分级砾石充填防砂技术可以有效地解决细砂造成的砾石层堵塞问题,延长防砂有效期,提高防砂后井筒附近的渗流能力,从而提高油井产量。因此明确分级砾石充填防砂技术的挡砂机理,能够提出一套系统分级砾石充填防砂技术的优化方法对油井生产具有重要的意义。本文结合理论推导、实验和数值模拟,建立了满足不同类型油藏防砂要求的低附加压差分级砾石充填防砂技术的优化方法;并以实验为基础建立了分级砾石充填防砂数学模型。首先调研了砾石充填防砂出砂机理和研究方法,分析了影响砾砂混合带前缘渗透率变化以及多级砾石充填防砂效果的因素;然后建立了一套砾石充填防砂渗流模拟实验装置,考虑了地层砂粒度中值、粉细砂含量、均质性、流体性质等对砾石层渗透率的影响;设计了分级砾石层挡砂可视化实验装置,直观地观察了地层砂在砾石层间的铺集规律,研究了随着出砂过程的进行砾石层间渗透率的动态物性渗透率变化;最后根据多孔介质中液固两相流理论,考虑流动砂在孔隙中的垂向沉积和水平方向捕集影响,建立了砾石充填层中流动砂捕集浓度分布模型,以此为基础,提出了砾石充填层物性参数动态模型,建立了地层流固耦合变形场方程和渗流场方程,考虑固体变形、渗流及井筒变质量流之间的耦合影响,建立了分级砾石充填防砂有限元模型,借助有限元法进行求解。