油井出砂预测及防砂设计宋仁喜

1、 北京雅丹科技开发有限公司北京雅丹科技开发有限公司北京雅丹石油技术开发有限公司北京雅丹石油技术开发有限公司http:/油井出砂预测及防砂设计油井出砂预测及防砂设计指导：高 档演讲：宋仁喜时间：9/7/2012雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油阿塞拜疆阿塞拜疆墨西哥湾墨西哥湾英国北海英国北海委内瑞拉委内瑞拉尼日利亚尼日利亚罗马尼亚罗马尼亚洛杉矶盘洛杉矶盘地地挪威油区挪威油区加拿大加拿大阿尔伯达阿尔伯达巴西油区巴西油区印度尼西亚印度尼西亚中国胜利、辽河、中国胜利、辽河、大港、渤海湾等大港、渤海湾等雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油油水井出砂危害油水井出砂危害 2主要防砂工艺技术主要防砂工艺技术4导

2、致油水井的出砂因素分析导致油水井的出砂因素分析3 1油水井出砂预测方法油水井出砂预测方法3 3防砂工艺设计理论防砂工艺设计理论3 5v第一部分第一部分 导致油水井的出砂因素分析导致油水井的出砂因素分析雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油 油水井生产过程中产出的砂是地层岩石的一部分颗粒，对于疏松砂岩油气藏，在原始状态下，大部分的岩石颗粒被胶结物固结在一起，而部分砂粒则自由离散在多孔介质的空隙中形成游离砂。 在生产过程中流体的流速高且岩石基质的胶接强度较差时流体的“拖曳”作用会使原来固结状态差的颗粒剥落下来形成游离砂。一、产出砂的来源雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油 二、地层出砂机理1、拉伸破坏机

3、理 随内外压差增大，流体流向井内的流速也增大，对岩石的拖曳力增大，岩石承受拉伸力也增大，当该力超过岩石抗拉伸强度时，岩石就会遭受拉伸破坏。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油2、剪切破坏 上覆岩层压力由孔隙压力与骨架应力共同平衡。随开采进行，油藏压力逐渐降低，施加在岩石骨架上的压力越来越大，当该力超过岩石的抗剪切应力，岩石就会被剪切破坏。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油3、粘结破坏 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、微粒运移 出砂过程中，砂粒的运移会导致井底周围地层的渗透率下降，增

4、大地层的拖曳力可能诱发固相颗粒的产出。5、化学作用 流体流动过程中，各区域的酸碱度不同可能会导致流体的不配伍，化学反应可能会对胶结物产生溶蚀作用，从而破坏岩石强度。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油三、出砂地层类型及其出砂特征地层类型地层类型地层特征地层特征出砂特征出砂特征流砂流砂地层地层流砂地层仅靠很小流砂地层仅靠很小的流体附着力和周的流体附着力和周围环境圈闭的压实围环境圈闭的压实力来聚集力来聚集这种地层一旦开井投产便连续不断出砂，但产出这种地层一旦开井投产便连续不断出砂，但产出液含砂量相对稳定，基本是一常数。虽然累计出液含砂量相对稳定，基本是一常数。虽然累计出砂量不断增大，但套管周围不会出

5、现地层空穴，砂量不断增大，但套管周围不会出现地层空穴，只是地层越来越松。只是地层越来越松。部分胶部分胶结地层结地层含胶结物量少，胶含胶结物量少，胶结力弱，地层强度结力弱，地层强度低低投产后地层砂会在炮眼附近剥落，逐渐发展成空投产后地层砂会在炮眼附近剥落，逐渐发展成空穴，剥落的地层砂进入井筒极易添满井底，堵塞穴，剥落的地层砂进入井筒极易添满井底，堵塞炮管。其产出液含砂量变化很大。炮管。其产出液含砂量变化很大。脆性砂脆性砂地层地层较多胶结物，胶结较多胶结物，胶结力较强，中等胶结力较强，中等胶结强度砂岩强度砂岩开始投产时出砂几天或几周，随后出砂量大减，开始投产时出砂几天或几周，随后出砂量大减，几乎无

