（石油与天然气工程专业论文）文中老三块出砂机理及防砂方法研究.pdf

s t u d yo fs a n df l o wm e c h a n i s m a n di t sh a r n e s si n w e n z h o n go i lf i e l d at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fe n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：z h ux i a o l i n s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gw e i y a n g & s e c h e n gh o n g w e i c o l l e g eo f p e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 58 胛8删67m 8 i-肿y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得中国石油大学( 华东) 或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 摹4 茎叁日期：2 。f 年f 月3 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学( 华东) 有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；本人授权中国石油大学( 华东) 可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影音、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 巷d 叠奎 指导教师签名： 日期：2 0 1 1 年否月3f 1 日期：叫年月；日 捅要 中原油田已经进入到注水开发的中后期，由于压裂改造作用以及不合理生产压差等 影响，油层岩石骨架被严重破坏，出砂情况越来越严重，这影响了油井产量，增加了开 发维护成本，严重破坏了油井生产过程和整体开采质量。 到2 0 1 0 年为止，中原油田共有9 0 9 口出砂井，这表示中原油田的出砂井数量越来 越多，出砂区域越来越大，出砂层位越来越深，井况越来越差。虽然各个采油厂都采取 了相关的防砂措施，并且有些取得了一定的效果，但是由于现在的防砂技术缺乏，出砂 状况多种多样，给中原油田的防砂工作带来很大的困难，也给中原油田带来了极大的损 失。 针对中原油田出砂状况严重及防砂技术缺乏的现状，论文在进行广泛调研的基础 上，结合现场数据及实验室研究，对中原油田文中老三块地区的出砂规律和影响因素等 进行了分析和总结，在此基础上提出防砂措施。文中老三块属于容易出砂地层，导致地 层出砂的内因是胶结物中粘土矿物成份含量较高，接触一孔隙型的胶结方式胶结强度较 低；诱导地层出砂的外因是注水开发、油井含水升高引起的地层水敏，较高的生产压差 引起的地层速敏；内因、外因共同作用，导致地层岩石骨架破坏，出砂趋势加剧。文中 老三块采用“多参数综合决策法 进行防砂技术优选，改进常规化学防砂工艺，实施以 “稳、固、挡、排”为主要内容的出砂预防和出砂治理技术，取得了较好的降水增油效 果，有效减缓了出砂趋势，为类似的中渗油藏高含水期的出砂防治提供了技术借鉴。 关键词：防砂；出砂机理；胶结；机械防砂；化学防砂 s t u d yo fs a n df l o wm e c h a n i s ma n d i t sh a r n e s si n w e n z h o n go i lf i e l d z h ux i a o l i n ( p e t r o l e u m & n a t u r a lg a s e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gw e i y a n ga n ds e c h e n gh o n g w e i a b s t r a c t z h o n g y u a no i lf i e l dh a se n t e r e dt h em i d d l ea n dl a t e rp e r i o d so fe x p l o i t a t i o n b e c a u s eo f t h ee f f e c to ft h ef r a c t u r i n gr e f o r m a t i o na n du n r e a s o n a b l ed r a w d o w np r e s