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第二章 防砂方法原理
2.1 防砂方法分类
根据防砂原理及工艺特点，目前主要防砂方法大致可分为机械防砂、化学防砂、复合防砂和其它防砂方法几类。
（1）机械防砂方法
机械防砂方法可以分为两类，第一类是仅下入机械管柱的防砂方法，如绕丝筛管、割缝衬管、各种滤砂管等。这种方法简单易行，施工成本低。缺点是防砂管柱容易被地层砂堵塞，只能阻止地层砂产出到地面而不能阻止地层砂进入井筒，有效期短，只适用于油砂中值大于0.1mm的中、粗砂岩地层。
第二类机械防砂方法为管柱砾石充填，即在井筒内下入绕丝筛管或割缝衬管等机械管柱后，再用砾石或其它类似材料充填在机械管柱与套管的环形空间内，并挤入井筒周围地层形成多级滤砂屏障，达到挡砂目的。这类方法设计及施工复杂，成本较高；但挡砂效果好，有效期长，成功率高，适用性广，可用于细、中、粗砂岩地层，垂直井，定向井，热采井等复杂条件。砾石充填防砂的缺点主要是施工复杂，一次性投入高；若砾石尺寸选择不当，地层砂侵入砾石层后会增加油流入井的阻力，影响防砂后的油井产能。研究结果表明，砾石充填井筒附过主要压降损失在填有砾石的射孔炮眼内。因施工过程较长，必须注意减少作业过程中对油层的作害。
（2）化学防砂
化学防砂是向地层中挤入一定数量的化学剂或化学剂与砂浆的混合物，达到充填、固结地层、提高地层强度的目的。化学防砂主要分为人工胶结地层和人工井壁两种方法。人工胶结地层是向地层注入树脂或其它化学固砂剂，直接将地层砂固结；人工井壁是将树脂砂浆液、预涂层砾石、水带干灰砂、水泥砂浆、乳化水泥等挤入井筒周围地层中，固结后形成具有一定强度和渗透性的人工井壁。
化学防砂方法适用于薄层短井段，对粉细砂岩地层的防砂效果好，施工后井筒内不留下任何机械装置，便于后期处理。缺点是有机化学剂材料成本高，对油藏温度的适应性较差，易老化，有效期短，固结后地层渗透率明显下降，产能损失大。
（3）焦化防砂
焦化防砂的原理是向油层提供热能，促使原油在砂粒表面焦化，形成具有胶结力的焦化薄层。主要有注热空气固砂和短期火烧油层固砂两种方法。缺点主要是强度低，可控性差，对油藏流体性质有较大的依赖性。
（4）复合防砂
复合防砂利用机械防砂和化学防砂的优点相互补充，一方面能在近井地带形成一个渗透性较好的人工井壁，另一方面利用机械防砂管柱形成二次挡砂屏障，起到很好的防砂效果。复合防砂效果好，有效期长。复合防砂通常使用的机械防砂管柱为滤砂管和绕丝筛管，与之配合使用的化学方法常为化学剂和涂料砂。
目前常用的防砂方法归类如表2-1
表2-1 防砂方法分类
机械防砂
滤砂器防砂
绕丝筛管
割缝衬管
双层预充填绕丝筛管
金属棉（毡、布）滤砂管
树脂石英砂滤砂管
陶瓷滤砂管
机械防砂
砾石充填防砂
裸眼砾石充填
筛管管内砾石充填
筛管管外砾石充填
化学防砂

人工胶结固砂
酚醛树脂胶结地层
酚醛溶液地下合成防砂
人工井壁
预涂层砾石人工井壁
树脂砂浆人工井壁
水带干灰砂人工井壁
水泥砂浆人工井壁
树脂核桃壳人工井壁
乳化水泥人工井壁
其它方法
焊接玻璃固砂
氢氧化钙固砂
四氯化硅固砂
水泥—碳酸钙混合液固砂
聚乙烯固砂
氧化有机物固砂
