油氣井防砂技術分析

摘 要：地層出砂是油層開采過程中常見的問題，不僅會導致油井減產或停產以及地面和井下設備的腐蝕，而且使套管損壞、油井報廢，既影響油井產能，又影響油田最終采收率。因此，防砂工作是保證油田長期有效開發的關鍵。因此，深入研究國內外各種防砂技術，對于解決油藏開發中出現的各類出砂問題，實現油藏老區塊及新區塊高效開發都具有重要意義。

關鍵詞：壓裂防砂 端部脫砂 纖維復合防砂 射孔防砂 化學防砂

油井出砂是石油開采遇到的重要問題之一，尤其在疏松砂巖油藏中，一些注水開發的砂巖油氣藏在開發初期油氣井并不出砂，但隨著含水上升油氣井開始出砂，并越來越嚴重，制約著油氣井的正常生產。油藏出砂的危害主要表現在以下幾個方面：（1）減產或停止作業；（2）磨蝕地面和井下設備；（3）套管損壞、油井報廢；（4）生產時間的損失；（5）油氣井的經濟和技術損失。

傳統的防砂工藝包括機械防砂、化學防砂、焦化防砂，能夠有效地阻止油層中砂巖固體顆粒隨流體進入井筒，但這些防砂工藝大多是以犧牲部分產能為代價。隨著國內外壓裂和防砂技術的不斷發展，逐步形成了一種新的技術體系—壓裂防砂，可以達到防砂和增產的雙重目的，該技術主要包括高壓充填防砂，壓裂充填防砂，端部脫砂壓裂防砂和纖維復合防砂技術等[1-2]。

1.壓裂充填防砂技術

壓裂充填防砂技術是針對中高滲透油藏開發中因地層出砂導致油井減產或停產而研究的一種新型措施，具有防砂和增產的雙重作用，其實質就是采用端部脫砂技術使攜砂液在裂縫端部脫砂，然后膨脹與充填裂縫，形成短而寬的高導流能力滲流通道。具體過程為：（1）射孔、下入井下篩管系統；（2）在高于地層破裂壓力的施工壓力下向地層中泵入前置液，起裂地層；（3）泵入前置液，使裂縫在產層中延伸；（4）泵入低砂比攜砂液裂縫端部脫砂；（5）泵入砂比逐漸升高的攜砂液，使裂縫開始膨脹，支撐劑從縫端到縫口逐漸充填裂縫；（6）采用常規礫石充填方法充填篩管和套管之間的環空。

1.1 端部脫砂壓裂充填防砂機理

壓裂充填防砂技術整個過程可分為端部脫砂和裂縫充填膨脹兩個階段：攜砂液在裂縫端部脫砂前稱為端部脫砂階段，簡稱TSO；裂縫膨脹充填及篩套環空充填稱為裂縫膨脹與充填階段，簡稱FIP，技術關鍵在于端部脫砂階段。端部脫砂壓裂技術的機理表現為：縫長延伸到所設計長度時，前置液完全濾失于地層，后續不同密度的攜砂液到達此地后，由于液體的迅速濾失，發生砂堵，繼續泵入高砂比攜砂液，由于縫端被堵、迫使裂縫加寬、膨脹，壓實充填，而縫長和縫高不再增長，形成高導流能力的支撐帶[3-4]。

1.2 壓裂充填防砂原理

壓裂充填的防砂作用除了常規管內井下礫石充填所具有的擋砂作用外，還在于裂縫的防砂作用。

（1）篩管系統的防砂作用

繞絲篩管以及充填于射孔炮眼和篩套環空的礫石構成多級濾砂屏障，達到擋砂的目的；礫石將流體攜帶的砂粒阻擋于礫石層之外，形成一個由粗到細的砂拱，有良好的流通能力。

（2）水力裂縫可以避免和緩解地層巖石的破壞

具有高導流能力的水力裂縫將地層流體的流態由原來的徑向流動變成雙線性流，在一定程度上降低了生產壓差并大幅度降低了流體壓力梯度，從而緩解或避免了巖石骨架的破壞，也就緩解了出砂趨勢和降低了出砂程度[5]。

（3）裂縫可以降低流動沖刷攜帶砂粒的能力

裂縫產生的雙線性流動模式及裂縫面積可以發揮良好的分流作用，使壓后流速大幅度降低，從而降低對地層微粒的沖刷和攜帶作用，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

