砾石充填防砂井砾石尺寸设计实例
砾石充填防砂粒径筛选和施工参数优选方法论文
砾石充填防砂粒径筛选和施工参数优选方法研究[摘要]：油井出砂会造成井下设备和工具的磨蚀及井眼的堵塞，使油井的产量降低甚至停产。
绕丝管砾石充填防砂是目前应用最广泛最主要的防砂工艺。
但对油层厚度大、油层多等油井防砂成功率不是很高。
本文通过对充填砾石规格和施工排量的研究，并就地层砂筛析曲线及砾石和施工排量的优选方法进行了阐述。
[关键词]：砾石充填砾石尺寸砂侵最小排量中图分类号：td872+.8 文献标识码：td 文章编号：1009-914x（2012）12- 0102 -011 防砂效果的影响因素1.1 防砂效果与砾石尺寸的关系砾石充填井中砾石层是主要的挡砂屏障。
由于地层砂较细，地层砂会不同程度侵入砾石层导致防砂失败。
地层砂侵入砾石层的程度取决于砂砾比gsr（砾石与地层砂中值之比）：gsr15，地层砂可以自由通过砾石层，起不到防砂作用。
1.2 防砂效果与炮眼中砾石充填过程的关系砾石充填过程中，炮眼内流动的携砂液达到一定值后，固体颗粒开始呈砂堤状向前推移，流速继续增加颗粒的悬浮程度增加，颗粒完全悬浮后，混合物的流动阻力将随流速的增加而增加。
炮眼中的流速必须高于淤积流速，才能将砾石携带到炮眼以外地层，因此，淤积流速是砂浆的最低流速。
用清水或地层污水做携砂液时，因其携砂能力差，砾石问题首先沉积于炮眼入口处，若炮眼吸液速度高于淤积流速，砾石在液流携带下，沿着沉积下来的砂堤逐渐向炮眼深处蠕动，当砂堤推进到射孔孔眼端部地层亏空部位后，再反向充填平衡堤上部区域。
2 砾石充填施工参数的优化2.1 砾石尺寸的选择tausch和corly法：建立在半对数筛析曲线的基础上，它建议最小砾石应等于4d10，最大砾石应等于6d10，即dmin=4d10；dmax=6d10。
saucier法：建立在完全挡砂的机理上，d50=（5～6） d50，即砾石的粒度中值为地层砂粒度中值的5～6倍，此时砾石充填带的有效渗透率/地层渗透率最大。
砾石充填防砂工艺参数优化设计
砾石充填防砂工艺参数优化设计砾石充填防砂工艺是一种常用的防止水土流失和保护土壤的措施。
通过充填砾石，可以提高土壤的稳定性，减少河流或河岸的冲刷和侵蚀，保护生态环境和人类安全。
为了进一步提高砾石充填防砂的效果，需要对工艺参数进行优化设计。
首先，要确定砾石的大小和种类。
砾石可以分为不同的等级和规格，一般有5-10cm、10-20cm、20-40cm等规格可供选择。
选择砾石的大小和种类应根据具体工程的需要和水文地质条件来确定。
一般来说，对于大型水利工程，可以选择大小规格较大的砾石，以增加充填层的坚固性和稳定性。
其次，要确定充填砾石的厚度和密度。
充填砾石的厚度决定了其对土壤的保护效果，过薄的砾石层容易被水流冲刷，过厚的砾石层则会增加工程的成本和施工难度。
一般来说，砾石充填层的厚度应在20-40cm之间。
充填砾石的密度决定了其对土壤的压实效果和稳定性，过松的砾石层易被水流冲刷，过紧的砾石层则可能导致土壤的排水性不佳。
因此，在充填砾石时，应根据土壤的类型和水文地质条件来确定合适的压实措施，例如辊压、振动等。
另外，要确定砾石充填层的倾斜度和边坡设计。
倾斜度是指充填砾石层的坡度，通常取45°-60°之间。
较大的坡度可以增加充填层的稳定性和抗冲刷能力，但也会增加工程的成本和土地的占用。
边坡设计是指充填层的边缘线形，一般可以选择直线形、斜线形、曲线形等。
边坡设计应根据充填层的厚度、坡度和土壤的稳定性来确定，以确保工程的安全性和稳定性。
最后，要进行充填砾石的施工技术和质量控制。
充填砾石的施工技术包括挖掘、运输、充填、压实等环节。
在施工过程中，要选择合理的施工设备和方法，并进行密实度测定和质量检测，以确保充填砾石的均匀性、稳定性和工程质量。
总之，砾石充填防砂工艺参数的优化设计是一项复杂而关键的工作。
只有合理选择砾石的大小和种类，确定充填层的厚度和密度，以及进行倾斜度和边坡设计，同时结合施工技术和质量控制，才能提高砾石充填防砂的效果，减少水土流失，保护土壤和生态环境。
水平井砾石充填防砂工艺研究
２１ ０ １年 第 ２期 （ ２ 卷 ） 第 １
・ ７・ １
水 平 井砾石充填 防砂工 艺研究
