一种基于CFD-DEM耦合的机械筛管防砂模拟方法

本发明涉及油气开采防砂领域，尤其涉及一种基于cfd-dem耦合的机械筛管防砂模拟方法。

背景技术：

1、出砂是疏松油气储层开采时面临的常见和严重的问题，已成为困扰开采井正常生产的主要问题之一。一方面，出砂可能会使储层结构发生破坏，容易造成地层坍塌、滑坡等地质灾害；另一方面，出砂可能会导致井筒堵塞，对开采设备造成冲蚀磨损，严重影响油气开采的安全和效率。防砂与控砂管理对于安全高效持续开采油气藏有重要意义，是保障油气开发的关键措施之一。为了解决出砂问题，已形成了多种控砂完井工艺。其中，机械筛管防砂工艺是常用的一种。机械筛管中的挡砂介质是防砂的关键，主要有筛网类、割缝缝隙类、金属棉类和预充填颗粒类等4种。厘清挡砂介质的挡砂和堵塞机制，不仅可以为水合物开采防砂工艺优化和参数设计提供参考，而且有助于新型控砂完井工艺的探索。

2、目前，针对防砂与控砂管理的研究，主要的手段是采用试验和基于连续介质力学理论的数值模拟，这些研究对于理解和认知挡砂动态演化规律、防砂设计方法以及微观挡砂机制上有很大启示。然而，试验和基于连续介质理论的数值模型重点关注宏观挡砂特性，很难准确刻画储层的离散特性及各相之间的相互作用，难以揭示筛网挡砂的微观机理。虽然极少的试验设备配置了显微成像等先进的观测系统，用于观察储层砂迁移和堵塞的动态过程，但是仍然存在出砂和防砂过程难以观测及其时空演化过程不易监测等问题，对于微观尺度的精细刻画和定量表征存在很大困难。

技术实现思路

1、针对现有防砂与控砂管理研究存在的缺陷，针对机械筛管防砂工艺所用的筛网类挡砂介质，本发明提出一种基于cfd-dem耦合的机械筛管防砂模拟方法，该方法考虑了储层砂颗粒流入的随机性和筛网特定的物理结构，不仅能够模拟机械筛网的宏观挡砂特性，而且可以探究储层砂迁移和堵塞的微观机理。

2、具体技术方案如下：

3、一种基于cfd-dem耦合的机械筛管防砂模拟方法，包括以下步骤：

4、s1：获取储层砂颗粒的粒径级配曲线，构建机械筛管防砂数值模型，所述机械筛管防砂数值模型沿流体入流方向依次包括储层砂迁移区、筛网区、出砂区；储层砂和流体从储层砂迁移区的入流平面中进入，部分储层砂被筛网区阻挡，另一部分储层砂穿过筛网区后进入出砂区；所述筛网区的筛网由多个筛网颗粒胶结而成；

5、s2：使用随机算法，每隔若干个计算时间步，在所述入流平面的随机位置生成随机粒径的储层砂颗粒，并设置恒定的入流速度；

6、s3：获取并赋予机械筛管防砂数值模型中颗粒之间的接触子模型的参数；

7、s4：基于储层砂颗粒的粒径级配，使用流体网格对机械筛管防砂数值模型进行网格划分，并设置流体的边界条件；

8、s5：cfd-dem耦合计算：对于流场，由流体网格中的储层砂颗粒总体积计算得到流体网格的孔隙率，再根据孔隙率估算流体网格的渗透系数，由此求解稳态不可压缩流体的渗流方程并获取流场信息；对于储层砂颗粒，另外考虑流体施加在储层砂颗粒上的力，由离散元理论计算储层砂颗粒的运动，实现cfd-dem的双向耦合计算；

9、s6：当累积出砂量基本不变化时，筛网处于堵塞平衡状态，终止模拟。

10、进一步地，所述s4中，机械筛管防砂数值模型为长方体结构，除了入流平面，在机械筛管防砂数值模型的四周设置墙体边界，其中出砂区的一面墙体设置为零压力边界，且所述入流平面、筛网区的筛网、零压力边界平行布置；其余墙体均设置为不透水边界；设定机械筛管防砂数值模型不考虑重力作用，流体的密度和动力黏度设置为与纯水一致。

11、进一步地，所述筛网区至少包括一层筛网，最靠近入流平面的一层筛网到入流平面的直线距离大于储层砂最大颗粒粒径的10倍。

12、进一步地，所述筛网由金属丝构成，其结构类型包括：平纹型编织密纹网、斜纹型编织密纹网、平纹型编织方孔网；所述金属丝由多个筛网颗粒胶结而成，相邻筛网颗粒之间的重叠量大于等于筛网颗粒半径的一半。

13、进一步地，所述筛网区有若干层筛网时，错动不同层筛网之间的位置，使不同层筛网的网孔错位，从而改变实际的流体渗流通径大小，得到不同的多层筛网组合。

14、进一步地，所述s3中，机械筛管防砂数值模型内部存在多种接触类型，包括：储层砂颗粒之间的接触、储层砂颗粒与墙体边界之间的接触、筛网颗粒与墙体边界之间的接触、筛网颗粒与储层砂颗粒之间的接触、筛网颗粒之间的接触；