s u r e ，r o c kf r a m eh a s b e e nd e s t r o y e ds e r i o u s l y ，a n dt h e s i t u a t i o no fs a n df l o wh a sb e c o m em o r ea n dm o r e s e r i o u s l y i th a sa f f e c t e dt h ew e l ly i e l d ，i n c r e a s e dt h em a i n t e n a n c ec o s t , d e s t r o y e dt h ec o u r s eo f p r o d u c t i o na n do v e r a l lm i n i n gq u a l i t y t o2 010 ，z h o n g y u a no i lf i e l dh a s9 0 9s a n d yw e l l s ，a n di ti n d i c a t e st h e r ea p p e a r sm o r ea n d m o r es a n d yw e l l s ，w i d e rs a n df l o wa r e a s ，d e e p e rs a n dp r o d u c i n gf o r m a t i o na n dw o r s eh o l e c o n d i t i o n a l t h o u g ha l lo i lp r o d u c t i o np l a n t sh a st a k e ne f f e c t i v es t e p st oc o n t r o lt h es a n d f l o w ，i ta l s oh a sg r e a td i f f i c u l t i e st od ot h ej o bo fs a n dc o n t r o li nt h ec o n d i t o no fl a c k i n go f t e c h n i q u e ，v a r i o u sh o l ec o n d i t i o n s ，a n ds oo n i th a sb r o u g h tg r e a tl o s st oz h o n g y u a no i lf i e l d t os o l v et h ep r o b l e m ，w ea n a l y z ea n dc o n c l u d et h es a n dl a wa n di t se f f e c tf a c t o r so f w e n z h o n go i lf i e l db a s e do nt h ee x t e n s i v es u r v e ya n ds t u d yb o n d i n gw i t hf i e l dd a t aa n dl a b s t u d y m o r e o v e r , w ep r o p o s e dt h es a n dc o n t r o lm e a s u r e s w e n z h o n go i lf i e l df r e q u e n t l yh a st h e s a n df l o w i t si n t e r i o rr e a s o ni st h a ti tc o n t a i n sh i g h - l o a dc l a ym i n e r a l ，a n di t se x t e r i o rr e a s o ni s t h ew a t e rs e n s i t i v i t yc a u s e db yt h ef l o o dd e v e l o p m e n ta n d a s c e n d i n gw a t e rc o n t e n ti no i lw e l l a sw e l la st h es p e e ds e n s i t i v i t yc a u s e db yt h eh i g hd r a w d o w np r e s s u r e w ei m p r o v et h e t e c h n i q u eo fc h e m i c a ls a n dc o n t r o la n du s et h em e t h o do fm u l t i p a r a m e t e rd e c i s i o nm a k i n g p a c k a g e t oc a r