防砂法

防砂法是在採油過程中防止砂堵的措施。由於油層的含油岩石孔隙大、膠結差,原油稠時就容易使油層中的砂子和油、氣一同流入井內(稱為出砂)。當油、氣沿著井筒上升的速度不能完全把砂子帶出井口時,井底將會造成堵塞。防砂法一般可分為：機械防砂法(在油層部位安裝濾砂管)和人工井壁防砂法(在井壁上用人工辦法製造濾油屏障)。一般均採用後者。

基本介紹

• 中文名：防砂法
• 外文名：protection against sanding up,protection against sandingup in well
• 詞目：防砂法
• 學科：石油工程

防砂

地質因素

地質因素指疏鬆砂岩地層的地質條件，如膠結物含量及分布、膠結類型、成岩壓實作用和地質年代等。通常而言，地質年代越晚，地層膠結礦物越少，砂粒膠結程度越差，分布越不均勻的地層在開採時出砂越嚴重；地層的類型不同，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所決定的地層膠結強度就不同，地層膠結強度越小，地層出砂越嚴重。根據地層膠結強度的大小把地層出砂分為三種類型：

(1)流砂地層：即未膠結地層。顆粒之間無膠結物，地層砂的膠結強度僅取決於很小的流體附著力和周圍環境圈閉的壓實力，地層砂在一定的條件下可以流動。

當遭遇此種地層時易發生井壁坍塌，引起卡鑽、埋鑽等井下事故，用常規的裸眼礫石充填法完井時，易出現地層吐砂現象，造成油氣層砂埋篩管下不到井底炮眼砂堵，礫石與地層砂互混，甚至還有地層砂通過篩管縫隙進入篩管內腔，卡住油管造成的事故。因此，必須採用沉砂封隔器，高密度且稠化的完井液等特殊的完井工藝措施。

投產後立即出砂並連續不斷，井口含砂量相對穩定。

(2)部分膠結地層：這類地層膠結物含量較少，地層砂部分被膠結，膠結差，強度低。鑽遇這種地層時，可以在鑽井液中加入適宜的暫堵劑來穩定井壁，防止地層坍塌，避免鑽速劇降和井下事故發生，在一定條件下，可以採用裸眼礫石充填法進行完井。

穿過這種地層的油氣井在開採過程中地層會在炮眼附近剝落，逐漸發展而形成洞穴。剝落的小塊地層砂進入井筒極易填滿井底口袋，堵塞油管，掩埋油氣層。油井投產後出砂規律如圖6-2所示，表現為含砂量波動變化大。如不及早加以控制，那么產層附近的泥岩，頁岩夾層出會因空穴增大而剝落，從而造成近井區域泥岩、頁岩和砂岩三種剝落物互混，滲透率降低，產量下降。如任其發展，有可能造成地層坍塌、蓋層下降、套管損壞、油氣井報廢的嚴重後果。

(3)脆性砂地層：此類地層膠結物含量較多，地層砂之間的膠結力較強，地層強度較好，但因膠結物的脆性比砂粒強，故這種地層易破碎。鑽遇這種地層時，可在鑽井液中加入適宜的護膠劑及暫堵劑來穩定井壁，防止地層破碎垮塌，保證順利鑽井。

流體產出時能把砂岩表面顆粒沖刷帶走，出砂規律呈周期性變化。這種規律是因為在出砂過程中導管外部地層沖蝕空穴突然增大，過流面積成倍增加，使地層流體的流速大幅度下降，致使出砂量明顯下降。隨著油井條件變化，又會形成新的油砂環境而開始出砂。周而復始，任其發展，洞穴越來越大，到一定的時候，就有可能形成災難性的地層坍塌，使油氣井導管變形而報廢。

開採原因

開採原因指在油氣開發時因開採速度以及採油速度的突然變化，落後的開採技術(包括不合理的完井參數和工藝技術)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。大體歸納如下：

(1)採油過程中由於液體滲流而產生的對砂粒的拖曳力是出砂的重要原因。在其他條件相同時，生產壓差愈大、滲透率愈高，在井壁附近液流對地層的沖刷力就愈大。

(2)油層見水。油層膠結物以粘土為主，一般占70%左右，而粘土礦物成分中蒙脫石含量達80%左右的砂岩地層注水後，注入水浸泡地層，都會使粘土遇水膨脹變鬆散，降低膠結強度，進而發生顆粒位移，大大加劇地層出砂程度。

(3)頻繁作業及不恰當的開採速度以及作業過程措施不當，也是造成嚴重出砂的原因之一。例如，進行壓裂、酸化、大修等特殊作業，如果沒有保護油層的措施，就容易導致出砂加劇。

(4)對油井管理不善，頻繁地開關井，造成地層激動，使穩定的砂橋破壞，都會造成地層出砂。

隨著油氣田開發期延續，油氣層壓力自然下降，油氣層砂岩體承載力的負荷逐漸增加，致使砂粒間的應力平衡破壞，膠結破壞造成地層出砂，另外，地層注水可能使油氣層中的粘土膨脹分散，有的還會隨著地層流體遷移使油氣層膠結力下降。注水開發中為了保持產量必定要提高采液量，這就會增加地層流體的流速，加大流體對地層砂的沖刷和攜帶能力(速敏效應)，因此，注水有可能造成地層出砂。此外，地層中的兩相或三相流動狀態能增加對地層砂的攜帶力。

油氣井出砂的機理

生產條件下地層穩定性與地層基質所受應力場作用有關。基質以複雜的方法適應應力場狀態。地層基質所受應力是上覆地層壓力、孔隙壓力、近井地帶地層流體流動壓力梯度、界面張力、流體通過基質顆粒間空隙流動時與顆粒摩擦而形成的摩阻。