王 子元① 顾 长亮 杨 小敏
中 国石 油 大学 （ 京 ） 油 工程 学 院 北 石 中 国石 油 大 学 （ 京 ） 石 力 学 实 验 室 ，０ ２ ９北 京 昌平 斯 伦 贝谢 中 国海 洋服 务公 司 完 井部 北 岩 １ ２４
３ 杨喜柱 ， 刘树 新 ， 秀敏 等 ． 平 井裸 眼 砾 石 充 填 防砂 工 艺技 薛 水
术研 究 与应 用［． 油钻 采 工 艺 ，０ ９３ （ ：６ ７ Ｊ石 ］ ２０ ，１ ） ￣ ８ ３７
４ Ｊ Ｓ ｕ ｉｒ ｏ ｓｄ ｒｔ ｎ ｎ ＧｒｖｌＰ ｃ ｓｇ ．ａ ｃｅ ．Ｃ ｎ ｉｅａｉ ｓ ｉ ａ ｅ ａ ｋ Ｄｅｉｎ．Ｓ Ｅ ０ ０ ｏ Ｐ ４３ ．
该测 试 项 目现 场试 验 的成功 为 下一步 实现 大斜度 井 、 水平 井分 布式 温度和 单 点压 力监测 ， 供依 据 。 提 同时解 决 了常规 电子传 感 器和光 纤压 力传 感器 受油 井下 高温 高压 干扰 而无 法正常 工作 的技 术 难题 。
裘 新农
７ 余 克 让 ． 石 充填 完 井作业 队储 层 的伤 害． 气井测 试 ， 砾 油
】 ９ ：８ ４ ９ ２３ － ２
达 到含 格后 再泵 入井 内。即使 有漏 失存 在， 也易 在 生 产过程 中排 出。
３ 应 用前 景 展 望
（ ） 随着水 平井 砾石 充填 技术 研究 的深入 ， 高 １ 提
漏 失
参考文 献
１ 王 鹏 ， 和 清 ． 砂 工 艺技 术 ． 姚 防 北京 ： 油 工 业 出版 社 ，９ ９ 石 １９ ：
砾石充填技术
脱砂压力 —— 保证筛管顶部以上有合适的砾石高度
技术水平
目前渤海9 5/8” 套管和7”套管防砂井应用了 ONE-TRIP和DUAL-TRIP防砂技术，取得了卓著的成效。 尤其是ONE-TRIP技术的应用，大大缩短了完井周期，以 往一口三层的井用STACK-PACK技术防砂完井需9天，现 在用ONE-TRIP技术仅需4天左右。
顶部 液压座封工具
中心管 冲管
充填转换工具 定位接头
隔离封隔器 液压座封工具
沉砂封隔器 锚定密封及延伸
冲管
隔离密封段
三层防砂管柱
座封管柱
充填管柱
应用概况
项 目 时间 1994 SZ36-1实验区 1994 1997 平台数 A B J 井数 32 16 16 Stack-pack Stack-pack 技术 完井周期（天） 9.10 9.42 4.50
砾石充填示意图
泵压
Psi
脱砂压力
时间，t
砾石充填特点
工艺简单，易于操作，节约作业费用 适用于大斜度井、水平井 成功率高，有效期长 可根据每个防砂层段的实际情况选择相应的充
填方式，避免窜层；若采用微压裂充填方式，
可有效解除近井地带的油层污染，提高油井产 量。
技术指标
砾石质量 —— 能否挡住地层砂
隔离封隔器
INV密封筒 滑套 GP 密封筒 密封筒 盲管 筛管 LH 密封筒
隔离封隔器 INV密封筒
滑套 GP 密封筒 密封筒 盲管 筛管 定位密封总成 沉砂封隔器
底部密封总成
套管
带引鞋和单流阀的底部延伸筒
CS-300 及CS-AP裸眼井水平砾石充填防砂1
15
充砂作业
1.服务工具在循环位置，服务工具的重量在负荷 显示作用下可释放在外管柱上。
2.关BOP，监测返出情况（一般不关）。
单位名称－序号
16
反循环冲砂
1.多余的砂子反循环出井筒。 2.FAS Tool的关闭，防止流体滤失。 3.服务工具在反循环位置，服务工具的重量在负
荷显示作用下可释放在外管柱上。
单位名称－序号
17
上部完井作业
甩服务管柱，关闭充填滑套，开始上部完井作业。
单位名称－序号
具体防砂演示
18
CS-AP与300的不同
1.砾石充填结束后还可以进行打酸或替破胶剂 作业
2.不能使用FAStool的阀板或在阀板上打孔 3.增加了激动球座 4.增加了BetaBreaker Diverter Valve
2.关闭BOP，即可反循环。 3.钻柱或环空有一灌满即可保持压力平衡 (FAS Tool还没有打开)。 4.在下入位置上提9.5英寸。
单位名称－序号
14
顶部反循环位置
1.FAS Tool碰到密封筒，服务管柱的重量可是放 在负荷显示上。