r yo u tt h es a n df l o wp r e v e n t i o na n ds a n df l o wc o n t r o lb yt h el o g o so f s t e a d y ，r e s i s t , d i s c h a r g e ，c o n c r e t i o n , w ea c q u i r e sg o o ds a n dc o n t r o lr e s u l t s w ed e c r e a s et h es a n d f l o we f f e c t i v e l ya n ds u p p l yt h et e c h n o l o g i c a lb o r r o w i n gf o ro t h e ro i lf i e l d s k e yw o r d s ：s a n dc o n t r o l ；s a n df l o wm e c h a n i s m ；c e m e n t ；m e c h a n i c a ls a n dc o n t r o l ；c h e m i c a ls a n dc o n t r o l 目录 第一章前言l 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 国内外研究现状及存在的问题1 1 2 1 机械防砂工艺技术现状1 1 2 2 化学防砂工艺技术；5 1 2 3 防砂预测技术。6 1 2 4 防治砂工艺技术优选及其改进1 0 1 3 本文研究的主要内容1 0 1 4 技术路线1 1 第二章防砂相关基础研究进展1 3 2 1 出砂原因分析13 2 1 1 先天性出砂原因。：1 3 2 1 2 开发因素出砂1 3 2 2 出砂机理研究1 3 2 2 1 剪切破坏机理1 4 2 2 2 拉伸破坏机理1 4 2 2 3 微粒运移机理1 4 2 3 不同出砂分类情况1 4 2 3 1 按不同出砂原因分类一1 4 2 3 2 按出砂程度不同划分1 6 2 3 3 气井携砂规律16 2 4 油气井出砂的危害1 6 2 4 1 使油气井减产或者停产1 6 2 4 2 地面以及井下设备的磨蚀。1 6 2 4 3 套管破坏、油井报废：17 2 5 出砂分析模型j 1 7 2 5 1 理论模型17 2 5 2 实验室模型19 ：1 1 ：! l ：1 1 2l ：! ：! ：! ：1 3 2 2 水井出砂现状2 4 3 3 文中老三块出砂规律统计分析2 7 3 3 1 出砂层位及其特点：2 7 3 3 2 出砂时机。2 8 3 3 3 砂样筛析2 9 3 4 岩石粘土矿物分析3l 3 5 出砂原因分析3 4 3 5 1 油井出砂原因3 4 3 5 2 水井出砂原因3 4 3 6 岩心膨胀分散实验3 5 3 7 出砂模拟实验3 7 3 7 1 实验原理3 8 3 7 2 岩样制备3 8 3 7 3 实验条件_ 3 8 3 7 4 无水驱替出砂实验3 9 3 7 5 不同含水驱替出砂实验3 9 3 8 小结4 0 第四章文中老三块防砂方案设计及实施效果评价4 2 。4 1 文中老三块防砂方案设计4 2 4 1 1 各个区块出砂特点及概况4 2 4 1 2 防砂技术对策4 3 4 2 文中老三块方案实施情况4 6 4 2 1 防砂工艺技术实施情况4 6 4 2 2 效果分析及典型井例4 6 第五章结论与认识4 8 5 1 结论4 8 5 2 创新点4 8 参考文献4 9 致谢51 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章前言 课题研究的目的和意义 中原油田已经进入到注水开发的中后期，由于压裂改造作用以及不合理生产压差等 ，油层岩石骨架被严重破坏，出砂情况越来越严重，+ 这影响了油井产量，增加了开 护成本，严重破坏了油井生产过程和整体开采质量拿中原油f f l 文中老i 块来说， 到2 0 1 0 年为止，文中老三块油井开井2 1 0 口，有出砂井1 0 3 口，占油井开井数的4 9 0 ， 其中出砂较严重的油井有3 l 口( 抽油井1 7 口，电泵井1 4 口) ；轻微出砂，下防砂工具 带病生产的有7 2 口井( 文1 0 块1 8 口井，文1 5 块1 6 口井，文2 5 东块3 8 口井) 。 到2 0 1 0 年为止，中原油田共有9 0 9 口出砂井，与往年相比数量有大幅增加，这表 示中原油田的出砂井数量越来越多，并且出砂区域越来越大，出砂层位越来越深，井况 越来越差。虽然各个采油厂都采取了相关的防砂措施，并且有些取得了一定的效果，但 是由于现在的防砂技术缺乏，出砂状况多种多样，给中原油田的防砂工作带来很大的困 难，也给中原油田带来了极大的损失。 