复合防砂
机械、化学相结合的防砂方法、高渗压裂充填防砂
其它方法
降低流速
增大射孔段长度、增加射孔密度
控制产量
增大油层径向应力
裸眼产层膨胀式封隔器
焦化防砂
注热空气固砂
短期火烧油层固砂

2.2 机械防砂
2.2.1 滤砂器防砂原理
滤砂器防砂是指将经过特殊工艺制成的具有滤砂功能的滤砂器用管柱和辅助工具直接悬挂在井内出砂层位，如图2-1所示。这种滤砂器具有较高的渗透性，充许地层流体通过但可以阻挡地层砂。地层产出液必须经滤砂器才能进入井筒流到地面。目前通常使用的滤砂器有绕丝筛管、割缝衬管、双层预充填砾石绕丝筛管、各种滤砂管以及其它新型滤砂工具等。
图2-1 滤砂器类防砂示意图
各类滤砂器不仅可以阻止直径大于滤砂器缝隙宽度（或孔
隙、网孔直径），而且可利用“桥架”作用阻止小于滤砂器缝隙宽度的部分地层砂流入井筒。
（1） 绕丝筛管
全焊接不锈钢绕丝筛管由基管（带孔中心管）、纵筋和不锈钢绕丝组成，如图2-2（a）所示。基管上钻有一定密度和孔径的圆孔，提供流体通过绕丝缝隙后流入井筒的通道。在基管上带有纵筋，以支撑绕丝。国内选用1Cr18Ni9Ti不锈钢丝作为不锈钢绕丝的原料，轧制成一定尺寸的三角形截面的绕丝和纵筋。在绕制过程中，绕丝和纵筋的每一个交叉接触点都用电阻焊焊接在一起，使筛套形成具有一定强度的整体，按一定的长度要求两面三刀端切平，焊上接箍。将带孔中心管穿过筛套。再把筛套两端接箍焊在中心管上。之所以将绕丝压制成三角形或梯形截面，是因为用这种形状的钢丝绕制成的缝隙对于地层砂粒有“自洁”作用，如图2-2(b)所示。一旦有颗粒随液流进入绕丝缝隙，由于越向外空隙越大，砂粒不会滞留堵塞在缝隙内。

图2-2（a） 绕丝筛管示意图 图2-2（b） 绕丝筛管缝隙的“自洁”作用
除了具有“自洁”特点外，不锈钢绕丝筛管政治家耐腐蚀、工作寿命长、缝隙连续、流能面积大等优点。这也是绕丝筛管得以广泛应用的主要原因。其缺点是造价高，能常为割缝衬管的2~3倍。
（2）割缝衬管
如图2-3所示，割缝衬管的结构和加工相对比较简单。割缝衬管是直接使用锯片铣刀在铣床上铣削套管而成，割缝可以使地层流体通过同时阻挡地层砂，割缝缝眼排列方式有平行轴向方向，交错排列。平行割缝衬管的缝眼长度取L=50~300mm，垂直割缝衬管取L=20~50mm，小直径高强度衬管取高值，大直径低强度衬管取低值。
图2-3 割缝衬管示意图
割缝衬管割缝缝眼的剖面呈梯形夹角为12℃左右。梯形大的底边为衬管内表面，这种外窄内宽的形状可以避免
砂粒卡死在缝眼内而堵塞，具有“自洁”作用。缝眼排列
方式有平行轴向方向和垂直轴线方向两种排列方式。由于平行割缝的强度较高，通常采用平等割缝，缝眼以交错排列为宜。
割缝衬管防砂是在油层部位下预先割缝的衬管，依靠衬管顶部的衬管悬挂器，将衬管悬挂在技术套管上，并密封衬管和套管之间的环形空间，割缝衬管的防砂机理是充许一定大小的、能被原油携带至地面的细小砂粒能过，而把较大的砂粒阻挡在衬管外面，大砂粒在衬管外形成砂桥，而将地层砂阻挡在割缝衬管与套管的环空中，达到防砂的目的。

割缝衬管防砂工艺简单，操作方便，成本低。但受机械加工技术限制，衬管割缝的最小缝宽达0.3mm左右，适用地层砂的范围较小，随着加工技术的进步，割缝衬管的最小缝宽也越来越小。割缝衬管防砂有效期短，效果差，缝眼易被细砂堵塞或磨损。
