CN111259564A - 一种水合物预充填防砂筛管出砂规律预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水合物开采的技术领域，特别是涉及一种水合物预充填防砂筛管出砂规律预测方法，其可以得到水合物储层水平井降压开采情况下井内下入预充填防砂筛管后近井壁区域一定时间内的出砂量，为水合物开采提供可靠数据。包括以下步骤：(1)构建水合物开采出砂防砂数值模型；(2)指定接触模型设置细观参数，并且通过设置抗滚动线性接触模型引入粒间滚动阻抗力矩，并且进行细观参数标定；(3)进行地应力变化等效模拟和流固耦合计算；(4)出砂量计算。

Description

一种水合物预充填防砂筛管出砂规律预测方法

技术领域

本发明涉及水合物开采的技术领域，特别是涉及一种水合物预充填防砂筛管出砂规律预测方法。

背景技术

众所周知，天然气水合物(以下简称水合物)具有资源储量大，能量密度高、环保无污染等特点。单位体积的水合物在标准状态下可释放出160～180m³的天然气，据估算全球水合物储量约为常规化石能源的两倍，因此水合物被认为是后石油时代的重要替代能源。世界各国都把水合物开发作为未来能源战略的重要内容。目前，国际上已先后进行了多次以降压法为主的水合物试采工作，但大部分在开采过程中出现了不同程度的储层出砂问题，水平井钻井技术对水合物储层进行开采，钻井水平段位于含水合物沉积层中，降压开采过程中近井壁区域砂粒可能在地应力挤压和分解流体拖曳作用下运移产出。为了避免过度出砂，井筒内下入预充填防砂筛管进行防砂。地层砂粒在进入主井眼的过程中会首先途经预充填砾石层，期间部分颗粒被砾石层所阻隔，最终部分颗粒会穿越砾石层进入井眼内，实践均表明，出砂是制约天然气水合物长期高效开采的关键问题之一。由于水合物现场试验存在成本高，周期长等问题，因此需要迫切研究出一种水合物预充填防砂筛管出砂规律预测方法来解决上述问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种水合物预充填防砂筛管出砂规律预测方法，其可以得到水合物储层水平井降压开采情况下井内下入预充填防砂筛管后近井壁区域一定时间内的出砂量，为水合物开采提供可靠数据。

本发明的一种水合物预充填防砂筛管出砂规律预测方法，包括以下步骤：

(1)构建水合物开采出砂防砂数值模型；

(2)指定接触模型设置细观参数，并且通过设置抗滚动线性接触模型引入粒间滚动阻抗力矩，并且进行细观参数标定；

(3)进行地应力变化等效模拟和流固耦合计算；

(4)出砂量计算。

本发明的一种水合物预充填防砂筛管出砂规律预测方法，所述步骤(1)包括如下步骤：S1建立研究区域储层模型：首先生成六面墙体，形成类立方体包围盒，然后根据实际储层沉积物级配，设定颗粒级配参数，包围盒内部区域自动生成指定级配的圆球颗粒集合，等效为砂颗粒；

S2通过伺服机制，设置地应力环境，使得储层颗粒达到各向同性固结状态；

S3建立预充填砾石层模型：首先生成包围盒，然后根据实际砾石级配(砾石尺寸在215～360μm间服从均匀分布)，设定砾石级配参数，包围盒内部区域自动生成指定级配的圆球颗粒集合，之后圆球颗粒会被类球体多边形墙体替换，以表征砾石表面的粗糙特征；

S4创建割缝通道墙体：储层模型与预充填砾石层模型均创建完成后，在两者之间创建4面几何墙体将其连接形成割缝通道；

S5创建流域模型。

与现有技术相比本发明的有益效果为：(1)通过伺服机制控制样品(水合物沉积物)的边界应力，再现水合物分解过程中的地应力作用；

(2)基于体积平均的粗网格算法(Coarse Grid Approach)，进行流固耦合计算，精细描述渗流情况下水合物分解产生的流体和储层砂粒的相互作用；

(3)设置预充填砾石层，较为真实地模拟预充填防砂筛管条件下的出砂防砂情况。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是数值模型结构示意图