依托中原油田现有的现场资料及实验设备，针对中原油田出砂状况严重及防砂技术 缺乏的现状，论文在进行广泛调研的基础上，结合现场数据及实验室研究，对中原油田 文中老三块地区的出砂规律和影响因素等做出了分析和总结，在此基础上提出防砂措 施，对中原油田f 1 后的生产与出砂治理提供理论依据。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 我国防治砂工艺开始于1 9 6 0 年左右，随着科学技术的飞速进步，我们到目i j i 为止 已经形成了三种防砂技术，它们分别是化学防砂技术、机械防砂技术以及复合防砂的技 术。 1 2 1 机械防砂工艺技术现状 机械防砂技术开始的很早，技术也是最为成熟的一种防砂技术。现在国内外比较常 见的机械防砂的方法主要有砾石充填防砂和防砂管防砂。它们各自有各自的优缺点，对 于砾石充填防砂，它的工艺技术比较成熟，防砂的效果也很好，但是它的防砂周期比较 长，并且充填的效率比较低，非常容易就形成砂堵，而且污染严重。目前，随着科学技 术的飞速发展，砾石充填防砂技术也有了极大的改进，出现了一大批新工艺新技术，比 如压裂砾石充填防砂，高压充填防砂，振动砾石充填防砂等等，其中，前两者的应用比 第一章前言 较广泛，在近期防砂工艺措施中，复合射孔防砂也是一个巨大的进展。 对于防砂管防砂技术，它的工艺比较简单，而且成本比较低廉，操作也容易上手， 但是它的强度比较低，与砾石充填防砂相比而言，它的有效期短，防治粉细砂的性能也 比较差。我们平常用到的是绕丝筛管，割缝筛管，除此之外，随着科学技术的进步，防 砂管工艺也取得了极大的发展，出现了一大批先进实用的新型防砂技术，比如陶瓷防砂 管，金属棉防砂管等等。 1 2 1 1 新型的机械防砂管 ( 1 ) 金属棉类型的防砂管 金属棉式防砂管有整体式以及过滤套式两种类型，对于过滤套类型，它所采用的金 属棉是用不锈钢丝压成的，这种金属棉由于有很大地弹性，它就可以根据需要被制造程 不同类型的式样，所以具有极强的适应性，非常适合在现场的实际应用。 对于整体式的金属棉式防砂管，金属棉是它的主要过滤性物质，这种类型防砂管具 有下井更方便的特点。 ( 2 ) 陶瓷防砂筛管 它是利用陶瓷管来组织地层砂体的入侵，而且通过改变陶粒的尺寸大小，我们还可 以调节渗透率和其挡砂的精度，在这个基础上，我们在其外面又加上了一层割缝的外观， 以防止在下井的过程当中发生的碰撞现象，这使得其强度得到了很大程度的提升。 这种防砂筛管具有很高的强度，而且耐高温和酸碱，并具有极强的渗透性，比较适 合对热采井的防砂作业。当砂体流经陶瓷防砂管连接的孔道时，地层砂会被挡在套管以 及陶瓷管中的环空中中，流体则沿着通道流入井筒，进而起到了防砂的作用。 陶瓷管是从地面开始装到外管当中，由外护管，密封部分和陶瓷管三部分组成，它 的两端是用铜基石墨来密封的，具有很好的耐水、耐油和耐磨的特性。它的下端使用螺 钉把陶瓷管固定在外管上，上部分是自由滑动端，在注入蒸汽时外管由于受热使其伸长， 那么外管和陶瓷管就会产生一定空间让其自由滑动，使得陶瓷管不会因此受到伤害。 ( 3 ) 复合缝腔割缝筛管 我们平常多使用陶瓷刀片切割出或者使用激光切割出单梯形缝的筛管或者矩形的 缝的筛管。梯形缝筛管具有极强的自洁作用，解决了矩形缝的砂堵弊端，除此之外还有 产量高，流动压力损失小，寿命比较长等优点；而矩形缝比较容易造成砂堵，降低产量， 它的缝宽内外是一致的。 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 因为单梯形缝筛管的角度很大，有尖锐的缝口，由于一些物体的挤磨，比如采出液 和微小的砂粒，会导致缝口的缝宽变大，尖角磨损，导致割缝筛管的防砂的效果降低， 减少其使用年限。 其结构设计是，从管内到管外，由角度大的梯形缝，过渡圆弧和角度小的外窄内宽 的梯形缝依次连接构成。这种类型的筛管比较接近矩形，梯形缝角度比较小，厚度大约 为2 m m 到3 m m 左右，在有小颗粒的岩石进去的时候，流出的液体会把它一块带走，最 后保持了缝的通畅无阻。 于此同时，梯形状的缝的缝口的磨损速度很慢，这是因为角度小的缘故，即使流体 和砂粒的摩擦增大，这样就有效的延长了它的使用年限，对于管壁内层是有大角度的梯 形缝来说，这种设计可以很大程度降低它的缝对流体的阻力，复合缝腔割缝筛管是采用 等离子设备加工制成的，它具有以下特点，它的缝具有耐磨耐腐蚀的作用，不容易造成 砂堵，它的精度好，可以很好的提高复合筛管的防砂效果。 ( 4 ) 高压充填防砂技术 这种防砂技术的作用原理是通过大排量的携砂液将砂体带到油气井产层套管外面 的空洞或者筛管与套管中间的环形，然后通过压实作用形成挡砂的挡板，这种防砂管是 由丝堵，安全街头，封隔器，筛管等组成。 