对于射孔完井的垂直井砾石充填防砂，井筒内充填层为径向流，充填层外部为射孔孔眼内液体携带地层砂的混合入流。为了模拟这种径向流驱替状态，实验采用径向流驱替模拟方式，即使用流体携带地层砂模拟地层流体从孔眼的产出冲击砾石层，测量通过砾石层的流量和压力差，计算其渗透率随时间的变化；并收集通过砾石层的地层砂计算过砂率，同时观察实验过程中砾石层的冲蚀孔洞形态和稳定性。

实验采用的挡砂介质综合性能测试实验装置流程图如图 1（a）所示，实验装置由主体径向驱替容器、储液罐、加砂器、集砂器、砂浆泵、数据采集系统、控制系统等组成。主体径向驱替容器示意图如图 1（b）所示。

图  1  实验装置流程及示意图

Figure 1.  Flow chart and sketch of experimental device

主体径向驱替容器由透明耐压材料制成，内径为300 mm，高度为250 mm，能够放置外径为100~250 mm、长度为246~248 mm的筛管短节。实验时将筛管短节放置于容器中心，将砾石充填到筛管外壁与模拟井筒内壁之间的环形空间后两端封闭以确保携砂流体从侧面进入砾石层内部；实验流体携带地层砂从分布于装置外筒上的6个入流口进入容器，直接冲击砾石层，用于模拟射孔完井条件下管内砾石层受到产出液冲刷、堵塞的过程。实验时通过设置于容器底部筛管内外的4对差压传感器测量通过砾石层的压差。实验装置实物图如图 2所示。

图  2  挡砂介质综合性能测试实验装置

Figure 2.  Experimental device for testing the comprehensive performance of sand blocking media performance evaluation

为了定量表征砾石层的充填密实程度，定义其为在相同的驱替容器和筛管外径条件下，实际充填的砾石质量与理想密实充填状态下的砾石质量之比，用百分比表示。理想密实充填状态砾石质量是指完全使用人工压实（保证容器顶盖能够密封且不漏失）下能够充填的最大砾石质量，理想密实状态对应充填密实程度为100%。要控制充填密实程度，首先测试得到100%密实程度对应的充填砾石质量，然后根据预期充填密实程度，控制相应的充填砾石质量即可。

实验时，针对给定的地层砂设定相同的流体流量、携砂浓度等条件后，使用相同的筛管类型和精度以及相同粒径的同种充填材料，但设置不同的充填密实程度进行挡砂驱替实验；使用携带地层砂的流体以稳定的含砂率进行长时间驱替，驱替的过程即是砾石层挡砂介质挡砂和同时被堵塞的过程。实时测量流量、压力、砾石层两侧压差等数据以计算砾石层渗透率变化，并最终收集通过砾石层挡砂介质的地层砂量，使用过砂率表示不同充填密实程度砾石层的挡砂能力。

砾石层的挡砂和堵塞取决于通过砾石层内外的流量和压差，和绝对压力无关，因此本实验采用低压系统，流体排出至储液罐的出口压力为大气压，实验压力取决于实验排量和砾石层堵塞程度以及流动阻力。

为了便于观察砾石稳定性及冲刷形态，实验驱替流体使用黏度约为1.0 mPa· s的清水。使用的地层砂、充填材料和筛管如图 3所示。模拟地层砂根据某储层地层砂筛析曲线使用工业石英砂复配得到，地层砂粒度中值为60 μm，泥质含量30%，其中蒙脱石粉4.5%、伊利石粉20.1%、高岭石粉5.4%。实验充填材料使用普通石英砂砾石和人造陶粒两种，粒径均为40~70目（0.212~0.425 mm）。实验筛管样品使用金属棉筛管；选取筛管精度为120 μm使其不具备挡砂功能，仅用于支撑砾石层。

