深部形成挡砂结构，既疏通了油层，又起到滤砂的作用。

（5）跃进二号地层出砂原因及出砂类型跃进二号出砂地质因素分析由于跃进二号的油层埋藏较浅，油层埋在600米到1500米之间，所以油层的压实作用较弱，造成油层岩石胶结酥松，容易破碎出砂；另外曙三区油藏的边水较为活跃也是造成出砂的另一因素，由于边水的侵入，造成粘土矿物的水敏膨胀，使胶结能力减弱并堵塞渗流通道，造成流体的流速加快，冲刷岩石，砂砾的剥落；跃进二号的原油粘度相对较高，达到169.81mpa.s，沥青+胶质含量33.44%，照成原油的携砂能力较强，这也是出砂的又一因素。

防砂概述一、概述（一）出砂危害及出砂机理1．危害油（汽）井出砂是疏松砂岩油（气）藏面临的重要问题之一。

出砂的危害主要表现在以下三个方面：（1）油井减产或停产：油（气）井出砂，极易造成砂埋产层，油管砂堵及地面管汇和储缺积砂，从而被迫停产作业。

冲洗被破埋的地层，清除油管砂堵，既费时又费工，问题还不能彻底解决，恢复生产不久，又需重新作1 周而复始，出砂更趋严重，生产周期越来越短，造成大量躺井，使产量大减，作业成本巨增，经济损失严重。

（2）地面及井下设备加剧磨蚀：油、气流中携带的地层砂粒，其主要成分是SiO2，硬度高，流速大，容易造成井下泵阀点蚀、油管刺穿、柱塞拉坏、砂卡、地面阀门失灵。

从而经常被迫关井作业，更换或维护设备，使产量下降，成本上升。

（3）套管损坏，油井报废：在长期严重的出砂在套管外形成巨大的空穴，内、外受力不平衡引起地层突发民生坍塌，轻则造成套管变形，重则套管被错断挤毁，修复很困难，使油（气）井工程报废，损失惨重。

其他危害还很多，在此不一一列举。

所以必须立足先期、早期防治，以减少对油层胶结的破坏，为正常生产或后期防砂创造条件。

2．出砂机理及影响因素地层是否出砂取决于颗粒的胶结程度———地层强度。

一般说来，地层应力超过过地层强度就可能出砂。

地层应力包括构造应力、上覆压力、流体对颗粒的摩擦力、生产压差的拖曳力等。

而地层强度由颗粒的胶结类型、胶结物含量、孔隙内流体内聚力、颗粒之间的摩擦力来决定。

可见，出砂影响因素很多，主要分为两大类：（1）先天因素：指砂岩地层的地质条件，如胶结物含量及分布，胶结类型，成岩压实作用，地质年代等。

一般说，胶结物含量高，分布均匀，地质年代早，埋藏深，成岩强度就高，越不易出砂，反之亦然。

（2）开发因素：有的可以避免，有的则不可避免，大体归纳如下：①采液速度突然发生变化或采油速度过高；②低质量（指对地层伤害严重）和频繁的修井作业；③不合理的生产及作业措施造成油层伤害；④地层压力持续下降，油井含水上升；⑤开发中、后期油井提液，加剧了对颗粒的冲刷，泥质胶结的地层防膨措施不当。

第一节概述石油工业中，油井生产出砂(sand production )是个普遍性问题，而且油井生产出砂问题的研究十分困难，原因是：①无法直接观测出砂过程。

油田开发在地层深处进行，在地面无法直接观测；②岩石力学性质(rock mechanical properties )复杂。

地层岩石的力学性质可能在较大范围内变化，地层深部取心不但花费昂贵，而且也有一定的偶然性、局限性，如地层深部的含水率、温度和压力条件在地面上难以保持，而这些因素对地层岩石的力学性质有很大影响；③储层条件复杂。

随着生产的进行和各种增产措施的实施，使储层变得十分复杂，这也给研究出砂机理带来困难。

④油井出砂影响因素多。

油井出砂受许多复杂因素的影响，如；地质条件、岩石力学性质、生产参数等；在一口井最终完成之前以及在其生产过程中，准确地预测其是否出砂是至关重要的，因为无论采取何种防砂(sand control )措施费用都会很高，所以不必要的采取防砂措施，不仅使生产费用增加，而且污染油气层，降低生产效率。

但是对那些因出砂而被放弃或不能继续开发的井，采取防砂措施又是使油井成为有开采价值的唯一方法。

第二节油井出砂的过程及危害一、油井出砂的基本过程地层砂可分为两种：充填（松散）砂和骨架砂(framework sand)。

当流体的流速达到一定值时，首先使得充填于油层孔道中的未胶结的砂粒发生移动，油井开始出砂，这类充填砂的流出是不可避免的，而且起到疏通地层孔隙通道的作用；反之，如果这些充填砂留在地层中，有可能堵塞地层孔隙，造成渗透率下降，产量降低。

因此充填砂不是防治的对象。

当流速和生产压差达到某一数值时，岩石所受的应力达到或超过它的强度，造成岩石结构损坏，使骨架砂变成松散砂，被流体带走，引起油井大量出砂。

防砂的主要对象就是骨架砂，上述情况是在生产过程中应尽量避免的。

根据以上情况可以把油井出砂过程分为两个阶段：第一阶段是由骨架砂变成自由砂，这是导致出砂的必要条件；对于出砂的该阶段来说，应力因素：如井眼压力(borehole pressure) 、原地应力状态(in site stresses state)及岩石强度(rock strength)等是影响出砂的主要因素。