防砂

防砂是指在採油過程中針對油層及油井條件，正確選擇固井、完井方式，制定合理的開採措施，控制生產壓差，限制滲流速度防止砂堵的措施。

基本介紹

• 中文名：防砂
• 外文名：sand control
• 學科：石油工程
• 目的：確保油井的正常生產
• 方法：機械防砂、化學防砂等
• 必要性：地面設備磨蝕、油井報廢等

簡介

我國疏鬆砂岩油藏分布範圍較大、儲量大、產量占有重要的地位。在一般開採條件下(除稠油採用排砂冷采新技術外)，油井出砂其危害極大，為了防止油井出砂，一方面要針對油層及油井條件，正確選擇固井、完井方式，制定合理的開採措施，控制生產壓差，限制滲流速度，加強出砂層油井的管理，儘量避免強烈抽汲的誘流措施；另一方面，根據油層和開採工藝要求，採用相應的防砂(sand control)工藝技術，確保油井的正常生產。

防砂必要性

油、氣井出砂是石油開採遇到的重要問題之一。如果砂害得不到治理，油、氣井出砂會越來越嚴重，致使出砂油、氣井不能有效的開發。出砂的危害主要表現在以下三個方面：

使地面和井下設備嚴重磨蝕，甚至造成砂卡；沖砂檢泵、地面清罐等維修工作量劇增；砂埋油層或井筒砂堵會造成油井停產；出砂嚴重時還會引起井壁甚至油層坍塌而損壞套管甚至造成油井報廢。這些危害既提高了原油的生產成本，又加大了油田的開採難度。

出砂機理

地層出砂沒有明顯的深度界限，一般來說，地層應力超過地層強度就有可能出砂。地層強度決定於地層膠結物的膠結力、圈閉內流體的粘著力、地層顆粒物之間的摩擦力以及地層顆粒本身的重力。地層應力包括地層結構應力、上覆壓力、流體流動時對地層顆粒施加的推拽力，還有地層空隙壓力和生產壓差形成的作用力。由此可見，地層出砂是又多種因素決定的。主要可以分為先天原因和開發原因。

1. 先天性原因

先天性原因是指砂岩地層的地質條件，也就是砂岩地層含有膠結礦物數量的多少、類型的不同和分布規律的差異，再加上地質年代的因素，就形成了砂岩油、氣藏不同的膠結強度。一般來說，膠結礦物數量多，類型好，分布均勻，地質年代早，砂岩油、氣藏的膠結強度就大，反之就小。

2. 開發因素

人為的開發因素造成油、氣井出砂。這些因素有的可以避免，有的不可能避免。 不恰當的開採速度以及採油速度的突然變化，落後的開採技術，低質量和頻繁的修井作業，設計不良的酸化作業和不科學的生產管理等造成油氣井出砂，這些都應當儘可能避免。

隨著油、氣田開發期延續，油、氣層壓力自然下降，儲層砂岩體承載砂礫的負荷逐漸增加，致使砂礫間的應力平衡破壞，膠結破壞，造成地層出砂，這種出砂不可避免。

防砂方法分類

機械防砂

機械防砂方法可以分為兩類，第一類是僅下入機械管柱的防砂方法，如繞絲篩管、割縫襯管、各種濾砂管等。這種方法簡單易行，施工成本低。缺點是防砂管柱容易被地層砂堵塞，只能阻止地層砂產出到地面而不能阻止地層砂進入井筒，有效期短，只適用於油砂中值大於0.1mm的中、粗砂岩地層。

第二類機械防砂方法為管柱礫石充填，即在井筒內下入繞絲篩管或割縫襯管等機械管柱後，再用礫石或其它類似材料充填在機械管柱與套管的環形空間內，並擠入井筒周圍地層，形成多級濾砂屏障，達到擋砂目的。這類方法設計及施工複雜，成本較高；但擋砂效果好，有效期長，成功率高，適用性廣，可用於細、中、粗砂岩地層，垂直井，定向井，熱采井等複雜條件。礫石充填防砂的缺點主要是施工複雜，一次性投入高；若礫石尺寸選擇不當，地層砂侵入礫石層後會增加油流入井的阻力，影響防砂後的油井產能。研究結果表明，礫石充填井筒附過主要壓降損失在填有礫石的射孔炮眼內。因施工過程較長，必須注意減少作業過程中對油層的作害。

