CN110390130B - 含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法 - Google Patents

含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法 Download PDF

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CN110390130B CN201910505391.5A CN201910505391A CN110390130B CN 110390130 B CN110390130 B CN 110390130B CN 201910505391 A CN201910505391 A CN 201910505391A CN 110390130 B CN110390130 B CN 110390130B
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Abstract

本发明提供了一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法，利用水合物藏开采产能预测软件和岩土力学分析软件的耦合，建立含水合物沉积物储层热‑流‑固的宏观多场耦合模型，进而利用颗粒流离散元软件构建细观出砂模型，并通过宏观多场耦合模型模拟降压开采过程，同时，将模拟获取的有效应力、水合物饱和度和水气流速等数据作为边界和初始条件传递给细观出砂模型，进行动态出砂模拟。本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案在利用宏观多场耦合模型求得储层物性响应及力学响应规律的前提下，将相关数据传递到利用颗粒流离散元软件构建的细观出砂模型中，进行动态出砂模拟，从细观角度研究出砂的发生发展进程，厘清出砂机理和规律。

Description

含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法
技术领域
本发明涉及海洋天然气水合物资源开发工程技术领域，尤其涉及一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法。
背景技术
天然气水合物是一种资源潜力巨大的非常规能源，具有储量大、分布广、能量密度高和环保无污染等特点，被认为是后石油时代的重要替代能源。目前，天然气水合物的开发和利用成为了各国政府，各大油气公司和各类学术机构的研究热点。
1967年-2017年期间，国际上先后多次进行了以降压开采法为主的天然气水合物试开采工作，但大部分在开采过程中出现了不同程度的储层出砂问题，其中2013年日本首次海洋试开采作业仅持续6天后就因井下大量出砂而被迫终止。2017年我国在南海神狐海域成功实施了首次海域天然气水合物试采，取得了重大突破。同年水合物被列为我国第173个矿种，其产业化进程加速。水合物产业化面临的最大挑战是如何实现安全长效开采，尤其是开采导致的泥砂产出是必须攻克的难题，成为水合物产业化急需突破的瓶颈之一。尽管2017我国第一次南海水合物试采出砂并不是很严重，但从长期稳定高产目标来看，出砂风险和防控依然不可忽视。充分认识天然气水合物降压开采储层响应特性及出砂机理和规律是解决泥砂产出问题的关键所在。
由于天然气水合物现场试验成本高，周期长等问题，通过室内模拟实验和数值模拟来研究水合物储层开采响应以及出砂机理和规律成为解决上述问题的主要手段。目前，含水合物储层出砂数值模拟研究方面，虽然考虑了热-流-固多场耦合，但仍是从连续介质理论出发，通过地层塑性屈服应变判断出砂风险和出砂量，没有考虑泥砂的离散特征以及颗粒间的相互作用对出砂的影响，因而对出砂行为规律及其机理描述不足(比如常见的利用有限元方法模拟储层出砂)。
专利号CN106950153A公开了一种含水合物沉积物出砂过程模拟专用反应釜及其测试方法，能在室内试验条件下精确模拟地层真实应力条件并能够通过控制不同的温压和起始气水条件控制沉积物中的水合物饱和度，进而进行不同含水合物饱和度条件下的动态出砂过程测试。但上述发明无法实时、直观的观测含水合物沉积物降压开采过程中储层温度、压力、水合物饱和度、有效应力、位移等储层物性参数和力学参数的时空演化情况，以及出砂的发生发展进程。此外，相比于室内实验，数值模拟还具有提高实验效率，节约时间和材料成本等多方面的优势。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法，可针对含水合物沉积物降压开采出砂过程室内模拟实验进行数值仿真。一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法，主要包括以下步骤：
S101：采用网格建模软件对出砂反应釜内的水合物沉积物进行建模，并对建立好的模型进行网格划分，得到划分好网格的第一出砂反应釜模型；所述网格包括井眼网格；
