防砂壩設計參數(shù)

防砂壩設計的相關參數(shù)一般可以概括為：

（1）防砂壩的結構尺寸，其中包括防砂壩的高度、斷面形狀尺寸、開孔率等；

（2）防砂壩建筑材料常數(shù)，主要是指修建防砂壩所使用的漿砌石或混凝土材料的材料常數(shù)，是進行結構計算的重要依據(jù)；

（3）防砂壩對流域溝道的影響表征，包括防砂壩的回淤縱坡和庫容等相關參數(shù)，體現(xiàn)了防砂壩工程的修建對當前泥石流溝道的演化所起到的調節(jié)作用。

防砂壩按結構類型可以分為具有上部開敞式溢流堰的實體式重力壩和壩身設過流格柵的透水型格柵壩兩大類型。兩種型式的防砂壩各有其優(yōu)缺點，根據(jù)工作和施工等特點適用于不同的泥石流災害治理中。重力式壩攔蓄量大、整體性好但施工周期長、費用高格柵壩則具有攔粗去細的分選作用，延長壩的使用期，施工快捷、便利又經濟的特點，梳齒和孔縫削弱壩的整體性和強度易被泥石流沖擊而損壞。它們各有利弊且適應不同性質與規(guī)模的泥石流災害治理。

作為主動防御泥石流災害的工程措施，防砂壩有以下功能：防砂控流，調節(jié)泥石流流速、容重與規(guī)模；抬高局部溝段的侵蝕基準，護床固坡；減緩回淤段溝床縱坡，使泥石流沖刷和沖擊力減小，減輕溝床侵蝕，抑制泥石流發(fā)育；壩下游沖刷力增大而有利輸沙，對泥沙淤積和溝道演變起調節(jié)作用。

防砂壩是建在泥石流形成區(qū)或形成-流通區(qū)溝谷內的一種橫斷溝床的人工建筑物，是防治泥石流最具重要性和有效性的工程建筑物之一。其主要的功能在于攔蓄河道泥沙、調節(jié)泥沙輸送、防止侵蝕、控制流心及抑止土石流等。我國興建了超過數(shù)千座的防砂壩，但這些防砂壩的攔砂壽命通常都很短，當大量的砂石被防砂壩攔阻后，防砂壩將漸漸淤滿，最后無法繼續(xù)攔砂，只好在下游繼續(xù)建新的防砂壩，最后使得山區(qū)到處都建滿了防砂壩。加上過去的工程建設過于注重安全性與實用性，忽略了對生態(tài)環(huán)境所造成的沖擊，大大破壞了原本的自然環(huán)境。近年來，由于生態(tài)保育的觀念提升，國內外都有壩體改善或拆除工程的研究，例如：美國為了保護瀕臨絕種生物及恢復河流環(huán)境或其他種種原因，而開始壩體移除的行動，為全球最早開始進行壩體移除的國家；在法國也先后為了恢復鮭魚的棲地進行了壩體移除；日本則是凍結許多水壩建設計劃，面臨計劃終止的水庫就有 92 座。

防砂壩與泥石流的相互作用

從整個流域角度看即防砂壩與流域的互饋機制，從防砂壩的工作歷程看，防砂壩與泥石流流域的相互影響可分為兩個階段的運行狀態(tài)。第一階段為防砂壩的初始設計狀態(tài)，防砂壩修建后對上游入庫與下游出庫的當場泥石流的容重、規(guī)模等進行調節(jié)，攔蓄泥石流后發(fā)揮調節(jié)溝道縱坡、穩(wěn)固滑坡坡腳和控制溝床質儲量與堆積形態(tài)等作用，這一階段以防砂壩對泥石流的調節(jié)作用為主，表現(xiàn)為泥石流的淤積當溝床比降、泥沙輸移量等變化到一定程度并適應所建防砂壩時，兩者的相互作用發(fā)生轉變，以泥石流對防砂壩的作用為主，如沖擊、沖刷、磨蝕等，同時防砂壩也轉化為長期運行狀態(tài)。在防砂壩的兩個狀態(tài)過程中，一種情況是由于對泥石流規(guī)模的估計過大，存在防砂壩工程的設計預估量超出泥石流的實際規(guī)模，使防砂壩工程前期淤積量不多，常年處于閑置狀態(tài)，導致資源浪費另一方面還存在因攔蓄量估計不足，壩庫淤積量劇增導致設計標準不足，超量淤積和過流使防砂壩損壞提供新的泥石流物源，造成更大規(guī)模的泥石流災害。因此防砂壩的工程設計不但要考慮工程實施前的流域原始狀態(tài)，還應滿足流域系統(tǒng)轉化后的長期運行狀態(tài)。相關課題的研究將為解決防砂壩工程設計年限、規(guī)模及參數(shù)等相關問題提供依據(jù)，使防砂壩的調節(jié)能力與泥石流規(guī)模的發(fā)展變化相適應。