1、濾砂器防砂

濾砂器防砂是指將經過特殊工藝製成的具有濾砂功能的濾砂器用管柱和輔助工具直接懸掛在井內出砂層位，如圖所示。這種濾砂器具有較高的滲透性，充許地層流體通過但可以阻擋地層砂。地層產出液必須經濾砂器才能進入井筒流到地面。目前通常使用的濾砂器有繞絲篩管、割縫襯管、雙層預充填礫石繞絲篩管、各種濾砂管以及其它新型濾砂工具等。各類濾砂器不僅可以阻止直徑大於濾砂器縫隙寬度（或孔隙、網孔直徑），而且可利用“橋架”作用阻止小於濾砂器縫隙寬度的部分地層砂流入井筒。

（1） 繞絲篩管

全焊接不鏽鋼繞絲篩管由基管（帶孔中心管）、縱筋和不鏽鋼繞絲組成，如圖（a）所示。基管上鑽有一定密度和孔徑的圓孔，提供流體通過繞絲縫隙後流入井筒的通道。在基管上帶有縱筋，以支撐繞絲。國內選用1Cr₁₈Ni₉Ti不鏽鋼絲作為不鏽鋼繞絲的原料，軋製成一定尺寸的三角形截面的繞絲和縱筋。在繞制過程中，繞絲和縱筋的每一個交叉接觸點都用電阻焊焊接在一起，使篩套形成具有一定強度的整體，按一定的長度要求兩面三刀端切平，焊上接箍。將帶孔中心管穿過篩套。再把篩套兩端接箍焊在中心管上。之所以將繞絲壓製成三角形或梯形截面，是因為用這種形狀的鋼絲繞製成的縫隙對於地層砂粒有“自潔”作用，如圖(b)所示。一旦有顆粒隨液流進入繞絲縫隙，由於越向外空隙越大，砂粒不會滯留堵塞在縫隙內。

除了具有“自潔”特點外，不鏽鋼繞絲篩管政治家耐腐蝕、工作壽命長、縫隙連續、流能面積大等優點。這也是繞絲篩管得以廣泛套用的主要原因。其缺點是造價高，能常為割縫襯管的2~3倍。

（2）割縫襯管

如圖所示，割縫襯管的結構和加工相對比較簡單。割縫襯管是直接使用鋸片銑刀在銑床上銑削套管而成，割縫可以使地層流體通過同時阻擋地層砂，割縫縫眼排列方式有平行軸向方向，交錯排列。平行割縫襯管的縫眼長度取L=50~300mm，垂直割縫襯管取L=20~50mm，小直徑高強度襯管取高值，大直徑低強度襯管取低值。

割縫襯管割縫縫眼的剖面呈梯形夾角為12℃左右。梯形大的底邊為襯管內表面，這種外窄內寬的形狀可以避免砂粒卡死在縫眼內而堵塞，具有“自潔”作用。縫眼排列方式有平行軸向方向和垂直軸線方向兩種排列方式。由於平行割縫的強度較高，通常採用平等割縫，縫眼以交錯排列為宜。

割縫襯管防砂是在油層部位下預先割縫的襯管，依靠襯管頂部的襯管懸掛器，將襯管懸掛在技術套管上，並密封襯管和套管之間的環形空間，割縫襯管的防砂機理是充許一定大小的、能被原油攜帶至地面的細小砂粒能過，而把較大的砂粒阻擋在襯管外面，大砂粒在襯管外形成砂橋，而將地層砂阻擋在割縫襯管與套管的環空中，達到防砂的目的。

割縫襯管防砂工藝簡單，操作方便，成本低。但受機械加工技術限制，襯管割縫的最小縫寬達0.3mm左右，適用地層砂的範圍較小，隨著加工技術的進步，割縫襯管的最小縫寬也越來越小。割縫襯管防砂有效期短，效果差，縫眼易被細砂堵塞或磨損。