地應力適應地層穩定性的方式是在一定條件下由地層介質本徵強度和地層產能係數這兩個相互關聯因數所決定的，這種條件下原地應力場在生產過程中因各種因數而破壞失穩後便形成了井眼周圍的穩定砂拱和砂橋。

油氣井出砂的危害

油氣井出砂是疏鬆砂岩油氣藏面臨的重要問題之一。出砂的危害主要表現在以下四方面：

油氣井減產或停產

油氣井出砂，極易造成砂埋產層，油管砂堵及地面管匯和儲油罐積砂，從而被迫停產作業。沖洗被砂埋的油層，清除油管砂堵，既費時又耗資，問題還不能徹底解決。恢復生產不久又需重新作業，周而復始，生產周期越來越短，使油氣田產量大減，作業成本巨增，經濟損失嚴重。

地面和井下設備及管線磨蝕加劇

油氣流中攜帶的地層砂粒主要成分是二氧化矽，硬度很高，是一種破壞性很強的磨蝕劑，能使抽油泵閥座磨損而不密封，閥球點蝕，桿塞和泵缸拉傷，地面閥門失靈，輸油泵葉輪嚴重沖蝕，從而被迫關井作業，更換或維修設備，造成產量下降、成本上升。

套管損壞使油氣井報廢

長期嚴重的出砂在套管外形成巨大的空穴，內外受力不平衡導致突發性地層坍塌，輕則造成套管變形，重則套管被錯斷擠毀，導致油氣井報廢。

破壞地層的原始構造或造成近井地帶地層的滲透率嚴重下降

油氣井出砂後，地層砂運移加劇，近井地帶地層砂沉積較多，遠井地帶則變得結構疏鬆加劇。近井地帶地層滲透率顯著下降，引起油氣井的產能下降。

解決油氣井出砂問題，必須立足於早期防治，以減少對油層膠結的破壞，

油氣井防砂的方法

隨著我國石油工業的高速發展，防砂技術不斷地趨於完善和成熟，逐步形成了化學防砂和機械防砂兩大類。

化學防砂

化學防砂在20世紀60年代開始研究套用並很快形成能力，它大致可以分為三大類：第一類是樹脂膠結地層，第二類是人工井壁，第三類是其它化學固砂法。

溶液型化學劑固砂

用有機或無機化學劑擠入疏鬆油層或預充填砂層，使砂粒與砂粒間膠結成具有一定強度、滲透性好的砂層的固砂工藝。它包括：地面注入樹脂溶液固砂、地下合成樹脂溶液固砂及水玻璃溶液固砂。

人工井壁防砂

它的種類很多，如預塗層礫石、樹脂砂漿、水帶乾灰、水泥沙漿、 乳化水泥、樹脂殼等。這些人工井壁材料都要經過管柱泵送到產層，並擠入到導管以外的空穴中去，形成密實充填，使地層恢復或部分恢復原始應力，待這些充填材料凝固，形成具有一定強度的擋砂屏障後，再把井筒中多餘的充填物銑掉，使油氣井具備開井生產的條件。

人工井壁防砂是化學防砂中的一大類，屬於顆粒防砂。它是利用有特定性能的膠結劑和一定粒徑的顆粒物質按比例在地面混合均勻，也可以直接用可固結的顆粒，用油基或水基攜砂液泵入井內，通過炮眼，在油層套管外堆積填滿出砂洞穴，在井溫及固化劑作用下，凝固後形成具有一定強度和滲透性的人工井壁阻擋地層砂井進入井筒，達到防砂目的。此類方法適用油井已大量出砂，井壁形成洞穴的油水井防砂。

其它化學固砂法

其它化學固砂法，制約條件較多，使用不廣泛。主要有以下幾種：焊接玻璃固砂法、 氫氧化鈣固砂法、四氯化矽固砂法、水泥---碳酸鈣混合液固砂法、聚乙烯固砂法和氧化有機化合物固砂法。

機械防砂

機械防砂也可以分為兩類：一類是下防砂管柱擋砂，如割縫襯管、繞絲篩管、膠結成型的濾砂管、 雙層或多層砂管等，這類防砂方法簡單易行，但效果差，壽命短，原因在於防砂管柱的縫隙或孔隙易被進入井筒的細地層砂所堵塞；另一類是下入防砂管柱後再進行充填，它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。

襯管防砂

襯管防砂是一種使用最早、簡單而普遍的機械防砂方法，也叫濾砂管防砂或篩管防砂。該工藝是在出砂油層射孔井段對應下入防砂襯管，當油井投入生產時，在油層壓力的驅動下，液流克服各種阻力流入井筒。如液流速度超過臨界速度，地層砂橋就會破壞，帶砂液流通過炮眼進入井筒，開始有少量細粉砂通過濾砂套，隨液流排出地面，還有一些堵塞於濾砂套的孔隙中，較粗的砂粒在濾砂套表面堆積，一直到堆滿環形空間及炮眼形成砂橋，才能阻止油井出砂，起到防砂作用。

礫石充填防砂

礫石充填防砂是重要的機械防砂方法，已被世界各油田廣泛採用。該方法是在防砂油層部位放置型號和規格合適的篩管，在篩管外面的空間填充並壓實粒度合適的高質量礫石。對套管射孔完成井，篩管外的空間包括套管與篩管內的環形空間，射孔孔眼及套管外油層表面之間的空間，對裸眼完井，則是指篩管外至擴孔井壁之間空間。這樣，就形成了礫石阻擋油層砂，而篩管保障形成穩定的礫石橋，構成一個堅固的高滲透防砂屏障。