S102：根据划分好网格的第一出砂反应釜模型，采用水合物藏开产能预测软件TOUGH+HYDRATE对所述水合物沉积物的储层热流场进行建立，并根据实际待开采区域的储层参数对划分好网格的第一出砂反应釜模型的赋值储层物性参数进行赋值，得到所述水合物沉积物的储层热流场；所述储层物性参数包括：储层初始压力、储层初始温度、储层初始水合物饱和度、储层孔隙水盐度、储层孔隙度、储层渗透率和环境温度；
S103：采用岩土力学分析软件FLAC3D对出砂反应釜内的水合物沉积物进行建模，并对建立好的模型进行网格划分，得到划分好网格的第二出砂反应釜模型；并根据实际待开采区域的储层参数赋值划分好网格的第二出砂反应釜模型的初始条件，并将模型上下边界及井眼设置为固定位移边界，模型外围施加应力边界条件等效替代围压作用，完成力学场的建立，得到所述水合物沉积物的储层力学场；所述网格包括井眼网格；其中，所述第一出砂反应釜模型的尺寸大小和网格划分与所述第二出砂反应釜模型保持一致；
S104：将TOUGH+HYDRATE软件和FLAC3D软件的数据接口进行耦合，以实现所述储层热流场中的储层热流分析参数和所述力学场中的地层应力-应变分析参量之间的耦合调用，进而得到所述储层热流场和所述储层力学场联合组成的宏观多场耦合模型；并通过所述宏观多场耦合模型给所述井眼网格设置一个压力值，实现所述水合物沉积物的储层降压开采模拟，进而得到开采过程中所述水合物沉积物的储层有效应力、储层流体作用力和储层水合物饱和度的时空演化规律，即所述水合物沉积物的储层有效应力、储层流体流速和储层水合物饱和度的演化数据；其中，所述压力值小于所述储层初始压力的压力值；
S105：对所述水合物沉积物进行激光粒度分析实验，得到所述水合物沉积物的骨架颗粒级配曲线；
S106：对所述水合物沉积物进行细观力学参数标定实验，并与宏观含水合物沉积物三轴压缩实验结果进行对比，得到所述水合物沉积物的颗粒细观力学参数；所述宏观含水合物沉积物三轴压缩实验结果为现有结果；
S107：根据所述骨架颗粒级配曲线和所述颗粒细观力学参数，采用颗粒流离散元软件PFC3D构建细观出砂模型；根据所述水合物沉积物的储层有效应力、储层流体流速和储层水合物饱和度的演化数据，采用所述细观出砂模型的水合物分解等效模拟功能、有效应力控制功能、流固耦合计算功能和储层出砂功能对所述水合物沉积物的出砂进行模拟实验；
S108：对整个模拟实验过程中溢出所述出砂反应釜的防砂孔口的颗粒体积进行统计，得到出砂量。
进一步地，步骤S101中，所述水合物沉积物的制备方法为：首先在室内配制与实际待开采区域沉积物颗粒级配特征一致的模拟石英砂放入出砂反应釜内，然后在出砂反应釜内以一定实验手段生成水合物，进而得到所述水合物沉积物；所述网格建模软件为MeshMaker。
进一步地，步骤S104中，所述水合物沉积物的储层降压开采模拟，还可以得到所述水合物沉积物储层温度和孔隙压力以及储层位移的时空演化规律。
进一步地，步骤S106中，对所述水合物沉积物进行细观力学参数标定实验，并与宏观含水合物沉积物三轴压缩实验结果进行对比，得到所述水合物沉积物的颗粒细观力学参数的方法为：对所述水合物沉积物进行细观力学参数标定实验，得到实验的第一应力-应变曲线，不断调整颗粒细观力学参数，以改变所述第一应力-应变曲线；当所述第一应力-应变曲线与所述宏观含水合物沉积物三轴压缩实验结果中的应力-应变曲线之间的标准差小于或者等于β时，则所述水合物沉积物进行细观力学参数标定实验得到的颗粒细观力学参数合格；其中，β为标准差阈值，为预设值；
进一步地，步骤S107中，将所述水合物沉积物的储层有效应力、储层流体流速和储层水合物饱和度的演化数据分别转换为颗粒流离散元软件PFC3D能够读取的table文件格式，并输入到颗粒流离散元软件PFC3D建立的所述细观出砂模型中，以通过水合物分解等效模拟功能、有效应力控制功能、流固耦合计算功能和储层出砂功能对所述水合物沉积物的出砂进行模拟实验；具体包括如下步骤：
S201：根据所述储层水合物饱和度的演化数据，采用公式(1)对所述水合物沉积物的粘接强度随水合物饱和度的降低而递减进行水合物分解等效模拟；其中，粘结强度包括粘结法向强度pb_ten和粘结细观粘聚力pb_coh；
Figure BDA0002091670630000041
上式中，pb_ten(SH)是所述水合物沉积物分解过程中沉积物的细观粘结法向强度；SH0是所述储层初始水合物饱和度；SH是分解过程中水合物饱和度；pb_ten(SH0)是水合物分解前的沉积物细观粘结法向强度；pb_coh(SH)是水合物分解过程中沉积物的细观粘聚力；pb_coh(SH0)是水合物分解前的沉积物细观粘聚力；
S202：根据所述储层有效应力的演化数据，采用伺服机制控制所述细观出砂模型中的边界墙体的运动，使其按照所述储层有效应力的演化数据的变化规律进行变化，以对细观出砂模型的有效应力进行动态模拟；
