砾石充填防砂技术分析与研究

◇辽河油田高升采油厂工艺研究所 张 硕

目前，随着经济的发展和人口的急剧膨胀，石油短缺日益严重，石油资源勘探开发的质量和效率已经成为世界各国关注的重点。但是，由于各种因素的影响，石油开发过程中容易出现油井出砂的问题，不但会影响油井的正常生产，而且会影响油田企业的经济效益。因此，如何提高防砂工作的质量和效率成为了石油工作者关注的热点和难点。本文从砾石充填防砂技术入手，主要探究了该技术的4种关键参数：①砾石尺寸；②填充量；③携砂比；④机械筛管，以期提高油井防砂的质量和效率，从而提高油井的采收率和产量。

石油俗称“工业的血液”，对于人类社会的发展具有极其重要的作用和意义。随着全球人口的急剧增加，石油的消耗不断递增，石油短缺问题日益严峻，在一定程度上影响了人们正常的生产生活[1-2]。据OPEC调查可知，全球平均每天要消耗约1.370×107吨石油，根据目前的地质储量和勘探开发技术水平来推算，地球上的石油只能供人们使用55～88年。石油是一种不可再生的自然资源，地球上的储量是固定的，因此，必须提高石油勘探开发的质量和效率，进而提高石油的采收率和产量，从而为人类社会的可持续发展提供一定的能源支持。

在石油开发过程中，油井出砂就是十分常见的问题。据有关调查可知，每年由于油井出砂而造成的油井损坏、停产、减产高达20%，全球大约有40%的油井需要进行防砂处理，而且这个比例仍在不断增大。目前，我国大部分的油田都进入高含水期，油井出砂的概率越来越大，严重影响了油田企业的正常生产。由此可见，对于油田企业而言，如何提高油井防砂的质量和效率是一项极其重要和关键的工作。

1 油井出砂的危害

油井出砂通常是指在油井生产的初期，由于多种因素的影响，导致地下储层的岩石结构遭到一定程度的破坏，使得岩石出现脱落。这些脱落的岩石会进入油井中，进而严重影响油井的正常生产，从而降低了油田企业的经济效益。具体而言，油井出砂的危害主要分为以下三个方面：①油井出砂会导致地层砂的流失，不但会损坏地下岩石的骨架以及结构，而且会增大渗流的阻力，进而使得产液层段出现大范围的堵塞，最终减低油井的产量，情况严重的话，甚至会导致停产；②油井出砂会使柱塞和泵筒之间的摩擦力增大，破坏柱塞的皮碗，减小泵的效率，甚至会埋住井下的封隔器和管柱，出现凡尔卡死现象，最终导致砂卡或者管柱拔断，情况严重的话，可以使油井报废；③油井出砂会磨损地面仪器的管件，降低地面仪器的使用寿命，增大危险事故发生的概率。另外，油井出砂还会降低管路阀件的密封性能，从而影响油井的正常生产[2-3]。

2 砾石充填防砂技术简介

砾石充填防砂是目前国内外油田开发中十分常见的防砂技术之一，该技术是利用相应的充填工具，往筛管和井眼之间的环空中充填一定量的砾石，让地层砂在砾石充填的表面上形成比较稳定的“砂桥”，“砂桥”可以起到一定的屏障作用，进而能够有效防止地层砂进入井筒内[3]。具体而言，砾石充填防砂技术的基本原理主要分为两个方面：①正循环充填；②反循环洗井。前者是指从油管中加入一定量的携砂液，然后这些携砂液通过转换总成进入到筛管与套管之间的环空之中，这时在皮碗的密封作用之下，携砂液只可以往下通过筛管，而砾石则被挡在筛管的外面，最终形成砾石充填层[4]。同时，多余的液体会从筛缝中流入，经过冲管流入回流通道，然后从皮碗上方的旁通孔进入套管之中，最终返回地面；后者是指从套管中加入一定量的洗井液，这些洗井液会自上往下对皮碗进行压缩，经过皮碗和套管之间的缝隙进入下部环空之中，通过转换孔流入到油管，然后将油管中剩余的砾石冲洗到地面。在砾石充填完之后，地层砂便不会继续流动，因为砾石层的渗透性比较好，筛管的过流能力也比较高，因此，砾石充填防砂技术可以获得良好的防砂效果。另外，砾石充填防砂技术操作简单、成功率高、应用范围广，因此在我国各大油田中得到了广泛应用。

