5．3．4．1 出砂对油气层的损害分析
油井出砂是砂岩油层开采过程中常见的问题。当油层是胶结疏松的砂岩时，松散的砂粒有可能随同油气流一起流入井筒。如果油气的速度不足以将砂粒带至地面，砂粒就逐渐在井筒内聚集，砂面上升直至掩盖射孔层段，阻碍油流甚至使油井停产。出砂严重时，也有可能引起井底坍塌毁坏套管（图5－16）。
图5－16 油层出砂、套管毁坏示意图
油层出油后，随着地层内部流体的流出，油层孔隙压力逐步降低，上覆地层压力逐渐传递到承载骨架砂上，有可能破坏骨架砂粒间的胶结，造成油井出砂，最终引起上覆地层下沉，致使套管变形和毁坏。
此外，油井出砂会增加井下设备磨损，如抽油泵的进出口凡尔、活塞、衬套等。以及地面设备的磨损，如油嘴、弯头、闸门、地面管汇等。因而需要经常更换井下及地面设备，增加生产成本。
5．3．4．2 油层出砂机理
油层出砂是由于井底地带岩石结构被破坏所引起的。它与岩石的胶结强度、应力状态和开采条件有关。岩石的胶结强度主要取决于胶结物的种类、数量和胶结方式。砂岩的胶结物主要是黏土、碳酸盐和硅质三类，以硅质胶结物的强度最大，碳酸盐次之，黏土最差。对于同一类型的胶结物，其数量越多，胶结强度越大。胶结方式不同，岩石的胶结强度也不同。
砂岩的胶结方式可分为三种（图5－17）：①基底胶结。当胶结物的数量大于岩石颗粒数量时，颗粒被完全浸没在胶结物中，彼此互不接触或很少接触。这种砂岩的胶结强度最大，但孔隙度和渗透率均很低。②接触胶结。胶结物数量不多，仅存在于颗粒接触的地方。这种砂岩的胶结强度最低。③孔隙胶结。胶结物数量介于上述两种胶结类型之间。胶结物不仅在颗粒接触处，还充填于部分孔隙之中。其胶结强度也介于上述两种方式之间。
图5－17 砂岩的胶结方式
（a）基底胶结；（b）接触胶结；（c）孔隙胶结
易出砂的油层大多以接触胶结为主，其胶结物数量少，且含有黏土胶结物。此外也有胶质沥青胶结的疏松油气层。
地应力是决定岩石应力状态及其变形破坏的主要因素。钻井前，油层岩石在垂向和侧向地应力作用下处于应力平衡状态。钻井后，井壁岩石的原始应力平衡状态遭到破坏，井壁岩石将承受最大的切向地应力。因此，井壁岩石将首先发生变形和破坏。显然，油层埋藏越深，井壁岩石所承受的切向地应力越大，越易发生变形和破坏。原油黏度高、密度大的油层容易出砂。这是因为高黏度原油对岩石的冲刷力和携砂能力强。上述是油层出砂的内在因素，开采过程中生产压差的大小及建立压差的方式是油层出砂的外在原因。生产压差越大，渗流速度越快，井壁处液流对岩石的冲刷力就越大。再加上地应力所引起的最大应力也在井壁附近。所以，井壁将成为岩层中的最大应力区，当岩石承受的剪切应力超过岩石抗剪切强度时，岩石即发生变形和破坏，造成油井出砂。
所谓建立生产压差的方式，是指缓慢地建立生产压差还是突然急剧地建立生产压差（图5－18）。因为在相同的压差下，二者在井壁附近油层中所造成的压力梯度不同。
图5－18 不同建压方式井筒周围压力分布
（a）突然建立；（b）缓慢建立；
（t为建立压差时间）
突然建立压差时，压力波尚未传播出去，压力分布曲线很陡，井壁处的压力梯度很大，易破坏岩石结构而引起出砂；缓慢建立压差时，压力波可以逐渐传播出去，井壁处压力分布曲线比较平缓，压力梯度小，不至于影响岩石结构。有些井强烈抽吸或气举之后引起出砂，就是压差过大或建立压差过猛之故。
5．3．4．3 保护油气层的防砂完井技术
5．3．4．3．1 地层是否出砂的判断
按岩石力学观点，地层出砂是由于井壁岩石结构被破坏所引起的。而井壁岩石的应力状态和岩石的抗张强度（主要受岩石的胶结强度——压实程度低、胶结疏松的影响）是地层出砂与否的内因。开采过程中生产压差的大小及地层流体压力的变化是地层出砂与否的外因。如果井壁岩石所受的最大张应力超过岩石的抗张强度，则会发生张性断裂或张性破坏，其具体表现在井壁岩石不坚固，在开发开采过程中将造成地层出骨架砂。生产过程中地层出砂的判断就是要解决油井是否需要采用防砂完井的问题。其判断方法主要有现场观测法、经验法和力学计算方法等。