6、砂产出，一段时间后重新出砂。周而复始几乎无砂产出，一段时间后重新出砂。周而复始雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油 四、影响出砂具体因素分析1、地质因素构造应力颗粒胶结类型流体性质渗透率2、开采因素地层压力流体速度含水率或注水地层伤害固井质量油井工作制度3、完井因素射孔孔道的充填物射孔参数雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油v第二部分第二部分 油水井出砂的危害油水井出砂的危害雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油油层出砂危害极大，主要表现在以下几方面：砂埋油层或井筒砂堵造成油水井不能正常生产或停产；出砂导致井下和地面设备冲砂检泵、地面清罐磨损加剧、砂卡；出砂导致井筒冲砂和地面设备清砂工作量增加，生产成

7、本增加；出砂还可能造成油层部位亏空、井壁坍塌、套变加剧乃至使油水井报废等；影响油井生产产量。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油v第三部分第三部分 油水井出砂预测方法油水井出砂预测方法雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油一、定性经验出砂预测1、声波时差法 利用测试声波在地层中的传播时差来预测地层出砂情况一般采用纵波时差来预测出砂程度。2、组合模量法 根据声波测井和密度测井资料，计算岩石的弹性组合模量，进而进行出砂可能性预测的方法。312s/ m 345s/ m 不出砂可能出砂极易出砂2v81094. 9tErcEc值越小，地层出砂的可能性越差。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油3、出砂指数法 根据

8、地层岩石的出砂指数判断地层出砂程度的方法。4、斯伦贝谢比法 计算岩石的斯伦贝谢比并依此判断地层出砂可能性。5、地层孔隙度法 反映的是地层的致密程度，利用测井和岩心室内试验求的孔隙度在井段纵向上的分布。20%30%不出砂可能出砂极易出砂4222)()1 (6)1)(21 (VBstCEERGKB342vtBr)21 (3EK雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油6、岩心观察法 用肉眼观察、手触摸等方法判断岩心强度，若一触即碎，或停放数日自行破裂，或可在岩心上用指甲刻痕，则该岩心疏松、强度低，生产过程中易出砂。7、DST测试法 若在DST测试期间油气井出砂，甚至严重出砂，则油气井生产初期就可能出砂。有

9、时DST测试未见出砂，但仔细检验井下钻具 和工具，发现在接箍台阶处富有砂粒，或DST测试后，下探砂面，发现砂面上升，该井易出砂。8、厚壁圆柱筒（TWC）试验法 采用岩心进行破坏试验，测得岩心的破坏应力。据此根据井筒周围地层的实际能力判断是否出砂。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油二、出砂临界生产压差预测 根据近井地带弹性分布特征，垂向、切向和径向应力中的最大应力1（一般为切向应力）和最小应力3（一般为径向应力）差值在井壁上达到最大，根据莫尔-库仑破坏准则，差值越大，岩石越趋于破坏，故岩石破坏造成出砂往往从井壁上开始。计算特征位置r=rx处井壁引力分布求解得到特征位置r=rx处应力分布情况根据选

10、取的破坏准则计算临界生产压差塑性应变Durcker-PragerHoek-Brown雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油产层岩石坚固程度判别指数“C”公式法 根据熊友明的研究成果,垂直井井壁岩石所受的切向应力是最大张应力。对于任意角度的定向井，最大切向应力由下式表达： 根据岩石破坏理论，当岩石的最大切向应力大于其抗压强度时，将会引起岩石结构的破坏而出骨架砂。因此，防砂的判据为： 上式取等号可求得油井出砂的临界井底流压，进而转化得到出砂临界生产压差。cos)10(12sin)10(143)( 266ffffwfPgHPgHPPCCc雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油三、出砂半径和出砂速度预测出砂半

11、径预测 出砂总是从井壁岩石的破坏开始逐步向井筒远处延深，直到不满足岩石破坏条件为止，这个范围为塑性破坏区域（即出砂区）所谓出砂半径就是指在一定的生产条件下近井地带塑性出砂区的半径。出砂半径预测就是根据油气井的实际生产条件预测出砂情况，主要包括地应力分布预测和出砂半径的计算。 计算方法：根据选取的弹、塑性区应力分布计算模型计算应力分布，以弹、塑性边界径向应力相等作为连续条件，采用数值计算或试算法求解出砂半径。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油出砂速度预测 出砂速度表征油气井出砂快慢或严重程度的大小，常用日出砂量、流体含砂浓度（率）等指标来衡量。出砂速度指根据生产条件、地层岩石及流体物性预测油气井