但是總的來說，化學防砂適用於滲透率相對均勻的薄層段，在粉細砂岩地層中的效果比在機械防砂更優。而機械防砂對於地層的適應能力強，無論產層厚薄，滲透率高低，夾層多少都能有效的實施，在老井作業中，還可以起到恢復地層應力的作用。但是，它不適用細粉砂岩地層和高壓地層，在無鑽機或修井機的情況下也無法施工；對於化學防砂，它可以適用於雙層完井作業中的上部地層防砂，但對地層滲透率有一定的傷害作用，同時它的成功率不如機械防砂，還存在老化現象， 相對成本較高等缺點，其套用程度遠不如機械防砂廣泛。因此，研究一種新的無污染而且成本低的高效化學防砂方法是十分有必要的。

從國內外現有的化學防砂方法的報導來看，大多數人都採用在酸性或中性條件下進行實驗。如果在酸性條件下進行實驗，由於酸與樹脂反應後會產生氫氣，在一定的溫度下，加上酸的揮發，形成一種刺激性的氣體，不利於人的健康，還會對環境產生污染。因此考慮在鹼性條件下的固砂不僅有利於防止對人的傷害，還有利於防止對自然的污染。

據國外文獻報導，在美國的加利福尼亞州的威明頓油田，它是以碳酸鈉的鹼溶液為固化劑，使用取自威明頓油田塔焦油區的砂樣，在250~260℃的高溫下通過特殊的裝置使砂樣固結，這一項目為威明頓油田上的出砂井節約成本為每口井90000~150000美元，獲得了很好的經濟效益。

油田化學防砂技術

向井眼周圍地層和射孔孔眼中擠入一定數量的化學劑和固體顆粒(如預塗層礫石)以膠固地層砂運動，減輕油井出砂，實現長期生產的固砂技術稱為化學防砂。化學防砂最大優點是井筒內部不留下任何機械裝備，施工工藝簡便，只需泵入化學劑即可。它對細粉砂尤為有效，對未嚴重出砂的地層和低含水油井成功率較高。化學固砂法最適於相對不含粘土和微粒礦物成分的厚度通常小於5m米且滲透率均勻的目的層段。但化學防砂對地層滲透率有一定的傷害，成功率不如機械防砂，相對成本較高。

油田化學防砂早在20世紀60年代就開始了研究和較廣泛的套用，到了70年代末，隨著礫石填充繞絲篩管防砂技術的不斷發展和完善，化學防砂的套用範圍逐步縮小，套用程度不如機械防砂廣泛。但是，化學防砂的優越性是其他防砂方法所不能取代的，在某些情況下仍為一種有效的防砂方法。因此，新的無污染且成本低的高效化學防砂方法的研究與套用是十分必要的。

化學防砂可以分為三大類：第一類是樹脂固砂法、第二類是人工井壁防砂法、第三類是其它化學固砂法。具體分類見圖6-5

樹脂固砂法

樹脂固砂法主要有兩種，一種是直接向近井疏鬆出砂層段擠注樹脂以固結近井地帶的砂粒；另一種是在地面製備預塗層礫石，即在經篩析後的石英砂表面通過物理或化學方法均勻塗敷一層極薄的樹脂，在常溫下陰乾，形成分散的顆粒，簡稱覆膜砂。施工時，用攜帶液泵入井內，擠入油層和射孔孔眼內。在一定溫度和固化劑存在下，使顆粒表面軟化，相互粘結成具有一定強度和滲透率的人工井壁作為擋砂屏障。圖6-6給出了樹脂固砂示意圖。

擠樹脂固砂法

(1)樹脂性能要求

擠樹脂固砂法所使用的樹脂包括：環氧樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂、糠醇樹脂及它們的混合物。其中以糠醇樹脂為最好。固砂用樹脂所必須具有的重要性能如下：

①常溫下樹脂粘度低於20mPa·s。這種粘度值充分允許施工時有合理泵注時間，允許擠入後置液時可以很好地替出過多的樹脂。若樹脂粘度過大，就用稀釋劑進行稀釋達到理想的粘度。對環氧樹脂來說，適合的稀釋劑有苯乙烯化氧、辛烯化氧、糠醇、苯酚等。對酚醛樹脂、脲醛樹脂、糠醇樹脂來說，合適的稀釋劑有糠醇、糠醛、苯酚和甲酚。稀釋劑用量一般為每一百份樹脂用50~150份稀釋劑。

②樹脂必須能潤濕地層固相物質，這是最基本的要求。所擠入的樹脂必須有毛細管力吸入砂粒間空隙中。

③最終聚合樹脂具有足夠高的抗拉強度和抗壓強度。

④樹脂聚合作用時間必須可控。聚合時間短使後續過程中的頂替作業很困難，而聚合時間過長則會增加施工成本。

⑤最終的聚合物必須具有化學惰性，該聚合物必須允許保持與原油和鹽水長時間的接觸。

(2)擠樹脂固砂工藝過程

利用樹脂膠結疏鬆砂岩油層一般包括以下幾個步驟：

①用前置液預處理地層。膠結之前，需用前置液處理地層。根據砂層需要預處理目的不同，前置液也不同。若要除砂粒表面的油，前置液可用液態烴，如：柴油、煤油、原油、礦物油和芳香油。

另一類是水基前置液，一般是淡水、鹽水和海水，其中尤以鹽水為最好。這種鹽水是由一種或一種以上溶於水的無機鹽構成，再加上表面活性劑如烷基磺酸鈉，烷基苯磺酸鈉、聚氧乙烯辛基苯酚醚-10，使砂粒表面由親油反轉為親水，由於極性的膠結劑能潤濕親水表面，因而有好的膠結效果。 水基前置液中不應含有堵塞地層的污染物。