（1）现场观测法。
1）岩心观察。疏松岩石用常规取心工具收获率低，很容易将岩心从取心筒中拿出或岩心易从取心筒中脱落；用肉眼观察、手触等方法判断时，疏松岩石或低强度岩石往往一触即碎，或停放数日自行破碎，或在岩心上用指甲能刻痕；对岩心浸水或盐水，岩心易破碎。如有上述现象，则说明生产过程中地层易出砂。
2）DST测试。如果DST测试期间油气井出砂（甚至严重出砂），说明生产过程中地层易出砂。如果DST测试期间未见出砂，但仔细检查井下钻具和工具，在接箍台阶等处附有砂粒，或在DST测试完毕后砂面上升，则说明生产过程中地层易出砂。
3）邻井状态。同一油气藏中，邻井生产过程中出砂，本井出砂的可能性大。
（2）经验法。
1）声波时差法。声波时差Δtc≥295μs／m时，地层容易出砂。
2）G／cb法。根据力学性质测井所求得的地层岩石剪切模量G和岩石体积压缩系数cb，可以计算G／cb值，其计算公式如下：）
式中：G——地层岩石剪切模量（MPa）；
cb——岩石体积压缩系数（1／MPa）；
C——常数，为9．94×108；
ν——岩石的泊松比；
ρ——岩石密度（g／cm3）；
Δtc——声波时差（μs／m）。
当G／cb＞3．8×107 MPa2时，油气井不出砂；G／cb＞3．3×107 MPa2时，油气井出砂。3）组合模量法。根据声速及密度测井资料，用下式计算岩石的弹性组合模量Ec：
式中：Ec——地层岩石弹性组合模量（MPa）；
其他符号意义同上。
一般情况下，Ec越小，地层出砂的可能性越大。美国墨西哥湾地区的作业经验表明，当Ec大于2．068×104 MPa时，油气井不出砂；反之，则要出砂。英国北海地区也采用同样的判据。我国的胜利油田也用此法在一些油气井上做过出砂预测，准确率在80%以上，出砂与否的判断方法如下：
当Ec≥2．0×104 MPa，正常生产时不出砂；
当1．5×104 MPa＜Ec＜2．0×104 MPa，正常生产时轻微出砂；
当Ec≤1．5×104 MPa，正常生产时严重出砂。
（3）力学计算法。垂直井井壁岩石所受的切向应力是最大张应力，最大切向应力可由下式表达：
根据岩石破坏理论，当岩石的抗压强度小于最大切向应力σt时，井壁岩石不坚固，将会引起岩石结构的破坏而出砂。因此，垂直井的防砂判据为：
式中：σt——井壁岩石的最大切向应力（MPa）；
C——地层岩石的抗压强度（MPa）；
ν——岩石的泊松比；
ρ——上覆岩层的平均密度（kg／cm3）；
g——重力加速度（m／s2）；
H——地层深度（m）；
ps——地层流体压力（MPa）；
pwf——油井生产时的井底流压（MPa）。
如果上式成立（即C≥σt），则表明在上述生产压差（ps－pwf）下，井壁岩石是坚固的，不会引起岩石结构的破坏，也就不会出骨架砂，可以选择不防砂的完井方法。反之，地层胶结强度低，井壁岩石的最大切向应力超过岩石的抗压强度引起岩石结构的破坏，地层会出骨架砂，需要采取防砂完井方法。
水平井井壁岩石所受的最大切向应力可由下式表达：
各参数符号意义同上。同理，水平井井壁岩石的坚固程度判别式为：
对于其他角度的定向斜井，其井壁岩石的坚固程度判据为：
很显然，当井斜角α为0°时，式（5－52）变为式（5－49）；而当井斜角α为90°时，式（5－52）变为式（5－51）。所以式（5－52）为通式。由此可以看出：
1）在地层岩石抗压强度C和地层压力ps不变的情况下，当生产压差（ps－pwf）增大时，原来不出砂的井可能会开始出砂，即生产压差增大是出砂与否的一个重要外因。
2）当地层出水后，特别是膨胀性黏土含量高的砂岩地层，其岩石的胶结强度将会大大下降，从而导致岩石的抗压强度C下降，使原来不出砂的井（不出水的井）可能会开始出砂。