防砂壩與其他防護工程的協(xié)同作用

根據(jù)流域中泥石流災害規(guī)模和性質等不同，所采取的防治措施和修建的防護工程各有區(qū)別，不同類型防護工程的結合能夠達成多種防治目的，如以工程量最小為目的的生物工程防治與土木工程防治相結合的措施、防砂效益最大以防砂壩為防治系統(tǒng)主導工程的措施和輸沙效益最大以排導槽為主導防治工程的措施、系統(tǒng)可靠性最高的綜合治理措施等。目前泥石流防治工程多為單項工程設計，忽略了多項防護工程間的協(xié)同作用，而導致單項工程的設計不合理，在防砂壩工程的設計中顯得尤為突出?；诜郎皦闻c流域的互饋機制，考慮防砂壩的調控作用和泥石流流域的反饋作用，針對不同防治目標，將防砂壩與上下游的防治工程聯(lián)系起來，進行局部溝段防治工程群的配置優(yōu)化，進而使全流域的防治工程組成一個防治能力優(yōu)化的防治工程系統(tǒng)。從協(xié)同作用方面考慮防砂壩的設計等內容也為防砂壩研究提出了新思路，如上下游工程分擔泥石流流量的比例、相鄰工程修建時的銜接構造等。

生物洄游路逕受阻隔

橫向構造物的興建后，阻隔了原本可以在溪流中自由遷徙移動分布的水生生物，尤其是生活史中具有降、溯河性行為的種類。

棲息地單調化

橫向構造物完工后，壩上方新形成的深潭，被水流攜帶的砂礫石塊漸次淤滿，減少了適合魚類棲息所需的物理性環(huán)境因子與結構性棲地，即河道變寬，流速減緩，水深變淺；由深潭、急流、緩流與淺瀨等多樣化的棲地變成寬而淺的單調淺瀨的河道。

減少水生生物的多樣性與豐富度

橫向構造物攔砂造成上游淤砂的單一化棲息環(huán)境，與常被水流揚起的沙質所產生的混濁，對水生生態(tài)系與藻類等多樣性與豐富度造成負面影響。

水生生物族群基因庫縮小與區(qū)隔化

由于溪流被構造物分隔而成區(qū)段化，在相隔兩河段間，都只有向下游的單向分布。不論何種魚類或水生生物，被封閉在有限的水域內，族群擴散模式遭阻斷，持續(xù)進行單向的生殖交流活動，使得族群因近親交配，造成基因庫趨于單一化，其適應環(huán)境變化的能力逐漸降低，以致有滅絕的危機。

防砂壩全部移除

將堰壩壩體與所有其他附屬構造物拆除，兩側直至壩墩，其作法在于移除所有的人工構造物，亦即將河道恢復成過去未建壩的樣子。

防砂壩完全切開

拆毀壩體結構或是切開，使其接近原來的河床位置，完全切開不需將所有的堰壩及附屬構造物拆除。

防砂壩部分切開

指移除部分壩體，使得堰壩不能蓄水，堰壩仍然存在，但開口需夠大使較大洪水可順利通過，切開順序如下：垂直方面逐步拆除，保留基座防止河床嚴重縱向刷深。從中央以 U 字型或 V字型往下逐步拆除，河道圍堰一半，先拆除一半，再拆另一半或剩下部分使其自然崩解。

