油井出砂的三維數值模型設計制造技術

本發明專利技術的目的是提供一種考慮射孔試驗特征，反映射孔試驗中砂巖的宏細觀力學特性的模型設計方法。為實現本發明專利技術目的而采用的技術方案是這樣的，油井出砂的三維數值模型設計，包括以下步驟：1）讀入實際油井的幾何尺寸，建立柱坐標系下的射孔三維數值模型；2）根據射孔試驗過程的實際情況，將所述射孔三維數值模型劃分成若干單元；3）根據所述射孔三維數值模型的巖石顆粒分布，計算出每一個單元的孔隙率；4）根據所述孔隙率計算出流體壓力梯度力和拖曳力，所述流體壓力梯度力和拖曳力引起所述射孔三維數值模型中巖石顆粒的重新分布；5）重復步驟3～4，直到計算結果收斂。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及石油工程領域，特別是油井出砂的三維數值模型設計。
技術介紹
據國家統計局統計，原油進口依存度自2000年的24. 8%飆升到2012年的57. 16%，已赫然超過了 50%的安全警戒線。石油開采可持續發展的瓶頸之一就是油井的出砂問題，出砂不僅給采油工藝帶來許多麻煩，還影響儲層采油速度及油氣采收率，嚴重時造成井壁坍塌、套管損壞，乃至油井報廢。因此，儲層出砂問題給石油開采帶來了巨大的挑戰，出砂預測和防治是石油工程領域的研究熱點和難點，需要有一種經濟的、高效的和直接的方法來解決這一種重要問題。對于實際油藏開采，射孔過程中的流體運動和巖層受力與流體相互作用復雜，油井出砂過程中的砂巖力學特性也較復雜，常規的室內試驗方法和等效連續介質分析方法不能反映砂巖顆粒的細觀特性，雖然現在一些學者基于土力學理論開始了細觀力學分析，但僅僅基于達西滲流的二維離散元模型，不能準確反映油井出砂的發生和發展。特別是常規注水開采中，考慮射孔過程的流體運動主要以徑向為主，如果依然在笛卡爾坐標系下研究流體運動，其數值模擬中的流體邊界條件很難確定，不能準確地描述射孔過程中的孔隙率變化和流固耦合效應，也無法準確說明出砂的發生和發展過程。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種考慮射孔試驗特征，反映射孔試驗中砂巖的宏細觀力學特性的模型設計方法。為實現本專利技術目的而采用的技術方案是這樣的，油井出砂的三維數值模型設計，包括以下步驟I)讀入實際油井的幾何尺寸，建立柱坐標系下的射孔三維數值模型；2)根據射孔試驗過程的實際情況，將所述射孔三維數值模型劃分成若干單元；3)根據所述射孔三維數值模型的巖石顆粒分布，計算出每一個單元的孔隙率；4)根據所述孔隙率計算出流體壓力梯度力和拖曳力，所述流體壓力梯度力和拖曳力引起所述射孔三維數值模型中巖石顆粒的重新分布；5)重復步驟3 4，直到計算結果收斂。記錄上述過程的所有中間值和最終值，確立射孔出砂模型。值得說明的是本專利技術需要在步驟I)中預先讀入油井的相關參數，其來源可以是實際油井中的數據，也可以是實驗室模擬的油井數據，其中特別重要-是油井的射孔的數據。步驟I)中，所述射孔包括貫通的內孔，以及內孔周邊的砂巖。在油井不斷開采過程中，流體不斷從內孔中流出，其周邊的砂巖會有滲流等情況發生，內孔尺寸發生變化。而射孔出砂的來源主要是砂巖，因此，本專利技術所要考慮的重點就是內孔周邊的砂巖。所述射孔三維數值模型即是將所述內孔和內孔周圍的砂巖放在柱坐標系下建立起來的模型。步驟2)中，劃分單元時，主要是將內孔周圍的砂巖所在區域劃分為若干虛擬的單元，以便于進一步的處理和研究，每一個單元的邊界即為柱坐標系下的坐標區間。