出砂

出砂是指油氣水井在生產過程中，由於生產壓差過大、砂岩油氣層岩石膠結疏鬆等原因，使地層砂流入井筒，堵塞油氣通道，造成油氣井停產的現象。

基本介紹

• 中文名：出砂
• 外文名：sand production 
• 學科：石油工程
• 困難性：無法直觀觀察、儲層複雜
• 危害：磨損和腐蝕、減產等
• 影響因素：地質因素、儲層性質

研究的困難性

石油工業中，油井生產出砂是個普遍性問題，而且油井生產出砂問題的研究十分困難，原因是：

①無法直接觀測出砂過程。油田開發在地層深處進行，在地面無法直接觀測；

②岩石力學性質(rock mechanical properties )複雜。地層岩石的力學性質可能在較大範圍內變化，地層深部取心不但花費昂貴，而且也有一定的偶然性、局限性，如地層深部的含水率、溫度和壓力條件在地面上難以保持，而這些因素對地層岩石的力學性質有很大影響；

③儲層條件複雜。隨著生產的進行和各種增產措施的實施，使儲層變得十分複雜，這也給研究出砂機理帶來困難。

④油井出砂影響因素多。油井出砂受許多複雜因素的影響，如；地質條件、岩石力學性質、生產參數等；

在一口井最終完成之前以及在其生產過程中，準確地預測其是否出砂是至關重要的，因為無論採取何種防砂措施費用都會很高，所以不必要的採取防砂措施，不僅使生產費用增加，而且污染油氣層，降低生產效率。 但是對那些因出砂而被放棄或不能繼續開發的井，採取防砂措施又是使油井成為有開採價值的唯一方法。

出砂過程

地層砂可分為兩種：充填（鬆散）砂和骨架砂(framework sand)。 當流體的流速達到一定值時，首先使得充填於油層孔道中的未膠結的砂粒發生移動，油井開始出砂，這類充填砂的流出是不可避免的，而且起到疏通地層孔隙通道的作用；反之，如果這些充填砂留在地層中，有可能堵塞地層孔隙，造成滲透率下降，產量降低。因此充填砂不是防治的對象。

當流速和生產壓差達到某一數值時，岩石所受的應力達到或超過它的強度，造成岩石結構損壞，使骨架砂變成鬆散砂，被流體帶走，引起油井大量出砂。防砂的主要對象就是骨架砂，上述情況是在生產過程中應儘量避免的。

根據以上情況可以把油井出砂過程分為兩個階段：

第一階段是由骨架砂變成自由砂，這是導致出砂的必要條件；

對於出砂的該階段來說，應力因素：如井眼壓力(borehole pressure) 、原地應力狀態(in site stresses state)及岩石強度(rock strength)等是影響出砂的主要因素。

第二階段是自由砂的運移。

要運移由於剪下破壞而形成的鬆散砂，液力因素是主要影響因素：如流速、滲透率(permeability )、粘度以及兩相或三相流動的相對滲透率等的作用等。

生產過程中，只要滿足以上兩方麵條件，油井就會出砂。 因此，對於具有一定膠結強度(cementation strength )的地層而言，要實現有效的防砂(sand control )，首先要防止地層發生破壞，即不讓出砂的必要條件得到滿足，這主要通過控制應力因素：如保持儲層壓力、減小生產壓差(draw-down)等來實現。

但是，隨著生產的進行，儲層壓力衰減，岩石強度降低都是必然要發生的，那么，岩石不可避免要發生破壞。這樣，過程就由出砂的第一階段過渡到第二階段，這時主要通過控制流速來阻止自由砂的運移達到防砂(sand control)的目的，即控制產量（流速）。

同樣，對於弱膠結和未膠結儲層而言，出砂第一階段的條件很容易滿足，這樣防砂(sand control )的關鍵在於不讓出砂第二階段所需要的條件得到滿足，即可通過控制流速和生產壓差來達到防砂的目的。