（3）双层预充填砾石绕丝筛管防砂
双层预充填砾石绕丝筛管（简称双层筛管）由内、外绕丝筛管、涂层砾石及中心管组成。在地面上将分散的预涂层砾石装入内外绕丝筛管之间环空内，两端密封后，加温将涂层砾石固结即可。如图2-4所示。
双层筛管的内、外筛管缝隙尺寸相同，一般缝宽小于弃填预涂层砾石直径的1/2，以保证砾石充填体的稳定性。外管直径应尽量接近于套管内径，间隙约10mm即可；内管内径比中心管直径大2mm，内外管的环空间隙厚度保持在15mm~25mm。
双层筛管防砂是在地面预先将符合油层砂筛析要求的砾石充填在有内外双层环形空间预制成整体防砂筛管。将防砂筛管下入套管内，对准油层部位，用悬挂器固定在油层顶部，或者直接联结在油管底部，绕丝及夹层内的砾石层可以阻挡地层砂通过。
（4）金属棉滤砂管防砂
图2-4 双层预充填砾石绕丝筛管
1-接箍；2-压盖；3-内绕丝筛管；
4-砾石；5-外绕丝筛管；6-中心管
金属棉滤砂管的结构如图2-5所示。它由带孔基管、金属棉和保护管组成，基管的保护管上均有钻孔，提供流体流动通道。在基管和保护管之间的夹层中充填有不锈网纤维，即金属棉，作为滤砂管的过滤介质。金属纤维按一定的数量置于预制的模具中，经断丝、混丝经滚压、梳分后在一定压力下成型，镶嵌于管壁孔内或套于中心管上，并加以固定并加筛套保护备用。金属纤维体内孔隙直径和渗透率可通过纤维用量及成型压力加调整，使之即保持一定弹性，由具有足够的强度和渗透率，供不同境况的油井选用。金属纤维厚度一般为10~20mm，压缩系数和渗透率可以根据需要调整。保护管用于保护金属棉套不受损坏，孔数为300/m，孔径10mm。
金属棉滤砂管的防砂原理是：大量金属纤维被压紧堆集在一起，形成高缝隙密度的防砂滤网阻挡地层砂粒通过，其缝隙大小与纤维堆集紧密程度有关。通过控制纤维的压紧程度达到适应不同油层砂径的防砂要求。由于金属纤维层富有弹性，在一定的驱动力下，小砂粒可以通过缝隙，因而避免金属纤维被堵死。砂粒通过后，纤维又可恢复原状而起自洁作用。大量的地层砂被外层金属网阻挡形成砂拱，可阻挡网眼直径的地层砂。
图2-5 整体式金属棉滤砂管
金属棉滤砂管分为单体（镶嵌）式和整体式两种。单体式金属棉是由多孔盖（滤网）、不锈钢金属棉丝、压板、焊
缝、基管组成。整体式金属棉滤砂管是由不锈钢金属棉丝、
保护套（打孔套管）、中心管、扶正器组成。整体式滤砂管如图2-5所示。
（5）陶瓷滤砂管
陶瓷滤砂管是由外管、陶瓷管、密封部分组成。将陶瓷管装入外管内，两端采用耐油、耐水、耐磨性好的铜基密封件密封，下端用螺钉将陶瓷管固定在外管上，上端为自由滑动端。外管部分主要起保护作用，设计时保证一定的流通面积，并具有一定的抗拉强度。其结构示意图见图2-6。外基管起联结管柱和保护陶瓷管的作用。其流通面积大，足以满足油井高产量要求，并有相当高的抗拉强度，以保证防砂后期处理时不被拉断。陶瓷管与外基管之间上端为自由轴向滑动，以消除陶瓷管热效应影响。
图2-6 陶瓷滤砂管
陶瓷管是一种具有曲折连通性好的微孔过滤材料，根据油层砂粒中值的大小和渗透率高低，优选不同粒径陶粒砂与一定
配比的无机胶结剂粘结定型、经高温烧结而成。当油层流体带