初始時已經貫通的內孔所在的區域可以不進行劃分。步驟3)中，由于砂巖又是若干巖石顆粒膠結而成，因此，內孔周圍的砂巖具有孔隙。本步驟需要計算出每一個單元內砂巖的孔隙率，即單元的孔隙率。由于流體不斷從內孔周圍的砂巖中滲出，因此，巖石顆粒必然會受到流體的影響，最終導致孔隙率發生變化。而正是這種變化，帶來了本領域實際生產中的諸多難題。現有技術是不能在實驗室通過模擬的手段真實反映上述變化的。步驟4)正是需要計算出每一個單元的流體壓力梯度力和拖曳力，其依據主要是前一步驟計算出的孔隙率。由于所述流體壓力梯度力和拖曳力引起所述射孔三維數值模型中巖石顆粒的重新分布。因此，步驟4)的結果不一定是整個模型的穩定狀態。而步驟5)說明了，將步驟4)所獲得的巖石顆粒分布作為步驟3)的計算依據，并由此循環若干次，直到計算出的單元的孔隙率不發生變化或其變化小于某個設定的閾值時，模型到達穩定狀態，停止循環。本專利技術所公開的上述方法，提供了一種能簡單、直接和有效的油井出砂三維數值模型設計，該模型通過準確反映每一個流體單元的孔隙率，保證了射孔試驗過程中流固耦合作用力計算的有效性，提高了三維細觀數值模型的可行性和穩定性。附圖說明本專利技術可以通過附圖給出的非限定性實施例進一步說明。圖1油井出砂示意圖；圖2基于柱坐標系的流體單元劃分俯視圖；圖3顆粒與環向內邊界相交；圖4顆粒與環向外邊界相交；圖5與流體單元環向邊界相交時顆粒體積計算示意圖；圖6顆粒與徑向邊界相交；圖7顆粒與水平邊界相交；圖8顆粒與徑向邊界和水平邊界同時相交；圖9交于環向邊界時流體單元內顆粒體積Vci的計算；圖10流體單元孔隙率計算流程圖；圖11數值模擬與理論計算的模型切向應力比較；圖12基于PFC3D出砂模型的切向應力分布。具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本專利技術作進一步說明，但不應該理解為本專利技術上述主題范圍僅限于下述實施例。在不脫離本專利技術上述技術思想的情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段，作出各種替換和變更，均應包括在本專利技術范圍內。油井出砂的三維數值模型設計，包括以下步驟I)讀入實際油井的幾何尺寸，建立柱坐標系下的射孔三維數值模型；2)根據射孔試驗過程的實際情況，將所述射孔三維數值模型劃分成若干單元；3)根據所述射孔三維數值模型中砂巖顆粒分布，計算出每一個單元的孔隙率；4)根據所述孔隙率計算出流體壓力梯度力和拖曳力，所述流體壓力梯度力和拖曳力引起所述射孔三維數值模型中巖石顆粒的重新分布；5)重復步驟3 4，直到計算結果收斂。參見圖1，所述射孔三維數值模型是根據實際油井的射孔的尺寸參數建立的，所述實際油井的射孔包括貫通的內孔和所述內孔周圍的砂巖。所述射孔三維數值模型是以所述內孔的中軸線為z軸，來建立的柱坐標系下的三維數值模型。由于射孔被射穿時，內孔周邊的砂巖受到一定程度的影響，在出油的過程中，內孔的孔徑會不斷發生變化。因此，根據巖土力學的基本知識，在模型中出現彈性區域和塑形區域。圖1中所示射孔在初始時，內孔的內孔半徑為Ri,塑性邊界到中心點O的距離為R。，彈性邊界到中心點O的距離為R。，均記錄為柱坐標系下的r值，以便于后續研究。 步驟I)中，讀入實際油井的幾何尺寸的方式較多，可以選定具體的儲層砂巖，得到砂巖顆粒的密度、根據級配曲線得到砂巖的最大顆粒與最小顆粒半徑比和最小顆粒半徑。