S203：根据所述储层流体流速的演化数据，采用粗网格算法和PFC3D软件中内置计算流体动力学模块对细观出砂模型的流体作用力进行动态模拟；
S204：储层出砂：当所述有效应力和所述流体流速超过所述粘接强度造成粘结断裂时，砂粒通过应力挤压或流体携带溢出所述出砂反应釜的防砂孔口。
进一步地，步骤S203中，根据所述储层流体流速的演化数据，采用粗网格算法通过有限体积法在粗网格单元集上求解不可压缩流体的控制方程，得到每一时步流体网格内的流体压力场以及流速分布，接着PFC3D软件中内置计算流体动力学模块(CFD)将计算得到流体作用力作为体力施加到砂颗粒上，同时运用离散元方法(DEM)进行颗粒间的力学计算，最后将更新后的孔隙率传回CFD模块，实现流固双向耦合，以对细观出砂模型的流体作用力进行动态模拟。
进一步地，步骤S108中，对整个模拟实验过程中溢出所述出砂反应釜的防砂孔口的颗粒体积进行统计，得到出砂量的方法如下：
砂粒从沉积物骨架脱离并运移出防砂孔过程中，一旦砂粒完全通过防砂孔，即砂粒通过防砂孔平面且中心点距防砂孔平面的距离为砂粒半径r，此时程序会立即删除该砂粒；一个拟定物理时步计算结束后，对剩余全体球颗粒进行遍历并求得总体积为Vupdate，进而根据所述总体积，采用公式(2)对出砂量进行计算：
Vout＝Vbegin-Vupdate (2)
上式中，Vout为总体积；Vbegin为所述细观出砂模型区域内初始颗粒总体积；如此循环，当计算时间达到设定值，计算结束，即可得到最终单孔出砂量。
进一步地，所述细观出砂模型区域内初始颗粒总体积Vbegin的计算方法如下：
通过对初始平衡后的细观出砂模型区域内所有颗粒进行遍历，计算得到初始颗粒总体积Vbegin，如公式(3)
Figure BDA0002091670630000051
上式中，Vi为单个球体颗粒体积，S为球体颗粒总数；Vi根据公式：
Figure BDA0002091670630000052
计算得到，ri为单个球体颗粒半径；i为球体颗粒序号。
进一步地，改变步骤S102中所述储层物性参数中各参数的取值，即可模拟探究不同初始参数开采情况下的储层响应特性以及出砂破坏机制和具体出砂规律；例如，通过只改变所述储层初始水合物饱和度，即可模拟探究不同初始水合物饱和度储层降压开采情况下的储层响应特性以及出砂破坏机制和具体出砂规律。
进一步地，改变步骤S104中所述井眼网格的压力值，即可模拟探究不同开采压差情况下的储层响应特性以及出砂破坏机制和具体出砂规律。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所提出的技术方案在利用宏观多场耦合模型求得储层物性响应及力学响应规律的前提下，将相关数据传递到利用颗粒流离散元软件构建的细观出砂模型中，进行动态出砂模拟，从细观角度研究出砂的发生发展进程，进而厘清出砂机理和规律。具有以下四个方面的优势：
(1)有效解决了含水合物沉积物降压开采出砂室内实验中水合物难以快速合成并达到指定含量的问题；
(2)有效解决了含水合物沉积物降压开采出砂室内实验中储层温度、孔隙压力、水合物饱和度、储层有效应力和位移等参数时空演化情况难以实时直观观测的问题；
(3)采用了颗粒流离散元方法，方便直观地追踪砂粒从储层骨架脱离并运移出防砂孔口整个发生发展进程；
(4)采用的数值模拟方法相比于室内实验具有节省人力与物料成本的优势。
本发明所提出的技术方案对指导室内模拟实验开展具有重要参考意义，为现场尺度储层响应与出砂模拟研究奠定了技术基础。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法的流程图；
图2是本发明实施例中具体实施框架图；
图3是本发明实施例中一般含水合物沉积物降压开采出砂室内实验反应釜的结构示意图：
图4是本发明实施例中出砂反应釜内沉积物模型网格划分示意图；
图5(a)～图5(c)是本发明实施例中不同开采压差条件下的产水、产气速率图；
图6是本发明实施例中基于颗粒流离散元的细观出砂模型；
图7是本发明实施例中不同开采压差条件下出砂量随时间的变化关系图；
图8是本发明实施例中储层出砂过程截面位移云图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法。
请参考图1，图1是本发明实施例中一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法的流程图，应用于出砂反应釜上，具体包括如下步骤：
S101：采用网格建模软件MeshMaker对出砂反应釜内的水合物沉积物进行建模，并对建立好的模型进行网格划分，得到划分好网格的第一出砂反应釜模型；所述网格包括井眼网格；所述水合物沉积物的制备方法为：首先在室内配制与实际待开采区域沉积物颗粒级配特征一致的模拟石英砂放入出砂反应釜内，然后在出砂反应釜内以一定实验手段生成水合物，进而得到所述水合物沉积物；