15、所述储层砂颗粒之间的接触、储层砂颗粒与墙体边界之间的接触均赋予线性接触子模型，该线性接触子模型的参数采用储层砂的离散元三轴试验标定，考虑到流体的存在，将标定得到的摩擦系数减小；

16、所述筛网颗粒与墙体边界之间的接触、筛网颗粒与储层砂颗粒之间的接触均赋予线性接触子模型，所述筛网颗粒之间的接触赋予线性平行胶结子模型；这三种接触的子模型参数均按照经验设定；在不考虑筛网在液固相冲击作用下的失效行为时，筛网颗粒之间的胶结强度参数设置为大于等于1010的数值。

17、进一步地，所述离散元三轴试验的标定流程具体如下：

18、(1)以线性接触子模型的有效模量和平行胶结子模型的线性有效模量为主要调整对象、辅以调整摩擦系数和平行胶结子模型的胶结有效模量，以匹配试样的宏观弹性模量和泊松比；

19、(2)调整平行胶结子模型的胶结有效模量与胶结强度参数，以匹配试样的峰值强度和残余强度；

20、(3)依据试样的屈服破坏情况进一步调整平行胶结子模型的胶结强度参数；

21、(4)基于试验结果，对线性接触子模型参数进行微调，以平衡不同宏观力学参数的误差，提高模拟结果的准确性。

22、进一步地，所述s5中，根据储层砂颗粒的粒径级配，确定流体网格的尺寸；为避免求解稳态不可压缩流体的渗流方程时出现奇异点，所述流体网格的单元的孔隙率不小于0.005；所述稳态不可压缩流体的渗流方程表达式如下：

23、

24、式中，表示哈密顿算子，u为流体的速度，k为渗透率，μf为流体的动力黏滞系数，n为流体单元孔隙率，p为流体压力。

25、进一步地，所述s5的具体操作如下：

26、对于流场，根据储层砂颗粒的速度和位置信息得到平均孔隙率和渗透系数，流体单元孔隙率由流体单元与储层砂颗粒的重叠量确定，其中储层砂颗粒用长宽高等于储层砂颗粒粒径的立方体表征；考虑流体流动中储层砂颗粒的存在，渗透系数设定为孔隙率的函数，并用kozeny-carman关系估算；采用开源求解器fipy对稳态不可压缩流体的渗流方程进行离散化，将流体域划分为结构化网格，每个网格节点控制一定区域的体积；待解的稳态不可压缩流体的渗流方程对每一个流体网格的流体控制体积进行积分，得到离散方程；基于离散方程，计算包括流体速度、压强和压力梯度在内的流场信息；

27、对于储层砂颗粒，开源求解器fipy计算的流场信息以流体-颗粒相互作用力的形式施加到储层砂颗粒的形心上，由离散元理论进行计算并更新储层砂颗粒的速度和位置，由此完成流体相与固相颗粒之间的信息交互，进而实现cfd-dem的双向耦合计算；储层砂颗粒有平动和转动两种运动模式，在运动过程中，储层砂颗粒的运动遵循牛顿运动定律，并考虑流体和储层砂颗粒之间的相互作用力，将其体现在运动方程中，运动方程表达式如下：

28、

29、式中，mi为第i个储层砂颗粒的质量，为第i个储层砂颗粒在时刻t时的加速度，为作用在第i个储层砂颗粒上的接触数量，为第i个储层砂颗粒在第k个接触处的接触力，fig为第i个储层砂颗粒受到的体积力，fid为第i个储层砂颗粒受到的阻尼力，fif为流体作用在第i个储层砂颗粒上的力；ji为第i个储层砂颗粒的转动惯量，为第i个储层砂颗粒在时刻t时的角加速度，ri,k为第i个储层砂颗粒在第k个接触处的矢径，为作用在第i个储层砂颗粒上的胶结接触数量，为第i个储层砂颗粒在第m个胶结接触处的胶结力矩，为第i个储层砂颗粒受到的阻尼力矩。

30、进一步地，所述s5中，cfd的计算时步设定为dem计算时步的100倍。

31、本发明的有益效果是：

32、(1)本发明采用颗粒胶结的方式构建了筛网结构，规避了离散元模型与连续介质模型耦合的难点，有助于提高模拟的准确性。

33、(2)本发明使用随机算法，使储层砂进入储层砂迁移区的位置和粒径大小均随机，能够很好地贴合实际储层砂由射孔孔眼进入井筒环空的过程，有助于提高模拟的准确性。

34、(3)本发明对疏松砂质油气储层的出砂问题的研究具有广泛的适用性，不仅可以研究筛网的宏观挡砂特性，而且可以用一种非常直观的方式对储层砂的迁移和堵塞的微观动态过程进行模拟，根据模拟的结果，一方面可以优化和改善现有的防砂工艺，另一方面可以指导新型防砂工艺的开发。