CN112632767B - 一种均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度设计方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度设计方法，属于油气井防砂技术领域，该方法包括如下过程：以附加压降Δp表征堵塞、筛管冲蚀率ER表征冲蚀，构建挡砂精度的评价向量P(Δp,ER)；依据可选范围内各挡砂精度对应的评价向量构成决策矩阵；在决策矩阵中取砾石层压降最小值和筛管冲蚀率最小值构建最优向量、砾石层压降最大值和筛管冲蚀率最大值构建最劣向量；以各挡砂精度对应的评价向量距最优向量最近和最劣向量最远为原则，优选出最佳的评价向量，进而得出对应的均衡堵塞和冲蚀的适度挡砂精度。
Description
技术领域
本公开属于油气井防砂技术领域，具体是涉及一种均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度设计方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
深水气井配产高、气体流速快，由此带来防砂难度大等问题，而深水气井开发的高成本决定其要求产能经济效益最大化，同时防砂措施必须有效和可靠，防止冲蚀危害影响生产。防砂有效可靠和产能释放是防砂过程中的矛盾问题，挡砂精度过小，虽然具有良好的挡砂效果，但易造成堵塞，限制气井产能；挡砂精度过大，对提高产能有促进作用，但会加剧筛管冲蚀，造成防砂失效。因此，需要一个合适的挡砂精度来平衡防砂效果与产能之间的关系，使生产井既能保证防砂效果，还可以充分释放产能。
发明人发现：目前挡砂精度设计大都是基于Saucier提出的D＝(5～6)d50原则，在首先保证能有效防止出砂的情况下，通过实验测试放宽挡砂精度后提高产能，其不适用于高成本深水井既要极大提高产能、又要尽量防止冲蚀状况的挡砂精度设计。且这些设计没有均衡考虑堵塞和冲蚀的影响，目前行业内缺乏有效且均衡堵塞和冲蚀的适度挡砂精度定量方法。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本公开提供了一种均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度设计方法。该方法构建了挡砂精度是否适度的评价向量，引入Topsis数理方法，优选出适度挡砂精度，能够实现均衡考虑堵塞(产能)和冲蚀(防砂)的完井防砂适度挡砂精度。
本公开至少一实施例提出了一种均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度设计方法，该方法包括如下过程：以附加压降Δp表征堵塞、筛管冲蚀率ER表征冲蚀，构建挡砂精度的评价向量P(Δp,ER)；
依据挡砂精度可选范围，将各挡砂精度对应的评价向量构成决策矩阵；
在决策矩阵中取砾石层压降最小值和筛管冲蚀率最小值构建最优向量、砾石层压降最大值和筛管冲蚀率最大值构建最劣向量；
以各挡砂精度对应的评价向量距最优向量最近和最劣向量最远为原则，优选出最佳的评价向量，进而得出对应的均衡堵塞和冲蚀的适度挡砂精度。
进一步地，附加压降Δp的计算方法为根据考虑非达西渗流的Forchherier方程得到深水气井不同防砂措施下渗流阻力区径向流流动附加压降为：
式中，β为紊流速度系数(常用公式β＝7.644×1010/k1.2计算)，m-1；k为渗透率(砾石堆积层渗透率与孔隙度及砾石尺寸有关，由Kozeny-Carman方程
计算，取c＝0.004，φ＝0.375)，10-3μm2；γg为天然气相对密度；Z为气体压缩因子；T为地层温度，K；qsc为气体流量(标况)，m3/d；L为防砂段长度，m；ri、ro为附加流动区域的内、外边界半径，m。
进一步地，筛管冲蚀率ER是根据筛管冲蚀实验结合理论分析，假设地层砂在气流携带下通过砾石层到达筛管壁面的过程中，没有质量和速度的损失，提出筛管冲蚀率计算模型：
式中，ER为筛网冲蚀率，kg/(m2·s)；kn为单位换算常数，取kn＝3.531×106；dperf为筛网孔径，式中取
m；va为入口流速，模型中将va与流体速度视为相等，m/s；ksf为颗粒形态因子(球形颗粒取0.2，半球形颗粒取0.53，不规则颗粒取1)，无因次；ρs为地层砂密度，kg/m3；N为流体中颗粒体积分数，式中取
无因次；m砂为不同挡砂精度下的出砂量，kg；V为流体体积，m3；SEv为特定冲蚀量，指在特定流速的冲蚀实验中得到的冲蚀量，SEv＝1.847×10-3×(va/0.22)2.7，g/g；A为筛管冲蚀表面积，m2。
进一步地，依据挡砂精度可选范围，取某一特定步长，计算每一挡砂精度对应的评价向量P(i)，构成决策矩阵A。
其中i＝1，2…，m，m为步数；
对矩阵A归一化处理得到规范化矩阵Z：