图  3  挡砂驱替实验材料

Figure 3.  Materials for sand blocking displacement experiment

使用上述模拟地层砂、金属棉筛管及充填砂样品，分别使用不同的充填密实程度进行挡砂驱替实验，砾石充填密实程度分别取100%、98%、96%和95%。针对同一充填砂，将砾石充填密实程度作为唯一变量，实验设定初始流量约2.12 m³/h驱替，实验时起初3~5 min不加砂测量砾石层初始渗透率，然后开始加砂驱替，模拟挡砂和堵塞过程，观察实验压差变化曲线。当压差曲线平稳后，说明砾石层达到堵塞平衡状态，即停止实验。收集通过挡砂介质的地层砂，晾干后测量重量，每次实验加砂量为400 g。

采用上述实验方法，在金属棉筛管外部充填40~70目陶粒砂，使用清水携带粒度中值60 μm的地层砂驱替。在相同的实验条件下，分别设置充填密实程度为100%、98%、96%和95%。使用陶粒进行的4次实验的驱替流量和充填层内外压差随时间的变化对比如图 4和图 5所示，计算得到的总体渗透率变化如图 6所示。使用石英砂进行的不同充填密实程度下4次驱替实验的充填层渗透率随时间变化如图 7所示。

图  4  不同充填程度陶粒挡砂驱替实验流量变化曲线

Figure 4.  Flow rate variation in the sand blocking displacement experiment of ceramsite with different packing degrees

图  5  不同充填程度陶粒挡砂驱替实验驱替压差变化曲线

Figure 5.  Displacement pressure difference in the sand blocking experiment of ceramsite with different packing degrees

图  6  不同充填程度陶粒挡砂驱替实验渗透率变化曲线

Figure 6.  Permeability in the sand blocking displacement experiment of ceramsite with different packing degrees

图  7  不同充填程度石英砂挡砂驱替实验渗透率变化曲线

Figure 7.  Permeability in the sand blocking displacement experiment of quartz sand with different packing degrees

如图 4~ 图 7所示，驱替流量、压差和渗透率变化可以反映砾石层挡砂及堵塞过程。实验起始阶段用清水驱替5 min，流量、压差和渗透率稳定；加砂后，由于挡砂和堵塞效应，流量略有波动但基本稳定，驱替压差逐步上升，表明砾石层和筛管介质逐步被堵塞，渗透率明显下降；实验后期，驱替压差基本不变，堵塞达到平衡状态，渗透率也基本保持稳定。4种充填密实程度下的充填层初始渗透率及最终渗透率和渗透率比不同，体现充填程度对充填层挡砂性能和流通性能的直接影响。石英砂和陶粒2种充填材料实验表现出基本相同的规律。

图 8和图 9分别使用40~70目陶粒和石英砂，充填密实程度分别为100%、98%、96%和95%下挡砂驱替实验结束时的最终孔眼入流处冲蚀形态。每次驱替实验大约持续时长42 min。在加砂驱替完毕后，使用清水不加砂持续驱替。在砾石层外围的模拟孔眼入流处（整个容器共6个）由于水流冲击造成砾石和陶粒颗粒的压实和重新排列组合，逐步形成冲蚀孔洞。

图  8  陶粒砂充填不同充填密实程度孔洞形态对比

Figure 8.  Comparison of vug morphology in the pattern of ceramsite sand packing with different packing solidities

图  9  石英砂充填不同充填密实程度孔洞形态对比

Figure 9.  Comparison of vug morphology in the pattern of quartz sand packing with different packing solidities

分析图 8和图 9发现，即使在100%充填密实程度下，无论是陶粒还是石英砂，在孔眼入流处均有明显的小型冲蚀孔洞。这表明，即使在人工密实充填情况下，射孔孔眼入流口的砾石充填层冲蚀孔洞也不可避免。当充填密实程度为98%和96%时，入流口的冲蚀孔洞出现明显的长条形并依次加长。即随着充填密实程度降低，冲蚀孔洞的面积和区域不断扩大；尤其在充填率95%时，形成较大区域的充填孔洞，呈明显的倒三角形状，地层砂可以在“三角斜坡面”上形成桥架层。所有实验均可以观察到地层砂侵入表层充填砂并逐渐在孔洞表面形成稳定的桥架层的现象。