S102：根据划分好网格的第一出砂反应釜模型，采用水合物藏开产能预测软件TOUGH+HYDRATE对所述水合物沉积物的储层热流场进行建立，并根据实际待开采区域的储层参数对划分好网格的第一出砂反应釜模型的赋值储层物性参数进行赋值，得到所述水合物沉积物的储层热流场；所述储层物性参数包括：储层初始压力、储层初始温度、储层初始水合物饱和度、储层孔隙水盐度、储层孔隙度、储层渗透率和环境温度；
S103：采用岩土力学分析软件FLAC3D对出砂反应釜内的水合物沉积物进行建模，并对建立好的模型进行网格划分，得到划分好网格的第二出砂反应釜模型；并根据实际待开采区域的储层参数赋值划分好网格的第二出砂反应釜模型的初始条件，并将模型上下边界及井眼设置为固定位移边界，模型外围施加应力边界条件等效替代围压作用，完成力学场的建立，得到所述水合物沉积物的储层力学场；所述网格包括井眼网格；其中，所述第一出砂反应釜模型的尺寸大小和网格划分与所述第二出砂反应釜模型保持一致；
S104：将TOUGH+HYDRATE软件和FLAC3D软件的数据接口进行耦合，以实现所述储层热流场中的储层热流分析参数和所述力学场中的地层应力-应变分析参量之间的耦合调用，进而得到所述储层热流场和所述储层力学场联合组成的宏观多场耦合模型；并通过所述宏观多场耦合模型给所述井眼网格设置一个压力值，实现所述水合物沉积物的储层降压开采模拟，进而得到开采过程中所述水合物沉积物的储层有效应力、储层流体作用力和储层水合物饱和度的时空演化规律，即所述水合物沉积物的储层有效应力、储层流体流速和储层水合物饱和度的演化数据；其中，所述压力值小于所述储层初始压力的压力值；
所述水合物沉积物的储层降压开采出砂模拟，还可以得到所述水合物沉积物的储层温度、孔隙压力、位移等多参数的时空演化规律；
S105：对所述水合物沉积物进行激光粒度分析实验，得到所述水合物沉积物的骨架颗粒级配曲线；
S106：对所述水合物沉积物进行细观力学参数标定实验，并与宏观含水合物沉积物三轴压缩实验结果进行对比，得到所述水合物沉积物的颗粒细观力学参数；所述宏观含水合物沉积物三轴压缩实验结果为现有结果，本发明实施例中使用的结果为参考文献：Miyazaki K,Masui A,Sakamoto Y,et al.Effect of Confining Pressure on TriaxialCompressive Properties of Artificial Methane Hydrate Bearing Sediments[C].Offshore Technology Conference.Houston,Texas,USA:OTC,2010；
对所述水合物沉积物进行细观力学参数标定实验，得到实验的第一应力-应变曲线，不断调整颗粒细观力学参数，以改变所述第一应力-应变曲线；当所述第一应力-应变曲线与所述宏观含水合物沉积物三轴压缩实验结果中的应力-应变曲线之间的标准差小于或者等于β时，则所述水合物沉积物进行细观力学参数标定实验得到的颗粒细观力学参数合格；其中，β为标准差阈值，为预设值；
S107：根据所述骨架颗粒级配曲线和所述颗粒细观力学参数，采用颗粒流离散元软件PFC3D构建细观出砂模型；根据所述水合物沉积物的储层有效应力、储层流体流速和储层水合物饱和度的演化数据，采用所述细观出砂模型的水合物分解等效模拟功能、有效应力控制功能、流固耦合计算功能和储层出砂功能对所述水合物沉积物的出砂进行模拟实验；
S108：对整个模拟实验过程中溢出所述出砂反应釜的防砂孔口的颗粒体积进行统计，得到出砂量。
步骤S107中，将所述水合物沉积物的储层有效应力、储层流体流速和储层水合物饱和度的演化数据分别转换为颗粒流离散元软件PFC3D能够读取的table文件格式，并输入到颗粒流离散元软件PFC3D建立的所述细观出砂模型中，以通过水合物分解等效模拟功能、有效应力控制功能、流固耦合计算功能和储层出砂功能对所述水合物沉积物的出砂进行模拟实验；具体如下：
S201：根据所述储层水合物饱和度的演化数据，采用公式(1)对所述水合物沉积物的粘接强度随水合物饱和度的降低而递减进行水合物分解等效模拟；其中，粘结强度包括粘结法向强度pb_ten和粘结细观粘聚力pb_coh；
Figure BDA0002091670630000091
上式中，pb_ten(SH)是所述水合物沉积物分解过程中沉积物的细观粘结法向强度；SH0是所述储层初始水合物饱和度；SH是分解过程中水合物饱和度；pb_ten(SH0)是水合物分解前的沉积物细观粘结法向强度；pb_coh(SH)是水合物分解过程中沉积物的细观粘聚力；pb_coh(SH0)是水合物分解前的沉积物细观粘聚力；
S202：根据所述储层有效应力的演化数据，采用伺服机制控制所述细观出砂模型中的边界墙体的运动，使其按照所述储层有效应力的演化数据的变化规律进行变化，以对细观出砂模型的有效应力进行动态模拟；