（3）雙層預充填礫石繞絲篩管防砂

雙層預充填礫石繞絲篩管（簡稱雙層篩管）由內、外繞絲篩管、塗層礫石及中心管組成。在地面上將分散的預塗層礫石裝入內外繞絲篩管之間環空內，兩端密封后，加溫將塗層礫石固結即可。如圖所示。

雙層篩管的內、外篩管縫隙尺寸相同，一般縫寬小於棄填預塗層礫石直徑的1/2，以保證礫石充填體的穩定性。外管直徑應儘量接近於套管內徑，間隙約10mm即可；內管內徑比中心管直徑大2mm，內外管的環空間隙厚度保持在15mm~25mm。

雙層篩管防砂是在地面預先將符合油層砂篩析要求的礫石充填在有內外雙層環形空間預製成整體防砂篩管。將防砂篩管下入套管內，對準油層部位，用懸掛器固定在油層頂部，或者直接聯結在油管底部，繞絲及夾層內的礫石層可以阻擋地層砂通過。

（4）金屬棉濾砂管防砂

金屬棉濾砂管的結構如圖所示。它由帶孔基管、金屬棉和保護管組成，基管的保護管上均有鑽孔，提供流體流動通道。在基管和保護管之間的夾層中充填有不銹網纖維，即金屬棉，作為濾砂管的過濾介質。金屬纖維按一定的數量置於預製的模具中，經斷絲、混絲經滾壓、梳分後在一定壓力下成型，鑲嵌於管壁孔內或套於中心管上，並加以固定並加篩套保護備用。金屬纖維體內孔隙直徑和滲透率可通過纖維用量及成型壓力加調整，使之即保持一定彈性，由具有足夠的強度和滲透率，供不同境況的油井選用。金屬纖維厚度一般為10~20mm，壓縮係數和滲透率可以根據需要調整。保護管用於保護金屬棉套不受損壞，孔數為300/m，孔徑10mm。

金屬棉濾砂管的防砂原理是：大量金屬纖維被壓緊堆集在一起，形成高縫隙密度的防砂濾網阻擋地層砂粒通過，其縫隙大小與纖維堆集緊密程度有關。通過控制纖維的壓緊程度達到適應不同油層砂徑的防砂要求。由於金屬纖維層富有彈性，在一定的驅動力下，小砂粒可以通過縫隙，因而避免金屬纖維被堵死。砂粒通過後，纖維又可恢復原狀而起自潔作用。大量的地層砂被外層金屬網阻擋形成砂拱，可阻擋網眼直徑的地層砂。

金屬棉濾砂管分為單體（鑲嵌）式和整體式兩種。單體式金屬棉是由多孔蓋（濾網）、不鏽鋼金屬棉絲、壓板、焊縫、基管組成。整體式金屬棉濾砂管是由不鏽鋼金屬棉絲、保護套（打孔套管）、中心管、扶正器組成。

（5）陶瓷濾砂管

陶瓷濾砂管是由外管、陶瓷管、密封部分組成。將陶瓷管裝入外管內，兩端採用耐油、耐水、耐磨性好的銅基密封件密封，下端用螺釘將陶瓷管固定在外管上，上端為自由滑動端。外管部分主要起保護作用，設計時保證一定的流通面積，並具有一定的抗拉強度。其結構示意圖見圖。外基管起聯結管柱和保護陶瓷管的作用。其流通面積大，足以滿足油井高產量要求，並有相當高的抗拉強度，以保證防砂後期處理時不被拉斷。陶瓷管與外基管之間上端為自由軸向滑動，以消除陶瓷管熱效應影響。

陶瓷管是一種具有曲折連通性好的微孔過濾材料，根據油層砂粒中值的大小和滲透率高低，優選不同粒徑陶粒砂與一定配比的無機膠結劑粘結定型、經高溫燒結而成。當油層流體帶出地層砂，流經陶瓷管的微孔連通孔道時，流體進入中心管被采出來，而地層砂被阻擋在陶瓷管與套管環空內起到防砂作用。陶瓷管防砂管柱主要由陶瓷管、扶正器、熱脹補償器、安全接頭、耐熱封隔器及丟手接頭等組成。

