固相悬浮物在油气储集层孔隙中通过能力的数值模拟方法与流程

本发明涉及油田开发技术领域，特别是涉及到固相悬浮物在油气储集层孔隙中通过能力的数值模拟方法。

背景技术：

注入水中的固相悬浮物对油气储集层中的孔隙和喉道的堵塞作用石油一定规律的，通过仔细研究这些堵塞现象发生的条件可以指导油层保护工作。例如，国外学者barkman和dawidson在研究泥浆滤饼时提出了著名的三分之一到七分之一定律。也就是说，当固相悬浮物粒径大于岩心喉道直径的三分之一时，注入水中的固相悬浮物无法进入油层，而只能够在地层外表面形成滤饼，对地层断面有一定的堵塞作用；当注入水中的固相悬浮物粒径小于岩心喉道直径的七分之一时，固相悬浮物不会堵塞地层；当注入水中固相悬浮物粒径大于岩心喉道直径三分之一小于岩心喉道直径的七分之一时，注入水中的固相悬浮物将会对地层造成严重的伤害，造成地层孔隙被堵塞，地层渗透性下降。在此之后，又有其他学者通过实验的手段得出了三分之一到十分之一和三分之一到十四分之一等注入水中固相悬浮物和地城喉道直径的配伍原则。

但是通过室内实验的手段获得注入水中固相悬浮物粒径与油气储集层孔隙半径匹配关系的方法较为繁琐，并且在某些情况下不具备开展室内试验的必要条件。为此我们发明了一种新的固相悬浮物在油气储集层孔隙中通过能力的数值模拟方法，解决了以上技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种固相悬浮物在油气储集层孔隙中通过能力的数值模拟方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：固相悬浮物在油气储集层孔隙中通过能力的数值模拟方法，该固相悬浮物在油气储集层孔隙中通过能力的数值模拟方法包括：步骤1，根据研究需要确定油气储集层孔隙数值模拟研究对象，建立边界参数；步骤2，根据研究对象边界参数，建立油气储集层孔隙模拟模型；步骤3，以步骤2中得到的基础模型为依据，确定孔隙中流体参数，采用计算流体力学方法模拟油气储集层中的流体；步骤4，将步骤2中得到的模拟模型为基础，确定孔隙中颗粒参数，采用离散元方法计算油气储集层中的固体悬浮物；步骤5，将步骤3和步骤4耦合模拟固相悬浮物在油气储集层孔隙中通过能力。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

步骤1还包括，根据地质情况，形成不同粒径-喉道比数据信息。

在步骤2中，通过离散迭代优化计算步长，在收缩处喉道部分减小运算步长。

在步骤3中，通过步骤2中获得的计算模型，确定流体计算类型：瞬态计算以及重力加速度数值；选择流体粘度相关值；确定流体属性包括粘度、密度。

在步骤4中，选择合适的固体悬浮物参数：颗粒密度、粒径、浓度、泊松比以及颗粒间相互作用力。

在步骤4中，由于孔喉中受到固相悬浮物的影响，采用修正后的纳维叶－斯托克斯方程进行计算，分别给出连续性方程和动能方程：

其中，ρf为流体密度，kg/m³；t为时间，s；α，为流体相所占体积分数，无因次；v，为流体速度，m/s；μ，为流体粘度，mpa·s；为流体压力降，pa；fb为流体所受体积力，n。

在步骤4中，通过离散元方法对单颗粒的运移进行跟踪计算，并且对颗粒之间相互作用进行模拟；通过积分牛顿第二运动定律，分别跟踪每个粒子在系统中的自由运动期间的速度变化，并将流体对颗粒施加的作用力进行耦合；颗粒之间的接触力由下式计算：

式中，fi为颗粒之间接触力，n；kn为法向接触刚度，n/m；ks为剪切接触刚度，n/m；δn为颗粒之间法向作用距离，m；6，δs为颗粒之间法向作用距离，m；γn为临界法向阻尼比；γs为临界剪切阻尼比；m为颗粒质量，kg；vn为颗粒法向相对速度，m/s；vs为颗粒剪切相对速度，m/s；i为颗粒标号，i＝1、2；

颗粒之间的机械作用以及接触剪切会导致其发生旋转，则颗粒动量由下式计算：

mi＝ksδs(x0-xi)

式中，mi为颗粒接触点处的动量，kg·m/s；x0为颗粒接触点位置；xi为颗粒i几何中心位置。

在步骤3、步骤4中，以步骤2基础模型为基础，需确定孔隙中流体参数和固体悬浮物参数，确定的孔隙喉道参数包括：孔隙长度、孔隙直径、孔隙收缩处喉道直径，建立模型；确定的固体悬浮物参数包括：粒径、密度、圆度；并通过不同粒径-喉道比进行实验编号。

在步骤3、步骤4中,以步骤2中获得的数学模型为基础，建立模型边界条件：入口、出口与其他边界条件以及入口速度值。

在步骤5中，将步骤3和步骤4计算的流体和颗粒参数，通过压力与速度耦合模拟固相悬浮物在油气储集层孔隙中通过能力；首先在每个计算单元中都要计算流体对颗粒的拖曳力，然后根据力-位移法则计算颗粒之间以及颗粒与壁面之间的相互作用力，最后根据牛顿第二定律对颗粒运移进行计算；颗粒运移导致计算单元内孔隙度发生变化，进而影响流场；在离散元方法中的力-位移计算与运动计算之间，利用流体动力学方法中计算流体压力和速度，从而对流场进行计算更新；

