一种深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，根据砂粒对筛管冲蚀磨损机理，将冲蚀磨损过程分为气固两相耦合流动和砂粒对壁面冲蚀磨损两部分。对于气固两相耦合流动问题，首先构建筛管流域物理模型，由于砾石层和筛管过滤单元实质是固相多孔介质，在物理模型中将其简化为具有一定的孔喉尺寸、渗透率及孔隙度的多孔介质流域，并引入气固耦合运动模型描述两相流的湍流流态，得到两相流流场分布。对于砂粒对筛管过滤单元的冲蚀磨损问题，构建筛孔筛缝流域物理模型，建立离散颗粒广角度筛管冲蚀模型，结合流场分布确定气固两相在孔缝流域入口的边界条件，进行砂粒冲蚀筛网的数值模拟并得到冲蚀磨损速率。

【技术实现步骤摘要】
一种深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法
本专利技术公开了一种深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法。
技术介绍
深水气藏地层压实程度低、储层疏松，气井生产极易出砂，而且一般情况下深水气井配产高、气体流速快，出砂对筛管冲蚀磨损严重，易引发气井的防砂失效并造成严重出砂。油气井出砂会导致一系列危害，如井下管柱和地面设备的冲蚀磨损、井下作业次数增加、油气井产量减少等，严重时甚至导致油管油泵被卡、储层被埋以及油气井停产，同时海上深水气井作业费用高，出砂引起的修井成本极大。因此，准确掌控不同出砂和生产状况下的深水气井防砂筛管冲蚀磨损情况十分必要，对保障海洋油气资源的安全高效开发具有重要意义。目前，关于筛管冲蚀磨损的实验研究已趋于成熟，并取得了丰富的研究成果。但由于深水气井出气量大、流速高，目前室内实验还无法完全模拟深水气井的高速、大砂量气流携砂冲蚀磨损的工况，且长时间冲蚀、筛管冲蚀磨损量精确计量都对实验提出了更高的要求。因此，在实验研究的基础上发展探索一种筛管冲蚀的数值模拟研究方法，不仅是对实验研究的补充，同时为研究筛管冲蚀磨损提出一个发展方向。国内外学者已针对各类冲蚀问题开展了大量的数值模拟研究，但目前冲蚀磨损的数值模拟研究主要是针对弯管、井下钻具和钻杆，还未有针对筛管冲蚀的数值模拟研究，同时各研究都是将流体流域作为单一流域，更未有研究类似于砾石层和筛网过滤层组成的复杂流域。国内外学者针对冲蚀问题也提出了多种冲蚀模型。各冲蚀模型都有其各自的适用条件，其中描述筛管冲蚀的经验模型是将所有砂粒作为一个整体并以同一角度冲蚀筛管，未考虑各离散颗粒冲蚀角度的不同，不能精确描述在湍流流态下各砂粒广角度的冲蚀筛管过程。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术公开了一种深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，构建了三种筛管整体物理模型和局部孔缝物理模型，采用多孔介质流域对复杂流域进行简化处理，并通过分阶段修正物理模型以匹配冲蚀过程中筛网的孔径变化；建立了离散颗粒广角度筛管冲蚀模型，结合气固耦合流动模型，引入空间离散方案和压力速度耦合算法，通过亚松弛法迭代计算气固两相流场分布和筛孔筛缝冲蚀磨损情况，形成深水气井防砂筛管冲蚀磨损数值模拟方法并进行了实例应用分析。本专利技术采用的技术方案如下：一种深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，如下：根据砂粒对筛管冲蚀磨损机理，将冲蚀磨损过程分为气固两相耦合流动和砂粒对壁面冲蚀磨损两部分；对于气固两相耦合流动问题，首先构建筛管流域物理模型，所述的物理模型中具有一定的孔喉尺寸、渗透率及孔隙度的多孔介质流域，并引入气固耦合运动模型描述两相流的湍流流态，得到两相流流场分布；对于砂粒对筛管过滤单元的冲蚀磨损问题，构建筛孔筛缝流域物理模型，建立离散颗粒广角度筛管冲蚀模型，结合流场分布确定气固两相在孔缝流域入口的边界条件，进行砂粒冲蚀筛网的数值模拟并得到冲蚀磨损速率。进一步的，气固两相耦合流动的物理模型中采用气体控制方程描述气体流动，而砂粒作为离散相处理，采用砂粒运动方程描述砂粒运动；两相流场中气体与砂粒间存在相互影响；联立气体控制方程和砂粒运动方程，建立气固耦合运动模型，采用迭代法进行耦合计算，当气体压力和流速残差小于设定值时，计算达到收敛，得到气相流场和砂粒运动轨迹。进一步的，所述气体控制方程包括连续性方程和动量方程。进一步的，所述的砂粒运动方程如下：其中，Fg重力、Fb浮力，Fd拖曳力、Fa附加质量力、Fp压强梯度力、FbaBasset力，mp为砂粒质量，upN为垂向砂粒速度，upT为垂向砂粒速度，eT为切向恢复系数，eN为垂向恢复系数。进一步的，离散颗粒广角度筛管冲蚀模型的建立方法如下：基于Procyk经验模型的颗粒整体同一角度冲蚀的理念，引入Edwards和McLaury提出的冲蚀角度函数式，多颗粒冲蚀叠加，建立离散颗粒广角度冲蚀率模型。进一步的，流场模拟部分通过提取筛管物理模型的内部流域，得到用于模拟气固耦合流动的筛管流域，根据流域孔隙度、渗透率等物性差异，将筛管流域分为砾石环形区和筛管中心区；为保障两区域联结处的网格连续性，流域整体采用四面体网格进行网格划分，流场入口的边界条件为速度入口，出口边界条件为自由流出口；离散相与碰撞壁面间边界条件为弹性反弹。