S203：根据所述储层流体流速的演化数据，采用粗网格算法(Coarse GridApproach)通过有限体积法在粗网格单元集上求解不可压缩流体的控制方程，得到每一时步流体网格内的流体压力场以及流速分布，接着PFC3D软件中内置计算流体动力学模块(CFD)将计算得到流体作用力作为体力施加到砂颗粒上，同时运用离散元方法(DEM)进行颗粒间的力学计算，最后将更新后的孔隙率传回CFD模块，实现流固双向耦合，以对细观出砂模型的流体作用力进行动态模拟；
在本发明实施例中，降压开采过程中分解水、气和砂颗粒间存在流固耦合效应；由于气体黏度较低，对砂粒的拖曳效果弱，因此为了简化数值计算，细观出砂模型中只考虑水—砂颗粒两相。
S204：储层出砂：当所述有效应力和所述流体流速超过所述粘接强度造成粘结断裂时，砂粒通过应力挤压或流体携带溢出所述出砂反应釜的防砂孔口。
步骤S108中，对整个模拟实验过程中溢出所述出砂反应釜的防砂孔口的颗粒体积进行统计，得到出砂量的方法如下：
砂粒从沉积物骨架脱离并运移出防砂孔过程中，一旦砂粒完全通过防砂孔，即砂粒通过防砂孔平面且中心点距防砂孔平面的距离为砂粒半径r，此时程序会立即删除该砂粒；一个拟定物理时步计算结束后，对剩余全体球颗粒进行遍历并求得总体积为Vupdate，进而根据所述总体积，采用公式(2)对出砂量进行计算：
Vout＝Vbegin-Vupdate (2)
上式中，Vout为总体积；Vbegin为所述细观出砂模型区域内初始颗粒总体积；如此循环，当计算时间达到设定值，计算结束，即可得到最终单孔出砂量。
所述细观出砂模型区域内初始颗粒总体积Vbegin的计算方法如下：
通过对初始平衡后的细观出砂模型区域内所有颗粒进行遍历，计算得到初始颗粒总体积Vbegin，如公式(3)
Figure BDA0002091670630000101
上式中，Vi为单个球体颗粒体积，S为球体颗粒总数；Vi根据公式：
Figure BDA0002091670630000102
计算得到，ri为单个球体颗粒半径；i为球体颗粒序号。
改变步骤S102中所述储层物性参数中各参数的取值，即可模拟探究不同初始参数开采情况下的储层响应特性以及出砂破坏机制和具体出砂规律；例如，通过只改变所述储层初始水合物饱和度，即可模拟探究不同初始水合物饱和度储层降压开采情况下的储层响应特性以及出砂破坏机制和具体出砂规律。
改变步骤S104中所述井眼网格的压力值，即可模拟探究不同开采压差情况下的储层响应特性以及出砂破坏机制和具体出砂规律。
本发明实施例针对某待开采区域的水合物沉积物进行了实际的数值模拟实验，具体实施框架图如图2所示，具体步骤如下：
1)利用网格建模软件针对含水合物沉积物降压开采出砂室内实验的主体结构——出砂反应釜及釜内沉积物(如图3所示)进行建模，模型几何参数见表1。然后，划分网格(共计1160个)，并考虑到井筒附近相变和传热传质剧烈，对靠近井筒区域竖向方向网格进行了加密，见图4；图3中各硬件设备解释：釜盖1；防砂器2；防砂孔3；釜体4；反应釜内腔5(内充填含水合物沉积物)；围压胶套6。
表1出砂反应釜内沉积物模型几何参数
Figure BDA0002091670630000103
Figure BDA0002091670630000111
2)将划分好网格的出砂反应釜模型导入到水合物藏开采产能预测软件TOUGH+HYDRATE中，并赋值储层参数，具体取值见表2。此外，模型四周采用恒温边界，完成水合物储层热流场的建立；
表2储层热流场参数
参数 取值
地层初始压力 14.4MPa
地层初始温度 14.5℃
环境温度 14.5℃
初始水合物饱和度 0.3
盐度 3.05％
地层孔隙度 45％
地层渗透率 10mD
3)在岩土力学分析软件FLAC3D中利用FISH语言建立出砂反应釜模型并划分网格，并且所建立的模型尺寸大小和网格划分与步骤1中模型尺寸大小和网格划分保持一致。然后根据实际储层参数赋值初始条件，具体参数见表3。接着设置边界条件，将模型上下边界及井眼设置为固定位移边界，模型外围施加应力边界条件等效替代围压作用，完成力学场的建立；
表3储层力学场参数
参数 取值
初始体积模量 375MPa
初始剪切模量 343MPa
泊松比 0.35
内摩擦角 30°
粘聚力 1.13MPa
4)通过编程将TOUGH+HYDRATE和FLAC3D两个软件的数据接口进行耦合，共同构建含水合物沉积物储层热-流-固(THM)的宏观多场耦合模型；
基于该模型，本实例模拟研究了储层初始水合物饱和度SH＝30％，井底压力在1h内从14.4MPa分别逐渐降至3.4MPa(压差Δp＝11MPa)、4.4MPa(压差Δp＝10MPa)和5.4MPa(压差Δp＝9MPa)，随后保持恒定持续开采12小时情况下的体系温度、孔隙压力、水气产出速率、水合物饱和度、位移演化情况。模拟结果如图5所示。
5)根据激光粒度分析实验，获取沉积物骨架颗粒级配曲线；
6)进行细观力学参数标定实验，并与宏观含水合物沉积物三轴压缩实验结果进行对比，最后确定一组颗粒细观力学参数，见表4；
表4细观力学参数
模型部位 颗粒间 颗粒与墙体接触处