其中，Δp′i和ER′i分别为：
进一步地，从所述规范化矩阵Z中获取最优向量Zperfect和最劣向量Zworst：
Zperfect＝(Δp′min,ER′min)；Zworst＝(Δp′max,ER′max)
其中，Zperfect由最优解组成，Zworst由最劣解组成。
进一步地，计算规范化矩阵Z中每一行向量Z(i)与最优和最劣向量间的欧氏距离：
进一步地，计算规范化矩阵Z中每一行向量Z(i)与最优和最劣向量的相对贴近度：
进一步地，依照计算得到的Ci对所有解进行排序，Ci最大值对应的解即为最佳的评价向量，其对应的挡砂精度为均衡堵塞和冲蚀的适度挡砂精度。
本公开至少一实施例还提出了一种电子设备，该电子设备包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述任一项所述的一种均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度方法。
本公开至少一实施例还提出了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述任一项所述的一种均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度方法。
本公开的有益效果如下：
本公开的均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度方法解决了目前的挡砂精度设计没有均衡考虑堵塞和冲蚀的影响，平衡了防砂效果与产能之间的关系，使生产井既能保证防砂效果，还可以充分释放产能。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例提供的均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度方法流程图；
图2为本公开实施例中具体应用部分中深水K气田F井储层粒度分布图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1：
如图1所示，本公开实施例提供了一种均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度方法，首先要确定好挡砂精度可选范围及对应砾石尺寸，对于本领域技术人员容易知道的是，粒径小于44μm的地层砂通常为细粉砂，依据API防砂标准，此类细粉砂可不进行防砂，即挡砂精度设计为44μm时视为完全防砂；然后以挡砂精度无法阻挡最大地层砂产出，视为防砂失效，所以挡砂的精度Dsra可选的范围为
44μm≤Dsra≤dMax(1)
其中dMax为地层砂的最大直径。
紧接着确定好挡砂精度后，再确定好挡砂精度与砾石尺寸的关系；
对于优质筛管防砂，筛网孔缝尺寸即为挡砂精度。对于砾石充填防砂，砾石尺寸则需根据挡砂精度(砾石堆积层孔喉尺寸)与砾石尺寸的关系确定。
根据砾石堆积层的孔隙度及渗透率确定对应挡砂精度，有EdwardD.Pittman经验模型：
基于式(2)，引入Kozeny-Carman方程(如式3)
则有砾石尺寸(文中充填砾石均视为等径球形颗粒)与挡砂精度之间关系为：
其中
取足够多等径球形颗粒随机无规则堆积后的平均孔隙度值0.375。
下面进一步详细说明一下均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度方法：
步骤一：以附加压降Δp表征堵塞、筛管冲蚀率ER表征冲蚀，构建挡砂精度的评价向量P(Δp,ER)；
具体地，附加压降Δp和筛管冲蚀率ER的计算方法如下：
(1)附加压降计算方法
根据考虑非达西渗流的Forchherier方程得到深水气井不同防砂措施下渗流阻力区径向流流动附加压降为：
式中，β为紊流速度系数(常用公式β＝7.644×1010/k1.2计算)，m-1；k为渗透率(砾石堆积层渗透率与孔隙度及砾石尺寸有关，由Kozeny-Carman方程
计算，取c＝0.004，φ＝0.375)，10-3μm2；γg为天然气相对密度；Z为气体压缩因子；T为地层温度，K；qsc为气体流量(标况)，m3/d；L为防砂段长度，m；ri、ro为附加流动区域的内、外边界半径，m。
(2)筛管冲蚀率计算方法
根据筛管冲蚀实验结合理论分析，假设地层砂在气流携带下通过砾石层到达筛管壁面的过程中，没有质量和速度的损失，提出筛管冲蚀率计算模型：
式中，ER为筛网冲蚀率，kg/(m2·s)；kn为单位换算常数，取kn＝3.531×106；dperf为筛网孔径，式中取
m；va为入口流速，模型中将va与流体速度视为相等，m/s；ksf为颗粒形态因子(球形颗粒取0.2，半球形颗粒取0.53，不规则颗粒取1)，无因次；ρs为地层砂密度，kg/m3；N为流体中颗粒体积分数，式中取