（6）樹脂石英砂濾砂管防砂

樹脂石英砂濾砂管由濾砂管、引鞋和中心管三部分組成。用精選好的石英砂和環氧樹脂或酚醛樹脂，按一定配比均勻混合，裝入特製的模具中，在一定條件下固化成型，脫模後取出獲得具有一定外形尺寸、適當滲透率的濾砂管和引鞋。

（7）多孔冶金粉末濾砂管

多孔冶金粉末濾砂管用經過篩選的銅顆粒或鐵粉燒結而成，多數採用鐵粉燒結，成本低，是由銅合金包覆金屬粉末用獨特的生產工藝製造的。濾砂管採用密封膠結連線，壁厚薄，連線強度較低，容易開裂，使中心管內充滿地層砂，造成堵塞。

該濾砂管具有彎曲的過濾通道，孔隙孔道縱橫交錯，其孔隙度與孔徑大小可以控制和再生，具有很高的滲透能力，而且滲透性能穩定，具有足夠的強度。有耐高溫、抗震動等特性。可防粒度中值大於的地層砂。

2、篩管礫石充填防砂

礫石充填防砂方法是套用較早的防砂方法。由於近年來理論、工藝及設備的不斷完善，被認為是目前防砂效果最好的方法之一，在國外約占所有防砂施工總量的近90﹪。

篩管礫石防砂方法是指將繞絲篩管或割縫襯管下入井內防砂層段處，用一定質量的流體攜帶地面選好的具有一定粒度的礫石，充填於篩管和油層或套管之間，形成一定厚度的礫石層，以阻止油層砂粒流入井內的防砂方法。礫石粒徑根據油層砂的粒度進行選擇，預期將油層流體攜帶的砂粒阻擋於礫石層之外，通過自然選擇在礫石層外形成一個由粗到細的砂拱，既有良好的流通能力，又能有效地阻止油層出砂。常用的礫石充填方式有兩種，即用於裸眼完井的先期裸眼繞絲篩管礫石充填[圖（a）]和用於射孔完井的套管內篩管礫石充填[圖（b）]兩種。

先期完成裸眼繞絲篩管礫石充填防砂完井程式是在下完表層套管並固井後，用 或 （淺油層）鑽頭鑽到預計的油層頂部下入7"技術套管，管外用油井水泥加30﹪石英粉的耐溫水泥返至地面。然後用優質完井液第三次開鑽，用6"鑽頭將油層鑽穿。一般鑽入油層以下4～5m，電測證實己鑽完油層。再用擴孔鑽頭將套管鞋0.5～1.0m以下的油層段井眼擴大到12"。下7"套管刮管器颳去套管內壁泥餅並沖洗乾淨。然後下入5"繞絲篩管柱，篩管外充填礫石，再砸固鉛封完井。先期裸眼礫石充填完井示意圖見上圖（a）。

裸眼礫石充填的滲透面積大，礫石層厚，防砂效果好，對油層產能的影響小。但其常用於油井先期防砂，工藝較複雜，且對油層結構要求有一定的強度，對油層條件要求高（如單一油層、厚度大、無氣、水夾層等）。

這種防砂技術在國外早已採用。在中國於80年代初深井稠油注蒸汽熱采試驗開始，遼河高升油田，勝利單家寺油田及克拉瑪依九區等稠油油藏相繼試驗成功，並推廣套用了這種防砂技術。

（2）套管井篩管礫石充填防砂

套管井篩管礫石充填防砂是在先期裸眼繞絲篩管礫充填方法基礎上發展起來的。它適用於套管完成井。首先在井筒內下入繞絲篩管或割縫襯管，正對油層。然後用攜砂液將礫石充填在篩管與套管的環形空間內，形成濾砂層，這樣篩管支撐礫石層，而礫石層則起到擋砂作用。既控制油層出砂，又保持較高的滲流能力，使油井正常生產。這種方式通常稱為套管內礫石充填，如上圖(b)所示。