流体施加在每个颗粒上的拖曳力如下所示：

其中，为施加在每个颗粒上的拖曳力；d为粒径；为每个单元上的颗粒所受的平均体积力。

在步骤5中，通过将步骤3和步骤4耦合模拟得出的结果进行分析，得出最佳匹配的粒径-孔喉比。

本发明的固相悬浮物在油气储集层孔隙中通过能力的数值模拟方法，能够模拟不同粒径-孔喉比条件下，不同固体悬浮物的分布状态与填充状态。能够直观的得到实验效果。能够解决由于实验装置制作困难、实验条件不易改变等技术问题。

附图说明

图1为本发明的固相悬浮物在油气储集层孔隙中通过能力的数值模拟方法的一具体实施例的流程图；

图2为本发明的一具体实施例中孔喉模型图；

图3为本发明的一具体实施例中模拟结果图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。

如图1所示，图1为本发明的固相悬浮物在油气储集层孔隙中通过能力的数值模拟方法的流程图。

步骤101，根据研究需要确定油气储集层孔隙数值模拟研究对象，建立边界参数；并根据地质情况，形成不同粒径-喉道比数据信息；

步骤102，根据研究对象边界参数，建立油气储集层孔隙模拟模型；建立模型边界条件：入口、出口与其他边界条件以及入口速度值。通过采用非结构化网格对模型进行划分，通过离散迭代优化计算步长，在收缩处喉道部分减小运算步长(如图2所示)。

步骤103，以步骤102中得到的基础模型为依据，确定孔隙中流体参数，采用计算流体力学方法(cfd方法)模拟油气储集层中的流体；

通过步骤102中获得的计算模型，确定流体计算类型：瞬态计算以及重力加速度数值；选择流体粘度相关值；确定流体属性包括粘度、密度等。

步骤104，将步骤102中得到的模拟模型为基础，确定孔隙中颗粒参数，采用离散元方法计算油气储集层中的固体悬浮物；选择合适的固体悬浮物参数：颗粒密度、粒径、浓度、泊松比以及颗粒间相互作用力。

由于孔喉中受到固相悬浮物的影响，采用修正后的纳维叶－斯托克斯navier-stokes方程进行计算，分别给出连续性方程和动能方程。

其中，ρf为流体密度，kg/m³；t为时间，s；α，为流体相所占体积分数，无因次；v，为流体速度，m/s；μ，为流体粘度，mpa·s；为流体压力降，pa；fb为流体所受体积力，n。

通过离散元方法能够对单颗粒的运移进行跟踪计算，并且可以对颗粒之间相互作用进行模拟。通过积分牛顿第二运动定律，可以分别跟踪每个粒子在系统中的自由运动期间(连续碰撞之间)的速度变化，并将流体对颗粒施加的作用力进行耦合。颗粒之间的接触力(颗粒间的弹性力与阻尼力)可由下式计算。

式中，fi为颗粒之间接触力，n；kn为法向接触刚度，n/m；ks为剪切接触刚度，n/m；δn为颗粒之间法向作用距离，m；6，δs为颗粒之间法向作用距离，m；γn为临界法向阻尼比；γs为临界剪切阻尼比；m为颗粒质量，kg；vn为颗粒法向相对速度，m/s；vs为颗粒剪切相对速度，m/s；i为颗粒标号，i＝1、2。

颗粒之间的机械作用以及接触剪切会导致其发生旋转，则颗粒动量可由下式计算。

mi＝ksδs(x0-xi)

式中，mi为颗粒接触点处的动量，kg·m/s；x0为颗粒接触点位置；xi为颗粒i几何中心位置。

以步骤102中获得的数学模型为基础，在步骤103、步骤104中建立模型边界条件：入口、出口与其他边界条件以及入口速度值。

在步骤103、步骤104中，以步骤102基础模型为基础，需确定孔隙中流体参数和固体悬浮物参数，确定的孔隙喉道参数包括：孔隙长度、孔隙直径、孔隙收缩处喉道直径，建立模型；确定的固体悬浮物参数包括：粒径、密度、圆度；并通过不同粒径-喉道比进行实验编号。

步骤105，将步骤103和步骤104耦合模拟固相悬浮物在油气储集层孔隙中通过能力(如图3所示)。

将步骤103和步骤104计算的流体和颗粒参数通过压力与速度耦合模拟固相悬浮物在油气储集层孔隙中通过能力。首先在每个计算单元中都要计算流体对颗粒的拖曳力，然后根据力-位移法则计算颗粒之间以及颗粒与壁面之间的相互作用力，最后根据牛顿第二定律对颗粒运移进行计算。颗粒运移导致计算单元内孔隙度发生变化，进而影响流场。在离散元方法中的力-位移计算与运动计算之间，利用流体动力学方法中计算流体压力和速度，从而对流场进行计算更新。

流体施加在每个颗粒上的拖曳力如下所示。

其中，为施加在每个颗粒上的拖曳力；d为粒径；为每个单元上的颗粒所受的平均体积力。

通过将步骤103和步骤104耦合模拟得出的结果进行分析，得出最佳匹配的粒径-孔喉比。

因此可以通过流体动力学模型与离散元模型耦合的手段对注入水中固相悬浮物粒径与油气储集层孔隙半径匹配关系开展模拟。