[发明专利]油井出砂的三维数值模型设计

说明书

技术领域

本发明涉及石油工程领域，特别是油井出砂的三维数值模型设计。

背景技术

据国家统计局统计，原油进口依存度自2000年的24.8%飙升到2012年的57.16%，已赫然超过了50%的安全警戒线。石油开采可持续发展的瓶颈之一就是油井的出砂问题，出砂不仅给采油工艺带来许多麻烦，还影响储层采油速度及油气采收率，严重时造成井壁坍塌、套管损坏，乃至油井报废。因此，储层出砂问题给石油开采带来了巨大的挑战，出砂预测和防治是石油工程领域的研究热点和难点，需要有一种经济的、高效的和直接的方法来解决这一种重要问题。

对于实际油藏开采，射孔过程中的流体运动和岩层受力与流体相互作用复杂，油井出砂过程中的砂岩力学特性也较复杂，常规的室内试验方法和等效连续介质分析方法不能反映砂岩颗粒的细观特性，虽然现在一些学者基于土力学理论开始了细观力学分析，但仅仅基于达西渗流的二维离散元模型，不能准确反映油井出砂的发生和发展。特别是常规注水开采中，考虑射孔过程的流体运动主要以径向为主，如果依然在笛卡尔坐标系下研究流体运动，其数值模拟中的流体边界条件很难确定，不能准确地描述射孔过程中的孔隙率变化和流固耦合效应，也无法准确说明出砂的发生和发展过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑射孔试验特征，反映射孔试验中砂岩的宏细观力学特性的模型设计方法。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，油井出砂的三维数值模型设计，包括以下步骤：

1）读入实际油井的几何尺寸，建立柱坐标系下的射孔三维数值模型；

2）根据射孔试验过程的实际情况，将所述射孔三维数值模型划分成若干单元；

3）根据所述射孔三维数值模型的岩石颗粒分布，计算出每一个单元的孔隙率；

4）根据所述孔隙率计算出流体压力梯度力和拖曳力，所述流体压力梯度力和拖曳力引起所述射孔三维数值模型中岩石颗粒的重新分布；

5）重复步骤3～4，直到计算结果收敛。

记录上述过程的所有中间值和最终值，确立射孔出砂模型。

值得说明的是：本发明需要在步骤1）中预先读入油井的相关参数，其来源可以是实际油井中的数据，也可以是实验室模拟的油井数据，其中特别重要-是油井的射孔的数据。步骤1）中，所述射孔包括贯通的内孔，以及内孔周边的砂岩。在油井不断开采过程中，流体不断从内孔中流出，其周边的砂岩会有渗流等情况发生，内孔尺寸发生变化。而射孔出砂的来源主要是砂岩，因此，本发明所要考虑的重点就是内孔周边的砂岩。所述射孔三维数值模型即是将所述内孔和内孔周围的砂岩放在柱坐标系下建立起来的模型。

步骤2）中，划分单元时，主要是将内孔周围的砂岩所在区域划分为若干虚拟的单元，以便于进一步的处理和研究，每一个单元的边界即为柱坐标系下的坐标区间。初始时已经贯通的内孔所在的区域可以不进行划分。

步骤3）中，由于砂岩又是若干岩石颗粒胶结而成，因此，内孔周围的砂岩具有孔隙。本步骤需要计算出每一个单元内砂岩的孔隙率，即单元的孔隙率。

由于流体不断从内孔周围的砂岩中渗出，因此，岩石颗粒必然会受到流体的影响，最终导致孔隙率发生变化。而正是这种变化，带来了本领域实际生产中的诸多难题。现有技术是不能在实验室通过模拟的手段真实反映上述变化的。步骤4）正是需要计算出每一个单元的流体压力梯度力和拖曳力，其依据主要是前一步骤计算出的孔隙率。由于所述流体压力梯度力和拖曳力引起所述射孔三维数值模型中岩石颗粒的重新分布。因此，步骤4）的结果不一定是整个模型的稳定状态。而步骤5）说明了，将步骤4）所获得的岩石颗粒分布作为步骤3）的计算依据，并由此循环若干次，直到计算出的单元的孔隙率不发生变化或其变化小于某个设定的阈值时，模型到达稳定状态，停止循环。

本发明所公开的上述方法，提供了一种能简单、直接和有效的油井出砂三维数值模型设计，该模型通过准确反映每一个流体单元的孔隙率，保证了射孔试验过程中流固耦合作用力计算的有效性，提高了三维细观数值模型的可行性和稳定性。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1油井出砂示意图；

图2基于柱坐标系的流体单元划分俯视图；

图3颗粒与环向内边界相交；

图4颗粒与环向外边界相交；

图5与流体单元环向边界相交时颗粒体积计算示意图；

图6颗粒与径向边界相交；

图7颗粒与水平边界相交；

图8颗粒与径向边界和水平边界同时相交；