②樹脂膠結劑的注入。地層用前置液處理後，再注入膠結液。膠結液中最好要含有偶聯劑，使樹脂和砂粒更緊密地結合在一起。合適的偶聯劑有氨基矽烷，其分子結構通式為： 式中的R是具有1~8個碳原子的直鏈、側鏈和環鏈烯烴基，最好是1~4個碳原子的直鏈、側鏈烯烴基。R是氫或具有1~8個碳原子(最好是1~4個碳原子)的烷基、胺烷基。R是甲基、乙基、丙基或異丙基(最好是甲基或乙基)，m的數值為0~10，最好是1~4。

這種氨基矽烷有2-氨丙基三乙氧基甲矽烷、N-β-(氨乙基)-r-氨丙基三甲氧基矽烷(這種偶聯劑最好)、N-β-(氨乙基)-N-β-(氨乙基)-r-氨丙基三甲氧基矽烷、N-β-(氨丙基)-N-β-(氨丁基)-r-氨丙基三乙氨基矽烷、雙-N-(β-氨乙基)-r-氨丙基三乙氧基矽烷。

氨基矽烷用量每一百份重的樹脂加0.1~10份重的氨基矽烷。

若地層的滲透率比較高，則注入“純粹的”膠結液(即不含攜帶液的膠結液)。若地層的滲透率比較低，可以把膠結液和水基攜帶液混合在一起注入到地層中。

膠結液組分中應包括表面活性劑。表面活性劑能改善砂粒對樹脂的潤濕性，防止膠結液稠化和在水基攜帶液中出現聚集現象，從而保證了膠結液的泵送性能。

膠結液組分中還應有分散劑。分散劑能使膠結液成霧滴狀分散在攜帶液中，合適的分散劑有糠醛和酞酸二乙酯的混合物。由於砂層的不均質，所以膠結劑將更多地沿高滲透層進入砂層，影響防砂效果。為了使膠結劑均勻注入，在注膠結劑前，可先注一段分散劑。由於分散劑可減少高滲透層的滲透率，使砂層各處的滲透率拉平，這樣，膠結劑可以比較均勻地分散入砂層。要提高防砂效果，應注意分散劑的使用。

③注入驅替液(增孔液)，使地層砂粒表面塗上一層樹脂材料。由於對砂粒起膠結作用的膠結劑是粘在砂粒接觸點處的膠結劑，在砂粒空隙中多餘的膠結劑固化後將引起砂層的堵塞，減少膠結後砂層的滲透率，因此要用驅替液把多餘的膠結液頂替到地層深處。例如用極性膠結劑膠結時，就可以用煤油、柴油做增孔液。

使樹脂固結，形成具有滲透率的膠結地層，可通過加熱和與催化劑接觸就能使樹脂達到固化。催化劑可以隨膠結液一起注入到地層中(內催化法)，也可以先注入膠結劑，再注入催化劑(外催化法)。使用內催化法時值得注意的是：膠結液只有注入到地層後，樹脂才能發生固化反應。最好的催化方法是外催化法。對環氧樹脂來說，合適的催化劑有胺類、酸酐類催化劑，對酚醛樹脂、脲醛樹脂、糠醇樹脂來說，無機酸、有機酸和成酸化學劑都是比較好的外催化劑。

預塗覆樹脂砂

即在樹脂配方中加入催化劑或在砂漿液後頂替外固化劑，促使預塗層礫石在低溫地層中固化，達到膠固地層的目的，主要包括常溫和高溫覆膜砂兩大類。前者用於井溫60℃的油井，後者用於注蒸汽熱采井(注汽溫度300~350℃)。近年來，隨著技術的進步又開發研製了低溫覆膜砂(適用油井溫度30~50℃)。

(1)常溫覆膜砂：其樹脂配方是：石英砂:環氧樹脂:丙酮:偶聯劑=100:5:5.5:0.2(質量分數)。

按配比將樹脂溶於丙酮中，再加偶聯劑均勻混合，配好後撒入石英砂中並均勻攪拌，使顆粒表面塗上一薄層樹脂，待丙酮揮發後，分散過篩備用。

其質量標準參見SY 5274——91行業標準，主要包括：

①強度：對20~40目常規塗層砂，固化後要求：

二級品 一級品

抗折強度不小於2.5Mpa 5.0 Mpa

抗壓強度不小於5 Mpa 10.0 Mpa

②常溫下保存為單顆粒分散狀態，分散率大於98%；

③表面塗覆均勻，顆粒塗覆率大於98%；

④覆膜厚度：

當石英顆粒為0.3~0.6mm時，厚度不大於0.1mm,

當石英顆粒為0.4~0.8mm時，厚度不大於0.2mm；

⑤覆膜砂粒度：

若石英顆粒為0.3~0.6mm時，覆膜最大顆粒度不大於0.8mm，

若石英顆粒為0.4~0.8mm時，覆膜最大顆粒度不大於1.0mm；

⑥滲透率不小於50um;

⑦耐溫性：常溫砂小於100℃，高溫砂=350℃；

⑧粉塵含量：小於1%(質量分數)。

(2)高溫覆膜砂：其防砂機理是將耐高溫預塗層礫石用攜砂液按一定砂比，通過施工管柱泵送到井下，並強迫擠入套管外周圍地層中，在井底溫度或特定外界條件下固化，形成一個具有一定強度，又具有較高滲透率的人工井壁從而阻止地層出砂。

該方法最大優點是井底不留任何機械裝置，後期處理和補救作業十分方便。技術關鍵在於解決耐高溫樹脂配方及預塗層工藝。

經實驗研究，高溫預塗層礫石已經在國內外市場商品化套用，由於工藝簡便，可以作為傳統繞絲篩管礫石防砂工藝補充手段。該方法常用於嚴重出砂地層，擠入量由累計出砂量確定，但處理井段一般不超過20m。