图3是数值模型几何尺寸示意图；

图4是建立研究区域储层模型；

图5是建立预充填砾石层模型；

图6是创建割缝区域墙体；

图7是创建流域模型；

图8是初始地应力伺服流程图；

图9是三向有效应力数据文件书写格式图；

图10是砂粒间滚动阻力机制示意图；

图11是细观参数标定图；

图12是流体单元示意图

图13是流固耦合计算流程图；

图14是初始颗粒总体积计算原理图；

图15是砂粒清除判断示意图；

图16是出砂量计算原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的一种水合物预充填防砂筛管出砂规律预测方法，包括以下步骤：

(1)构建水合物开采出砂防砂数值模型；考虑到模型颗粒数量和计算机计算能力的限制，颗粒流模型难以对整个储层钻进段的出砂过程进行大尺度模拟研究，因此基于实际的物理模型，可选取具有代表性的区域——水平段局部一个割缝区域作为研究对象，探究水合物储层水平井降压开采过程中出砂量随时间的演化规律，最终建立如图2所示的数值模型，数值模型的具体几何尺寸如图3所示，储层模拟范围为1.0mm×1.0mm×1.0mm，预充填砾石层模拟范围为1.0mm×0.8mm×1.2mm，楔形割缝尺寸为1mm×0.3mm×0.2～0.4mm(与储层相连处缝宽0.2mm，与预充填砾石层相连处缝宽0.4mm)。

(2)指定接触模型设置细观参数，并且通过设置抗滚动线性接触模型引入粒间滚动阻抗力矩来表征沉积物颗粒由于形状不规则以及泥质成分裹覆引起的粒间咬合作用(如图10所示)，并且进行细观参数标定，细观力学参数的取值可通过查阅相关文献或构建数值三轴压缩实验进行细观参数标定(如图11所示)等方法获取，然后对模型中的细观力学参数进行对应赋值即可，预设的细观力学参数如下表所示：

(3)进行地应力变化等效模拟和流固耦合计算，地应力变化等效模拟，用户只需要将TOUGU+HYDRATE+FLAC3D耦合模型计算输出的三向有效应力随时间的变化数值整理成数据文件后放入源代码所在文件夹即可，软件会自动调用并参照图8进行计算，三向有效应力数据文件书写格式如图9所示，其中，第一行为数据名，例如sxx代表X方向有效应力，需要注意的是文件名称(如sxx.tab)必须与第一行数据名一致；第二行第一列“8”表示该文件共有8个数据点，第二行第二列“0.0”是固定值；第三行第一列“1”代表当前有效应力的记录时间，单位s，第三行第二列“5.00E6”代表当前有效应力值，单位Pa；第四行及后续各行同第三行；天然气水合物储层在降压开采过程中会发生相变，固态水合物脱离相平衡条件而分解产生气体和水，水合物沉积层可视为多孔介质，分解气、水在其中运移并最终进入井筒，这个过程就是多孔介质渗流过程，渗流过程中的流固耦合效应会触发或加剧地层出砂现象，流固耦合效应需要考虑流体压力梯度引起的作用力以及由于流体与颗粒的相对运动速度的不同而产生的拖曳力。由于实际降压开采过程中，分解气对出砂影响不大。因此为了简化计算，模型中只考虑了单一流体——水的作用，在粗网格方法(Coarse Grid Approach)中，描述流体流动的方程在一组比PFC3D颗粒更大的单元集合上进行数值求解，如图12所示。依据颗粒所在流体单元内的流动条件，流体作用力被分配到每个颗粒上，通过在流体单元上均化，一个相应的体力被施加到流体中，每个单元的孔隙度和流体拖曳力由颗粒属性的平均值计算获得，通过在PFC3D和流体求解器之间定期交换信息，实现流固双向耦合。