出地层砂，流经陶瓷管的微孔连通孔道时，流体进入中心管被采出来，而地层砂被阻挡在陶瓷管与套管环空内起到防砂作用。陶瓷管防砂管柱主要由陶瓷管、扶正器、热胀补偿器、安全接头、耐热封隔器及丢手接头等组成。
（6）树脂石英砂滤砂管防砂
树脂石英砂滤砂管由滤砂管、引鞋和中心管三部分组成。用精选好的石英砂和环氧树脂或酚醛树脂，按一定配比均匀混合，装入特制的模具中，在一定条件下固化成型，脱模后取出获得具有一定外形尺寸、适当渗透率的滤砂管和引鞋。
（7）多孔冶金粉末滤砂管
多孔冶金粉末滤砂管用经过筛选的铜颗粒或铁粉烧结而成，多数采用铁粉烧结，成本低，是由铜合金包覆金属粉末用独特的生产工艺制造的。滤砂管采用密封胶结连接，壁厚薄，连接强度较低，容易开裂，使中心管内充满地层砂，造成堵塞。
该滤砂管具有弯曲的过滤通道，孔隙孔道纵横交错，其孔隙度与孔径大小可以控制和再生，具有很高的渗透能力，而且渗透性能稳定，具有足够的强度。有耐高温、抗震动等特性。可防粒度中值大于的地层砂。
2.2.2筛管砾石充填防砂机理
砾石充填防砂方法是应用较早的防砂方法。由于近年来理论、工艺及设备的不断完善，被认为是目前防砂效果最好的方法之一，在国外约占所有防砂施工总量的近90﹪。
筛管砾石防砂方法是指将绕丝筛管或割缝衬管下入井内防砂层段处，用一定质量的流体携带地面选好的具有一定粒度的砾石，充填于筛管和油层或套管之间，形成一定厚度的砾石层，以阻止油层砂粒流入井内的防砂方法。砾石粒径根据油层砂的粒度进行选择，预期将油层流体携带的砂粒阻挡于砾石层之外，通过自然选择在砾石层外形成一个由粗到细的砂拱，既有良好的流通能力，又能有效地阻止油层出砂。常用的砾石充填方式有两种，即用于裸眼完井的先期裸眼绕丝筛管砾石充填[图2-7（a）]和用于射孔完井的套管内筛管砾石充填[图2-7（b）]两种。

图2-7 筛管砾石充填防砂示意图
（a）裸眼砾石充填；（b）套管内砾石充填
1-油管；2-水泥环；3-套管；4-封隔器；5-衬管；6-砾石；7-射孔孔眼
（1）先期完成裸眼绕丝筛管砾石充填防砂
先期完成裸眼绕丝筛管砾石充填防砂完井程序是在下完表层套管并固井后，用9或8（浅油层）钻头钻到预计的油层顶部下入技术套管，管外用油井水泥加30﹪石英粉的耐温水泥返至地面。然后用优质完井液第三次开钻，用钻头将油层钻穿。一般钻入油层以下4～5，电测证实己钻完油层。再用扩孔钻头将套管鞋0.5～1.0以下的油层段井眼扩大到。下套管刮管器刮去套管内壁泥饼并冲洗干净。然后下入绕丝筛管柱，筛管外充填砾石，再砸固铅封完井。先期裸眼砾石充填完井示意图见图2-7（a）。
裸眼砾石充填的渗透面积大，砾石层厚，防砂效果好，对油层产能的影响小。但其常用于油井先期防砂，工艺较复杂，且对油层结构要求有一定的强度，对油层条件要求高（如单一油层、厚度大、无气、水夹层等）。
这种防砂技术在国外早已采用。在中国于80年代初深井稠油注蒸汽热采试验开始，辽河高升油田，胜利单家寺油田及克拉玛依九区等稠油油藏相继试验成功，并推广应用了这种防砂技术。
（2）套管井筛管砾石充填防砂