勝利油田的高溫預塗層礫石產品技術性能指標見表6-2。

性能指標

耐高溫樹脂塗層的性能指標

規格; mm	抗壓強度			液相滲透率; um	擋砂精度; mm	膠結介質pH值的影響
	MPa					pH<6	pH=6~9	pH >9
0.30~0.60	65℃	250℃	350℃	50	0.07~1	加速固結	正常固結	阻止固結
	≥3.5	≥7.0	≥3.0

(3)套用條件及技術評價

①適用於每米地層出砂量大於50L的油、氣井後期防砂。

②射孔井段不宜超過20m。

③覆膜砂已形成溫度系列，對不同井溫適應性強。若地層溫度大於60℃，用常規覆膜砂，若低於60℃，選用低溫覆膜砂(內催化系統)或常規覆膜砂加入外固化劑(可提高強度1.5倍)，注汽井選用高溫覆膜砂。

④若地層吸收能力太低，則應先解堵後，再擠覆膜砂。

⑤施工簡便，易操作，無需特殊設備。

⑥固化後，抗壓強度可大於5~9Mpa，滲透率保持為原礫石滲透率的80%左右。

⑦防砂成功率一般大於80%，對油井的含水適應性好。

⑧高孔密射孔(20孔/m以上)，大直徑孔眼(φ16mm~φ20mm)有助於改善覆膜砂在處理井段上的均勻分布，是提高防砂成功率的重要措施。

人工井壁防砂法

人工井壁防砂是化學防砂中的一大類，屬於顆粒防砂。它是利用有特定性能的膠結劑和一定粒徑的顆粒物質按比例在地面混合均勻，或風乾後再粉碎成顆粒。也可直接用可固結的顆粒，用油基或水基攜砂液泵入井內通過炮眼，在油層套管外堆積填滿出砂洞穴，在井溫及固化劑作用下，凝固後形成具有一定強度和滲透性的防砂屏障，即人工井壁。這些人工井壁阻擋地層砂進入井筒，達到防砂目的。圖6-8給出了人工井壁示意圖。此類方法適用油井已大量出砂，井壁形成洞穴的油水井防砂。

如需要把機械設備留在井筒里，此方法用在較上部地層中。

這種方法比礫石填充後再作固結處理要便宜。在已大量出砂和套管損壞的井段，有些作業者先擠入可固結的填充物，再在套管內作普通礫石填充。

水泥砂漿人工井壁

水泥砂漿人工井壁是以水泥為膠結劑，以英砂為支撐劑，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，防止油層出砂。

這種人工井壁適用於已出砂油井、低壓油井、淺井(井深在1000m左右)、薄油層油井(油層井段小於20m)的防砂。

水帶乾灰砂人工井壁

水帶乾灰砂人工井壁防砂是以水泥為膠結劑，以石英砂為支撐，按比例在地面拌合均勻，用水攜至井下，擠入套管外，堆積於出砂層位，凝固後形成具有一定強度和滲透性的人工井壁。

這種方法適用於處於後期的低壓油水井、已出砂的油水井、多油層、高含水油井及防砂井段在50m以內的油水井的防砂。

柴油乳化水泥漿人工井壁

以活性水配製水泥漿，按比例加入柴油，充分攪拌形成柴油水泥漿乳化液，泵入井內擠入出砂層位，水泥凝固後形成人工井壁。由於柴油為連續相，凝固後的水泥具有一定的滲透性，使液流能順利地通過人工井壁進入井筒，達到防砂的目的。

該方法適用於淺井、地層出砂量小於500L/m的井、油層井段在l5m以內的油、水井和油水井早期的防砂。

樹脂核桃殼人工井壁

該方法系以酚醛樹脂為膠結劑，以粉碎成一定顆粒的核桃殼為支撐劑，按一定比例拌合均勻，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反應時間後使樹脂固結，形成具有一定強度和滲透性的人工井壁，防止油井出砂。

這種人工井壁適用於出砂量較小的油井、射孔井段小於2Om的全井防砂和水井早期防砂。

樹脂砂漿人工井壁

以樹脂為膠結劑，石英砂為支撐劑，按比例混合均勻，用油攜至井下擠入套管外，堆積於出砂層位，凝固後形成具有一定強度的滲透性人工井壁，防止油井出砂。

這種人工井壁適用於吸收能力較高的油水井網、油層井段在20m以內的油水井後期的防砂。

化學防砂選用參考表

方法	配方(質量分數)	優缺點
水泥砂漿	水：水泥：砂=0.5：1.0：4	原料來源廣，強度較低，有效期較短
水帶乾灰砂	水泥：砂=1：2	原料來源廣，成本低，堵塞較嚴重
柴油水泥漿乳化液	柴油：水泥：水=1：1：0.5	原料來源廣，成本低，堵塞較嚴重
酚醛樹脂溶液	苯酚：甲醛：氨水=1：1.5：0.05	適應性強，成本高，樹脂儲存期短
樹脂核桃殼	酚醛樹脂：核桃殼=1：1.5	膠結強度高，原料來源少，施工較複雜
樹脂砂漿	樹脂：砂=1：4	膠結強度較高，施工較複雜
酚醛溶液地下合成	苯酚：甲醛：固化劑=1：2：(0.3~0.36)	溶液粘度低，易於泵送，可分層防砂
樹脂塗層礫石	樹脂：礫石=1：(10~20)	強度較高，滲透率高，施工簡單

其他化學固砂法

目前使用的化學固砂方法較多，在本節主要介紹以下幾種方法：氫氧化鈣固砂法、四氯化矽固砂法、聚乙烯固砂法和氧化有機化合物固砂法。

氫氧化鈣飽和溶液固砂法

將氫氧化鈣飽和溶液用於膠結砂岩地層，膠結機理是氫氧化鈣的飽和溶液，在高於65℃的溫度下，與油層中的粘土礦物(蒙脫石、伊利石等)反應生成鋁矽酸鈣(膠結物)，把砂粒膠結在一起，實現控制出砂。膠結地層能耐高溫、適用於蒸汽驅和熱水驅油藏固砂作業。由於氫氧化鈣的溶解度很低，所以要多次循環注入氫氧化鈣飽和溶液才能使膠結地層達到所需的強度。