无因次；m砂为不同挡砂精度下的出砂量，kg；V为SEv流体体积，m3；SEv为特定冲蚀量，指在特定流速的冲蚀实验中得到的冲蚀量，SEv＝1.847×10-3×(va/0.22)2.7，g/g；A为筛管冲蚀表面积，m2。
步骤二：依据挡砂精度可选范围，将各挡砂精度对应的评价向量构成决策矩阵；在决策矩阵中取砾石层压降最小值和筛管冲蚀率最小值构建最优向量Zperfect、砾石层压降最大值和筛管冲蚀率最大值构建最劣向量Zworst；以各挡砂精度对应的评价向量距最优向量最近和最劣向量最远为原则，优选出最佳的评价向量，进而得出对应的均衡堵塞和冲蚀的适度挡砂精度。
具体的过程如下：
(1)构建规范化评价指标矩阵Z：
依据挡砂精度可选范围，取某一特定步长，计算每一挡砂精度对应的评价向量P(i)，构成决策矩阵A。
对矩阵A归一化处理得到规范化矩阵Z：
其中，Δp′i和ER′i分别为：
(2)获取规范化矩阵Z中的最优向量Zperfect和最劣向量Zworst：
Zperfect＝(Δp′min,ER′min)；Zworst＝(Δp′max,ER′max) (10)
其中，Zperfect由最优解组成，Zworst由最劣解组成。
(3)计算规范化矩阵Z中每一行向量Z(i)与最优和最劣向量间的欧氏距离：
(4)计算规范化矩阵Z中每一行向量Z(i)与最优和最劣向量的相对贴近度：
(5)依照计算得到的Ci对所有解进行排序，Ci最大值对应的解即为最佳的评价向量，其对应的挡砂精度为均衡堵塞和冲蚀的适度挡砂精度。
上述实施例提供的均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度方法，解决了目前的挡砂精度设计没有均衡考虑堵塞和冲蚀的影响，该方法平衡了防砂效果与产能之间的关系，使生产井既能保证防砂效果，还可以充分释放产能。
下面以一个具体的实际应用来证明上述实施例提供的方法：
深水K气田为高孔高渗砂岩气藏。前期测试和研究表明，存在较大出砂风险，为提高产能经济效益，选用砾石充填防砂。针对该气田的出防砂问题，以F井(水平井)为例，应用所建立的适度挡砂精度设计方法进行挡砂精度设计。F井地层和生产数据如表1所示，储层粒度分布情况如图2所示。
表1深水K气田F井开发信息
由图2的储层粒度分布可知F井地层砂粒度主要参数如表2：
表2地层砂粒度主要参数
基于上述实施例所提出的挡砂精度可选范围及对应砾石尺寸确定方法，以Dsra＝(44～310)μm作为该井挡砂精度设计可选范围，取步长n＝7μm，分别计算每一挡砂精度对应下的砾石尺寸、砾石层压降及筛管冲蚀率，具体计算结果如表3所示。
表3不同挡砂精度对应下的砾石尺寸、砾石层压降及筛管冲蚀率
表3不同挡砂精度对应下的砾石尺寸、砾石层压降及筛管冲蚀率(续)
由表3可知相对贴近度Cmax为0.8367，对应的砾石层压降为0.001903MPa，筛管冲蚀率为6.327546×10-12kg/(m2·s)，所以通过Topsis法优选出适度挡砂精度为142μm，对应砾石尺寸为486μm。
根据F井粒度参数及以上计算结果，进行挡砂模拟实验，对比分析由适度挡砂精度设计方法所优选出的挡砂精度与采用Saucier设计方法所确定的挡砂精度在储层条件下的米采气指数及出砂量(如表4)。
表4适度挡砂精度设计方法与Saucier设计方法对比结果
从表5可以看出：与传统Saucier设计方法相比，采用本实施例提出的适度挡砂精度设计的砾石尺寸可提高产能约2倍，出砂量增加不到0.5倍，且含砂浓度小于0.03％，满足海上油田防砂要求，可以有效发挥防砂并释放产能的作用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本公开的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本公开进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本公开的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本公开的权利要求范围当中。
实施例2
在该实施例中，公开了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1公开的一种均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度方法所述的步骤。
实施例3
在该实施例中，公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1公开的一种均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度方法所述的步骤。
以上仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (3)