高压充填的优点是环空充填是一次性形成的，由于形成了高渗透地带，可以减少流 体的冲刷作用和携带能力，并且由于流体得流动压力梯度小于原始地层的压力梯度，可 以对出砂起到阻碍作用，而且由于它带有一定程度的压裂作用，提高了渗透率，可以起 到解堵的作用，提高了油气井的产量。当然，这种防砂技术也有自己的缺点，比如，它 对于长井段和多油层的防砂效果并不理想，而且对作业人员的经验性要求也较高，对于 适用地层的粒径的大小也有限制，一般都是大于0 0 6 m m 的。 ( 5 ) 压裂充填式防砂的技术 这种技术主要是针对砂粒分布不均，分选不好，出砂比较严重的油气井采用的工艺 措施，它的工作原理是压裂液被压入油层，在地层中压出裂缝，随后将挑选的人工砾石 压入到裂缝当中或者地层孔穴和环形空间中，最后形成渗透率很高的通道以及砂桥。正 是因为筛管和砂桥的双重阻挡作用，达到压裂砂反吐和油层出砂的双重作用，最终同时 达到防砂和压裂的目的。 这种防砂工艺同样既有优点又有缺点，优点是它可以通过增大原油渗流的面积达到 增大产量的目的，另外它还可以通过减小生产压差，产生具有很高导流的能力的支撑地 第一章前言 带，从而减小砂体的受力，达到使地层砂体稳定的作用，同时，由于利用高浓度砂比的 砾石充填和封面的正压力提高，这种防砂工艺同时达到了防砂以及增加产量的作用；它 的缺点是成本较高，施工工艺比较复杂，施工风险大，无法进行分层压裂施工等等。 ( 6 ) 射孔防砂一体化技术 这种防砂技术是通过配套使用防砂，射孔以及检测技术而在国外迅速发展的新型工 艺技术，它通常被使用于完井过程当中，它的优点是施工成本较低，减少污染等等，但 是由于这项技术在我们国内还是新兴事物，对于它的理论方面的研究及现场试验正在逐 步开展。 这项防砂技术有两种分类，一种是射孔防砂一体化管柱技术，另一种是射孑l 防砂联 作技术，它们的原理不同，对于射孔防砂一体化技术，油水井射孔防砂一体化管柱实现 了射孔工艺和防砂工艺的有机结合，即利用一趟管柱首先实施射孔作业，再下放管柱实 施防砂施工，该技术的应用可以缩短射孔和防砂之间的施工时间，减轻地层出砂和油层 污染，减少一趟管柱；对于射孔防砂联作技术，是在大孔径射孔弹前放置一个有助推火 药及防砂材料的前仓，利用射孔弹起爆射流产生的高温高压，引燃助推火药，将防砂材 料在毫秒级范围推入射孔孔道，并形成永久固结的防砂塞，实现防砂射孔作业一次完成 1 1 9 |， 0 1 2 1 2 机械防砂型工艺技术发展的趋势 每一种技术和方法都是有特定的特点和适用性；比如，机械防砂中最常用的筛管砾 石充填防砂技术具有对油层伤害小、渗透面积大、适应性强、防砂效果好、有效期长等 优点；但砾石充填防砂施工周期长，工作量大，施工费用高，而且井内留有余物，给后 续施工带来不便1 1 引。 防砂成功与否，关键在于防砂的方法选择，对于机械防砂技术，由于它的种种优势 所在，应用非常广泛，并且随着科学技术的飞速发展，它也在不断的进步当中，现在， 机械防砂正在朝着下面的特征去发展： 新型的防砂管技术不断涌现，适用的范围不断增大，比如从直井到水平井，压裂充 填防砂和复合射孔防砂，水平井砾石充填防砂都发挥自己巨大的优势，技术越来越成熟， 适用越来越规范，还有绕丝筛管及防砂管防砂，前者多用于出砂比较严重的井以及常规 的直井等，后者多用于出砂不太严重的井以及斜井等等【2 1 。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 2 2 化学防砂工艺技术 化学防砂是指利用化学药剂把游离的砂体胶结起来，以稳定地层结构，形成人工井 壁，这种人工井壁具有一定的渗透率和一定的强度，从而达到固结流砂防止出砂的目的。 与机械防砂相比，它是从油层作为切入点，把砂体固结在；f l i l 曼# l - 部的地层中，达到了治 标治本的效果，而机械防砂主要在于防，把地层砂阻挡在井筒里，并没有从根本上杜绝 出砂现象的发生。作为一种防砂手段，化学防砂具有以下几个特点：后期作业比较简单， 不需要打捞工具，而且化学防砂不会留工具在井筒中，这种防砂工艺更适合细粉砂油层。 1 2 2 1 化学固砂剂技术现状 经过几十年的发展，从应用酚醛树脂的合成，水带干灰砂等应用开始，目前为止， 已经形成了以人工井壁防砂和树脂防砂为主要方式的几大类化学防砂方法。 ( 1 ) 树脂固砂 所谓树脂固砂，指的是将液态的树脂注入到地层中，它均匀的吸附在地层的空隙当 中，然后使用固化剂使它慢慢的固化，使得砂粒，井壁之间的接触点能够形成胶结的状 态，进而使其能够阻止地层砂的流出，目前可以被用来作为固砂剂的树脂有环氧树脂， 吠喃树脂，脲醛树脂等等。 ( 2 ) 人工井壁防砂 这种防砂工艺是指把一些能够发生胶结作用的颗粒物质充填在出砂的地层中，使得 它能够形成一个渗透性好，强度高的挡砂板。这些颗粒物包含水泥砂浆，石英砂，树脂 果壳等等。 ( 3 ) 其它化学固砂工艺 除了以上各种化学防砂工艺措施外，随着科技的发展，还有许多新型化学防砂工艺 的出现，比如原油固砂，胶乳固砂，有机物固砂等等。 1 2 2 2 化学防砂工艺措施的发展趋势 我国现在使用的化学防砂方法主要是树脂溶液防砂，树脂涂覆防砂，其中胶结剂以 树脂为主，但是我们必须看到，现有的化学防砂方法还远远难以满足实际的防砂需要， 为了解决比如固结时间短，粉砂固结，固结物不耐温等问题，我们还必须研究出更为廉 价实用的新型化学防砂技术。比如，开发高强度的树脂，改进防砂助剂，优化组合现有 的胶结剂和其它处理剂，开发比较适合复合防砂工艺的固砂剂等等。 第一章前言 1 2 3 防砂预测技术 针对油井出砂严重问题，首先是要准确地预测出出砂层位和出砂地区，然后才能采 用相应的防沙工艺措施；人们已经研究了一些定量的观测方法，如利用声波、密度曲线、 井底压降等等，我们要想准确预测到是否会出砂，必须获得一些参数及指标，比如临界 压产，临界流体流速等等，我们要知道，不管压差还有流速都是有一个极限大小的，一 旦超过了这个数值，油层就会有出砂现象的发生，同样我们也可以通过计算出这些参数 来判断出砂与否以及其它一些指标，比如出砂多少等；出砂预测的方法目前有多种，比 如现场观测、经验分析、应力分析等 1 0 , 1 1 1 。 1 2 3 1 现场观测法 ( 1 ) 观察采出的油藏岩心：用手摸和用眼看等直观的触觉和视觉方法来确定出强 度等，要是用手轻轻一碰就碎掉或者隔一小段时间自己破裂，那么就说明这块岩心的强 度比较低，是会比较容易造成出砂现象的发生的。 ( 2 ) d s t 测试：假如在d s t 测试的时候出现油气井出砂的现象，那么油气井就会 很有可能在生产初期就有出砂现象的发生。 ( 3 ) 临井状态：如果是两个挨得比较近的两口油气井，恰巧又处在同一个油气藏 里，假如一口井有出砂的情况出现，那么另一口井就会有很大的可能出砂。 ( 4 ) 岩石胶结物：岩石胶结物可以分为两种，一种比较容易溶于水，另一种不容 易溶于水，在含水增加时，对于比较容易溶于水的泥质胶结等，岩石的胶结物会溶解掉， 最后极大的减小岩石自身的强度；反之，出水对它来说并不是特别敏感。 ( 5 ) 试井法：在不同的阶段对油井进行试井测量，并且绘制出时间和渗透率的关 系曲线，通过观察渗透率来预判油井出砂与否。 ( 6 ) 综合测井法：利用生产测试资料以及测井的资料来预测是否会出砂有良好的 效果，因为测井技术有了很大的发展，提供了大量有价值的油藏信息。 1 2 3 2 经验预测法 我们根据从现场所得到的参数，岩石物性以及积累的经验是进行准确出砂预测的很 好依据，由于这类方法使用起来非常简单，有很多专家都对它进行了研究，目前我们有 几种常用的方法： ( 1 ) 地层孔隙度法：我们使用室内岩心实验以及测井资料可以得到地层的孔隙度 在纵向井段的分布，而孔隙度是一个参数，它能反映地层的致密程度。孔隙度在3 0 以 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 上时，说明这个岩层的胶结程度比较差，会发生比较严重的出砂现象；孔隙度在2 0 以 下时，地层的出砂现象并不是很明显；在两者之间时，地层会有缓慢的出砂现象发生。 ( 2 ) 声波时差法：声波时差的定义是声波的纵波在井剖面上传播速度的倒数，即： c = 冶c 式中乙岩石的纵波声波时差，l a s m ； 圪纵波传播速度，r i d s 。 声波时差存在一个最低的临界值，如果声波时差超过了这个临界值，那么油水井就 会发生出砂现象。 ( 3 ) 组合模量：所谓组合模量法，是根据密度测井资料和声速资料来预测油水井 是否会出砂，我们可以使用下面的公式来计算岩石弹性模量e c ： e c = 警 ( 1 - 2 ) 式中助岩石的组合弹性模量，m p a ； 成地层岩石的体积密度，g e m 3 ； f 。岩石的纵波声波时差，i _ t s m 。 通过在现场应用，得到大量结果并且分析之后，我们得到一些规律性的结论，当e c 2 o 1 0 4 m p a 时，正常 生产条件下，油气井没有出现出砂现象；+ 当1 5 1 0 4 e c 2 o x1 0 4m p a ，正常生产的时 候，油气井只有轻微的出砂。 ( 4 ) 地层强度法：预测出砂的时候需要适当考虑下岩石强度，至予原因，是剪切 的强度和油水井生产压差的物理单位是相同的，因此两个物理量可以通过相互比以得出 临界的生产压差。有公司得出结论，当生产压差的大小是剪切强度的1 7 倍时，岩石就 会发生破坏导致出砂现象的发生。 ( 5 ) 出砂指数法：这种方法是通过把密度测井和声波时差进行数学的计算，通过 得到岩石各个地方的强度来算出这些地方所有的出砂指数。 ( 6 ) 多参数法：它是指建立一个含水率、丌采速度、采油指数、深度等与出砂井 的判别函数，用这个函数来预测油水井是否会发生出砂现象。 