3 工艺参数优选

3.1 砾石尺寸优选

通常情况下，携砂液中砾石的体积浓度与充填效率之间呈负相关的关系，砾石的体积浓度越小，则充填效率越高。其次，防砂的效果与油井的产量之间也是呈负相关的关系，并且二者都受到砾石尺寸的影响，因此，砾石的尺寸是砾石充填防砂技术的关键参数。如果砾石尺寸过小，则能够有效地过滤掉大部分的地层砂，但是可能会增大表皮系数，在一定程度上会降低油井的采收率和产量；相反，如果砾石尺寸太大，则油井能够获得较好的采收率和产量，但是防砂持续的时间段，效果比较差。在实际防砂工作中，经常参照Saucier法，采用经验图的方式进行砾石尺寸的优选与设计（图1）。当D50/ d50≥14时，充填层的渗透率比较高，使其很难形成“砂桥”，地层砂可以不受约束地穿过充填层进行流动，这时的防砂效果比较差，油井会大量出砂；当6

图1 充填砾石尺寸优选经验图

3.2 填充量和携砂比优选

砾石充填技术的关键是确保携砂液可以通过水平射孔，并且最终到达炮眼的端部，从而进入管外的亏空区域。携砂液在射孔的孔眼中会进行水平流动，但是因为固相砾石具有一定的沉降特性，使得砾石在孔眼入口处出现大量的沉降，不但会堵塞孔眼，而且会使后续的砾石很难进入管外的地层。为了使砾石能够顺利地进入到地层之中，携砂液应该具有比较好的砾石携带能力，而携砂能力的大小与携砂基液的流速、砂比以及黏度密切相关。在其他参数不变的情况下，流速越大，发生堵塞的可能性就越小，但流速过大会导致地层出现二次损伤，这时就存在一个临界流速。目前，临界流速的计算方法主要有3种：①沉降时间法；②Durand方法；③Gruesbeck C方法，这三种方法各有优缺点。在实际防砂过程中，工作人员应该充分收集各种资料，并且借鉴油田的成功案例，尝试使用多种方法，然后进行对比筛选，优选出最合适的临界流速。另外，对携砂比的优选，实际应用中基本都是采用经验法：对于管外挤压充填，通常使用的携砂比为10%～15%；而对于管内循环充填，通常使用的携砂比为10%左右[3-5]。

3.3 机械筛管优选

（1）缝宽设计。机械筛管的作用主要是对砾石层进行支撑，并且其筛缝能够给流体入井提供一定的通道。目前，常用的机械筛管主要有3种：①绕丝筛管；②割缝衬管；③金属棉滤砂管。在确定砾石尺寸之后，就可以确定缝宽。每种筛管的缝宽都有对应的理论计算公式，计算出理论值之后，对不同的数值进行优选，一般选择最接近的系列尺寸[5-6]。

（2）规格设计。由于环空厚度会直接影响防砂的质量和效率，因此机械筛管的直径也是一个十分关键的参数。经过大量实践发现，增大环空厚度对产量的影响非常小，反而会改善防砂效果，并且还可以提高砾石充填的稳定性。一般情况下，环空的径向厚度最小为20mm，而筛管的直径应该尽可能小。

4 结束语

（1）油井出砂对油井的正常生产危害较大，油田企业必须重视油井防砂工作，深入研究油井出砂的机理，并且制定科学、合理、有效的防砂措施，提高防砂的质量和效率，提高油井的采收率和产量。

（2）砾石充填防砂技术的优点较多，但是这些优点都是基于合理的工艺参数设计。因此，在实际防砂作业过程中，工作人员必须对这些参数进行优选，以达到最佳的防砂效果，不但可以降低生产成本，而且可以提高油井产量，从而为油田企业的可持续发展奠定良好的基础。

（3）防砂技术是一项比较繁琐、系统的工作，并不是一时半刻就可以完成的。防砂技术众多，如机械防砂、化学防砂、复合防砂等，在实际防砂工作中，工作人员绝不能只依靠单一的防砂技术，而应该结合各种防砂技术的优势，不断提高油井防砂的质量和效率。