防砂壩水位降低

當水位降低時，存在的水位不再對壩體施加過大的水壓力，對于安全上的緊急處理或移除橫向水工結構物先行步驟有所益處。 2100433B

防砂完井選擇方法

1．經驗分析方法

目前采用經驗方法對具體井進行防砂方法選擇仍占主導地位，綜合分析油藏地質、生產、完井等因素，借鑒實驗研究成果及油田多年防砂完井實踐經驗，形成了比較完善的防砂方法選擇體系。該方法實施起來比較簡單易行，成功的關鍵取決于工程技術人員豐富的現(xiàn)場經驗。

2．防砂方法評價模型

1)綜合模糊評判

對現(xiàn)有的各種防砂方法的適應性進行歸納分析，建立防砂方法適應條件知識數(shù)據(jù)庫，作為綜合模糊評判模型的基本依據(jù)。根據(jù)專家經驗和實踐經驗，建立各因素的權重系數(shù)數(shù)據(jù)庫，表達各因素在防砂方法優(yōu)選中的重要程度。引入隸屬系數(shù)和隸屬度計算各防砂方法對井的適應性，最后可得到各種防砂方法的評判因子，根據(jù)評判因子優(yōu)詵出防砂方法。

技術評判指標的計算步驟：

①讀取選定井對應于全部因素的基礎數(shù)據(jù)，利用隸屬函數(shù)計算具體井數(shù)對各個因素的全部模糊集合的隸屬度；

②讀取防砂方法適應條件知識數(shù)據(jù)庫，獲取全部防砂工藝對全部因素的適應模糊的標識；

③利用隸屬函數(shù)計算給定井的數(shù)據(jù)對各適應模糊集合的隸屬度；

④考慮各因素的權重系數(shù)計算綜合評判指標。綜合評判指標中，評判系數(shù)越大表示對應的防砂方法對給定的井技術上越可行。選出前若干種評判系數(shù)較大的防砂方法后可以繼續(xù)對其進行相對經濟對比，從而優(yōu)選出技術上和經濟上都最優(yōu)的防砂方法?！?/p>

2)人工神經網絡技術

目前應用最廣泛的人工神經網絡是反向傳播(B-P)網絡，利用若干防砂方法選擇正確范例作為樣本輸入網絡，對網絡進行學習訓練，訓練結果保存在各結點的權系數(shù)和閾值上。向網絡輸入待識別的防砂井的基本參數(shù)進行識別計算，輸出向量中最大元素對應的防砂方法應該是最優(yōu)的防砂方法。因此，輸出結點數(shù)等于所有備選防砂方法的總數(shù)。

防砂完井選擇原則

①立足于先期防砂。根據(jù)油藏地質和試采資料，結合出砂預測，一旦判定地層出砂，立足于先期防砂完井。

②結合油藏地質特征，綜合考慮工藝、技術條件和防砂費用，選擇最優(yōu)的防砂方法。

③立足于保護油層，減少傷害，又保持油井獲得最大產能為目標，進行方法優(yōu)選。

防砂完井考慮的因素

防砂方法決策需考慮的因素主要有完井類型、完井井段長度、井身狀況、油層物性、油藏流體物性、產能損失、成本費用。 2100433B

按照目前國際上通行的分類方法，把防砂完仆分為獨市篩管防砂和礫石允填防砂兩個大類。根據(jù)儲層特征和工藝要求，派生出很多種類型的防砂完井系列，比如割縫襯管完井、繞絲篩管完井、金屬纖維篩管完井、燒結陶瓷篩管完井、金屬氈篩管完井、管內繞絲篩管完井、管內金屬纖維篩管完井、管內燒結陶瓷篩管完井、管內金屬氈篩管完井、多孔冶金粉末防砂篩管完井、管內多孔冶金粉末防砂篩管完井、各種復合篩管完井、裸眼礫石充填完井、管內礫石充填完井等等。

(1)繞絲篩管礫石充填防砂完井技術

繞絲篩管由篩筒、接頭、扶正器和基管等部件組成，篩筒是用特殊截面的不銹鋼絲在專用設備上采用先進工藝技術燒焊制造而成的。該技術的防砂原理是通過防砂管柱將礫石砂漿送人套管與篩管的環(huán)形空間，借助于篩管阻擋礫石進入井筒，而礫石層則充當砂墻，成為阻擋地層出砂的可靠屏障，從而達到既保持油井高產又能控制地層出砂的目的。