八十年代初提出了一種改進型的方法，這種方法是向處理地層中注入含有氯化鈣和氫氧化鈉的氫氧化鈣飽和溶液，隨著膠結反應的發生，氫氧化鈣從溶液中析出，使溶液中氫氧化鈣的濃度降低，這時氯化鈣和氫氧化鈉發生化學反應，又生成新的氫氧化鈣，保持氫氧化鈣在水溶液中的濃度不變，從而將未固結的地層膠結在一起，形成擋砂屏障。

四氯化矽固砂法

四氯化矽可以用來固結疏鬆砂岩油藏。它是利用四氯化矽注入到地層中後和地層中的水發生化學反應，生成無定形的二氧化矽。生成的二氧化矽可以將地層砂粒膠結在一起，達到固砂的目的。這一機理可用化學方程式表示為：

從上式可以看出，用四氯化矽固砂，地層中一定要有水。地層含水飽和度越高，防砂效果越好，而滲透率損失不大。為了提高膠結地層的抗壓強度可以採取預處理和後處理的方法，還可以在膠結劑中加入適量的中和劑，把生成的氯化氫中和掉以提高膠結強度。

用四氯化矽固砂工藝簡單，只需通過一般的注入工藝就能達到目的。並且該方法成本低廉，主要用於氣井防砂。

聚乙烯固砂法

聚乙烯是二烯烴或三烯烴通過聚合反應的產物。聚乙烯固砂有兩種工藝，一是用聚丁二烯經稀釋劑稀釋後加入催化劑通過化學反應膠結疏鬆砂岩，使用的催化劑有鋯鹽、鈷鹽及鋅鹽；二是利用聚丁二烯熱聚合反應固砂。

氧化有機化合物固砂法

採用含不飽和烯烴的有機化合物，在氧化聚合反應過程中，氧原子把雙鍵打開，在各分子之間形成氧橋，從而使有機物生成網狀的聚合物，將疏鬆砂岩有效膠結在一起。這種方法一般包括以下兩個連續步驟：

①一種或兩種以上的能起聚合反應的有機物質和催化劑混合，將混合物注入到地層中，在地層溫度下，與氧化氣體接觸發生氧化聚合反應，生成固態物質膠結砂粒，而基本上不降低地層的滲透性能。

②注入足夠的氧化氣體，使已注入的有機物質充分固化。使用的地層溫度為150℃~250℃。

化學防砂的工藝設計

化學防砂的工藝設計直接關係到其施工作業的成敗。因此，在設計前要充分掌握地層和油氣井的資料數據，全面考慮防砂效果，防砂產能恢復和綜合經濟效益，提高設計水平，保證和提高施工的成功率。

工藝設計步驟

進行化學防砂工藝設計時，應根據地層性質、完井方法、油氣井條件、施工工藝和設備來設計不同的工藝參數與步驟。包括以下四方面：

選擇固體顆粒的尺寸

選擇固體顆粒的尺寸主要基於產層所含最細砂尺寸。因此，準確確定地層砂粒粒徑和範圍很關鍵。砂粒直徑確定方法常用的是泰勒(Tyler)標準篩分級，表6-4中給出了泰勒(Tyler)標準篩目與對應的篩孔直徑。篩析數據通常以從最大孔徑篩開始篩選並按篩號大小次序排列的篩網上所剩砂粒篩積百分比表示。這種曲線標繪在半對數紙上，如圖6-8所示

篩目標號分類比較表

泰勒標準篩目系列	21/2 4 6 8 10 12 14 16 18
篩孔直徑(㎜)	7.925 4.699 3.327 2.362 1.981 1.651 1.397 1.168 0.991
泰勒標準篩目系列	20 24 28 32 35 42 48 60 80
篩孔直徑(㎜)	0.833 0.701 0.589 0.495 0.417 0.351 0.295 0.246 0.175
泰勒標準篩目系列	100 115 150 170 200 250 270 325 400
篩孔直徑(㎜)	0.147 0.124 0.104 0.088 0.074 0.062 0.053 0.044 0037

用於描述砂粒尺寸特徵的數值方法有幾種，一般都以砂粒尺寸和砂粒分選係數來表示砂粒尺寸特徵。

分選是指砂粒的均勻度。分選性度量特徵參數是砂粒的均勻係數，以Uc表示，定義式如下

Uc =d40 / d90

d40：砂粒篩積百分比曲線上標定的第40個百分點對應的直徑數值，mm

d90：砂粒篩積百分比曲線上標定的第90個百分點對應的直徑數值，mm

將Uc5時則為非均勻砂或分選性差的砂。

準確獲取被膠結砂層的岩性和地層流體性質

根據達西定律計算防砂前、後地層流體由地層流向井筒的流速，對比防砂前後地層的滲透性改變情況。

選擇適宜的防砂膠結劑和防砂方法

確定防砂體系的注入速度、施工壓力、固結時間和固結強度等參數

施工程式及參數

不同的防砂方法，其施工程式及參數不同，這裡重點介紹油田上常用的幾種化學防砂施工程式及參數。

酚醛樹脂固砂施工參數及施工程式

(1)射孔：負壓射孔，孔密度為20孔/m，孔徑不小於10mm。

(2)洗井：用加有粘土防膨劑和防乳化劑的無固相清潔液體洗井。

(3)通井：用小於套管內徑4~6㎜的通井規通至油層低界以下20m，無遇阻現象。

(4)下防砂管柱：全井一次防砂，用光油管完成於油層頂界以上5~10m，裝好井口進行施工；多油層長井段分層防砂，採用先下入封隔器，從下而上逐段防砂，每段控制井段長在20 m以內。