具体推导如下：

1)流体控制方程

多孔介质中的低雷诺数流体可由达西定律表示为：

式中：

为流体速度，单位m/s；K为渗透率矩阵，单位D；μ为流体黏度，单位Pa·s(此处流体设定为水，流体黏度为0.001Pa·s)；∈为孔隙率矩阵；

为流体压力梯度，单位Pa/s。

假定流体不可压缩：

方程(2)两边取散度，得：

将方程(3)带入公式(2)，则有：

a)流场边界条件

入口处：

式中：

为指定入口流体速度。

出口处：

P＝0 (6)

式中：P为出口压力。

2)渗透率计算

在流固耦合作用下的水合物储层开采出砂过程中，储层的渗透率是变化的，可用Kozeny-Carmen方程进行估算。其中，孔隙率上限设置为0.7，当孔隙率超过0.7，渗透率取常数。

式中：r为颗粒半径，单位m。

在多孔介质孔隙率已知的情况下，方程(4)通过隐式求解可以很快得出流体压力场，进一步获得流体压力梯度力的大小。求解方案基于稳态流，即流入量等于流出量。当压力梯度已知，流体速度可由公式(1)直接计算得到。流体速度在粗网格单元上分段线性。

3)颗粒运动方程

通过附加力考虑颗粒与流体的相互作用，PFC3D颗粒运动方程为：

式中：

为颗粒速度，单位m/s；

为作用在颗粒上的外力之和，单位N；

为流体施加在颗粒上的总作用力，单位N；m为颗粒质量，单位kg；

为重力加速度，单位m/s²；

为颗粒角速度，单位rad/s；

为作用于颗粒上的力矩，单位N·m；I为惯性矩。

4)流体拖曳力计算

流体拖曳力公式为：

式中：

为流体拖曳力，单位N；

为单个颗粒所受拖曳力，单位N；∈为颗粒所在的流体单元的孔隙度，无量纲。∈^-x项是一个考虑局部孔隙度的经验系数。

单颗粒所受流体拖曳力的经验公式为：

拖曳力曳力系数被定义为：

颗粒雷诺数为：

经验系数x为：

式中：C_d为拖曳力系数，无量纲；ρ_f为流体密度，单位kg/m³；r为颗粒半径，单位m；

为流体速度，单位m/s；R_ep为颗粒雷诺数，无量纲；μ_f为流体的动力粘滞系数，单位kg/(m·s)；x为经验系数。

5)流体施加在颗粒上的总作用力

作用于流体单位体积上的体力为：

式中：V为流体单元体积，求和对象为与流体单元重叠的颗粒。

流体施加到颗粒上的作用力(流体——颗粒相互作用力)

由流体拖曳力、压力梯度力和浮力等三部分组成，表达式为：

式中：

为流体压力梯度，单位Pa/s。

(4)出砂量计算，单个球体颗粒的体积为：

式中：V_i为单个球体颗粒体积，单位m³；r_i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充填区域内所有颗粒进行遍历，计算得到初始颗粒总体积为：

式中：V_begin为充填区域内初始球体颗粒总体积，单位m³。

在图2数值模型基础上，在砾石充填层末端即砂粒出口处设置一“砂粒清除面”，如图15所示。

在计算过程中，砂粒从储层脱离。然后途径割缝通道，进入砾石层，最终产出。一旦砂粒完全通过砂粒清除面，即砂粒通过清除面且中心点距清除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V_retain。那么出砂量就可用下式计算：

V_out＝V_begin-V_retain (19)