2.纖維復合防砂技術

傳統的防砂技術，為了保證防砂效果通常與礫石充填篩管配合使用，這樣就增加了流體流入井筒的附加阻力，影響了防砂后的油氣井產能，降低了經濟效益。針對粉細砂巖油藏、注聚區等的防砂問題，提出了“纖維復合無篩管防砂技術”，該技術因其具有增產及防砂的雙重效果，對粉細砂巖油藏的長期高效開發具有重要意義。

2.1 纖維復合防砂機理

纖維復合防砂技術是采用兩種可分別起“穩砂”和“擋砂”作用的特種纖維。

（1）“軟纖維”的穩砂作用

“軟纖維”是一種帶支鏈的長鏈陽離子聚合物，在水溶液中靠支鏈帶有的陽離子基團的電性作用而展開。當進入儲層后，因細粉砂表面帶負電，“軟纖維”的帶正電支鏈吸附其上，將分散的粉砂粒橋接起來，使之成為結合體，從而增大細粉砂的臨界流速，起到一定的穩砂固砂和防細粉砂的功效。

（2）“硬纖維”的擋砂作用

經過選擇和特殊處理的特制無機“硬纖維”，利用它的彎曲、卷曲和螺旋交叉，相互勾結形成穩定的三維網狀結構，可將砂粒束縛于其中，形成較為穩定的過濾體，同時具有相當的滲透率，從而達到防砂的目的。因其不用篩管，可起到與防砂篩管同樣的防砂目的，故又稱為無篩管防砂技術[8]。

2.2 纖維復合增產機理

纖維復合防砂工藝技術系統中使用端部脫砂壓裂技術，將儲層壓開縫，用纖維和支撐劑混合物充填其中，并實現端部脫砂，形成短寬的高導流能力縫帶。端部脫砂壓開的短縫遠大于油井污染損害半徑，穿透其污染損害帶，解除儲層原有的損害，消除近井地帶污阻壓降，改善其滲流條件。

3.射孔防砂一體化技術

射孔防砂一體化技術是射孔、防砂和監測技術集成配套而形成的一種實用化的技術，該技術在國外發展很快，在國內目前正處于起步階段，技術理論研究和小規模應用試驗正在開展。

射孔防砂一體化技術兩種基本形式，其原理分述如下：⑴射孔防砂一體化管柱：油水井射孔防砂一體化管柱實現了射孔工藝和防砂工藝的有機結合，利用一趟管柱首先實施射孔作業，再下放管柱實施防砂施工。該技術的應用可以縮短射孔和防砂之間的施工時間，減輕地層出砂和油層污染，減少一趟管柱。⑵射孔防砂聯作技術：射孔防砂聯作技術是在大孔徑射孔彈前放置一個有助推火藥及防砂材料的前倉，利用射孔彈起爆射流產生的高溫高壓，引燃助推火藥，將防砂材料在毫秒級范圍推入射孔孔道，并形成永久固結的防砂塞，實現防砂射孔作業一次完成[9]。

4.化學防砂方法

化學防砂方法即：向井眼周圍疏松的地層擠入一定數量的化學劑，以膠固地層砂，或擠入一定數量攜帶有固體顆粒（支撐劑）的化學劑（膠結劑）在井底附近固結，形成具有一定強度和滲透能力的人工井壁，以減輕油井出砂的防砂技術[2]。化學防砂最大的優點是井筒內部不留下任何機械裝備，施工工藝簡單，只需要泵入化學劑或帶有支撐劑的化學劑即可。這種方法對細粉砂防砂較為有效，對未嚴重出砂的地層和低含水油的施工成功率較高。化學固砂法最適合于相對不含粘土和微粒礦物成分的，通常厚度小于5m且滲透率均勻的出砂層段[2]。國外較新型的化學防砂技術共有三種：（1）烷基聚硅酸酯固砂；（2）混纖維砂漿充填防砂；（3）復合砂防砂工藝[10]。

5.總結

（1）壓裂充填防砂技術可有效地防止地層出砂，并且在一定程度上提高近井滲透率，改善油井的供液能力，具有防砂和增產的雙重作用。

（2）纖維復合防砂無須下入篩管， 不會對滲透率造成傷害， 防砂成本低， 對于粘土含量高的油藏防砂增產效果更為突出。對地層條件適應性強，尤其適用于套變井、氣井、粉細砂巖油藏。

（3）射孔防砂一體化技術是國內防砂技術的發展趨勢。

（4）化學防砂在井筒內部不留下任何機械裝備，施工工藝簡單，對細粉砂防砂較為有效。

參考文獻：

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