3）在地层岩石抗压强度C不变时，随着地层压力psf的下降，即使生产压差保持常数，原来不出砂的井也可能会开始出砂。
5．3．4．3．2 几种防砂完井方式的保护油气层技术
（1）割缝衬管防砂保护油气层技术。割缝衬管就是在衬管壁上，沿着轴线的平行方向割成多条缝眼，如图5－19所示。缝眼的功能是：一方面允许一定数量和大小的能被原油携带至地面的“细砂”通过，另一方面能把较大颗粒的砂粒阻挡在衬管外面。这样，大砂粒就在衬管外形成“砂桥”或“砂拱”，如图5－20所示。
图5－19 割缝衬管
图5－20 衬管外所形成的砂桥
砂桥中没有小砂粒，因为此处流速很高，把小砂粒都带入井内了。砂桥的这种自然分选使它具有良好的通过能力，同时起到保护井壁的作用。为了促使砂桥形成，必须根据油层岩石的颗粒组成，选择缝眼的尺寸和形状。
1）缝眼的形状。缝眼的剖面应呈梯形，如图5－19所示。梯形两斜边的夹角为12°，而且大的底边在衬管内表面，小的底边在衬管外表面，小底边的宽度称为缝口宽度。这种形状可以避免砂粒卡在缝眼内而堵塞衬管。割缝衬管的关键就在于正确地选择缝眼口宽度和割缝的数量。
2）缝口宽度。根据实验研究，砂粒在缝眼外形成砂桥的条件是缝口宽度不大于砂粒直径的两倍。即：
式中：e——缝口宽度（mm）；
d10——油层岩石颗粒组成累积曲线上，占累积重量百分数为10%所对应的颗粒直径（mm）。
这就表示占总重量90%的小砂粒可以通过缝眼，而占总重量10%的油层承载骨架砂不能通过。
3）缝眼的数量。缝眼数量应在保证衬管强度的前提下有足够的流通面积。一般取缝眼开口总面积为衬管外表总面积的2%，缝眼的长度取50～300mm。缝眼数量可由下式确定：
式中：n——缝眼的数量；
α——缝眼总面积占衬管外表面积的百分数，一般取2%；
F——衬管外表面积（mm2）；
e——缝口宽度（mm）；
l——缝眼长度（mm）。
（2）砾石充填防砂保护油气层技术。充填在井底的砾石层起着滤砂器的作用，它只允许油层流体通过，而不允许油层砂粒通过。其防砂的关键是必须选择与油层岩石颗粒组成相匹配的砾石尺寸。其选择原则是：既要能阻挡油层出砂，又要使砾石充填层具有较高的渗透性能。因此，砾石的尺寸、砾石的质量、充填液的性能是砾石充填防砂的技术关键。
1）砾石质量要求。砾石质量直接影响防砂效果及完井产能。因此，砾石的质量控制十分重要。砾石质量包括砾石粒径的选择、砾石尺寸合格程度、砾石的圆球度、砾石的酸溶度、砾石的强度等。
①砾石粒径的选择。国内外通用的砾石粒径Dg是油层砂粒度中值d50的5～6倍，即Dg＝（5～6）d50。Dg确定后，再根据工业砾石参数表，选择一种其粒度中值大致与Dg相等的工业砾石。
②砾石尺寸合格程度。砾石尺寸合格程度的标准是：大于要求尺寸的砾石重量不得超过砂样总重量的0．1%，小于要求尺寸的砾石重量不得超过砂样总重量的2%。
③砾石的强度。砾石强度的标准是：抗破碎试验所测出的破碎砂重量含量不得超过如表5－6所示的数值。
④砾石的圆度和球度。砾石圆球度的标准是：砾石的球度应大于0．6，砾石的圆度也应大于0．6。图5－21和图5－22是评估砾石圆球度的视觉对比图。
⑤砾石的酸溶度。砾石酸溶度的标准是：在标准土酸（3%HF＋12%HCl）中，砾石的溶解重量百分数不得超过1%。
2）砾石充填液对油气层的影响及其保护技术。砾石充填液也称为携砂液，是将砾石携带到筛管和井壁（或筛管和套管）环形空间的液体。又因为在砾石充填过程中部分充填液将进入油层，因此对充填液性能的要求很严格。
从携带砾石的角度考虑，要求它的携砂能力强，即含砂比高以节省用量。并希望砾石在充填液中不沉降，使之形成紧密的砾石充填层，避免在砾石层内产生洞穴，以致在生产过程中发生砾石的再沉降，而使筛管出露失去防砂作用。还要求充填液在井底温度的影响下，或在某些添加剂的影响下，能自动降黏稀释而与砾石分离，以免在砾石表面包裹一层较厚的胶膜，使砾石堆积不实而影响填砂质量。