根據試驗得到平行粘結的法向剛度和切向剛度、顆粒的摩擦系數、顆粒的法向剛度和切向剛度、平行粘結的法向強度和切向強度以及粘結程度的膠結半徑比。進一步，計算得到每個流體單元的孔隙率n、沿著徑向方向顆粒的平均直徑^顆粒的平均速度 '^以及流體單元的平均速度uf_ p考慮流體對顆粒產生的拖曳力和流體壓力梯度力，計算每個流體單元的拖曳力系數A 和流體壓力梯度Vp,。步驟2)中，考慮流體的連續性，在柱坐標系下將整個模型離散成若干個流體單元，每個流體單元由徑向、環向和水平邊界控制，計算作用在位于流體單元內的巖石顆粒上的流體壓力梯度力和拖曳力。所述巖石顆粒受流體作用發生運動，引起顆粒位置的重分布，每個流體單元孔隙率n的改變，單元孔隙率的變化又引起拖曳力和流體壓力梯度的變化，從而引起顆粒細觀力學效應和模型宏觀力學特性的變化。數值計算中，對于任意給定的較小時間增量步，每個流體單元孔隙率的變化比較小，流固耦合分析時，引入一個更新參數Nup來確定滲流計算的時間。即進行Nup次力學計算后，再進行流固耦合分析，以此來提高計算機的運行速度和計算效率。選定具體的油井砂巖，確定具體的砂巖參數，數值計算結果與理論計算結果進行對比分析模型的穩定性，并對流體單本文檔來自技高網...

【技術保護點】
油井出砂的三維數值模型設計，其特征在于，包括以下步驟：1）讀入實際油井的幾何尺寸，建立柱坐標系下的射孔三維數值模型；2）根據射孔試驗過程的實際情況，將所述射孔三維數值模型劃分成若干單元；3）根據所述射孔三維數值模型的砂巖顆粒分布，計算出每一個單元的孔隙率；4）根據射孔中流動的流體參數和所述孔隙率，計算出流體壓力梯度力和拖曳力，所述流體壓力梯度力和拖曳力引起所述射孔三維數值模型中砂巖顆粒的重新分布；5）重復步驟3～4，直到計算結果收斂。

【技術特征摘要】
1.油井出砂的三維數值模型設計，其特征在于，包括以下步驟: 1)讀入實際油井的幾何尺寸，建立柱坐標系下的射孔三維數值模型； 2)根據射孔試驗過程的實際情況，將所述射孔三維數值模型劃分成若干單元； 3)根據所述射孔三維數值模型的砂巖顆粒分布，計算出每一個單元的孔隙率； 4)根據射孔中流動的流體參數和所述孔隙率，計算出流體壓力梯度力和拖曳力，所述流體壓力梯度力和拖曳力引起所述射孔三維數值模型中砂巖顆粒的重新分布； 5)重復步驟3 4，直到計算結果收斂。2.根據權利要求1所述的油井出砂的三維數值模型設計，其特征在于:所述射孔三維數值模型是根據實際油井的射孔的尺寸參數建立的，所述實際油井的射孔包括貫通的內孔和所述內孔周圍的砂巖。3.根據權利要求2所述的油井出砂的三維數值模型設計，其特征在于:所述射孔三維數值模型是以所述內孔的中軸線 為z軸，來建立柱坐標系下的三維數值模型。4.根據權利要求1所述的油井出砂的三維數值模型設計，其特征在于:選定具體的儲層砂巖，得到砂巖顆粒的密度、根據級配曲線得到砂巖的最大顆粒與最小顆粒半徑比和最小顆粒半徑；根據試驗得到平行粘結的法向剛度和切向剛度、顆粒的摩擦系數、顆粒的法向剛度和切向剛度、平行粘結的法向強度和切向強度以及粘結程度的膠結半徑比；計算得到每個流體單元的孔隙率n、沿著徑向方向顆粒的平...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉先珊，許明，
申請(專利權)人：重慶大學，
類型：發明
國別省市：