式中：V_out为总出砂量，单位m³；V_retain为当前充填区域内的球体颗粒总体积，单位m³。

如此循环，当计算总时步或总时间达到设定值，计算结束，即可得到最终出砂量。

本发明的一种水合物预充填防砂筛管出砂规律预测方法，所述步骤(1)包括如下步骤：S1建立研究区域储层模型：首先生成六面墙体，形成类立方体包围盒，然后根据实际储层沉积物级配，设定颗粒级配参数，软件会在包围盒内部区域自动生成指定级配的圆球颗粒集合，等效为砂颗粒，如图4所示；储层沉积物级配参考文献资料中南海某站位实际水合物储集层地层砂粒径分布范围进行设定，此外考虑颗粒数量以及计算能力的限制，截断了12μm以下粒径的砂粒，并且考虑出砂团簇现象，将粒径放大2倍，即以单个球体颗粒代表若干砂粒构成的砂粒团，最小粒径为24μm，最大粒径为120μm，孔隙率为0.32，砂粒密度为2650kg/m³，由于是对开采井水平段进行出砂模拟，因此设置颗粒重力方向沿y轴方向即水平段法线方向。

S2通过伺服机制，设置地应力环境，使得储层颗粒达到各向同性固结状态；初始生成的颗粒集合较为松散，这就需要通过伺服机制来进行一定的压实，以模拟初始地应力环境，如图8所示。

后续，水合物降压开采过程中，随着水合物分解，地层流体产出，储层孔隙压力降低，根据Terzaghi有效应力原理，地层有效应力会随之增大。这个过程同样通过伺服机制实现等效模拟。伺服机制是通过控制边界处墙体的运动，从而实现对模型边界处应力的动态控制，使其沿指定的应力路径进行变化。伺服机制的本质是通过控制颗粒流模型边界处墙体的运动速度，使得颗粒与墙体的相互作用力达到指定的应力状态。

S3建立预充填砾石层模型：首先生成包围盒，然后根据实际砾石级配(砾石尺寸在215～360μm间服从均匀分布)，设定砾石级配参数，软件会在包围盒内部区域自动生成指定级配的圆球颗粒集合，之后圆球颗粒会被类球体多边形墙体替换，以表征砾石表面的粗糙特征，如图5所示；

S4创建割缝通道墙体：储层模型与预充填砾石层模型均创建完成后，在两者之间创建4面几何墙体将其连接形成割缝通道，如图6所示；

S5创建流域模型，借助第三方开源网格建模软件Gmsh建立流体网格模型，然后利用基于Python语言自主编写的网格数据转换程序将Gmsh网格进行节点和单元信息读取并转换，最终导入PFC3D中创建流域模型。储层区域划分了5×5×5＝125个流体网格，单个流体网格单元尺寸为0.2mm×0.2mm×0.2mm。此外预充填砾石层区域划分5×2×3＝30个流体网格，对应流体网格单元尺寸为0.2mm×0.4mm×0.4mm，如图7所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种水合物预充填防砂筛管出砂规律预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建水合物开采出砂防砂数值模型；

(2)指定接触模型设置细观参数，并且通过设置抗滚动线性接触模型引入粒间滚动阻抗力矩，并且进行细观参数标定；

(3)进行地应力变化等效模拟和流固耦合计算；

(4)出砂量计算。

2.如权利要求1所述的一种水合物预充填防砂筛管出砂规律预测方法，其特征在于，所述步骤(1)包括如下步骤：S1建立研究区域储层模型：首先生成六面墙体，形成类立方体包围盒，然后根据实际储层沉积物级配，设定颗粒级配参数，包围盒内部区域自动生成指定级配的圆球颗粒集合，等效为砂颗粒；

S2通过伺服机制，设置地应力环境，使得储层颗粒达到各向同性固结状态；

S3建立预充填砾石层模型：首先生成包围盒，然后根据实际砾石级配(砾石尺寸在215～360μm间服从均匀分布)，设定砾石级配参数，包围盒内部区域自动生成指定级配的圆球颗粒集合，之后圆球颗粒会被类球体多边形墙体替换，以表征砾石表面的粗糙特征；

S4创建割缝通道墙体：储层模型与预充填砾石层模型均创建完成后，在两者之间创建4面几何墙体将其连接形成割缝通道；

S5创建流域模型。

Images