礫石充填防砂技術分析與研究

◇遼河油田高升采油廠工藝研究所 張 碩

目前，隨著經濟的發展和人口的急劇膨脹，石油短缺日益嚴重，石油資源勘探開發的質量和效率已經成為世界各國關注的重點。但是，由于各種因素的影響，石油開發過程中容易出現油井出砂的問題，不但會影響油井的正常生產，而且會影響油田企業的經濟效益。因此，如何提高防砂工作的質量和效率成為了石油工作者關注的熱點和難點。本文從礫石充填防砂技術入手，主要探究了該技術的4種關鍵參數：①礫石尺寸；②填充量；③攜砂比；④機械篩管，以期提高油井防砂的質量和效率，從而提高油井的采收率和產量。

石油俗稱“工業的血液”，對于人類社會的發展具有極其重要的作用和意義。隨著全球人口的急劇增加，石油的消耗不斷遞增，石油短缺問題日益嚴峻，在一定程度上影響了人們正常的生產生活[1-2]。據OPEC調查可知，全球平均每天要消耗約1.370×107噸石油，根據目前的地質儲量和勘探開發技術水平來推算，地球上的石油只能供人們使用55～88年。石油是一種不可再生的自然資源，地球上的儲量是固定的，因此，必須提高石油勘探開發的質量和效率，進而提高石油的采收率和產量，從而為人類社會的可持續發展提供一定的能源支持。

在石油開發過程中，油井出砂就是十分常見的問題。據有關調查可知，每年由于油井出砂而造成的油井損壞、停產、減產高達20%，全球大約有40%的油井需要進行防砂處理，而且這個比例仍在不斷增大。目前，我國大部分的油田都進入高含水期，油井出砂的概率越來越大，嚴重影響了油田企業的正常生產。由此可見，對于油田企業而言，如何提高油井防砂的質量和效率是一項極其重要和關鍵的工作。

1 油井出砂的危害

油井出砂通常是指在油井生產的初期，由于多種因素的影響，導致地下儲層的巖石結構遭到一定程度的破壞，使得巖石出現脫落。這些脫落的巖石會進入油井中，進而嚴重影響油井的正常生產，從而降低了油田企業的經濟效益。具體而言，油井出砂的危害主要分為以下三個方面：①油井出砂會導致地層砂的流失，不但會損壞地下巖石的骨架以及結構，而且會增大滲流的阻力，進而使得產液層段出現大范圍的堵塞，最終減低油井的產量，情況嚴重的話，甚至會導致停產；②油井出砂會使柱塞和泵筒之間的摩擦力增大，破壞柱塞的皮碗，減小泵的效率，甚至會埋住井下的封隔器和管柱，出現凡爾卡死現象，最終導致砂卡或者管柱拔斷，情況嚴重的話，可以使油井報廢；③油井出砂會磨損地面儀器的管件，降低地面儀器的使用壽命，增大危險事故發生的概率。另外，油井出砂還會降低管路閥件的密封性能，從而影響油井的正常生產[2-3]。

2 礫石充填防砂技術簡介

礫石充填防砂是目前國內外油田開發中十分常見的防砂技術之一，該技術是利用相應的充填工具，往篩管和井眼之間的環空中充填一定量的礫石，讓地層砂在礫石充填的表面上形成比較穩定的“砂橋”，“砂橋”可以起到一定的屏障作用，進而能夠有效防止地層砂進入井筒內[3]。具體而言，礫石充填防砂技術的基本原理主要分為兩個方面：①正循環充填；②反循環洗井。前者是指從油管中加入一定量的攜砂液，然后這些攜砂液通過轉換總成進入到篩管與套管之間的環空之中，這時在皮碗的密封作用之下，攜砂液只可以往下通過篩管，而礫石則被擋在篩管的外面，最終形成礫石充填層[4]。同時，多余的液體會從篩縫中流入，經過沖管流入回流通道，然后從皮碗上方的旁通孔進入套管之中，最終返回地面；后者是指從套管中加入一定量的洗井液，這些洗井液會自上往下對皮碗進行壓縮，經過皮碗和套管之間的縫隙進入下部環空之中，通過轉換孔流入到油管，然后將油管中剩余的礫石沖洗到地面。在礫石充填完之后，地層砂便不會繼續流動，因為礫石層的滲透性比較好，篩管的過流能力也比較高，因此，礫石充填防砂技術可以獲得良好的防砂效果。另外，礫石充填防砂技術操作簡單、成功率高、應用范圍廣，因此在我國各大油田中得到了廣泛應用。