出砂危害

油、氣井出砂是石油開採遇到的重要問題之一。每年要花費大量人力物力進行防治和防砂(sand control )研究。出砂給生產帶來的危害可概括為以下三類：

(1)井下、井口採油設備的磨損和腐蝕

產液中帶砂使各種採油泵、管線受到磨損，大大縮短了它們的壽命。對於輸油管線由於砂粒磨損加快了腐蝕速度；

(2)井眼穩定(borehole stability )問題 由於出砂使井眼失穩而導致套管擠毀、油井報廢。通過對勝利油田某疏鬆砂岩區塊資料分析發現：隨著出砂的加劇和原地層壓力的降低，套損井逐年增加，疏鬆砂岩儲層油井套管(casing)損壞嚴重，總數已占10%以上，個別區塊已達30%以上。

（3）出砂會導致減產或停產作業油井出砂磨損泵筒與柱塞，降低泵效，甚至損壞採油泵，造成油井減產或停產。

影響因素

影響油井出砂的因素很多，概括起來可分為三大類：

①地質力學因素，包括：原地應力狀態（垂直地應力與原始水平地應力）、孔隙壓力、原地溫度、地質構造等；

②砂岩儲層的綜合性質：井深、砂岩的強度和變形特徵、孔隙度、滲透率、泄流半徑、流體的組成（油、氣、水的含量及分布等）、粘土含量、岩石組成、顆粒尺寸和形狀及壓實情況等；

③工程因素，包括完井類型、井身結構參數（井深．井斜、方位、井徑）、完井液的性能、增產措施（壓裂、酸化等）、生產工藝參數（流速、生產壓差及流量）、油層損害（表皮係數增大）、放油或關井方案、人工舉升技術、油藏衰竭、累計出砂量等。

這些因素和參數相互作用、相互影響、使研究出砂問題變得十分複雜，對某一油田，只憑現場經驗很難決定哪些因素是地層出砂的主要因素。

井下出砂的防治

若井眼出砂，就要採取防砂措施，針對出砂的危害，人們採取了多種防砂方法。可以把這些措施概括以下幾種：

礫石充填

礫石充填有兩種方法：

一是套管內礫石充填

在下入套管並射孔(perforation )的井中如有出砂，可在出砂井段下篩管，在篩管與油層套管之間的環空中充填礫石。

二是裸眼礫石充填

裸眼礫石充填是在鑽開產層之前下套管封固，再鑽開產層，在產層段擴大井眼，下入篩管，在井眼與篩管之間的環形空間中充填礫石。礫石和篩管對地層的出砂起阻擋作用。

機械防砂

在我國，機械防砂方法從上世紀七十年代開展以來，得到了快速的發展和廣泛的套用。目前可分為管柱濾砂和機械充填濾砂兩大類。

管柱濾砂是在生產管柱上或井筒內封隔管柱上採取防砂濾砂措施，一般採取防砂泵防砂或濾砂管防砂。管柱濾砂的優點是施工簡便、成本低，缺點是無法阻止地層砂進入井筒，短期內減少了卡泵和砂對設備的破壞，但仍會堵塞地層，砂埋管柱，而且只適於中粗砂岩地層（砂粒徑大於0.1mm），防砂管柱的縫隙或孔隙易被進入井筒的地層細砂所堵塞。

防砂泵防砂的優點是成本低，施工方便，適於中粗砂地層；缺點是只能減少泵的砂卡，

不能解決井筒出砂問題。老式的防砂泵只是簡單地在柱塞上做出防砂槽；而新式防砂泵一般採用雙泵套帶沉砂尾管的方式減少進入泵筒的砂粒。

濾砂管防砂有兩種用法：一是在泵抽管柱中當篩管，二是用於套管內充填防砂。常用濾砂管有：繞絲篩管、割縫篩管、金屬粉末或樹脂砂粒濾砂管、多孔陶瓷濾砂管、金屬棉纖維濾砂管、雙層預充填濾砂管等。目前市場上出現了一種HSG化學材料防砂管，結合機械防砂和化學防砂的優點，強度高、耐高溫、易打撈，是一種優秀的防砂技術。