與套管內礫石充填相對應，還有一種充填方式稱為管外充填。對於一些出砂的老井，套管外井筒附過由於長期出砂，形成的地層虧空較嚴重。這種情況下，為了提高孫砂效果，通常在進行套管內砂石充填之前，先對管外地層進行擠壓充填，即將礫石通過射孔孔眼擠壓充填到管外地層虧空區域，這一過程稱為管外充填。管外充填之後，再進行管內充填，可得到較好的防砂效果。

化學防砂

化學防砂是向地層中擠入一定數量的化學劑或化學劑與砂漿的混合物，達到充填、固結地層、提高地層強度的目的。化學防砂主要分為人工膠結地層和人工井壁兩種方法。人工膠結地層是向地層注入樹脂或其它化學固砂劑，直接將地層砂固結；人工井壁是將樹脂砂漿液、預塗層礫石、水帶乾灰砂、水泥砂漿、乳化水泥等擠入井筒周圍地層中，固結後形成具有一定強度和滲透性的人工井壁。

化學防砂方法適用於薄層短井段，對粉細砂岩地層的防砂效果好，施工後井筒內不留下任何機械裝置，便於後期處理。缺點是有機化學劑材料成本高，對油藏溫度的適應性較差，易老化，有效期短，固結後地層滲透率明顯下降，產能損失大。

1、人工膠結固砂方法

（1）酚醛樹脂膠結砂層

酚醛樹脂膠結砂層是以苯酚、甲醛為主料，以鹼性物質為催化劑，按比例混合，經加溫熬製成甲階段樹脂（粘度控制在300mPa·s左右），將此樹脂溶液擠入砂岩油層，經柴油增孔，再擠入鹽酸作固化劑，在油層溫度下反應固化，將疏鬆砂岩膠結，防上油、水井出砂的方法。該方法適用於油水井早期防砂，膠結後砂岩抗折強度0.8MPa左右，滲透率可保持原來的50%左右，耐溫100℃，耐水、油、鹽酸等介質，不耐土酸浸蝕，施工較易掌握，但成本較高，施工作業時間長。

（2） 酚醛溶液地下合成防砂

酚醛溶液地下合成防砂是將加有催化劑的苯酚與甲醛，按比例配料攪拌均勻，並以柴油為增孔劑。酚醛溶液擠入出砂層後，在油層溫度下逐漸形成樹脂並沉積於砂粒表面，固化後將油層砂膠結牢固，而柴油不參加反應為連續相充滿孔隙，使膠結後的砂岩保持良好的滲透性，從而起到提高砂岩的膠結強度，防止油氣層出砂的方法。

該方法為油井先期和早期防砂方法，適用於溫度高於60℃，粘土含量較低的中、細砂岩油層。平均有效期二年以上，施工較為簡單，對油層已大量出砂或出水後防砂效果差，不宜選用。

2、人工井壁防砂方法

（1）預塗層礫石人工井壁

預塗層礫石人工井壁是指在石英砂外表面，能過物理化學方法均勻塗敷一層樹脂，在常溫下乾固，形成不發生粘連的穩定顆粒。將這種預塗層礫石使用攜砂液攜帶至油井的出砂層位，在一定的條件下（擠入固化劑和受溫度的作用）礫石表面的樹脂軟化粘連並固結，形成具有良好滲透性和強度的人工井壁，以防止油氣層出砂的方法。該方法適用於吸收能力較大，溫度高於60℃的油層防砂，施工簡單，成功率高，膠結後的礫石抗折強度可達5MPa左右，滲透率可保持在原始值的90%以上，是目前較好的化學防砂方法。

（2） 水泥砂漿人工井壁

水泥砂漿人工井壁是以水泥為膠結劑、石英砂為支撐擠，按比例混合均勻，拌以適量的水，用油攜至井下，擠入套管外，堆積於出砂部位，凝固後形成具有一定強度和滲透性的人工井壁，防止油氣層出砂的方法。該方法是油井後期防砂方法，滲透率較高，原材料來源廣泛，施工簡單，但用油量較大，膠結後抗折強度小於1MPa，有效期較短。