2.关闭BOP，即可反循环。 3.钻柱或环空有一灌满即可保持压力平衡。 4.过提18000bl,打开FAS Tool。
M ax. Hole Angle, deg. =
敬请大家批评指正！ Hole Dia., in = 8.5 Screen OD, in = 6.54
Wash Pipe OD, in = 4
Pipe Roughness, in = 0.008
Pressure w/ alpha-wave @ bottom = 800 psi
Pump Pressure, psi Dune Hei ght/ Hol e Di ameter R atio
完井与砾石充填设计[谷风建筑]
![完井与砾石充填设计[谷风建筑]](https://img.taocdn.com/s3/m/0ad6270b011ca300a7c39042.png)
以平衡压力、欠平衡压力的方法钻开油层，有利于保 护油层。此外这种完井方式可以减少套管重量和油井
水泥的用量，从而降低完井成本。目前较深的油气井
大多采用此方法完井。
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6
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7
完井方式
射孔完井方式 ※裸眼完井方式 割缝衬管完井方式 砾石充填完井方式
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8
裸眼完井方式分先期裸眼完井方式、复合型完 井方式和后期裸眼完井方式。
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40
砾石充填设计
• 砾石设计
砾石设计主要包括砾石尺寸设计、砾石质量 控制、砾石用量计算三方面的内容。
砾石用量计算
砾石充填防砂所用的砾石数量要根据充填 部位的体积来确定。为了保证施工质量，设计 用量时要考虑足够的附加量。一般以多挤入为 好，这样可提高防砂效果。
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砾石充填设计
• 管柱设计
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水平井完井技术
目的常见的水平井完井方式主要有裸眼完井、割缝 衬管完井、带管外封隔器(ECP)的割缝衬管完井、射孔完 井和砾石充填完井五类，各种完井方式的优缺点见表所示。
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防砂
• 地层出砂原因
开采因素 地层压降及生产压差 流速 含水上升及注水 地层伤害 蒸汽吞吐开采 其他
填物 射孔参数
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防砂
• 地层出砂机理
剪切破坏 拉伸破坏 岩石破坏准则
拉伸破坏准则 库仑—纳维尔准则 德鲁克—普拉格准则
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防 砂 方 法 分 类
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砾石充填设计
• 基本原则
（1）注重防砂效果，正确选用防砂方法，合理 设计工艺参数和步骤，达到阻止地层出砂目的 （2）采用先进工艺技术，减少对油井产能影响 （3）注重综合经济效益，提高设计质量和施工 成功率，降低成本
砾石充填计算步骤
4.53计算步骤既然已经明确了进行砾石充填处理就能制止油井出砂，又能使地层液体通过充填砂流到井内，接下来就应读考虑如何进行砾石充填设计以及如何评价砾石对地层流体的渗透度。
从上述情况可以看出，按上述方法进行充填设计及挤注施工，既可以延长充填砾石的使用寿命，又有助于烁石的防砂作用。
图4.77是一种充填方法的示意图，并且给出了可能的计算部位。
现在可以看一下地层流体流出地层，经过充填得很好的砾石砂，进人筛管的流动路径(图4 .78)。
地层流体要能流人井筒筛管内，必须流经井筒附近油层，进人射孔炮眼，再经过充填的砾石，才能进人装有带眼或带槽衬管的筛管内。