3 工藝參數優選

3.1 礫石尺寸優選

通常情況下，攜砂液中礫石的體積濃度與充填效率之間呈負相關的關系，礫石的體積濃度越小，則充填效率越高。其次，防砂的效果與油井的產量之間也是呈負相關的關系，并且二者都受到礫石尺寸的影響，因此，礫石的尺寸是礫石充填防砂技術的關鍵參數。如果礫石尺寸過小，則能夠有效地過濾掉大部分的地層砂，但是可能會增大表皮系數，在一定程度上會降低油井的采收率和產量；相反，如果礫石尺寸太大，則油井能夠獲得較好的采收率和產量，但是防砂持續的時間段，效果比較差。在實際防砂工作中，經常參照Saucier法，采用經驗圖的方式進行礫石尺寸的優選與設計（圖1）。當D50/ d50≥14時，充填層的滲透率比較高，使其很難形成“砂橋”，地層砂可以不受約束地穿過充填層進行流動，這時的防砂效果比較差，油井會大量出砂；當6

圖1 充填礫石尺寸優選經驗圖

3.2 填充量和攜砂比優選

礫石充填技術的關鍵是確保攜砂液可以通過水平射孔，并且最終到達炮眼的端部，從而進入管外的虧空區域。攜砂液在射孔的孔眼中會進行水平流動，但是因為固相礫石具有一定的沉降特性，使得礫石在孔眼入口處出現大量的沉降，不但會堵塞孔眼，而且會使后續的礫石很難進入管外的地層。為了使礫石能夠順利地進入到地層之中，攜砂液應該具有比較好的礫石攜帶能力，而攜砂能力的大小與攜砂基液的流速、砂比以及黏度密切相關。在其他參數不變的情況下，流速越大，發生堵塞的可能性就越小，但流速過大會導致地層出現二次損傷，這時就存在一個臨界流速。目前，臨界流速的計算方法主要有3種：①沉降時間法；②Durand方法；③Gruesbeck C方法，這三種方法各有優缺點。在實際防砂過程中，工作人員應該充分收集各種資料，并且借鑒油田的成功案例，嘗試使用多種方法，然后進行對比篩選，優選出最合適的臨界流速。另外，對攜砂比的優選，實際應用中基本都是采用經驗法：對于管外擠壓充填，通常使用的攜砂比為10%～15%；而對于管內循環充填，通常使用的攜砂比為10%左右[3-5]。

3.3 機械篩管優選

（1）縫寬設計。機械篩管的作用主要是對礫石層進行支撐，并且其篩縫能夠給流體入井提供一定的通道。目前，常用的機械篩管主要有3種：①繞絲篩管；②割縫襯管；③金屬棉濾砂管。在確定礫石尺寸之后，就可以確定縫寬。每種篩管的縫寬都有對應的理論計算公式，計算出理論值之后，對不同的數值進行優選，一般選擇最接近的系列尺寸[5-6]。

（2）規格設計。由于環空厚度會直接影響防砂的質量和效率，因此機械篩管的直徑也是一個十分關鍵的參數。經過大量實踐發現，增大環空厚度對產量的影響非常小，反而會改善防砂效果，并且還可以提高礫石充填的穩定性。一般情況下，環空的徑向厚度最小為20mm，而篩管的直徑應該盡可能小。

4 結束語

（1）油井出砂對油井的正常生產危害較大，油田企業必須重視油井防砂工作，深入研究油井出砂的機理，并且制定科學、合理、有效的防砂措施，提高防砂的質量和效率，提高油井的采收率和產量。

（2）礫石充填防砂技術的優點較多，但是這些優點都是基于合理的工藝參數設計。因此，在實際防砂作業過程中，工作人員必須對這些參數進行優選，以達到最佳的防砂效果，不但可以降低生產成本，而且可以提高油井產量，從而為油田企業的可持續發展奠定良好的基礎。

（3）防砂技術是一項比較繁瑣、系統的工作，并不是一時半刻就可以完成的。防砂技術眾多，如機械防砂、化學防砂、復合防砂等，在實際防砂工作中，工作人員絕不能只依靠單一的防砂技術，而應該結合各種防砂技術的優勢，不斷提高油井防砂的質量和效率。