防砂坝设计参数

防砂坝设计的相关参数一般可以概括为：

（1）防砂坝的结构尺寸，其中包括防砂坝的高度、断面形状尺寸、开孔率等；

（2）防砂坝建筑材料常数，主要是指修建防砂坝所使用的浆砌石或混凝土材料的材料常数，是进行结构计算的重要依据；

（3）防砂坝对流域沟道的影响表征，包括防砂坝的回淤纵坡和库容等相关参数，体现了防砂坝工程的修建对当前泥石流沟道的演化所起到的调节作用。

防砂坝按结构类型可以分为具有上部开敞式溢流堰的实体式重力坝和坝身设过流格栅的透水型格栅坝两大类型。两种型式的防砂坝各有其优缺点，根据工作和施工等特点适用于不同的泥石流灾害治理中。重力式坝拦蓄量大、整体性好但施工周期长、费用高格栅坝则具有拦粗去细的分选作用，延长坝的使用期，施工快捷、便利又经济的特点，梳齿和孔缝削弱坝的整体性和强度易被泥石流冲击而损坏。它们各有利弊且适应不同性质与规模的泥石流灾害治理。

作为主动防御泥石流灾害的工程措施，防砂坝有以下功能：防砂控流，调节泥石流流速、容重与规模；抬高局部沟段的侵蚀基准，护床固坡；减缓回淤段沟床纵坡，使泥石流冲刷和冲击力减小，减轻沟床侵蚀，抑制泥石流发育；坝下游冲刷力增大而有利输沙，对泥沙淤积和沟道演变起调节作用。

防砂坝是建在泥石流形成区或形成-流通区沟谷内的一种横断沟床的人工建筑物，是防治泥石流最具重要性和有效性的工程建筑物之一。其主要的功能在于拦蓄河道泥沙、调节泥沙输送、防止侵蚀、控制流心及抑止土石流等。我国兴建了超过数千座的防砂坝，但这些防砂坝的拦砂寿命通常都很短，当大量的砂石被防砂坝拦阻后，防砂坝将渐渐淤满，最后无法继续拦砂，只好在下游继续建新的防砂坝，最后使得山区到处都建满了防砂坝。加上过去的工程建设过于注重安全性与实用性，忽略了对生态环境所造成的冲击，大大破坏了原本的自然环境。近年来，由于生态保育的观念提升，国内外都有坝体改善或拆除工程的研究，例如：美国为了保护濒临绝种生物及恢复河流环境或其他种种原因，而开始坝体移除的行动，为全球最早开始进行坝体移除的国家；在法国也先后为了恢复鲑鱼的栖地进行了坝体移除；日本则是冻结许多水坝建设计划，面临计划终止的水库就有 92 座。

防砂坝与泥石流的相互作用

从整个流域角度看即防砂坝与流域的互馈机制，从防砂坝的工作历程看，防砂坝与泥石流流域的相互影响可分为两个阶段的运行状态。第一阶段为防砂坝的初始设计状态，防砂坝修建后对上游入库与下游出库的当场泥石流的容重、规模等进行调节，拦蓄泥石流后发挥调节沟道纵坡、稳固滑坡坡脚和控制沟床质储量与堆积形态等作用，这一阶段以防砂坝对泥石流的调节作用为主，表现为泥石流的淤积当沟床比降、泥沙输移量等变化到一定程度并适应所建防砂坝时，两者的相互作用发生转变，以泥石流对防砂坝的作用为主，如冲击、冲刷、磨蚀等，同时防砂坝也转化为长期运行状态。在防砂坝的两个状态过程中，一种情况是由于对泥石流规模的估计过大，存在防砂坝工程的设计预估量超出泥石流的实际规模，使防砂坝工程前期淤积量不多，常年处于闲置状态，导致资源浪费另一方面还存在因拦蓄量估计不足，坝库淤积量剧增导致设计标准不足，超量淤积和过流使防砂坝损坏提供新的泥石流物源，造成更大规模的泥石流灾害。因此防砂坝的工程设计不但要考虑工程实施前的流域原始状态，还应满足流域系统转化后的长期运行状态。相关课题的研究将为解决防砂坝工程设计年限、规模及参数等相关问题提供依据，使防砂坝的调节能力与泥石流规模的发展变化相适应。

防砂坝与其他防护工程的协同作用

根据流域中泥石流灾害规模和性质等不同，所采取的防治措施和修建的防护工程各有区别，不同类型防护工程的结合能够达成多种防治目的，如以工程量最小为目的的生物工程防治与土木工程防治相结合的措施、防砂效益最大以防砂坝为防治系统主导工程的措施和输沙效益最大以排导槽为主导防治工程的措施、系统可靠性最高的综合治理措施等。目前泥石流防治工程多为单项工程设计，忽略了多项防护工程间的协同作用，而导致单项工程的设计不合理，在防砂坝工程的设计中显得尤为突出。基于防砂坝与流域的互馈机制，考虑防砂坝的调控作用和泥石流流域的反馈作用，针对不同防治目标，将防砂坝与上下游的防治工程联系起来，进行局部沟段防治工程群的配置优化，进而使全流域的防治工程组成一个防治能力优化的防治工程系统。从协同作用方面考虑防砂坝的设计等内容也为防砂坝研究提出了新思路，如上下游工程分担泥石流流量的比例、相邻工程修建时的衔接构造等。

