一、出砂概况油井出砂是油气开采过程中由于储层胶结疏松、强度低、流体的冲刷而导致射孔孔道附近或井底地带砂岩层结构被破坏，使得砂粒随流体从油层中运移出来的现象[1].（李兆敏,林日亿,王渊,等.高含水期射孔井出砂预测模型的建立及应用[J].石油大学学报:自然科学版,2003,27,(4):58,61,65.）在我国,除了少数油田的油井是由于砂岩层胶结不好、砂粒疏松.在开采初期就有出砂现象之外,许多出砂现象都是发生在油井生产的中后期.油田的中后期出砂特点是出砂量大、时间持久且难预测何时发生、防治较为困难。

国外在出砂预测方面研究应用较早.开发出了大尺寸出砂试验模拟系统、多种出砂理论模型和软件.我国近几年也正在从小尺寸的出砂预测逐步向大尺寸的出砂预测过度。

二、出砂的危害(1)减产或停产作业：油、气井出砂最容易造成油层砂埋、油管砂堵，地面管汇和储油罐积砂。

沙子在井内沉积形成砂堵，从而降低油井产量，甚至使油井停产，因此，常被迫起油管清除砂堵、清洗砂埋油层，清理地面管汇和储油罐。

其工作量大，条件艰苦，既费时又耗资。

即使这样，问题也还没有最终解决。

恢复生产不久，又须重新作业。

(2)地面和井下设备磨蚀：由于油层出砂使得油、气井产出流体中含有地层砂，而地层砂的主要成分是二氧化硅（石英），硬度很高，是一种破坏性很强的磨蚀剂，能使抽油泵阀磨损而不密封，阀球点蚀，柱塞和泵缸拉伤，地面阀门失灵，输油泵叶轮严重冲蚀。

使得油、气井不得不停产进行设备维修或更换，造成产量下降，成本上升。

(3)套管损坏，油井报废：最严重的情况是随着地层出砂量的不断增加，套管外的地层孔穴越来越大，到一定程度往往会导致突发性地层坍塌。

套管受坍塌地层砂岩团块的撞击和地层应力变化的作用受力失去平衡而产生变形或损坏，这种情况严重时会导致油井报废。

(4)安全及环境问题：意料之外的由于出砂引起的管道渗漏或设备失效还会引起严重的安全问题和溢出事故，尤其是在海上或陆上有水的地方。

此外地层砂产出井筒，对环境会造成污染，尤其是海洋油、气田更为环境保护法规所制约，所以油、气井防砂不仅是油、气开采本身的需要，也是环境保护的需要。

三、国内外出砂机理的发展80年代末N.Morita 和 D.L.Whltfill[2]( N.Morita and D.L.Whltfill. Realistic Sand Production Prediction. Numerical Approach SPE 16989)等人在文章中论述了剪切应力与张拉应力的作用所导致的地层破碎，出砂。

如果井底压力下降，剪切破碎将占主导地位。

如果地层内流体的流速高，张拉应力破碎将发生。

当达到以下条件时纯张拉应力破碎就会发生：1.射孔孔眼间距超过总间距的1/3；2.射孔密度小于7孔/米；3.射孔孔眼被封堵；4.对孔眼进行清洁时。

1991年N.Morita 和 P.A.Boyd 两人发表的文章中详尽地分析了油田现场常见的5种典型的油气田出砂问题[3]。

(N.Morita and P.A.Boyd. Typical Sand Production Problem. Case Studies andStrategies for Sand Control SPE22739)1.地层的弱胶结出砂这类油气藏出砂发生在油气井生产初期，或关井后的第二个生产周期。

对于弱胶结地层，剪切破坏所导致的出砂量要比拉伸应力所导致的出砂量大。

由于地层胶结性差，较小的采液强度就可以导致油气井出砂。

弱胶结地层的出砂量大约占油井总产量的10%～20%。

2.中等胶结强度易出水地层这种中等强度定义在3.45～6.8MPa。

这种地层开始不出砂，地层出水后却开始出砂。

其主要原因是由于出水后使原来固结砂粒的毛细管力消失，使得地层剪切破碎增强，破碎的砂粒的运移增大了砂粒间的剪切力，从而使油气藏出砂加剧。

3.油气藏压力下降导致胶结性好的地层出砂由于油藏压力降低，同时在主应力非常大的情况下，胶结强度高的地层容易出砂，这种地层出砂状况比弱胶结地层差，同时也可能时断时续的发生。