12、含砂浓度和出砂速度。以此来确定合理的开采和防砂方案。根据液固多相渗流条件，应用莫尔-库仑破坏准则和达西定律，得到疏松砂岩油藏不同产液量下油井出砂量预测的数学模型。wewfcwffwenwcsrrppkhqrrrrnqln-2-ln1-1-11-1雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油v第四部分第四部分 主要防砂工艺及技术主要防砂工艺及技术雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油 油气田现场使用的防砂工艺技术多达几十种，但基本的防砂原理分为两种：一是通过井底挡砂的手段将产出砂阻挡在地层或井底，阻止地层砂随流体进入生产管柱；二是通过化学或者机械化学复合手段改善近井地带的地层胶结条件，提高固结强度，从而避免生

13、产中出砂。一、基本防砂原理雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油1、机械防砂仅下入机械管柱筛管砾石充填2、化学防砂化学剂化学固结人工井壁焦化防砂3、复合防砂机械-化学复合方法高渗压裂充填纤维复合无筛管 另外，有些油田还采用降低流速和增大油层径向应力的物理方法防砂。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油二、机械防砂1、机械滤砂管（筛管）防砂 将经过特殊工艺制成的具有滤砂功能的滤砂管（筛管）用管柱或和辅助工具直接悬挂在井内出砂层位的防砂工艺。不仅可以阻止直径大于滤砂器缝隙宽度（或孔隙网孔直径）的地层砂，而且可利用“桥架”作用阻止小于滤砂器缝隙宽度的部分地层砂流入井筒。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油常见

14、的机械滤砂管（筛管）全焊接不锈钢绕丝筛管割缝衬管双层预充填砾石绕丝筛管金属棉滤砂管雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油常见的机械滤砂管（筛管） 金属毡滤砂管 陶瓷滤砂管树脂石英砂滤砂管雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油2、机械筛管砾石充填防砂1-1-油管；油管；2-2-水泥环；水泥环；3-3-套管；套管；4-4-封隔器；封隔器；5-5-衬管；衬管；6-6-砾石；砾石；7-7-射孔孔眼射孔孔眼 常用的砾石充填方式有两种，即用于裸眼完井的先期裸眼绕丝筛管砾石充填左图和用于射孔完井的套管内筛管砾石充填右图 。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油三、化学防砂1、化学剂固砂 包括酚醛树脂胶结砂层和酚醛溶液地

15、下合成防砂两种工艺，适用于早期防砂，后者也用于油气井先期防砂。此类固砂的特点：1）适用于出砂不太严重的薄层2）化学剂对温度要求高3）化学剂固结区域地层渗透率明显下降，影响严重4）有效期短，受高含水影响较大化学剂固砂意图雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油2、化学胶结人工井壁人工井壁人工井壁类型类型工艺特点工艺特点树脂涂敷砂人工井壁该方法适用于地层亏空严重、吸收能力较大、温度较该方法适用于地层亏空严重、吸收能力较大、温度较高的油气层防砂。施工简单，成功率高，胶结后砾石高的油气层防砂。施工简单，成功率高，胶结后砾石的抗折强度可达的抗折强度可达5MPa左右，渗透率保持在原始值的左右，渗透率保持在原始值

16、的90%以上。以上。水泥砂浆人工井壁原材料来源广泛施工简单，但用油量较大，胶结后砾原材料来源广泛施工简单，但用油量较大，胶结后砾石强度小于石强度小于1MPa，有效期短，常用于后期防砂。，有效期短，常用于后期防砂。树脂核桃壳人工井壁适用于早期防砂，胶结后人工井壁渗透率较高，强度适用于早期防砂，胶结后人工井壁渗透率较高，强度较大，具有良好的防砂效果，但材料来源较困难。较大，具有良好的防砂效果，但材料来源较困难。树脂砂浆人工井壁常见于后期防砂，适用于吸收能力较高的油、水层，常见于后期防砂，适用于吸收能力较高的油、水层，其适应性较强，不受井深限制。其适应性较强，不受井深限制。雅丹科技雅丹科技雅丹科技

17、服务石油三、复合防砂 复合防砂利用机械防砂和化学防砂的优点相互补充，一方面能在近井地带形成一个渗透性较好的人工井壁，另一方面利用机械防砂管柱形成二次挡砂屏障，起到很好的防砂效果。机械-化学复合方法高渗压裂充填纤维复合无筛管雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油1、机械-化学复合方法绕丝筛管+涂层砾石（涂敷砂）复合防砂示意图 首先进行管外涂敷砂挤压充填，固结后钻塞，然后下入绕丝筛管。 化学剂固砂+双层预充填绕丝筛管复合防砂示意图，地层用化学剂固结后再下入双层预充填绕丝筛管。 雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油2、高渗压裂充填防砂 核心技术为端部脱砂，即指在前置液造缝并使缝长达到设计要求后，使用大排量