這種防砂技術的優(yōu)點是防砂可靠、有效期長；對油層傷害小、滲流面積大、油井采油指數(shù)高；適應強，可通過礫石防不同粒徑的地層砂。缺點是施工復雜、車組動用多、現(xiàn)場指揮困難；施工費用高；只能地面選擇礫石直徑、一旦防砂失敗，不易補救，打撈十分困難。

(2)割縫管防砂完井技術

割縫襯管是在管壁上利用銑刀在銑床上銑削而成，其縫寬度取決于能通過襯管的砂粒粒徑大小，因此，針對不同砂粒，可選擇不同的割縫寬度來進行防砂，從而達到防止地層出砂的目的。由于銑刀強度的限制，0.3mm以下的割縫寬度難以加工，因此割縫襯管只適用于中一粗粒徑油砂儲層。根據(jù)割縫管剖面來看，可分為平行割縫和梯形割縫，目前通常采用橫向梯形割縫結構。

這種防砂技術的優(yōu)點是加工制造簡單、成本低、內徑大、打撈簡單、施工容易；缺點是縫隙尺寸易受腐蝕而變大，導致防砂效果差，流通面積相應較小，“自潔”能力較弱。

(3)裸眼膨脹管完井技術

依賴于井下測量和旋轉導向工具的進步以及完井技術的逐步成熟，裸眼膨脹管完井技術得以迅速發(fā)展，該項技術包括膨脹尾管掛完井技術和膨脹篩管完井技術。前者主要是通過投球將水泥注入然后憋壓坐掛，由于膨脹尾管取代了通常的卡瓦式尾管掛，使得注水泥與坐掛可一次完成。對于在完井過程中存在多套油水體系及泥巖夾層的情況，可以采用膨脹篩管完井技術，該技術除了類似于割縫管完井技術無需礫石充填、減少完井花費外，最主要的是能夠減小生產壓差，增大油井過流面積，并能明顯延長油氣井壽命。

(4)金屬纖維篩管防砂完井技術

金屬纖維篩管的基本結構主要由基管、保護管、內外網、不銹鋼纖維充填層等組成。不銹鋼纖維的作用是選擇性過濾作用，其防砂參數(shù)主要是金屬纖維的尺寸、厚度、壓縮系數(shù)等。正確選擇防砂參數(shù)是防砂成敗的關鍵。液體攜帶的大部分砂被外層金屬纖維網擋住，在篩管外形呈穩(wěn)定的砂拱，地層出的砂也主要靠這個砂拱來阻擋過濾，中部的金屬纖維由于其排列是無規(guī)則的，具有一定的彈性，它叮以阻擋和大量吸附透過外網進來的砂，從而起到擋砂的作用。該方法具有施工工藝簡單、成本低廉、成功率高，抗腐蝕能力強，孔滲性好，使用壽命長，適用范圍廣等特點。

(5)多分支防砂完井技術

在含重油的砂巖儲層中，砂質顆粒具有固有的在重油中呈懸浮狀態(tài)的特征，因此必須實施有效的防砂完井技術，確保砂質顆粒可以隨重油一起采出到地表，又能很容易地實現(xiàn)分離。目前多分支鉆井技術在許多重油油藏的開發(fā)項目中都得到了廣泛應用，并獲得了最大化的儲層產出。

《油氣井防砂技術》針對大多數(shù)疏松砂巖油氣藏的出砂與防砂問題，圍繞油氣井防砂綜合決策理論與技術，就如何進行系統(tǒng)出砂評價、正確選擇防砂方案、合理設計防砂施工參數(shù)以及后期效果評價等進行系統(tǒng)闡述，重點是介紹與防砂綜合決策相關的理論與方法。主要內容包括疏松砂巖地層巖石力學基礎、油氣層出砂機理及系統(tǒng)出砂預測、防砂工藝原理、防砂工藝方案評價與優(yōu)選、防砂工藝設計理論與方法、水平井與大斜度井防砂、防砂井產能評價、防砂措施效果綜合評價體系、油氣井防砂施工工藝技術、防砂工藝綜合決策系統(tǒng)平臺——Sandcontrol Office簡介等。