线性接触模量/GPa 0.5 5
线性接触刚度比 6.0 6.0
摩擦系数 0.8 0.8
粘结模量/GPa 0.5 —
粘结刚度比 1.0 —
粘结法向强度/MPa 0.5 —
粘结细观粘聚/MPa 0.8 —
粘结细观内摩擦角 20° —
粘结半径乘子 0.6 —
7)结合步骤5中骨架颗粒级配曲线和步骤6中颗粒细观力学参数，利用颗粒流离散元方法，建立相应的细观出砂模型。
需要说明的是，受模型颗粒数量和计算能力的限制，基于颗粒流离散元模型难以对整个反应釜的出砂过程进行大尺度模拟研究。因此，为了保证细观出砂模型具有代表性，本实例从出砂反应釜及釜内沉积物物理模型中选取包含单个防砂孔的立方体区域作为了模拟区域以构建细观出砂模型，见图6。模型参数见表5；
表5细观出砂模型参数
参数 取值
模型尺寸 30mm×30mm×30mm
防砂孔直径 20mm
颗粒粒径范围 0.6mm～1.62mm
颗粒密度 2650kg/m<sup>3</sup>
初始模型孔隙度 0.30
生成颗粒总数 111240
流体网格尺寸 5mm×5mm×5mm
流体网格数目 6×6×6
流体密度 1000kg/m<sup>3</sup>
流体黏度 0.001Pa·s
A、水合物分解等效模拟：降压开采过程中，水合物分解是出砂的重要原因之一。宏观多场耦合模型中，水合物分解过程通过水合物饱和度的降低来表征。而在细观出砂模型中，水合物的分解过程通过编写FISH子程序使粘结强度(粘结法向强度pb_ten和粘结细观粘聚力pb_coh)随水合物饱和度的降低而递减进行等效模拟。其中，水合物饱和度数据由宏观多场耦合模型计算输出，然后整理为PFC3D软件能够读取的table文件格式传递到细观出砂模型中。
沉积物粘结法向强度与饱和度的关系式为：
Figure BDA0002091670630000131
沉积物粘结细观粘聚力与饱和度的关系式为：/>
Figure BDA0002091670630000132
其中，pb_ten(SH)是水合物分解过程中沉积物的细观粘结法向强度；SH0是沉积物的初始水合物饱和度；SH是分解过程中水合物饱和度；pb_ten(SH0)是水合物分解前的沉积物细观粘结法向强度；pb_coh(SH)是水合物分解过程中沉积物的细观粘聚力；pb_coh(SH0)是水合物分解前的沉积物细观粘聚力。
B、有效应力控制：通过宏观多场耦合模型计算获取降压过程中的有效应力演化数据，并将该数据整理为PFC3D软件能够读取的table文件格式传递到细观出砂模型中。出砂过程中，通过伺服机制控制边界墙体的运动，使其按照宏观多场耦合模型输出的有效应力路径进行变化，即可实现对细观出砂模型边界应力的动态控制。
C、流固耦合计算：降压开采过程中分解水、气和砂颗粒间存在流固耦合效应。由于气体黏度较低，对砂粒的拖曳效果弱，因此为了简化数值计算，细观出砂模型中只考虑水—砂颗粒两相。考虑到细观出砂模型X、Y、Z三向均发生渗流，因此流体控制方程边界条件设定如下：防砂孔设定为压力出口边界，其余5个面均设定为非定常速度进口边界，进口流速与宏观多场耦合模型计算输出的单孔产水速率一致。
D、储层出砂：结合A、B和C进行细观出砂模型迭代计算，当有效应力超过沉积物强度造成粘结断裂时，砂粒通过流体携带或有效应力挤压溢出防砂孔口。
砂粒从沉积物骨架脱离并运移出防砂孔过程中，一旦砂粒完全通过防砂孔，即砂粒通过防砂孔平面且中心点距防砂孔平面的距离为砂粒半径r，此时程序会立即删除该砂粒。一个拟定物理时步计算结束后，对剩余全体球颗粒进行遍历并求得总体积为Vupdate，那么出砂量就为：
Vout＝Vbegin-Vupdate；Vout为总出砂量，单位m3；Vupdate为当前细观出砂模型区域内的球体颗粒总体积，单位m3。
如此循环，当计算时间达到设定值，计算结束，即可得到最终单孔出砂量；单个球体颗粒的体积为：
Figure BDA0002091670630000133
Vi为单个球体颗粒体积，单位m3；ri为单个球体颗粒半径，单位m；i为球体颗粒序号；通过对初始平衡后的细观出砂模型区域内所有颗粒进行遍历，即可计算得到初始颗粒总体积为：/>
Figure BDA0002091670630000141
Vbegin为充填区域内初始球体颗粒总体积，单位m3。
初始水合物饱和度SH＝30％，开采压差为11MPa，10MPa和9MPa等模拟条件下对应的出砂量情况，见图7；其中，(a)11MPa；(b)10MPa；(c)9MPa；(d)出砂量对比图。从图7中可以看出，开采压差越大，出砂起始时间越早，出砂速率越快，出砂量越大。
图8为开采压差11MPa条件下的出砂过程截面位移云图。从图中可以看出，防砂孔口砂颗粒位移量最大，且砂颗粒位移呈圆弧形分布，有形成“蚓洞”的趋势。
本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案在利用宏观多场耦合模型求得储层物性响应及力学响应规律的前提下，将相关数据传递到利用颗粒流离散元软件构建的细观出砂模型中，进行动态出砂模拟，从细观角度研究出砂的发生发展进程，进而厘清出砂机理和规律。具有以下四个方面的优势：
