【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于油氣田開發完井防砂，具體涉及一種基于自由沉降拱理論的出砂速率與井周滲流能力定量預測方法。
技術介紹
1、出砂是指在油井或氣井開采過程中，由于多種因素的作用，導致井底附近地層結構發生變化，使地層中的泥砂顆粒脫落并隨流體遷移或進入井筒和管道的現象，其對油氣井的正常生產會造成極為不利影響。出砂問題最早發現于常規疏松砂巖儲層的開發中，但隨著可開發地質資源的增加，在各種新興地質能源(如天然氣水合物、煤層氣、地下儲氣庫)的開采過程中也頻繁發生出砂現象。出砂是目前發生最為頻繁、影響最為廣泛的儲層開采伴生工程地質風險。
2、為制定合理的防砂措施，最大程度上減少出砂對油氣田開發的影響，出國內外學者開展了諸多關于出砂預測相關的研究。現有的出砂預測的數值模擬方法大概可以分為宏觀尺度的連續介質模擬與細觀尺度的離散介質模擬兩類。連續介質數值模擬方法基于連續介質假設開展，構建儲層的本構模型，以描述開采過程中儲層的力學響應特征，并選取相應破壞準則確定儲層破壞出砂的臨界條件。連續介質模擬方法可用于工程尺度的出砂數值模擬，但卻無法考慮顆粒運移的微觀力學行為，也無法實現對于井周控砂介質內出砂速率的定量預測。細觀尺度的出砂模擬方法主要基于離散單元法開展，可模擬開采過程中骨架顆粒的動力學行為，明確孔隙尺度下的儲層出砂機制。但離散單元法需要建立每一個顆粒的物理模型，導致這種方法往往需要占用極大的計算資源，建模尺寸和模擬時間都十分受限。
3、總之，現有油氣井開采出砂預測方法難以兼顧出砂速率量化預測和高效升尺度應用，目前尚缺乏一種高效、
技術實現思路
1、本專利技術針對現有出砂模擬技術中，有限元法無法實現出砂速率的量化表征、離散元法無法升尺度應用的問題，提出了一種基于自由沉降拱理論的出砂速率與井周滲流能力定量預測方法，該方法可適用于工程尺度、長周期開采條件下的計算，滿足現場防砂參數設計和解堵時機預測的需求。
2、本專利技術是采用以下的技術方案實現的：一種基于自由沉降拱理論的出砂速率與井周滲流能力定量預測方法，包括以下步驟：
3、步驟a、測試現場選用的充填控砂介質的粒度分布，獲取其粒度分布曲線；并獲取儲層泥砂樣品，測試目標儲層產出泥砂的粒度分布，獲取其粒度中值d50；
4、步驟b、建立多維數組，用于存儲控砂介質與儲層界面上的粒度分布與soddy圓的分布特征；
5、步驟b1、根據步驟a獲取的充填控砂介質的粒度分布曲線，創建數組r[n]、p[n]，其中r[n]為顆粒半徑數組，p[n]為r[n]中顆粒半徑對應的分布概率；然后建立充填控砂介質堆積網絡，假設其為密堆積，堆積體界面上的孔隙由相切的三個顆粒所圍成的中間區域構成，設r1、r2、r3分別為組成孔隙的三個顆粒的半徑，rs為三個顆粒相互內切組成的內soddy圓的半徑，創建多維數組f(xmax,ymax)以存放控砂介質堆積網絡中的r1、r2、r3和rs信息，其中xmax、ymax分別為水平與垂直方向上的顆粒坐標；
6、步驟b2、然后為變量r1、r2、r3賦值，并獲取對應的rs值；重復上述操作，直至完成對整個濾層界面多維數組f(xmax,ymax)中的r1、r2、r3、rs的賦值；獲取四個二維數組：f(x,y).r1、f(x,y).r2、f(x,y).r3、f(x,y).rs以存放控砂介質與儲層界面上的粒徑與其對應的soddy圓的值；
7、步驟c、根據自由沉降拱理論，計算整個濾層內泥砂侵入速率與侵入泥砂總量，實現對其出砂速率進行定量預測，具體的：
8、根據以下自由沉降拱假設，建立適用于出砂速率定量計算的預測模型：
9、假設從顆粒到達自由沉降區域開始，其在流體曳力作用下的加速運動為勻加速運動；經過一段時間的加速過程后，認為顆粒速度與流體流速相同；采用塞流模型對過孔流場進行簡化，假設距離出口開孔邊界附近的1/2處無顆粒侵入，其余位置的顆粒質量分數與出口中心位置處的值相同，顆粒出口流速僅在出口開孔的邊界處與出口中心流速有差別；
10、(1)計算不同rs對應的自由沉降拱內的泥砂侵入速率r，并將其值保存在多維數組f(x,y).r中，多維數組f(x,y).r表示如下：
11、
12、其中，r為單位時間侵入的泥砂顆粒數；uexit為出口處的平均流體流速；φc為開孔中心處的顆粒質量分數，d50為侵入泥砂的粒度中值，f(x,y).rs表示儲存每個單元rs值的二維數組；
13、(2)重復(1)操作，獲取整個濾層中每一個單元的泥砂侵入速率，將其值相加，得到單位時間內侵入充填控砂介質的總顆粒數目w：
14、