18、低砂比泵注，使得支撑剂不会在裂缝底部沉积而被携带到裂缝前端后脱砂沉积，裂缝长度方向的延伸减缓或停止，裂缝主要在宽度方向上增长，形成宽而短的填砂裂缝。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油高导流裂缝降低生产压差增大渗流面积减少地层砂受力降低近井压力梯度降低表皮系数提高单井产能裂缝闭合应力地层砂排列稳固防止地层出砂压裂后，地层流体形成双线性流模式裂缝可以避免和减缓岩石的破坏裂缝可以降低流动冲刷携带砂粒的能力裂缝内充填的砾石对地层砂粒有阻挡作用技术原理：双线性流模式图雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油3、纤维复合无筛管防砂工艺 该技术在充填的砾石中掺入一定量纤维，利用纤维物理化学作用将裂缝中的砾石颗粒固

19、结在一起，达到生产过程中，防止裂缝返吐砂的目的。 井筒中可避免使用机械筛管阻挡砾石层，便于后期井下作业。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油四、国内外技术新进展1、可膨胀防砂筛管技术 可膨胀中心管可膨胀中心管重叠式过滤层重叠式过滤层可膨胀保护外管可膨胀保护外管雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油膨胀管串防砂管串盲 堵底部接头悬挂封隔器顶部接头膨胀筛管钻杆扶正器液压膨胀工具机械膨胀工具雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油技术优势1、膨胀前刚体外径小，井身结构适应性强4、流通面积大，井眼附加压降小，可提高作 业油井生产能力3、膨胀后与井壁直接接触，增强井壁稳定性5、与砾石充填相比，施工简单，成本低2、膨

20、胀后内径大（仅缩小25.4mm），提高 井径利用率雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油2、水平井裸眼充填技术 井底循环压力保持技术：防止压开地层及流体漏失；裸眼水平井段根部到指部筛管/裸眼全环空循环洗井功能；滤饼清除技术；充填效率保持措施：BJ阻流器、Schlumberger分流筛管;充填工具置于套管段。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油管柱结构充填总成安全装置分流筛管雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油技术优势1、在筛管/裸眼环空形成高渗透挡砂屏障有利于减缓或避免筛管堵塞，对稠油、粉细砂岩油藏防砂 优势明显防砂有效期长，充分发挥水平井增产优势，延长油井寿命有利于流体均匀流入筛管内部，延缓底水锥进

21、3、简化完井管柱结构,提高完井速度,节约完井成本2、提高油井完善程度，降低近井表皮系数，增大井筒流通面积，最大程度的水平井增产优势 但从现场应用成功率来看，由于水平井裸眼充填实施难度较大，总体上一次成功率还不到50%，主要原因是由于井壁不稳定使得管柱下不到位、建立不起循环以及过早形成砂桥等。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油 分层挤压充填技术以一次可以完成多油层分层防砂的技术优势，较好的解决了非均质油藏井段长、夹层大、多油层的防砂难题，施工工序简单、作业成本低。因此成为世界各大石油公司开发攻关的新技术。3、分层挤压充填技术雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油QUANTUM充填工具总成安全接头分流

22、筛管MZ封隔器分流筛管桥 塞下入管柱充 填洗 井投产管柱结构雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油技术特点一趟管柱完成多层防砂施工可以实现上部油层的压裂充填及下部油层的砾石充填分流筛管的应用使得整个管柱和施工工序更为简单可靠虽然在管柱设计中增加了安全接头，但分流筛管大的外 径和MZ皮碗式层间封隔器，后处理困难雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油4、射孔防砂一体化技术一趟管柱可以完成射孔、防砂、监测所有工序，简化施工工序，缩短施工周期， 节约施工费用，减小了地层结构破坏，降低了完井液损失，增加了储层产率水力驱动油管运输射孔体系：使射孔精确、快速、高效实时射孔测试系统：可迅速清理射孔以及井眼破坏形成的碎