(1)有效解决了含水合物沉积物降压开采出砂室内实验中水合物难以快速合成并达到指定含量的问题；
(2)有效解决了含水合物沉积物降压开采出砂室内实验中储层温度、孔隙压力、水合物饱和度、储层有效应力和位移等参数时空演化情况难以实时直观观测的问题；
(3)采用了颗粒流离散元方法，方便直观地追踪砂粒从储层骨架脱离并运移出防砂孔口整个发生发展进程；
(4)采用的数值模拟方法相比于室内实验具有节省人力与物料成本的优势。
本发明所提出的技术方案对指导室内模拟实验开展具有重要参考意义，为现场尺度储层响应与出砂模拟研究奠定了技术基础。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：采用网格建模软件对出砂反应釜内的水合物沉积物进行建模，并对建立好的模型进行网格划分，得到划分好网格的第一出砂反应釜模型；所述网格包括井眼网格；
S102：根据划分好网格的第一出砂反应釜模型，采用水合物藏开产能预测软件TOUGH+HYDRATE对所述水合物沉积物的储层热流场进行建立，并根据实际待开采区域的储层参数对划分好网格的第一出砂反应釜模型的赋值储层物性参数进行赋值，得到所述水合物沉积物的储层热流场；所述储层物性参数包括：储层初始压力、储层初始温度、储层初始水合物饱和度、储层孔隙水盐度、储层孔隙度、储层渗透率和环境温度；
S103：采用岩土力学分析软件FLAC3D对出砂反应釜内的水合物沉积物进行建模，并对建立好的模型进行网格划分，得到划分好网格的第二出砂反应釜模型；并根据实际待开采区域的储层参数赋值划分好网格的第二出砂反应釜模型的初始条件，并将模型上下边界及井眼设置为固定位移边界，模型外围施加应力边界条件等效替代围压作用，完成力学场的建立，得到所述水合物沉积物的储层力学场；所述网格包括井眼网格；其中，所述第一出砂反应釜模型的尺寸大小和网格划分与所述第二出砂反应釜模型保持一致；
S104：将TOUGH+HYDRATE软件和FLAC3D软件的数据接口进行耦合，以实现所述储层热流场中的储层热流分析参数和所述力学场中的地层应力-应变分析参量之间的耦合调用，进而得到所述储层热流场和所述储层力学场联合组成的宏观多场耦合模型；并通过所述宏观多场耦合模型给所述井眼网格设置一个压力值，实现所述水合物沉积物的储层降压开采模拟，进而得到开采过程中所述水合物沉积物的储层有效应力、储层流体作用力和储层水合物饱和度的时空演化规律，即所述水合物沉积物的储层有效应力、储层流体流速和储层水合物饱和度的演化数据；其中，所述压力值小于所述储层初始压力的压力值；
S105：对所述水合物沉积物进行激光粒度分析实验，得到所述水合物沉积物的骨架颗粒级配曲线；
S106：对所述水合物沉积物进行细观力学参数标定实验，并与宏观含水合物沉积物三轴压缩实验结果进行对比，得到所述水合物沉积物的颗粒细观力学参数；所述宏观含水合物沉积物三轴压缩实验结果为现有结果；
S107：根据所述骨架颗粒级配曲线和所述颗粒细观力学参数，采用颗粒流离散元软件PFC3D构建细观出砂模型；根据所述水合物沉积物的储层有效应力、储层流体流速和储层水合物饱和度的演化数据，采用所述细观出砂模型的水合物分解等效模拟功能、有效应力控制功能、流固耦合计算功能和储层出砂功能对所述水合物沉积物的出砂进行模拟实验；
S108：对整个模拟实验过程中溢出所述出砂反应釜的防砂孔口的颗粒体积进行统计，得到出砂量。
2.如权利要求1所述的一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法，其特征在于：步骤S101中，所述水合物沉积物的制备方法为：首先在室内配制与实际待开采区域沉积物颗粒级配特征一致的模拟石英砂放入出砂反应釜内，然后在出砂反应釜内以一定实验手段生成水合物，进而得到所述水合物沉积物；所述网格建模软件为MeshMaker。
3.如权利要求1所述的一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法，其特征在于：步骤S104中，所述水合物沉积物的储层降压开采模拟，还可以得到所述水合物沉积物储层温度和孔隙压力以及储层位移的时空演化规律。
4.如权利要求1所述的一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法，其特征在于：步骤S106中，对所述水合物沉积物进行细观力学参数标定实验，并与宏观含水合物沉积物三轴压缩实验结果进行对比，得到所述水合物沉积物的颗粒细观力学参数的方法为：对所述水合物沉积物进行细观力学参数标定实验，得到实验的第一应力-应变曲线，不断调整颗粒细观力学参数，以改变所述第一应力-应变曲线；当所述第一应力-应变曲线与所述宏观含水合物沉积物三轴压缩实验结果中的应力-应变曲线之间的标准差小于或者等于β时，则所述水合物沉积物进行细观力学参数标定实验得到的颗粒细观力学参数合格；其中，β为标准差阈值，为预设值。