为了用节点分析方法评价这种流动，必须求出流动路径上的障碍物引起的压降。
幸好，现在已有几个既适用于裸眼井又适用于下套管井砾石充填压降计算的公式.这些公式考虑了能使流体流动状态变为线性流或径向流的孔隙介质，当有流体流过时可能遇到涡流的情况。
利用这些公式，有可能预测并算出流体通过砾石充填层产生的压降。
下面这些计算式是由琼斯、布朗特和格莱兹修改推导出来的，已在油气井上成功地用于计算流体通过砾石充填部位产生的压降【11】。
4.531砾石充填井压降计算式（1）油井表4.33用于树脂涂层砂浆充填法的几种合成树脂225利用前面节点分析中的公式，能相当精确地算出流体通过砾石充填部位产生的压降。
4.532节点分析方法在进行砾石充填井节点分析时，可以把充填部位看作一个函数节点（一个垂直于流动方向，长度很短的节点）。
这样便可单独地直接分析评价它对地层流动流体的影响。
然后根据单独分析的结果进行砾石充填设计（可根据计算结果，绘出充填部位参数变化时对地层流体流动影响的曲线），还可利用分析结果对砾石充填的工作特性进行评价。
通常采用下列最常用的步骤进行油气井砾石充填节点分析。
（1） 绘制一条IPR 曲线（图4,79）。
（2） 绘制一条油管吸入口曲线（图4.80)。
（3） 摹绘出IPR 曲线与油管吸人口曲线之间的压差（图4.81 )。
砾石充填技术(3)
ONE-柱
DURAL-TRIP防砂管柱（以三层为例）
三层防砂管柱
座封管柱
顶部封隔器
充填滑套
密封筒
盲管
筛管
隔离封隔器
密封筒
充填滑套
锚定密封及延伸
沉砂封隔器
隔离封隔器 液压座封工具
顶部 液压座封工具
隔离密封段
脱砂压力 —— 保证筛管顶部以上有合适的砾石高度
筛管尺寸、筛缝—— 能否有效阻挡砾石
充填液—— 清洁度、与地层和外来液体配伍性
砾石质量 —— 能否挡住地层砂
技 术 水 平
已经吸收消化了“洋”技术，实现了防砂地面设备国产化和井下工具操作人员的“本地化”
目前渤海9 5/8” 套管和7”套管防砂井应用了ONE-TRIP和DUAL-TRIP防砂技术，取得了卓著的成效。尤其是ONE-TRIP技术的应用，大大缩短了完井周期，以往一口三层的井用STACK-PACK技术防砂完井需9天，现在用ONE-TRIP技术仅需4天左右。
砾石充填示意图
P s i
泵压
时间，t
脱砂压力
砾石充填特点
工艺简单，易于操作，节约作业费用
适用于大斜度井、水平井
成功率高，有效期长
可根据每个防砂层段的实际情况选择相应的充填方式，避免窜层；若采用微压裂充填方式，可有效解除近井地带的油层污染，提高油井产量。
技 术 指 标
充填系数 —— 反映炮眼内充填的砂量
防砂完井逐步形成配套的综合技术如：隐形酸完井液体系、TCP射孔工艺、一趟管柱多层防砂技术、一变多控技术等。
ONE-TRIP和DUAL-TRIP防砂技术已在JZ9-3油田47口井、QK17-2油田30口井、SZ36-1-II期186口井和QHD32-6油田74口井中得到成功应用。
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1 砾石充填防砂井砾石尺寸设计实例
砾石充填类防砂是目前主流的防砂工艺，砾石尺寸设计是砾石充填类防砂设计的关键步骤之一，砾石尺寸的大小会影响防砂效果和油气井生产动态。
较大的砾石尺寸有利于获得较高的产能，但会导致地层砂侵入砾石层；相反，较小的砾石尺寸挡砂效果好，但对油井产能的影响较大。
油气井防砂领域使用的标准砾石尺寸如表1所示。
目前国内外的主要砾石尺寸设计方法为三类：
(1) 第一类：设计依据简单，仅依据地层砂某一特征尺寸的设计方法，包括Karpoff、Smith、Tausch&Corley、Saucier等四种设计模型；
(2) 第二类：信息依据丰富，基于地层砂筛析曲线的设计方法，主要包括DePriester和Schwartz两种设计模型；
(3) 第三类：基于砾石层孔喉结构模拟的砾石尺寸设计方法。
上述砾石尺寸设计方法均已在中国石油大学(华东)研制开发的Sand control Office软件中实现。