套管井筛管砾石充填防砂是在先期裸眼绕丝筛管砾充填方法基础上发展起来的。它适用于套管完成井。首先在井筒内下入绕丝筛管或割缝衬管，正对油层。然后用携砂液将砾石充填在筛管与套管的环形空间内，形成滤砂层，这样筛管支撑砾石层，而砾石层则起到挡砂作用。既控制油层出砂，又保持较高的渗流能力，使油井正常生产。这种方式通常称为套管内砾石充填，如图2-7(b)所示。
与套管内砾石充填相对应，还有一种充填方式称为管外充填。对于一些出砂的老井，套管外井筒附过由于长期出砂，形成的地层亏空较严重。这种情况下，为了提高孙砂效果，通常在进行套管内砂石充填之前，先对管外地层进行挤压充填，即将砾石通过射孔孔眼挤压充填到管外地层亏空区域，这一过程称为管外充填。管外充填之后，再进行管内充填，可得到较好的防砂效果。
2.3 化学防砂
2.3.1 人工胶结固砂方法
（1）酚醛树脂胶结砂层
酚醛树脂胶结砂层是以苯酚、甲醛为主料，以碱性物质为催化剂，按比例混合，经加温熬制成甲阶段树脂（粘度控制在300mPa·s左右），将此树脂溶液挤入砂岩油层，经柴油增孔，再挤入盐酸作固化剂，在油层温度下反应固化将疏松砂岩胶结，防上油、水井出砂的方法。该方法适用于油水井早期防砂，胶结后砂岩抗折强度0.8MPa左右，渗透率可保持原来的50%左右，耐温100℃，耐水、油、盐酸等介质，不耐土酸浸蚀，施工较易掌握，但成本较高，施工作业时间长。
（2） 酚醛溶液地下合成防砂
酚醛溶液地下合成防砂是将加有催化剂的苯酚与甲醛，按比例配料搅拌均匀，并以柴油为增孔剂。酚醛溶液挤入出砂层后，在油层温度下逐渐形成树脂并沉积于砂粒表面，固化后将油层砂胶结牢固，而柴油不参加反应为连续相充满孔隙，使胶结后的砂岩保持良好的渗透性，从而起到提高砂岩的胶结强度，防止油气层出砂的方法。
该方法为油井先期和早期防砂方法，适用于温度高于60℃，粘土含量较低的中、细砂岩油层。平均有效期二年以上，施工较为简单，对油层已大量出砂或出水后防砂效果差，不宜选用。
2.3.2 人工井壁防砂方法
（1）预涂层砾石人工井壁
预涂层砾石人工井壁是指在石英砂外表面，能过物理化学方法均匀涂敷一层树脂，在常温下干固，形成不发生粘连的稳定颗粒。将这种预涂层砾石使用携砂液携带至油井的出砂层位，在一定的条件下（挤入固化剂和受温度的作用）砾石表面的树脂软化粘连并固结，形成具有良好渗透性和强度的人工井壁，以防止油气层出砂的方法。该方法适用于吸收能力较大，温度高于60℃的油层防砂，施工简单，成功率高，胶结后的砾石抗折强度可达5MPa左右，渗透率可保持在原始值的90%以上，是目前较好的化学防砂方法。
（2） 水泥砂浆人工井壁
水泥砂浆人工井壁是以水泥为胶结剂、石英砂为支撑挤，按比例混合均匀，拌以适量的水，用油携至井下，挤入套管外，堆积于出砂部位，凝固后形成具有一定强度和渗透性的人工井壁，防止油气层出砂的方法。该方法是油井后期防砂方法，渗透率较高，原材料来源广泛，施工简单，但用油量较大，胶结后抗折强度小于1MPa，有效期较短。
（3）树脂核桃壳人工井壁
树脂核桃壳人工井壁是以酚醛树脂为胶结剂，粉碎成一定颗粒的核桃壳为支撑剂，按一定比例拌合均匀，使每个核桃壳颗粒表面都涂有一层树脂，并加入少量柴油浸润，然后用油或活性水携至井下，挤入射孔层段套管外堆积于出砂层位，在固化剂的作用下经一定时间的反应树脂固结，形成具有一定强度和渗透性的人工井壁，防止油气层出砂的方法。该方法适用于油水井早期防砂，胶结后人工井壁渗透率较高，强度较大，具有较好的防砂效果，但原材料来源困难。