（3）樹脂核桃殼人工井壁

樹脂核桃殼人工井壁是以酚醛樹脂為膠結劑，粉碎成一定顆粒的核桃殼為支撐劑，按一定比例拌合均勻，使每個核桃殼顆粒表面都塗有一層樹脂，並加入少量柴油浸潤，然後用油或活性水攜至井下，擠入射孔層段套管外堆積於出砂層位，在固化劑的作用下經一定時間的反應樹脂固結，形成具有一定強度和滲透性的人工井壁，防止油氣層出砂的方法。該方法適用於油水井早期防砂，膠結後人工井壁滲透率較高，強度較大，具有較好的防砂效果，但原材料來源困難。

（4）樹脂砂漿人工井壁

樹脂砂漿人工井壁是以樹脂為膠結劑，石英砂為支撐劑，按比例混和均勻，使石英砂表面塗敷一層均勻的樹脂薄膜，並加入少量的柴油浸潤，然後用油攜至井下擠入套管外出砂層位，凝固後形成具有一定強度和滲透性的人工井壁，防止油氣層出砂的方法。該方法是油水井後期防砂方法，適用於吸收能力較高的油、水層，其適應性較強，不受井深限制，但施工中現場拌合勞動量大，加攜砂液困難。

複合防砂

複合防砂利用機械防砂和化學防砂的優點相互補充，一方面能在近井地帶形成一個滲透性較好的人工井壁，另一方面利用機械防砂管柱形成二次擋砂屏障，起到很好的防砂效果。複合防砂效果好，有效期長。複合防砂通常使用的機械防砂管柱為濾砂管和繞絲篩管，與之配合使用的化學方法常為化學劑和塗料砂。

複合防砂的適應性廣，幾乎可以用於任何複雜條件下的防砂措施。但複合防砂工藝複雜，成本高，因此一般在單種防砂方法效果不好時使用，尤其用於粉細砂岩、滲透性差的地層，也用於地層虧空嚴重的老井防砂。

1、常規機械—化學複合方法

最常見的複合防砂方法是上述機械防砂管柱與化學固砂劑相結合使用。

圖（a）為繞絲篩管+塗層礫石（塗敷砂）砂複合防砂示意圖。首先進行管外塗敷砂擠壓充填，固結後鑽塞，然後下入繞絲篩管。圖(b)為化學劑固砂+雙層預充填繞絲篩管複合防砂示意圖，地層用化學劑固結後再下入雙層預充填繞絲篩管。

2、高滲壓裂充填防砂

高滲壓裂充填防砂是90年代迅速發展起來的一種新的複合防砂技術，對高滲的疏鬆砂岩地層即進行水力壓裂，又進行礫石充填，將兩種工藝有機結合在一起，達到傳統工藝所不能達到的使油井既高產又控制出砂的最佳效果。

高滲壓裂充填防砂既能提高產量又能有效防砂的主要技術原理如下：

（1）壓後地層流體流動特徵

壓裂前，均質地層流體進入井筒的流動為徑向流；壓裂後地層流體的流動為兩種模式，先是地層內部向裂縫面流動的線性流，然後是流體沿裂縫直接進入井筒，如圖所示，形成雙線性模式。

（2） 水力裂縫可以避免和緩解岩石的破壞

具有極高導流能力的壓裂裂縫將地層流體由原來的徑向流轉變成雙線性流，在一定程度上降低了生產壓差和大幅度降低流動壓力梯度。從而緩解或避免岩石骨架的破壞，也就緩解了出砂趨勢和程度。

（3） 裂縫可以降低流動沖刷攜帶砂粒的能力

流體對顆粒的沖刷與攜帶能力主要取決於其流速，流速越大，對地層的沖刷作用越厲害，出砂就越嚴重。由裂縫而產生的雙線性流模式及巨大的裂縫表面積可以發揮良好的分流作用，使壓後流速大幅降低，從而降低了對地層微粒的沖刷和攜帶作用，大大減輕出砂程度。

（4）裂縫內充填的礫石對地層砂粒有阻擋作用

作用原理與常規的礫石充填類似，裂縫內充填的礫石對地層砂粒有阻擋作用。有時可以使用樹脂復膜砂作為支撐劑或以復膜砂在井底縫口段封口，以提高對地層砂的阻擋能力。