生物洄游路迳受阻隔

横向构造物的兴建后，阻隔了原本可以在溪流中自由迁徙移动分布的水生生物，尤其是生活史中具有降、溯河性行为的种类。

栖息地单调化

横向构造物完工后，坝上方新形成的深潭，被水流携带的砂砾石块渐次淤满，减少了适合鱼类栖息所需的物理性环境因子与结构性栖地，即河道变宽，流速减缓，水深变浅；由深潭、急流、缓流与浅濑等多样化的栖地变成宽而浅的单调浅濑的河道。

减少水生生物的多样性与丰富度

横向构造物拦砂造成上游淤砂的单一化栖息环境，与常被水流扬起的沙质所产生的混浊，对水生生态系与藻类等多样性与丰富度造成负面影响。

水生生物族群基因库缩小与区隔化

由于溪流被构造物分隔而成区段化，在相隔两河段间，都只有向下游的单向分布。不论何种鱼类或水生生物，被封闭在有限的水域内，族群扩散模式遭阻断，持续进行单向的生殖交流活动，使得族群因近亲交配，造成基因库趋于单一化，其适应环境变化的能力逐渐降低，以致有灭绝的危机。

防砂坝全部移除

将堰坝坝体与所有其他附属构造物拆除，两侧直至坝墩，其作法在于移除所有的人工构造物，亦即将河道恢复成过去未建坝的样子。

防砂坝完全切开

拆毁坝体结构或是切开，使其接近原来的河床位置，完全切开不需将所有的堰坝及附属构造物拆除。

防砂坝部分切开

指移除部分坝体，使得堰坝不能蓄水，堰坝仍然存在，但开口需够大使较大洪水可顺利通过，切开顺序如下：垂直方面逐步拆除，保留基座防止河床严重纵向刷深。从中央以 U 字型或 V字型往下逐步拆除，河道围堰一半，先拆除一半，再拆另一半或剩下部分使其自然崩解。

防砂坝水位降低

当水位降低时，存在的水位不再对坝体施加过大的水压力，对于安全上的紧急处理或移除横向水工结构物先行步骤有所益处。 2100433B

防砂完井选择方法

1．经验分析方法

目前采用经验方法对具体井进行防砂方法选择仍占主导地位，综合分析油藏地质、生产、完井等因素，借鉴实验研究成果及油田多年防砂完井实践经验，形成了比较完善的防砂方法选择体系。该方法实施起来比较简单易行，成功的关键取决于工程技术人员丰富的现场经验。

2．防砂方法评价模型

1)综合模糊评判

对现有的各种防砂方法的适应性进行归纳分析，建立防砂方法适应条件知识数据库，作为综合模糊评判模型的基本依据。根据专家经验和实践经验，建立各因素的权重系数数据库，表达各因素在防砂方法优选中的重要程度。引入隶属系数和隶属度计算各防砂方法对井的适应性，最后可得到各种防砂方法的评判因子，根据评判因子优诜出防砂方法。

技术评判指标的计算步骤：

①读取选定井对应于全部因素的基础数据，利用隶属函数计算具体井数对各个因素的全部模糊集合的隶属度；

②读取防砂方法适应条件知识数据库，获取全部防砂工艺对全部因素的适应模糊的标识；

③利用隶属函数计算给定井的数据对各适应模糊集合的隶属度；

④考虑各因素的权重系数计算综合评判指标。综合评判指标中，评判系数越大表示对应的防砂方法对给定的井技术上越可行。选出前若干种评判系数较大的防砂方法后可以继续对其进行相对经济对比，从而优选出技术上和经济上都最优的防砂方法。　

2)人工神经网络技术

目前应用最广泛的人工神经网络是反向传播(B-P)网络，利用若干防砂方法选择正确范例作为样本输入网络，对网络进行学习训练，训练结果保存在各结点的权系数和阈值上。向网络输入待识别的防砂井的基本参数进行识别计算，输出向量中最大元素对应的防砂方法应该是最优的防砂方法。因此，输出结点数等于所有备选防砂方法的总数。