15、其中，xmax、ymax分別為垂直與水平方向上的顆粒坐標，xi為表征水平方向上單元數的變量，yj為表征垂直方向上單元數的變量。
16、步驟d、計算開采過程中出砂單元的滲透率變化，以對井周滲流能力進行定量預測：
17、1)將充填控砂介質外圍的松散出砂段離散為n個出砂單元，n＝1,2,3…，出砂單元1與控砂介質相連，向控砂介質內以w的速度輸送泥砂顆粒，因此造成的虧空由可動出砂單元2中的可動顆粒補充，依此類推；
18、對目標儲層進行離散，將目標其分為三部分：儲層的出砂段、自由沉降區ffz以及擋砂介質；將儲層的出砂段離散為i個地層單元，應用骨架砂液化本構方程計算單元內剝離砂體積vsf(i)，假設游離砂在地層砂單元的孔隙空間中形成松散堆積，應用顆粒啟動門限速度ufc判斷剝離砂是否形成可被儲層流體攜帶運移的可動砂；
19、2)計算顆粒堆積體中的顆粒啟動臨界流速，并判斷是否達到顆粒啟動門限速度；如果達到啟動速度，則顆粒運移至前一單元或自由沉降區ffz孔隙空間，如果沒有達到啟動速度，則顆粒不隨流體運移，當前出砂單元滲透率和孔隙度不變，前一出砂單元孔隙度增大；
20、顆粒啟動門限速度ufc的推導過程如下：假設模型中的顆粒體由等徑球形游離砂顆粒堆積而成，堆積角為θ；顆粒的重啟動從位于堆積體前緣的顆粒開始；并假設注入流體為純液相；在上述假設的前提下，進行顆粒受力分析，根據顆粒受力分析圖，推導顆粒啟動的門限速度ufc：
21、
22、式中：θ為散體顆粒的堆積角；ε為顆粒堆積體的孔隙度；k為顆粒堆積體的滲透率；μ為儲層產出流體的粘度；fg為顆粒浮力與重力的合力，ff為其他顆粒施加的摩擦力；
23、3)通過計算滲透率變化，進而實現對井周滲流能力的預測；
24、計算單位時間內由出砂單元內進入控砂介質中的顆粒體積：
25、
26、出砂單元中的整個可動砂數目為：
27、
28、式中，imax為達到顆粒啟動門限速度的最大單元數，當vp大于vstotal時，代表出砂單元中的可動砂全部產出，出砂停止；
29、根據質量守恒，計算出砂單元內由顆粒剝本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.基于自由沉降拱理論的出砂速率與井周滲流能力預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于自由沉降拱理論的出砂速率與井周滲流能力預測方法，其特征在于：所述步驟B2中，為變量r1、r2、r3賦值時，首先根據測到的控砂介質的半徑值R[n]和其對應的概率數組P[n]，隨機生成三個顆粒粒徑，并將其賦值給r1、r2、r3，并計算對應的rs值：
3.根據權利要求1所述的基于自由沉降拱理論的出砂速率與井周滲流能力預測方法，其特征在于：所述步驟C中，根據以下自由沉降拱假設，建立適用于出砂速率定量計算的預測模型：
4.根據權利要求1所述的基于自由沉降拱理論的出砂速率與井周滲流能力預測方法，其特征在于：所述步驟D中，在計算開采過程中出砂單元的滲透率變化時采用以下方式：
5.根據權利要求4所述的基于自由沉降拱理論的出砂速率與井周滲流能力預測方法，其特征在于：所述步驟D中，對目標儲層進行離散，將目標其分為三部分：儲層的出砂段、自由沉降區FFZ以及擋砂介質；將儲層的出砂段離散為i個地層單元，應用骨架砂液化本構方程計算單元內剝離砂體積Vs
6.根據權利要求5所述的基于自由沉降拱理論的出砂速率與井周滲流能力預測方法，其特征在于：所述步驟D中，井周滲流能力通過滲透率變化表征，具體的：
...【技術特征摘要】
1.基于自由沉降拱理論的出砂速率與井周滲流能力預測方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的基于自由沉降拱理論的出砂速率與井周滲流能力預測方法，其特征在于：所述步驟b2中，為變量r1、r2、r3賦值時，首先根據測到的控砂介質的半徑值r[n]和其對應的概率數組p[n]，隨機生成三個顆粒粒徑，并將其賦值給r1、r2、r3，并計算對應的rs值：
3.根據權利要求1所述的基于自由沉降拱理論的出砂速率與井周滲流能力預測方法，其特征在于：所述步驟c中，根據以下自由沉降拱假設，建立適用于出砂速率定量計算的預測模型：
4.根據權利要求1所述的基于自由沉降拱理論的出砂速率與井周滲流能力預測方法，其特征...
【專利技術屬性】
技術研發人員：綦民輝，吳能友，李彥龍，董林，周遠，
申請(專利權)人：嶗山國家實驗室，
類型：發明
國別省市：
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