（4）树脂砂浆人工井壁
树脂砂浆人工井壁是以树脂为胶结剂，石英砂为支撑剂，按比例混和均匀，使石英砂表面涂敷一层均匀的树脂薄膜，并加入少量的柴油浸润，然后用油携至井下挤入套管外出砂层位，凝固后形成具有一定强度和渗透性的人工井壁，防止油气层出砂的方法。该方法是油水井后期防砂方法，适用于吸收能力较高的油、水层，其适应性较强，不受井深限制，但施工中现场拌合劳动量大，加携砂液困难。
2.4 复合防砂
复合防砂利用机械防砂和化学防砂的优点相互补充，一方面能在近井地带形成一个渗透性较好的人工井壁，另一方面利用机械防砂管柱形成二次挡砂屏障，起到很好的防砂效果。复合防砂效果好，有效期长。复合防砂通常使用的机械防砂管柱为滤砂管和绕丝筛管，与之配合使用的化学方法常为化学剂和涂料砂。
复合防砂的适应性广，几乎可以用于任何复杂条件下的防砂措施。但复合防砂工艺复杂，成本高，因此一般在单种防砂方法效果不好时使用，尤其用于粉细砂岩、渗透性差的地层，也用于地层亏空严重的老井防砂。
2.4.1 常规机械—化学复合方法
最常见的复合防砂方法是上述机械防砂管柱与化学固砂剂相结合使用。

（a）绕丝+涂层砾石复合防砂 （b）化学固砂+双层筛管复合防砂
图2-8 复合防砂示意图
图2-8（a）为绕丝筛管+涂层砾石（涂敷砂）砂复合防砂示意图。首先进行管外涂敷砂挤压充填，固结后钻塞，然后下入绕丝筛管。图2-8(b)为化学剂固砂+双层预充填绕丝筛管复合防砂示意图，地层用化学剂固结后再下入双层预充填绕丝筛管。
2.4.2 高渗压裂充填防砂
高渗压裂充填防砂是90年代迅速发展起来的一种新的复合防砂技术，对高渗的疏松砂岩地层即进行水力压裂，又进行砾石充填，将两种工艺有机结合在一起，达到传统工艺所不能达到的使油井既高产又控制出砂的最佳效果。
高渗压裂充填防砂既能提高产量又能有效防砂的主要技术原理如下：
（1） 压后地层流体流动特征
压裂前，均质地层流体进入井筒的流动为径向流；压裂后地层流体的流动为两种模式，先是地层内部向裂缝面流动的线性流，然后是流体沿裂缝直接进入井筒，如图2-9所示，形成双线性模式。
（2） 水力裂缝可以避免和缓解岩石的破坏
具有极高导流能力的压裂裂缝将地层流体由原来的径向流转变成双线性流，在一定程度上降低了生产压差和大幅度降低流动压力梯度。从而缓解或避免岩石骨架的破坏，也就缓解了出砂趋势和程度。

图2-9 双线性流模式示意图
（3） 裂缝可以降低流动冲刷携带砂粒的能力
流体对颗粒的冲刷与携带能力主要取决于其流速，流速越大，对地层的冲刷作用越厉害，出砂就越严重。由裂缝而产生的双线性流模式及巨大的裂缝表面积可以发挥良好的分流作用，使压后流速大幅降低，从而降低了对地层微粒的冲刷和携带作用，大大减轻出砂程度。
（4）裂缝内充填的砾石对地层砂粒有阻挡作用
作用原理与常规的砾石充填类似，裂缝内充填的砾石对地层砂粒有阻挡作用。有时可以使用树脂复膜砂作为支撑剂或以复膜砂在井底缝口段封口，以提高对地层砂的阻挡能力。
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