23、片雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油管柱结构射 孔测试装置防 砂管柱总成射 孔管柱总成防砂封隔器防砂滤砂管射孔封隔器射孔枪雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油下入集成管柱坐封射孔封隔器射孔解封射孔封隔器，下放管柱至防砂设计位置坐封封隔器砾石充填防砂施工起出丢手管柱射孔测试装置防砂管柱总成射孔管柱总成雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油技术优势1、将射孔技术与防砂工艺有效集成提高了完井速度，缩短了施工周期，降低了作业成本；缩短完井液与油层的接触时间，减小漏失，有利于油层保护2、将射孔、防砂与监测技术集成配套，提高了油井完善程度与油井产率雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油v第五部分第五部分 防砂工艺设

24、计理论防砂工艺设计理论雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油防砂工艺参数设计的基本原则：1、有效地防止地层出砂2、获得尽可能高的防砂产能比3、能够顺利施工雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油一、地层砂特性分析 地层砂特性分析是所有防砂工艺参数设计的基础和依据。其任务是分析各粒径地层砂的分布特征，通常使用半对数累重筛析曲线。 地层砂筛析曲线以及基于该筛析曲线的地层砂特性参数（d10、d25、d40、d50、d75、d84.1、d90、均匀系数、分选系数、偏差系数）是进行防砂工艺参数选择砾石尺寸和机械筛管挡砂精度所必须的基础参数依据。 筛析法：即得到粒径与累积重量百分数的关系曲线为一条S形曲线，即筛析曲

25、线。它基本反映地层砂的特性，可以作为选择充填砾石尺寸的依据。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油二、砾石尺寸选择 砾石尺寸设计是砾石充填、人工井壁类防砂工艺参数设计的核心内容和步骤。砾石充填层为挡砂屏障和油气入井通道，砾石尺寸主要影响生产动态和防砂效果。需要考虑地层砂特性、渗透率对产能的影响、地层细砂的侵入特性以及强度等诸多因素。 砾石尺寸设计方法有多达十几种，每种方法具有不同的适用性。这些方法分为两大类：简单模型和基于筛析曲线的设计方法。前者一般仅根据地层砂某一特征值即可完成设计；后者则基于地层砂特性曲线，充分使用了尽可能多的地层砂信息，属于比较科学的设计方法。了尽可能多的地层砂信息，属于比较

26、科学的设计方法。雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油1）Tausch和Corley方法 Tausch和Corley方法是建立在半对数筛析曲线的基础上，它建议最小砾石直径应等于4，最大砾石直径应等于6，即10min4dDg10max6dDg2）Saucier方法 Saucier方法是目前普遍使用的砾石尺寸选择方法，它建立在完全挡砂机理之上。即选用工业砾石的粒度中值为防砂井地层粒度中值的56倍，此时砾石充填带的有效渗透率/地层渗透率最大。砾石尺寸过大会造成砂侵，引起砾石层渗透率严重下降，一般在最佳范围内使用较小值。 5050)65(dD雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油3）Depriester方法D

27、epriester方法可以有效地防止地层砂侵入砾石充填层。先在半对数筛析曲线求出的 的点A，然后求出 的点B，最后通过A、B两点画出充填砾石的分布曲线，得到 ，过A、B两点得到的直线范围便为充填砾石的尺寸范围。 50508dD909012dD3/9010DD雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油 4）Schwartz方法 Schwartz方法考虑地层砂的均匀程度和流体通过筛逢的流速来确定充填砾石的尺寸。它将半对数地层砂累积重量百分数曲线上砾石直径/砂粒径为6作为砾砂的临界比值，根据不同的均匀系数和缝眼流速采用不同的准则选择砾石尺寸。 雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油三、机械筛管缝宽（挡砂精度）设

28、计 通常使用的机械筛管主要有绕丝筛管、割缝衬管和金属棉滤砂管。1.绕丝筛管缝宽（挡砂精度）设计 绕丝筛管缝隙的宽度应能够阻挡100%的砾石，通常选择绕丝筛管的缝隙尺寸略低于充填砾石的最小尺寸，常取最小砾石尺寸的1/22/3，推荐采用2/3计算。2.对于割缝衬管,缝宽确定式为3.对于金属棉滤砂管,缝宽确定式为min32gsDW3)(C 5)C(3 5)(C 2s10s1510s10sdWddWdWssmin)2131(gsDw 雅丹科技雅丹科技雅丹科技 服务石油1.管内理论砾石充填量 管内理论砾石容量包括三部分：盲管段环空容积、筛管（包括生产筛管和信号筛管）段环空容积与口袋容积之和。如果井底打桥塞，口袋长度应算到桥塞深度。2.管内设计充填量 设计管内充填量为在理论充填量的基础上增加20%50%。四