5.如权利要求1所述的一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法，其特征在于：步骤S107中，将所述水合物沉积物的储层有效应力、储层流体流速和储层水合物饱和度的演化数据分别转换为颗粒流离散元软件PFC3D能够读取的table文件格式，并输入到颗粒流离散元软件PFC3D建立的所述细观出砂模型中，以通过水合物分解等效模拟功能、有效应力控制功能、流固耦合计算功能和储层出砂功能对所述水合物沉积物的出砂进行模拟实验；具体包括如下步骤：
S201：根据所述储层水合物饱和度的演化数据，采用公式(1)对所述水合物沉积物的粘接强度随水合物饱和度的降低而递减进行水合物分解等效模拟；其中，粘结强度包括粘结法向强度pb_ten和粘结细观粘聚力pb_coh；
Figure FDA0003926438670000031
上式中，pb_ten(SH)是所述水合物沉积物分解过程中沉积物的细观粘结法向强度；SH0是所述储层初始水合物饱和度；SH是分解过程中水合物饱和度；pb_ten(SH0)是水合物分解前的沉积物细观粘结法向强度；pb_coh(SH)是水合物分解过程中沉积物的细观粘聚力；pb_coh(SH0)是水合物分解前的沉积物细观粘聚力；
S202：根据所述储层有效应力的演化数据，采用伺服机制控制所述细观出砂模型中的边界墙体的运动，使其按照所述储层有效应力的演化数据的变化规律进行变化，以对细观出砂模型的有效应力进行动态模拟；
S203：根据所述储层流体流速的演化数据，采用粗网格算法和PFC3D软件中内置计算流体动力学模块对细观出砂模型的流体作用力进行动态模拟；
S204：储层出砂：当所述有效应力和所述流体流速超过所述粘接强度造成粘结断裂时，砂粒通过应力挤压或流体携带溢出所述出砂反应釜的防砂孔口。
6.如权利要求5所述的一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法，其特征在于：步骤S203中，根据所述储层流体流速的演化数据，采用粗网格算法通过有限体积法在粗网格单元集上求解不可压缩流体的控制方程，得到每一时步流体网格内的流体压力场以及流速分布，接着PFC3D软件中内置计算流体动力学模块(CFD)将计算得到流体作用力作为体力施加到砂颗粒上，同时运用离散元方法(DEM)进行颗粒间的力学计算，最后将更新后的孔隙率传回CFD模块，实现流固双向耦合，以对细观出砂模型的流体作用力进行动态模拟。
7.如权利要求1所述的一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法，其特征在于：步骤S108中，对整个模拟实验过程中溢出所述出砂反应釜的防砂孔口的颗粒体积进行统计，得到出砂量的方法如下：
砂粒从沉积物骨架脱离并运移出防砂孔过程中，一旦砂粒完全通过防砂孔，即砂粒通过防砂孔平面且中心点距防砂孔平面的距离为砂粒半径r，此时程序会立即删除该砂粒；一个拟定物理时步计算结束后，对剩余全体球颗粒进行遍历并求得总体积为Vupdate，进而根据所述总体积，采用公式(2)对出砂量进行计算：
Vout＝Vbegin-Vupdate (2)
上式中，Vout为总体积；Vbegin为所述细观出砂模型区域内初始颗粒总体积；如此循环，当计算时间达到设定值，计算结束，即可得到最终单孔出砂量。
8.如权利要求7所述的一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法，其特征在于：所述细观出砂模型区域内初始颗粒总体积Vbegin的计算方法如下：
通过对初始平衡后的细观出砂模型区域内所有颗粒进行遍历，计算得到初始颗粒总体积Vbegin，如公式(3)
Figure FDA0003926438670000041
上式中，Vi为单个球体颗粒体积，S为球体颗粒总数；Vi根据公式：
Figure FDA0003926438670000042
计算得到，ri为单个球体颗粒半径；i为球体颗粒序号。
9.如权利要求1所述的一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法，其特征在于：改变步骤S102中所述储层物性参数中各参数的取值，即可模拟探究不同初始参数开采情况下的储层响应特性以及出砂破坏机制和具体出砂规律；通过只改变所述储层初始水合物饱和度，即可模拟探究不同初始水合物饱和度储层降压开采情况下的储层响应特性以及出砂破坏机制和具体出砂规律。
10.如权利要求1所述的一种含水合物沉积物的降压开采出砂室内实验数值模拟方法，其特征在于：改变步骤S104中所述井眼网格的压力值，即可模拟探究不同开采压差情况下的储层响应特性以及出砂破坏机制和具体出砂规律。
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