機械防砂的第二種用法是充填濾砂。下入防砂管柱（繞絲篩管或其他濾砂管）後將充填材料充填於篩管和井壁之間的環空並將部分礫石擠入近井周圍地層內，阻擋砂粒運移。充填材料多種多樣，最常用的是礫石，還可用果殼、果核、塑膠顆粒、玻璃球或陶粒等。這種防砂方法能有效地把地層砂限制在地層內，並能使地層保持穩定的力學結構，防砂效果好，壽命長。目前這種方法的套用有：管內礫石充填、多層礫石充填、裸眼礫石充填、高溫注氣井礫石充填、定向井或水平井礫石充填。

相對來說，機械防砂對地層的適應能力強，無論產層厚薄、滲透率高低、夾層多少都能有效地實施；在老井作業中，還可起到恢復地層應力的作用，從而延長生產周期，使出砂井能得到充分的利用。加上機械防砂成功率高，相對成本較低等優點，目前套用十分廣泛。但是，機械防砂不適用於細粉砂地層和高壓地層。

化學固結

化學固結(consolidation)是把一種化學物質注入井眼附近，使其強度增大以防止出砂。 穩定砂拱法(stable arch sand control )是用水力封隔器將井眼附近地層機械壓實的方法。其目的是改善地層顆粒之間的橋堵能力。

砂拱防砂是一種自然防砂法，是指油、氣井射空完井後不再下入任何機械防砂裝置或充填物，也不注入任何化學藥劑的防砂方法。

砂拱防砂的機理如同拱橋承載一樣，砂粒在炮眼口處形成砂拱，具有一定的承載能力，擋住地層砂隨液產出。砂拱防砂成敗的關鍵在於砂拱的穩定性。要想保持砂拱的穩定性必須考慮兩個關鍵問題：一是降低並穩定地層流體產出速度；二是保持或提高井筒周圍地層的徑向應力。

一般來說，套管完井砂拱防砂要求小孔徑和高孔密的炮眼。小孔徑有利於形成砂橋和提高砂橋的穩定性。高孔密可以增大過流面積，降低地層流體的流速，使其控制在一定的臨界值之內而不致衝垮砂橋。

但是，由於地層流體的速度並不穩定，隨著抽油機衝程和沖數的改變，流速在不斷變化，特別是使用大泵量無桿泵抽油，在炮眼裡會造成十分嚴重的紊流，更易使砂拱垮塌。因此，這種單純的套管射孔砂拱防砂方法的實際套用受到限制。

熱力焦化防砂

此法的原理是向油層提供熱能，促使原油在砂粒表面焦化，形成具有膠結力的焦化薄層。主要有熱空氣固砂和短期火燒油層固砂兩種，目前套用較少。

無論哪一種防砂方法，都應該能夠有效地阻止地層中承載骨架砂隨地層流體進入井筒。承載骨架砂是指那些組成地層力學結構的固體顆粒物質。游離於承載骨架砂孔隙之中的“非承載砂”最好能夠隨著地層流體產出，起到疏通地層空隙通道的作用；反之，如果這些游離砂留在地層中，再雜以各種完井液、修井液中的固相傷害物，就有可能堵塞地層孔隙，造成滲透率下降，產量降低。

所以，最為有效的“防砂”手段應該是將地層砂粒粒徑小於40微米的粉砂隨油流產出地面，否則，這些粉砂顆粒將堵塞井下安裝的防砂系統，並導致油井產量降低。這一點已被理論和時間所證實。而不造成防砂管縫隙堵塞的技術關鍵是設計合理的縫隙開口尺寸，以滿足允許防砂系統將一定粒徑範圍內的小粒粉砂產出地面的要求。因而，世界防砂界權威人士認為，目前最值得提倡的防砂完井方式是在裸眼井中下入高強度的繞絲防砂篩管。主動防砂法的共同點：一是價格昂貴；二是會降低油層的滲透率，從而降低油井的生產能力。