图 10和图 11分别为使用40~70目陶粒和石英砂，充填密实程度100%、98%、96%和95%下挡砂驱替实验结束时，打开容器顶盖观察到的最顶部孔眼的地层砂侵入深度对比。图中充填层中的白色或浅色区域即为侵入的地层砂，从容器外部向内延伸的白色区域代表地层砂的侵入深度。

图  10  陶粒砂充填不同充填密实程度孔洞深度对比

Figure 10.  Comparison of vug depth in the pattern of ceramsite sand packing with different packing solidities

图  11  石英砂充填不同充填密实程度孔洞深度对比

Figure 11.  Comparison of vug depth in the pattern of quartz sand packing with different packing solidities

从图 10、11可看出，使用陶粒和石英砂实验结果类似，地层砂的侵入深度随着充填密实程度的降低而增加，砾石层稳定性变差。充填密实程度100%时，地层砂侵入区域为近圆形，深度约为砾石层厚度的1/3；之外区域基本保持干净。充填密实程度为98%和96%时，侵入形状范围开始变得不规则，并且深度增加，几乎接近筛管外壁。当充填密实程度为95%，地层砂完全穿透砾石层，侵入区域呈不规则状。

综合分析图 8~ 图 11的充填形态和深度随充填密实程度的变化规律可知，即使完全密实充填情况下，在孔眼入流处由于流体冲刷排列重组作用，砾石层中也会形成冲蚀孔洞，造成地层砂侵入砾石层，但侵入深度较浅。而随着充填密实程度降低，冲蚀孔洞逐步扩大，地层砂侵入深度也明显增加，甚至穿透砾石层突破到筛管外壁。这表明，对于现场实践中的管内砾石充填防砂，由于很难达到100%密实充填，生产过程中地层流体产出冲击筛套环空砾石层，并形成孔洞造成地层砂侵入是可能的，并且可能是普遍存在的。这种情况下，砾石层失去稳定性，很难再起到挡砂作用。要起到防砂作用，必须使筛管承担挡砂功能。鉴于此，在进行管内循环砾石充填防砂设计时，考虑砾石层的不稳定性而失去挡砂功能的可能性，机械筛管缝宽或挡砂精度设计需要根据筛管直接阻挡地层砂的原则来设计（精度或缝宽更细），而不是传统的按照筛管仅用于阻挡砾石层的原则设计（只需要筛管精度或缝宽略低于砾石最小粒径即可）^[15-19]。

上述驱替实验结束后，使用集砂器测量过砂量。为了测试砾石层的挡砂能力，实验时使用的筛管挡砂精度远大于粒度中值使之不具备挡砂功能。因此集砂器中的地层砂为通过砾石层的地层砂。定义过砂率为通过砾石层的砂质量与总质量的比值，计算得到使用陶粒和石英砂在不同充填密实程度下的过砂率如图 12所示。

图  12  不同充填密实程度陶粒及石英砂的过砂率对比

Figure 12.  Comparison of sand passing ratio of ceramsite with different packing solidities

分析图 12可知，陶粒砂在100%、98%、96%、95%的充填密实程度条件下，过砂率分别为0.23%、1.645%、2.398%和4.493%；而对石英砂充填对应的最终过砂率分别0.255%、1.855%、3.1%和4.245%。两者体现了基本一致的规律，随着充填密实程度的降低，过砂率迅速增大，挡砂效果变差；在95%的充填密实程度下的过砂率是充填密实程度100%的过砂率的20倍左右。其根本原因还是由于在较低的充填密实程度下，砾石颗粒排列松散，在流体冲击作用下固体颗粒重新的排列组合的空间和可能性越大也越容易，地层砂侵入砾石层的深度也越大，过砂率越高。这与从图 8~ 图 11分析得到的规律基本一致。