1.一种均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度设计方法，其特征在于，包括如下过程：以附加压降Δp表征堵塞、筛管冲蚀率ER表征冲蚀，构建挡砂精度的评价向量P(Δp,ER)；
依据挡砂精度可选范围，将各挡砂精度对应的评价向量构成决策矩阵；
在决策矩阵中取砾石层压降最小值和筛管冲蚀率最小值构建最优向量、砾石层压降最大值和筛管冲蚀率最大值构建最劣向量；
以各挡砂精度对应的评价向量距最优向量最近和最劣向量最远为原则，选出最佳的评价向量，进而得出对应的均衡堵塞和冲蚀的适度挡砂精度；
其中，附加压降Δp的计算方法为根据考虑非达西渗流的Forchherier方程得到深水气井不同防砂措施下渗流阻力区径向流流动附加压降为：
式中，β为紊流速度系数，公式β＝7.644×1010/k1.2计算，m-1；k为渗透率，其中砾石堆积层渗透率与孔隙度及砾石尺寸D有关，由Kozeny-Carman方程
计算，取c＝0.004，φ＝0.375，10-3μm2；γg为天然气相对密度；Z为气体压缩因子；T为地层温度，K；qsc为气体流量，m3/d；L为防砂段长度，m；ri、ro为附加流动区域的内、外边界半径，m；
筛管冲蚀率ER是根据筛管冲蚀实验结合理论分析，假设地层砂在气流携带下通过砾石层到达筛管壁面的过程中，没有质量和速度的损失，提出筛管冲蚀率计算模型：
式中，ER为筛网冲蚀率，kg/(m2·s)；kn为单位换算常数，取kn＝3.531×106；dperf为筛网孔径，式中取
m；va为入口流速，模型中将va与流体速度视为相等，m/s；ksf为颗粒形态因子,当ksf为球形颗粒时取0.2，ksf为半球形颗粒时取0.53，ksf为不规则颗粒时取1，无因次；ρs为地层砂密度，kg/m3；N为流体中颗粒体积分数，式中取
无因次；m砂为不同挡砂精度下的出砂量，kg；V为流体体积，m3；SEv为特定冲蚀量，指在特定流速的冲蚀实验中得到的冲蚀量，SEv＝1.847×10-3×(va/0.22)2.7，g/g；A为筛管冲蚀表面积，m2；
依据挡砂精度可选范围，取某一特定步长，计算每一挡砂精度对应的评价向量P(i)，构成决策矩阵A；
其中i＝1，2…，m，m为步数；
对矩阵A归一化处理得到规范化矩阵Z：
其中，Δpi′和ERi′分别为：
；
从所述规范化矩阵Z中获取最优向量Zperfect和最劣向量Zworst：
Zperfect＝(Δp′min,ER′min)；Zworst＝(Δp′max,ER′max)
其中，Zperfect由最优解组成，Zworst由最劣解组成；
计算规范化矩阵Z中每一行向量Z(i)与最优和最劣向量间的欧氏距离：
计算规范化矩阵Z中每一行向量Z(i)与最优和最劣向量的相对贴近度：
依照计算得到的Ci对所有解进行排序，Ci最大值对应的解即为最佳的评价向量，其对应的挡砂精度为均衡堵塞和冲蚀的适度挡砂精度。
2.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1所述的一种均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度设计方法。
3.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1所述的一种均衡堵塞与冲蚀的适度挡砂精度设计方法。
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Citations (2)
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| CN109543290A (zh) * | 2018-11-20 | 2019-03-29 | 中国石油大学(华东) | 一种深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法 |
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Non-Patent Citations (3)
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| 充填密实程度对砾石层挡砂效果及稳定性影响实验;董长银等;《石油钻采工艺》;20180120(第01期);全文 * |
| 基于CFD的深水气井防砂筛管冲蚀仿真模拟;张锐等;《实验室研究与探索》;20191115(第11期);全文 * |
| 稠油热采井防砂筛管冲蚀损坏影响因素的灰色关联分析;徐路;《石油工业技术监督》;20170320(第03期);全文 * |
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