4.地层具有高水平构造应力胶结性好的地层出砂通常，两个水平主构造应力在出砂层位没有明显的区别，然而如果地层由于孔隙度的减小使得底层的强度变的更高，此时地层有较小的运动，将导致该方向上的应力很高，这种较高的应力差会导致井眼破碎，这种作用的结果使油气井出砂。

5.井眼表面周围高压力梯度的出砂问题由于井眼表面周围高压力梯度，射孔弹在射孔的过程中对井壁的振动作用造成孔眼壁面地层胶结性变差，加上流体流动拖拽力和摩擦力的作用，使地层的出砂加重。

井眼附近出砂区一般的特点是胶结性差，如果最大主应力超过地层强度，就可以不考虑地层胶结性差等因素断定地层出砂。

如果现存压力超过地层压力，出砂量增加的主要原因是剪切破碎。

通常地层突然出水或关井次数增加都会引起地层出砂情况的加剧。

Hall,C.D.Jr. and Harrisberger[4]等人是第一个用岩心三轴向试验来研究在不同的荷载和油、水两相作用下砂拱的稳定性问题。

他们经过实验观察到当润湿相浓度小于某个临界值时，砂拱将保持稳定；当润湿相浓度达到这个临界值时，砂拱将被破坏。

砂拱的稳定能力与砂拱的尺寸，润湿相大小有关，而且围绕在孔眼周围的砂粒必须具备一定的润湿相才能形成砂拱。

另外稳定的砂拱必须具有一定的外界应力和自身的凝聚力。

润湿相的浓度对砂拱的稳定性的影响主要体现在以下几方面；（1）单相浓度的砂粒构成不了稳定的砂拱；（2）强烈的引力会使孔眼增大；（3）两相环境下的砂拱稳定性好，在实验室条件下当润湿相饱和度S W＞3%形成稳定的砂拱；当S W＜20%有出砂的迹象；当20%＜S W＜32%连续出砂；当S W＞32%大量的流动砂产生。

（4）在两相区环境下，仅润湿相携带砂粒；（5）在润湿相饱和度较小的环境条件下，液流速度增加，砂拱尺寸也随之增加，随流速的降低砂拱保持稳定。

（6）润湿相浓度超过某一临界值时，砂拱将发生坍塌破坏。

（Hall,C.D.Jr. and Harrisberger，W.H.Stability of Sand Archcs;A Key to Sand Control SPE paper 2399）有几种因素导致出水后岩石胶结强度降低；(1)矿化水与岩石间的化学反应。