防砂完井选择原则

①立足于先期防砂。根据油藏地质和试采资料，结合出砂预测，一旦判定地层出砂，立足于先期防砂完井。

②结合油藏地质特征，综合考虑工艺、技术条件和防砂费用，选择最优的防砂方法。

③立足于保护油层，减少伤害，又保持油井获得最大产能为目标，进行方法优选。

防砂完井考虑的因素

防砂方法决策需考虑的因素主要有完井类型、完井井段长度、井身状况、油层物性、油藏流体物性、产能损失、成本费用。 2100433B

按照目前国际上通行的分类方法，把防砂完仆分为独市筛管防砂和砾石允填防砂两个大类。根据储层特征和工艺要求，派生出很多种类型的防砂完井系列，比如割缝衬管完井、绕丝筛管完井、金属纤维筛管完井、烧结陶瓷筛管完井、金属毡筛管完井、管内绕丝筛管完井、管内金属纤维筛管完井、管内烧结陶瓷筛管完井、管内金属毡筛管完井、多孔冶金粉末防砂筛管完井、管内多孔冶金粉末防砂筛管完井、各种复合筛管完井、裸眼砾石充填完井、管内砾石充填完井等等。

(1)绕丝筛管砾石充填防砂完井技术

绕丝筛管由筛筒、接头、扶正器和基管等部件组成，筛筒是用特殊截面的不锈钢丝在专用设备上采用先进工艺技术烧焊制造而成的。该技术的防砂原理是通过防砂管柱将砾石砂浆送人套管与筛管的环形空间，借助于筛管阻挡砾石进入井筒，而砾石层则充当砂墙，成为阻挡地层出砂的可靠屏障，从而达到既保持油井高产又能控制地层出砂的目的。

这种防砂技术的优点是防砂可靠、有效期长；对油层伤害小、渗流面积大、油井采油指数高；适应强，可通过砾石防不同粒径的地层砂。缺点是施工复杂、车组动用多、现场指挥困难；施工费用高；只能地面选择砾石直径、一旦防砂失败，不易补救，打捞十分困难。

(2)割缝管防砂完井技术

割缝衬管是在管壁上利用铣刀在铣床上铣削而成，其缝宽度取决于能通过衬管的砂粒粒径大小，因此，针对不同砂粒，可选择不同的割缝宽度来进行防砂，从而达到防止地层出砂的目的。由于铣刀强度的限制，0.3mm以下的割缝宽度难以加工，因此割缝衬管只适用于中一粗粒径油砂储层。根据割缝管剖面来看，可分为平行割缝和梯形割缝，目前通常采用横向梯形割缝结构。

这种防砂技术的优点是加工制造简单、成本低、内径大、打捞简单、施工容易；缺点是缝隙尺寸易受腐蚀而变大，导致防砂效果差，流通面积相应较小，“自洁”能力较弱。

(3)裸眼膨胀管完井技术

依赖于井下测量和旋转导向工具的进步以及完井技术的逐步成熟，裸眼膨胀管完井技术得以迅速发展，该项技术包括膨胀尾管挂完井技术和膨胀筛管完井技术。前者主要是通过投球将水泥注入然后憋压坐挂，由于膨胀尾管取代了通常的卡瓦式尾管挂，使得注水泥与坐挂可一次完成。对于在完井过程中存在多套油水体系及泥岩夹层的情况，可以采用膨胀筛管完井技术，该技术除了类似于割缝管完井技术无需砾石充填、减少完井花费外，最主要的是能够减小生产压差，增大油井过流面积，并能明显延长油气井寿命。

(4)金属纤维筛管防砂完井技术

金属纤维筛管的基本结构主要由基管、保护管、内外网、不锈钢纤维充填层等组成。不锈钢纤维的作用是选择性过滤作用，其防砂参数主要是金属纤维的尺寸、厚度、压缩系数等。正确选择防砂参数是防砂成败的关键。液体携带的大部分砂被外层金属纤维网挡住，在筛管外形呈稳定的砂拱，地层出的砂也主要靠这个砂拱来阻挡过滤，中部的金属纤维由于其排列是无规则的，具有一定的弹性，它叮以阻挡和大量吸附透过外网进来的砂，从而起到挡砂的作用。该方法具有施工工艺简单、成本低廉、成功率高，抗腐蚀能力强，孔渗性好，使用寿命长，适用范围广等特点。

(5)多分支防砂完井技术

在含重油的砂岩储层中，砂质颗粒具有固有的在重油中呈悬浮状态的特征，因此必须实施有效的防砂完井技术，确保砂质颗粒可以随重油一起采出到地表，又能很容易地实现分离。目前多分支钻井技术在许多重油油藏的开发项目中都得到了广泛应用，并获得了最大化的储层产出。

《油气井防砂技术》针对大多数疏松砂岩油气藏的出砂与防砂问题，围绕油气井防砂综合决策理论与技术，就如何进行系统出砂评价、正确选择防砂方案、合理设计防砂施工参数以及后期效果评价等进行系统阐述，重点是介绍与防砂综合决策相关的理论与方法。主要内容包括疏松砂岩地层岩石力学基础、油气层出砂机理及系统出砂预测、防砂工艺原理、防砂工艺方案评价与优选、防砂工艺设计理论与方法、水平井与大斜度井防砂、防砂井产能评价、防砂措施效果综合评价体系、油气井防砂施工工艺技术、防砂工艺综合决策系统平台——Sandcontrol Office简介等。