7 第一章前言 ( 7 ) 双参数法：它是指把生产压差作为纵轴，声波时差作为横轴，把几口井的数 据绘制在坐标图上，这些数据会在坐标图上形成一个出砂的区域，我们把生产井的数据 也绘制在这个坐标图上，通过观察坐标点是否落在出砂区域内来判断这口井是否有出砂 现象的发生。 1 2 3 3 应力分析法 ( 1 ) 我们使用c 公式法来判断岩石的坚固强度，我们从以往的研究成果中发现， 垂直井的井壁岩石受到的切向应力就是最大的张应力，而对于斜井，最大切向应力可以 用下面的公式来表达： c _ 2 ( 弓吲+ 等( 1 0 一p z g h 一哆) s i n a + 啬( 1 0 - 6 p z g h 一只) c o s 口( 1 - 3 ) 式中c 井壁岩石的最大切向应力，m p a 5 岩石泊松比； p ，上覆岩石平均密度，k g m3 ； g 重力加速度，m s2 ； 只原始油藏压力，m p a ； 日产层中部深度，m ； 只井底流压，m p m 口井斜角，。 当口= 9 0 0 的时候，则这口井就是水平井；当口= o o 的时候，那么这口井就为直井； 当岩石抗压强度小于岩石最大的切向应力时，岩石结构就会发生破坏而有出砂现象的发 生，对于垂直井，防砂的依据是： o r 。c( 1 4 ) 式中矿产层岩石抗压强度，m p a 。 如果上面得公式成立，那么就说明在生产压差下，岩石的结构不会发生破坏，岩石 是略固的，在完井的方式上可以选择不防砂的方式，相反，如果上式不成立，那么就说 明岩石最大切向应力大于岩石抗压强度，岩石结构就会发生破坏，在完井方式上就必须 采取防砂完井。 ji ， 学l誉v 中国石油大学( 华东) - 1 程硕士学位论文 ( 2 ) 岩石井壁应力分析法：油井出砂，一是因为岩石受力太大，二是流体的拖曳 力和惯性使得地层中的砂体进入井眼最终有出砂现象。通过线弹性理论，我们分析了受 力和破坏原则来判断出地层出砂。对于油水井出砂，有的时候采用井壁岩石拉伸以及破 坏准则，但一般情况下都是采用m o h r - c o u l o m b 准则和d r u e k e r - p r a g e r 准则。 ( 3 ) 实验室实验法：我们进行岩心破坏实验，使用的岩心其外径是8 5 e r a ，长是 5 0 e m ，内径是2 5 c m ，最终测试得出岩心的破坏应力是仃，如果我们把井壁的垂直应力 看做盯，当盯，0 8 6 0 - ，的时候，地层不会发生出砂现象，否则就会有出砂现象发生； 其中这种方法把射孔的因素考虑在内，并且考虑了岩心初始的破坏应力低的现象。 ( 4 ) 出砂临界压差法：岩石受力太大就有可能会有出砂，对于这种应力的产生， 有几个来源，一是地层压降，二是构造应力，三是井底流压比较低会形成比较大的压差。 1 2 3 4 实验室的试验法 我们会在试验中模拟出地层的环境，在这种真实模拟中，我们做各种试验，研究出 出砂的原因和规律，并分析出各个影响因素对出砂的具体影响，然后根据我们所作出的 实验结论，延伸其直现场的应用，提前判断出在这样的条件下，将来出砂与否【7 1 。 1 2 3 5 理论模型预测法 我们在理论方面预测出砂的时候，通常都是要考虑破坏机理及其公式的，目前我们 考虑的机理如下 3 1 】。 一是拉伸破坏，它是因为生产压差存在引起的，而对于关井和正常生产时，破坏机 理是不一样的，一个是拉伸破坏，一个是孔壁上的生产压差【3 2 】。 二是压缩破坏，它是孔壁附近的压缩应力引起的，在有大的生产压差及压降时都会 引起压缩压力【2 9 1 。 三是滑移次生破坏，这主要是由流体引起的，因为在其流动的时候会产生拖曳的应 力，它其实也属于拉伸的一种，流体流动的速度起了很大作用【3 3 】。 对于气井预测出砂，目前研究的还比较少，有国外专家曾发明了一种方法，考虑了 生产压差以及；f l h i 曼，但预测的结果比较保守【3 0 】。 到现在为止，出砂预测可以定性认识各种参数和油藏对突发性和不稳定出砂的影 响，但是对连续的出砂现象的理论研究模型还很少。 9 第一章前言 ，1 2 4 防治砂工艺技术优选及其改进 1 2 4 1 防砂方法选择原则 第一是考虑完井方式，如果原油粘度比较高，要考虑裸眼砾石充填完井方式，反之， 如果油水气的状态不稳定，用套管射孔完井等，开始的时候也可以进行管内砾石充填。 二是完井的长度，化学防砂更多的用于比较短的井，机械防砂要求没那么多限制；三是 井筒条件和井场条件，化学防砂使用于比较小的井眼，有异常高压的地层，并且要考虑 温度，因为温度对化学防砂有影响，还有如果现场没有作业机等，机械防砂也无法实施， 四是要考虑地层的物性，对于粉细砂岩，化学防砂适用，其实化学防砂使用的粒度范围 也广，五是考虑产能的损失，我们在防砂要注意原则，就是既能达到防砂效果，又要减 少产能损失；六是考虑成本，在选择防砂方法的时候，如果能达到防砂效果，尽量降低 防砂的成本。 