(5)正擠活性柴油：柴油中加入1%的聚氧乙烯烷基醇醚-8活性劑，即活性柴油，用量為每米射孔油層不少於500 L，排量300 L /mim。

(6)正擠鹽酸：鹽酸濃度5%~7%，每米射孔油層不少於200 L，排量300L/min。

(7)正擠柴油：用量2m，排量300L/min。

(8)正擠酚醛樹脂溶液：每米射孔油層不少於200 L，排量300L/min。

(9)正擠增孔劑(柴油)：用量為樹脂量的2~3倍，排量300L/min。

(10)正擠固化劑(鹽酸)：鹽酸的濃度為10%~12%，其用量為樹脂量的2~3倍，排量300L/min。

(11)正擠頂替液(柴油)：將鹽酸全部擠入油層，排量300L/min。

(12)關井侯凝48h以上。

(13)壓井、探樹脂面、鑽塞至人工井底。

(14)下入生產管柱投產。

預塗覆樹脂砂固砂

施工工藝程式主要包括：

(1)壓井、通井、探沖砂至人工井底或設計砂面位置。

(2)補孔：若有必要則進行，孔徑大於10mm，孔密增加20孔/m以上 。

(3)光油管完成於油層頂界以上5~10m。

(4)若油稠，則用適量清洗液清洗近井地層表面，便於以後擠入預塗層礫石。

(5)若地層有潛在的粘土傷害，應擠入粘土穩定劑處理液。

(6)正替攜砂液至套管出口返排液後，關閉套管閘門。

(7)正擠攜砂液求地層的吸收能力，調整好泵壓、排量。當泵壓穩定，排量達到500L/min時，開始出砂，砂比控制為(5~10)：100(體積分數)。正常加砂要求一次加完設計砂量，若中途發生泵壓高於穩定值的50%時，應停止加砂。

(8)正擠頂替液(若低溫地層，又採用的是固化系統，則先頂替固化劑)，直至將覆膜砂頂替擠入地層，不宜過量頂替。欠量頂替時，並筒內留下一段覆膜砂砂柱。

(9)上提管柱50~100m，關井候凝72h以上。

(10)關井、探樹脂面，鑽塞至人工井底或設計井底。

(11)下入生產管柱投產。

6.4.2.3水泥砂漿人工井壁施工程式及參數

施工程式：

(1)壓井、探砂面、沖砂至人工井底。

(2)光油管完成至油層頂界以上10米左右。

(3)連線施工車輛及地面管線，清水試壓。

(4)正循環至返出口見液，關套管閘門。

(5)正擠砂液求地層吸收能力，當泵壓穩定，排量達到500L/min時，可開始加放已拌和好的水泥砂漿。

(6)正擠頂替液至砂漿全部擠入地層。

(7)關井侯凝48小時以上。

(8)壓井、探砂面、鑽塞至人工井底。

(9)下入生產管柱投產。

參數設計：

(1)砂漿用量：原則上以油井出砂量為準。但出砂量小於0.5m,可設計砂量0.5m；當砂量大於0.5m而小於2m時,可設計砂量與出砂量相等;當出砂量大於2m,其設計砂量可小於出砂量。

(2)泵壓的控制：最終泵壓不應超過正常擠入泵壓的50%。

(3)關井侯凝時間不少於48小時。

(4)攜砂液用量：應包括充滿井筒的液量、前置液液量、頂替液的用量及攜砂液本身的用量，還應有儲液罐吸入口以下的液量，再附加以上總液量的20%。

(5)施工管柱：除油管外，不附加任何工具，並將油管完成於油層頂界以上10m左右，防止遇卡，保證施工安全。

防砂方法的選擇

選擇原則

(1)立足於先期防砂和早期防砂：根據油藏地質研究和試油試采資料，一旦判斷地層必然出砂，則立足於先期防砂完井或短暫排液後的早期防砂，以此為基礎來選用防砂方法。在地層骨架被破壞後才進行防砂，防砂難度將大大增加，而且也難保證防砂效果。

(2)結合實際，綜合考慮技術現狀、工藝條件和經濟成本，合理選用防砂方法。

(3)立足於保護油層、減少傷害，以保護油(氣)井獲得最大產能為目標，結合有效期，進行方法論證和選擇

防砂方法選擇時必須考慮的因素

(1)完井類型：常見的完井方式有裸眼完井和套管射孔完井。對原油粘度偏高、油層單一、無水、氣夾層的部分膠結的砂岩可考慮用裸眼礫石充填先期防砂，以提高滲流面積，減少油層傷害，獲得較高的產能。

對油、氣、水層關係複雜，有泥岩夾層的井應考慮用套管射孔完成。可進行先期或早期的管內礫石充填防砂。

(2)完井井段長度：機械防砂一般不受井段長度限制，如夾層較厚，可以考慮分段防砂。化學防砂主要用於短井段地層。

(3)地層物性：化學防砂對地層砂粒度適應範圍較廣，尤其適用於細粉砂岩。但在油井中、高含水期，防砂成功率下降。ECP砂拱防砂適用於泥質含量較高的，出砂不嚴重的中、低滲透地層。繞絲篩管礫石充填對粒度、滲透率、均質性要求不高，但粉細砂岩不適用。濾砂管防砂一般只對中、粗砂岩有效。

(4)井筒和井場條件：小井眼、異常高壓層、雙層完井的上部地層宜用化學防砂，此外，化學防砂還要特別注意油層溫度，因它對化學劑固化有重要影響。若現場無鑽機(或作業機)也無法進行機械防砂。