我国西部某出砂气田S-14井地层砂为粉细砂，图3中的曲线D为其筛析曲线，经粒度分析，d10= 0.151 mm，d40= 0.082mm，d50=0.065mm，d70=0.032 mm，d90=0.008mm，分选系数2.043，均匀系数10.036，标准偏差系数0.231。
表1 油气井防砂领域使用的标准砾石尺寸
第一类设计方法的设计结果如表2所示。
使用DePriester方法进行砾石尺寸设计结果如图2所示。
设计中的取值为：A=5.5，Cmin=1.5，Cmax=3.0，计算得到系数B的取值范围为[25.4，35.9]。
图中曲线A、B分别为B取最小值和最大值时的砾石尺寸分布曲线；曲线C为B取平均值时得到砾石尺寸范围曲线，对应的设计结果为砾石尺寸范围0.227～0.560mm，匹配的砾石标准为0.25～0.42mm。
使用Schwartz方法设计该井的砾石尺寸，设计中的取值为：Cmin=1.2，Cmax=1.5；选择设计点为d70，设计结果如图3所示。
曲线A、B分别为Cg= Cmin和为Cg= Cmin和时得到砾石尺寸分布曲线；曲线C为Cg取平均值1.35时得到砾石尺寸范围曲线，对应的设计结果为砾石尺寸范围0.160～0.300mm，匹配表1中的标准砾石尺寸为0.21～0.25mm。
使用孔喉结构模拟法对该井砾石尺寸进行设计，初步选择0.25～0.30mm、0.25～0.42mm、0.42～0.58mm、0.42～0.84mm四种砾石作为选择范围。
分别模拟四种砾石的孔喉结构并得到孔喉直径分布曲线，地层砂的重量分布曲线绘制在一起，如图4所示。
根据砾石的选取原则，0.25～0.30mm、0.25～0.42mm两种砾石的孔喉分布曲线与地层砂曲线非常接近并且在其右侧，选择其中较粗的0.25～0.42mm
砾石作为最终设计结果。
将全部七种方法的设计结果汇总如表2所示。
该井实际施工选择40～60目的砾石进行高压一次充填防砂施工作业，防砂效果良好，达到了阻止地层出砂和稳定气井产量的目的。
表2 全部方法的设计结果汇总
2 端部脱砂压裂防砂设计实例
端部脱砂压裂防砂技术是近年来逐步发展起来一种防砂工艺技术，大大拓展了水力压裂技术的应用范围，成为中高渗透油气层和不稳定松软地层的有效增产和防砂措施。
压裂充填防砂是在疏松砂岩高渗透油气层中通过水力压裂产生短而宽的裂缝，然后用砾石充填，形成高导流能力的人工裂缝。
其工艺技术核心是端部脱砂，即当水力裂缝长度和高度达到预期值时，大排量泵入低砂比砂浆，以保证砾石进入裂缝后不产生沉降，从而能够到达裂缝周边前缘后沉积。
砾石在裂缝周边的沉积可以终止裂缝长度的增加，并增大了裂缝内压力，从而使得裂缝只能在宽度方向增加，最终形成短而宽的裂缝。
从增产的角度讲，对于高渗透地层，增加裂缝导流能力不增加缝长更有利于提高增产效果。
裂缝中充填砾石形成一条高导流能力的渗滤带，有效地将地层压力传至井底，从而降低了生产压差，减小了原油的渗流阻力，达到增产和防砂效果(图5)。
中国石油大学（华东）研制的Sand control Office软件中有疏松砂岩地层端部脱砂压裂设计模块，如图6所示。
某气田属于疏松砂岩气藏，高粘土、高泥质、欠压实。
气层极易出砂，并且出砂为粉细砂，经过多年的防砂先导性试验，目前基本确定了以高压一次充填、压裂充填为主的防砂工艺技术体系。
压裂充填防砂目前主要采用纤维复合无筛管压裂充填防砂工艺。
对于无筛管纤维复合压裂防砂，纤维的选择是一项十分重要的工作。
在纤维材质选择时要考虑到其在储层条件下的稳定性和强度，并且从密度因素来考虑纤维的材质，再加上成本方面考虑，选用了特殊的G纤维，实验确定的纤维复合体主要由30～50目(0.3-0.6mm)树脂涂层砂+1%～2%SC-20防砂纤维构成。
在闭合压力20.68MPa条件下，复合体渗透率稍低于石英砂，可见围压对复合体的渗透率影响不大。
使用Sand control Office软件，以该气田某压裂防砂井为例，进行纤维压裂复合防砂施工参数优化模拟计算，施工参数计算结果结果见表3。
根据设计模型中的泵注程序设计，加砂浓度轮廓为阶梯型变化规律，如表4所示。
该井实施端部脱砂压裂防砂施工后，井口不出砂，产量增幅25%，防砂增产效果良好。
表3 某井纤维压裂复合防砂施工参数计算结果
表4 某井纤维压裂复合防砂施工泵注程序。