包括石英与矿化水的反应、碳酸钙溶解、岩石中铁离子的沉淀作用等。

(2)岩石表面张力和毛细管力的变化；(3)较高的流体压力梯度所产生的高流速和较强的拖拽力；(4)流体将岩石颗粒从岩石骨架上拖拽下来；(5)粘土的膨胀作用。

国内的出砂机理研究晚于国外主要归纳为以下三方面。

1.地层坍塌、剥落造成的油层出砂。

主要表现为射孔后弹孔周围地层应力集中，产生塑性变形，从而导致弹孔周边的骨架砂粒剥落、坍塌。

形成出砂。

2.拉伸破坏导致油层出砂。

拉伸破坏和流体的粘度、渗流速度有关，原油粘度越高、渗流速度越大，对砂粒的冲刷力与拖拽力越强，拉伸破坏越严重。

3.剪切破坏导致油层出砂。

随着原油的采出程度增大，地层压力逐渐下降，部分上覆地层压力转移到了岩石颗粒上增加了岩石颗粒间的压应力。

逐步形成大量的微破裂面，降低岩石强度使得大量颗粒从岩石骨架上脱落形成出砂。

四、出砂预测的方法出砂预测的方法很多，可分为现场预测法、经验公式(图表)法、实验室试验法、理论分析模型法等。

1.现场预测法(1)岩心观察：用肉眼观察，用手触摸等方法判断岩心强度。

若出现以下任意一种情况则地层容易出砂：一触即碎；停放数日自行破裂；能在岩心上轻易刻痕；用水或盐水浸泡，岩心松散破坏。

(2)岩石胶结：油层出砂与岩石胶结物种类、数量和胶结方式有着密切关系。

胶结物的强度越大越不容易出砂。

砂岩的胶结物中硅质和铁质的胶结强度最大，碳酸盐其次，粘土最差。

胶结物的构成种类越少，胶结物的强度越大。

(3)综合测井法：通过测井技术所提供的丰富井下地层信息，利用测井资料和生产测试资料来预测井的出砂是较好的方法。

利用测井资料对出砂层位进行预测，利用声波时差和密度测井等方法获得的岩石强度，据此预测油井生产时是否会出砂。

(4)试井法：对于同一口井在不同时期进行试井测试，绘制渗透率随时间的变化曲线，从渗透率曲线的变化来判断油层是否出砂。

2.经验公式(图表)法(1)出砂指数法：根据储层的岩石力学性质，可进行油层出砂情况的预测。

出砂指数预测需要复杂的处理、分析、计算过程。

首先对声波时差及密度测井等资料进行曲线数字化，然后进行计算参数的选择，求得岩石强度的有关参数，最后计算处理得到不同井深的出砂指数。

依据各弹性模量之间的关系求得的出砂指数关系式为：B=K+4/3GK=E/3(1-2µ)式中：B：出砂指数K：体积弹性模量E：杨氏模量G：切变弹性模量µ：泊松比B的值越大，表明岩石的体积弹性模量K和切变弹性模量G 之和越大，则岩石强度越大，稳定性越好，越不易出砂。

出砂指数大于3为不出砂；出砂指数小于2为出砂；出砂指数在2～3时少量出砂。

(2)地层孔隙度法：通过测井技术得出的地层孔隙度来判断地层是否出砂的方法。

因为地层孔隙度和地层的胶结强度有关。

当地层孔隙度大于30%，地层出砂较为严重；孔隙度在20%～30%之间，地层出砂较轻，许考虑防砂；孔隙度小于20%，地层出砂轻微。

(3)声波时差法：技术人员经常采用声波时差△t c这一最低临界值进行出砂预测。

△t c 为295微米/米，低于这一临界值就不出砂，高于这一临界值生产时就会出砂。

△t c会根据油田的不同而产生偏差，但上下浮动不会太大。

(4)双参数法(绘图法)：以声波时差为横轴，生产压差为纵轴，把数口井的时差、压差数据点绘在坐标图上，则出砂井数据点则会形成一个出砂区。

再把要预测井的数据点画在同一坐标图上，若落点在出砂区，则该井出砂；否则不出砂。

(5)斯伦贝谢法：由斯伦贝谢公司的技术人员最早提出的一种方法。

通过计算剪切模量与体积模量的乘积（临界值为5.9×107MPa）作为判断是否出砂的定量指标。

(6)组合模量法(多参数法的一种)：埃克森美孚法（ExxonMobil）通过建立一个出沙井与深度、开采速度、生产压差、采油指数、地层含水率等参数的判别函数，用该函数判定油井是否出砂。

3.实验室试验法(1)岩心实验模型法在模拟井下温度、压力、产液量、生产压差下用大、小岩心进行模拟试验。

大岩心实验所用的岩心直径为102～245mm、长度204～506mm，流体流量200mL/s左右。

用这种岩心进行破坏实验，可测定岩心破坏应力。

若岩心破坏应力大于近井筒垂直有效应力，则地层出砂。

该方法考虑到了射孔的影响，应用广泛。

最典型的有厚壁圆柱筒简化模型。

在无法取得大岩心的情况下可以采用小岩心模拟出砂试验。