图 13为使用陶粒和石英砂在不同充填密实程度下挡砂驱替实验结束时的充填渗透率比（充填层最终渗透率与初始渗透率的比值）。分析可知，驱替完毕后，由于地层砂的侵入和堵塞作用，充填层渗透率比约为15%~30%左右，渗透率均有较大幅度的降低。随着充填密实程度的降低，陶粒和石英砂充填层的最终渗透率比越高，即砾石层由于堵塞造成的渗透率降低幅度越小。分析其原因，由于实验时使用的金属棉筛管精度较大无挡砂作用，通过冲蚀孔洞穿透砾石层的地层砂会从筛管顺利排出。随着充填密实程度降低，冲蚀孔洞越大地层砂侵入深度越深，越容易穿过砾石层从而排出，最终造成渗透率比较高。现场实践中，如果机械筛管具备挡砂作用，则侵入的地层砂会堵塞滞留在砾石层中；充填密实程度越低，则地层砂堵塞越严重，渗透率会越低。

图  13  不同充填密实程度陶粒挡砂及石英砂挡砂的最终渗透率比

Figure 13.  Final permeability ratio of ceramsite with different packing solidities for sand blocking

根据室内实验结果，砾石充填密实程度对于挡砂效果有直接影响。固相充填材料的充填密实程度取决于施工参数及工艺过程，与充填方式、携砂液物性、充填材料密度等物性以及砂比排量等参数有关。为了提高充填密实程度，主要采取的措施包括：使用圆球度较高的固相材料，例如人造陶粒的圆球度高于普通天然石英砂；使用高黏度携砂液提高携带固相颗粒的能力，避免提前堵塞；在保证悬砂前提下，尽量降低携砂液排量，减少湍流程度，利于固相颗粒沉积并充填密实；对于垂直井，加大光管充填段长度以有利于生产段砾石补充，保持充填密实程度；对于水平井充填的情况，采用合理的冲筛比（一般推荐0.7~0.8左右）避免提前堵塞，使保持α波充填平衡砂床高度为井眼直径的50%~60%左右有利于β波充填时形成密实充填层。

渤海某油区为出砂油藏，采用水平井开发。某水平井生产段长420 m，为了控制出砂，该井采用筛管循环砾石充填防砂完井，出于降低海上作业成本考虑，要求防砂完井保证长有效期。为了提高充填密实程度保证防砂效果，使用了0.3~0.6 mm的高圆球度人造陶粒作为固相充填材料，携砂液采用黏度约30 mPa· s的增黏携砂液，通过充填过程可视化模拟软件优化砂比15%~30%和排量2.0~2.5 m³/ min，保持α波和β波的密实充填，最终充填率达到99.7%，接近100%。该井砾石充填作业后稳定生产3年，无出砂现象，产量保持基本稳定。

（1）射孔孔眼入流会造成砾石层冲蚀孔洞，形态和深度与充填密实程度直接相关。即使在人工密实充填情况下，孔眼入流口充填层冲蚀孔洞也不可避免。随着充填密实程度降低，冲蚀孔洞的面积和区域不断扩大；当充填率低于95%时，砾石层会形成相对较大的冲蚀孔洞从而失去稳定性。

（2）充填密实程度对于地层砂侵入砾石层的深度有明显影响。充填密实程度100%时，地层砂侵入深度约为砾石层厚度的1/3；随着充填密实程度增加，侵入形状开始不规则并且深度增加；当充填密实程度低于95%，侵入区域呈不规则状，地层砂完全穿透砾石层从而失去挡砂作用。

（3）随着充填密实程度降低，颗粒排列越松散，在流体冲击作用下重新排列组合的空间越大，地层砂侵入砾石层的深度也越大，过砂率越高，挡砂效果越差。另外，由于实验时筛管无挡砂作用，通过冲蚀孔洞穿透砾石层的地层砂会顺利产出，最终造成渗透率比较高。建议在砾石充填施工时应尽可能提高密实程度使其高于95%，并且机械筛管缝宽或挡砂精度需要按照能够直接阻挡地层砂的原则设计。