(5)產能損失：無論哪種防砂方法，都應在控制出砂的前提下，使油(氣)井產能損失最小。相比而言，砂拱防砂產能損失最小，但防砂穩定性差；裸眼礫石充填防砂產能最高，只要條件允許應優先考慮選用；細粉砂岩易引起普通濾砂管堵塞，導致產能急劇下降，不宜採用濾砂管防砂；對繞絲篩管內礫石充填或化學防砂應在施工時採取合理的配套技術措施，最大限度地維持油井產能。

(6)成本費用：施工成本是選擇防砂技術的重要因素，但也要考慮防砂的長期綜合經濟效益。

表6-5、表6-6分別列出了個主要防砂方法的適應性和優缺點，供設計時參考。

表6-5主要防砂方法對比

分類	防砂方法	優點	缺點	備註
機; 械; 防; 砂	繞絲篩管礫石充填	(1)成功率高達90%以上； (2)有效期長； (3)適應性強，套用最普遍； (4)裸眼充填產能為射孔充填的1.2~1.3倍	(1)井內留有防砂管柱，後期處理複雜，費用高； (2)不適用於細粉砂岩； (3)管內充填產能損失大	可按工藝條件和充填方式再細分
	濾砂管	(1)施工簡便，成本低； (2)適合多油層完井，粗砂地層	(1)不適宜用於細粉砂岩； (2)濾砂管易堵塞使產能下降； (3)濾砂管受沖蝕，壽命短	按材料不同形成多種濾砂管
	割縫襯管	(1)成本低，施工簡便； (2)適用於出砂不嚴重的中、粗砂岩，水平井常用	(1)不宜用於粉細砂岩； (2)砂橋易堵塞
化; 學; 防; 砂	膠固地層	(1)井內無留物，以進行後期補救作業； (2)對地層砂粒度適應範圍廣； (3)施工簡便	(1)滲透率下降； (2)不宜用於多層長井段和嚴重出砂井； (3)化學劑有毒，易造成污染	樹脂液，樹脂砂漿，溶液地下合成，化學固砂劑
	人工井壁	(1)化學劑用量比膠固地層少，成本下降20%~30%； (2)井內無留物，補救作業方便； (3)可用於嚴重出砂的老井； (4)成功率高達85%以上	(1)不宜用於多油井，長井段； (2)不能用於裸眼井	預塗層礫石，樹脂砂漿，水泥砂漿，水帶乾灰砂，乳化水泥
砂; 拱; 防; 砂	套管外封隔器	(1)施工簡便，費用較低； (2)可用於多層完井施工； (3)產能損失小，後期補救處理較容易	(1)不宜用於粉細砂岩及疏鬆砂地層； (2)砂拱穩定性不好； (3)控制流速影響產量
其; 他	水力壓裂礫石充填	(1)既防砂，又獲得高產； (2)消除油層傷害； (3)有效期長	(1)不宜用於多油層和粉細砂岩； (2)後期處理難	工業套用
	原油膠化固砂	(1)特別適用於超稠油疏鬆砂岩； (2)井內無留物	(1)不宜用於多油層和長井段作業； (2)施工複雜，難度大，費用高	工業試驗

表6-6防砂方法篩選表

比較項目	防砂方法
	襯管	篩管+礫石充填	樹脂固砂	樹脂塗層礫石	套管外分割器
適應地層砂尺寸	中—粗	細—粗	細粉—中	各種尺寸	各種尺寸
泥質低滲透地層	—	—	—	—	適用
非均質地層	適用	適用	—	適用	適用
多油層	適用	適用	—	適用	適用
井段長度	短—長	短—長	<5m	<10m	6~12m/層
無鑽機或修井機	—	—	適用	—	—
高壓井	—	—	適用	—	適用
高產井	—	適用	適用	—	適用
裸眼井	—	適用	—	—	適用
熱采井	—	適用	—	適用	—
嚴重出砂井	—	適用	適用	適用	適用
定向井	適用	適用	適用	適用	適用
老油井	適用	適用	—	適用	適用
套管完井	適用	適用	適用	適用	—
套管直徑	常規	常規	小—常規	小—常規	小—常規
井下留物	有	有	無	無	無
費用	低	中	高	中—高	中—高
成功率	高	高	地—高	中—高	中—高
有效期	短	很長	中—長	長	中

防砂效果評價

防砂效果影響因素分析

影響防砂效果的因素很多，歸納為以下幾個方面：

(1)地層條件：這是自然因素，如孔隙度和滲透率條件、粒度大小及分布、均質性、泥質含量、粘土礦物組成、原油物性、層段厚度及單層層數都會對方法的選擇，施工設計和作業難度產生直接的影響，勢必影響到工藝效果。

(2)選用的防砂方法：由於各種防砂方法只適用於某些地層和井況條件，如方法選用不當，則可能使防砂很快失效或造成較大的產能損失，難於維持生產。此外，各種方法的有效期和施工成本也不相同，對經濟效果會帶來直接的影響。

(3)施工工藝設計：方法一旦確定就需按地層條件進行防砂施工工程設計，包括選用合理的施工程式和工藝參數，以正確的工藝來滿足防砂的需要，保證防砂效果。

(4)施工質量控制：施工質量是保證防砂效果的關鍵，應該建立嚴格的質量保證體系，包括準備合理的原材料、井下工具和化學劑、保持設備工況良好、充分的室內試驗、優選合理的工作液及處理劑配方。施工前要反覆研究施工設計，考慮應變措施。施工過程要有嚴格的技術、質量監控，保證施工質量全優，爭取最佳效果。

只要緊緊圍繞油井、地層的實際情況，從設計、材料、施工的各個環節進行全面研究和質量控制，才能使防砂後實現既高產又控制出砂的目的。