通过上面六个原则，我们可以由表1 1 来综合具体考虑用什么防砂方式。 1 3 本文研究的主要内容 论文利用中原油田的现场资料以及实验设备，研究了中原油田文中老三块的出砂原 因，出砂现状，出砂规律，最后提出了出砂的治理方法，并提供了现场防砂的效果。 ( 1 ) 总结了文中老三块油水井出砂井的具体情况，从出砂井样井中提取砂样，并 对出砂的具体分布等做了总结分析，判断出出砂层位和井段，分析出了出砂的时机； ( 2 ) 通过砂样筛析总结出出砂类型，算出出砂量，并对其出砂粒径进行了分级， 然后对储层粘土矿物进行了分析，做了储层敏感性分析，分析了出砂规律： ( 3 ) 做了岩心膨胀分散实验，出砂模拟实验，无水驱替出砂实验，不同含水驱替 实验等，最后分析了出砂原因，并针对出砂原因提出了出砂治理措施，然后通过样井做 了出砂治理评价。 1 0 中国石油大学( 华东) q - 程硕士学位论文 1 4 技术路线 熟悉实 验设备 b s j 2 0 0 型拍击式标准振筛机，岩心流动实 验仪，烘箱，恒温箱等油田实验装置 采集实 出砂量与驱替压著关系数据，岩心膨 验数据 胀率，矿物成分等 处理实 得出有关出砂的组图及结果 l 验数据 啬 第一章前言 表1 - 1 几种类型防砂方法的对比 t a b l e l - 1t h ec o m p a r i s o no fm a i ns a n dc o n t r o lm e t h o d s 分 防砂方法优点缺点备注 类 1 成功率高达9 0 以上； 1 井内留有防砂管柱，后期处理 绕丝筛管 2 有效期长；可按工艺条件 砾石充填 3 适应性强，应用最普遍； 复杂，费用高； 机 4 裸眼充填产能为射孔 2 不适用于粉细砂岩； 和充填方式再 3 管内充填产能损失大 细分 械 完井的1 2 1 3 倍 防 1 施工方便，成本低 1 不适用于粉细砂岩； 按材料不同形 滤砂管2 滤砂管易堵塞使产能下降 砂2 适合多油层完井，粗砂地层成多种滤砂管 3 滤砂管受冲蚀，寿命短 1 成本低，施工方便； 割缝衬管2 适用于出砂不严重的中、粗砂 1 不宜用于粉细砂岩； 岩，水平井常用 2 砂桥易堵塞，影响产能 1 井内无留物，易进行后期补救1 渗透率下降，成本高； 树脂液，树脂砂 胶固地层 作业； 2 不宜于多层长井段和严重出 浆，溶液地下合 化 2 对地层砂粒度适应范围广； 砂井； 3 施：工简便3 。化学剂有毒，易造成污染 成，化学固砂剂 学 防 1 化学剂用量比胶蚓地层少，成 预涂层砾石，树 砂 本可_ 卜降2 0 3 0 ； 1 不宜用丁多油层，长井段；脂砂浆，水泥砂 人工井壁2 井内无留物，补救作业方便； 2 不能用于裸眼井浆，水带灰砂， 3 可用丁严重出砂的老井： 乳化水泥 4 成功率高达8 5 以上 砂1 施- j ：简便，费用较低；1 不宜用l 丁粉细砂岩及疏松砂 拱 套管外2 可用于多层完井施工；地层 防封隔器3 产能损失小，后期补救处理较2 砂拱稳定性不好 砂容易 3 控制流速影响产量 压裂防砂 1 既防砂，又获高产； 高压充填 2 消除油层伤害； 1 不宜用于多油层和粉细砂岩 其 3 有效期长 2 后期处理难 他 1 不宜川丁多油层和k 井段作 原油焦1 特别适用于超稠油疏松砂岩： 业： 化l 州砂 2 井内无留物 2 施i ：复杂，难度大，费川高 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 第二章防砂相关基础研究进展 2 1 出砂原因分析 地层出砂没有明显的深度界限，它与地层应力和地层强度有关，地层应力大小大于 地层强度的时候就可能会出砂。至于地层强度，它的大小与很多因素有关，比如地层颗 粒间的摩擦，地层胶结物的胶结强度，地层流体的粘着力等等。而地层应力的大小也包 括很多因素，比如上覆地层压力，地层构造应力等等。因此，地层出砂是一个由多种因 素影响的现象。但是，总体来讲，我们可以将出砂原因分为先天的和开发过程中两类。 2 1 1 先天性出砂原因 先天性出砂原因说的是地层先天的地质条件，比如地层胶结物数量多少，胶结物类 型等等，另外还有地层形成的地质年代等。这些因素共同构成了先天性的出砂原因。 其中，沉积环境是油井出砂的主要影响因素。一般情况下，胶结物种类和数量越多， 分布的越均匀，地质年代越早，地层岩石的胶结强度就会越大，相反的，胶结强度就越 小。 2 1 2 开发因素出砂 在开采过程中，开采速度变化，开采技术采用不合理，修井次数过多，修井质量低 下，酸化设计不合理，管理不科学等等，这些失误都应当尽量避免。 然而随着油气开发时间的延长，地层压力降低，储层岩石颗粒的受力程度加大，使 得砂粒问彼此的作用力平衡被打破，胶结状态被破坏，造成了出砂。 除此之外，在对地层注水过程中，由于