表5－6 砾石抗破碎推荐标准
图5－21 标准圆度
图5－22 球度目测图
从保护油层的角度考虑，要求充填液无固相颗粒，并尽可能防止液相侵入后引起油层黏土的水化膨胀，或收缩剥落。因此，理想的充填液应具备下列性能：
①黏度适当（约500～700mPa·s），有较强的携砂能力；
②有较强的悬浮能力，使砾石在其中的沉降速度小；
③可通过某些添加剂或受井底温度的影响而自动降黏稀释；
④无固相颗粒，对油层损害小；
⑤与油层岩石相配伍，不诱发水敏、盐敏、碱敏；
⑥与油层中流体相配伍，不发生结垢、乳化堵塞；
⑦来源广泛，配制方便，可回收重复使用。
目前国内外在砾石充填作业中主要使用的携砂液有以下几种：
①清盐水或过滤海水，其中加入适当的黏土稳定剂及其他添加剂，施工时的携砂比为50～l00kg／m3；
②低黏度携砂液，黏度为50～100mPa·s，由清盐水或过滤海水中加入适当的水基聚合物和黏土稳定剂及其他添加剂组成。施工时的携砂比为200～400kg／m3；
③中黏度携砂液，黏度为300～400mPa·s，由清盐水或过滤海水中加入适当的水基聚合物和黏土稳定剂及其他添加剂组成。施工时的携砂比为400～500kg／m3；
④高黏度携砂液，黏度为500～700mPa·s，由清盐水或过滤海水中加入适当的水基聚合物和黏土稳定剂及其他添加剂组成。所采用的水基聚合物如甲叉基聚丙烯酰胺凝胶、羟乙基纤维素和锆金属离子交链凝胶等。施工时的携砂比可达1000～1800kg／m3；
⑤泡沫液，泡沫携砂液可用于低压井。由于泡沫液中气相体积分数占80%～95%，含液量少，不存在低压漏失问题。泡沫液的携砂能力强，充填后砾石沉降少，筛缝不容易被堵塞，对地层造成的损害小。携砂液的选用可参见表5－7。
表5－7 携砂液的选用
（3）压裂砾石充填防砂保护油气层技术。在砾石充填工艺上的突破主要是将砾石充填与水力压裂结合起来，称为压裂砾石技术，包括清水压裂充填、端部脱砂压裂充填、胶液压裂充填三种。其原理就是在射孔井上砾石充填之前，利用水力压裂在地层中造出短裂缝，然后在裂缝中填满砾石，最后再在筛管与套管环空充填砾石（表5－8）。
表5－8 清水压裂充填、端部脱砂压裂充填、胶液压裂充填对比
根据对某油田的研究，压裂充填与常规砾石充填的产能对比如表5－9所示。
表5－9 某油田压裂充填与常规砾石充填的产能对比
注：产能指单位生产压差下油井的日产量，即：m3／（d·MPa）。
由表5－9可知，压裂充填后，产能大大增加，其原因可由图5－23得到解释。
为了搞好压裂砾石充填防砂保护油气层技术，需按以下几个要点实施：
1）在可以进行压裂充填的层段，压裂充填的效果很好，与常规砾石充填相比，虽然成本增加，但压裂充填的增产作用明显。这主要是形成了裂缝，改善了渗流方式，消除了（或部分消除了）钻井、固井损害，也破坏了射孔所形成的压实带等原因所致。同时，压裂砾石充填的防砂效果还好于常规砾石充填的防砂效果。
2）在清水压裂充填、端部脱砂压裂充填、胶液压裂充填这三种方式中，清水压裂充填、端部脱砂压裂充填的增产效果相当，这是因为两者形成的裂缝较短；而胶液压裂充填的增产效果最为明显，主要原因是胶液压裂充填能形成三者之中最长的裂缝，但成本最高。
图5－23 压裂充填后高产能的原因
3）在采用了屏蔽式暂堵技术的井中，由于钻井污染深度浅，建议采用清水压裂充填或端部脱砂压裂充填来解堵和增产；而在未采用屏蔽式暂堵技术的井中，特别是表皮系数较高的井，由于钻井污染深度深，建议采用胶液压裂充填来解堵和增产。
4）从增产效果、施工成本、施工难易程度多方面来看，凡是已证明能用清水将地层压开的井，应尽量使用清水压裂充填或端部脱砂压裂充填来解堵和增产；否则，采用胶液压裂充填来解堵和增产。
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