进一步的，冲蚀模拟部分提取孔缝物理模型的内部流域进行砂粒对筛网冲蚀模拟，采用可提高模拟精度的六面体结构网格进行网格划分，气体携砂由入口面流入，由正下方出口面流出。流场入口边界条件为速度入口，出口边界条件为自由流出口；离散相与目标冲蚀壁面间的边界条件为弹性反弹，与其他壁面间为逃逸。进一步的，冲蚀磨损速率的模拟控制方法：气相流场的求解需先进行气体控制方程的空间离散化，压力离散采用二阶格式，动量、湍动能和湍流耗散率的离散化采用二阶迎风格式；求解气体控制方程时，压力速度耦合采用simple算法，即通过试算压力场，求解离散的动量方程得到速度场，再根据速度场修正压力场，检验收敛性后重复迭代。每进行5次气相流场迭代，需结合气固耦合流动模型进行1次离散相轨迹计算，根据离散相参数更新气体控制方程中的源项，持续迭代直至计算收敛，得到气相流场和砂粒运动轨迹，并结合离散颗粒广角度冲蚀模型得到冲蚀磨损情况。进一步的，为避免引起非线性迭代过程的发散，采用亚松弛法将每次迭代后各项的变化量进行适当缩减，即调整松弛因子大小在0～1之间，迭代运算时可先使用较低的松弛因子保证收敛的稳定性，当残差曲线稳定下降时，适当提高松弛因子加速收敛，当监测的残差值低于设定值时，判定收敛，结束运算。本专利技术的有益效果：本专利技术通过构建不同防砂筛管物理模型，结合相应的边界条件，可准确掌控不同出砂和生产状况下的深水气井防砂筛管冲蚀磨损情况。根据筛管冲蚀数值模拟结果，可进一步开展深水气井防砂筛管优选和防砂筛管寿命预测，为两者提供了一种研究方法和理论依据。本专利技术基于计算流体动力学通过计算机进行深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟，相较于室内实验研究，所耗时间更短，极大减少了工作量。并且无需大量的实验材料和实验设备投入，大幅节省成本。同时通过数值模拟可得到防砂筛管冲蚀过程的可视化效果，具有了更高的实用价值和研究价值。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为优质筛管模型；图2为星孔筛管模型；图3为绕丝筛管模型；图4为金属网布实物图；图5为筛孔孔道截面图；图6为筛孔模型图；图7为绕丝筛管实物图；图8为筛缝截面图；图9为筛缝模型图；图10为筛管内部流域模型图；图11为筛孔流域示意图；图12为筛缝流域示意图；图13、图14优质筛管流场分布图；图15筛孔冲蚀云图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，其特征在于，如下：根据砂粒对筛管冲蚀磨损机理，将冲蚀磨损过程分为气固两相耦合流动和砂粒对壁面冲蚀磨损两部分；对于气固两相耦合流动问题，首先构建筛管流域物理模型，所述的物理模型中具有一定的孔喉尺寸、渗透率及孔隙度的多孔介质流域，并引入气固耦合运动模型描述两相流的湍流流态，得到两相流流场分布；对于砂粒对筛管过滤单元的冲蚀磨损问题，构建筛孔筛缝流域物理模型，建立离散颗粒广角度筛管冲蚀模型，结合流场分布确定气固两相在孔缝流域入口的边界条件，进行砂粒冲蚀筛网的数值模拟并得到冲蚀磨损速率。

【技术特征摘要】
1.一种深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，其特征在于，如下：根据砂粒对筛管冲蚀磨损机理，将冲蚀磨损过程分为气固两相耦合流动和砂粒对壁面冲蚀磨损两部分；对于气固两相耦合流动问题，首先构建筛管流域物理模型，所述的物理模型中具有一定的孔喉尺寸、渗透率及孔隙度的多孔介质流域，并引入气固耦合运动模型描述两相流的湍流流态，得到两相流流场分布；对于砂粒对筛管过滤单元的冲蚀磨损问题，构建筛孔筛缝流域物理模型，建立离散颗粒广角度筛管冲蚀模型，结合流场分布确定气固两相在孔缝流域入口的边界条件，进行砂粒冲蚀筛网的数值模拟并得到冲蚀磨损速率。2.如权利要求1所述的深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，其特征在于，气固两相耦合流动的物理模型中采用气体控制方程描述气体流动，而砂粒作为离散相处理，采用砂粒运动方程描述砂粒运动；两相流场中气体与砂粒间存在相互影响；联立气体控制方程和砂粒运动方程，建立气固耦合运动模型，采用迭代法进行耦合计算，当气体压力和流速残差小于设定值时，计算达到收敛，得到气相流场和砂粒运动轨迹。3.如权利要求2所述的深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，其特征在于，所述气体控制方程包括连续性方程和动量方程。4.如权利要求2所述的深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，其特征在于，所述的砂粒运动方程如下：其中，Fg重力、Fb浮力，Fd拖曳力、Fa附加质量力、Fp压强梯度力、FbaBasset力，mp为砂粒质量，upN为垂向砂粒速度，upT为垂向砂粒速度，eT为切向恢复系数，eN为垂向恢复系数。5.如权利要求1所述的深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法，其特征在于，所述的离散颗粒广角度筛管冲蚀模型的建立方法如下：基于Procyk经验模型的颗粒整体同一角度冲蚀的理念，引入Edwards和McLaury提出的冲蚀角度函数式，多颗粒冲蚀叠加，建立离散颗粒广角度冲蚀率模型。6.如权利要求1所述的深水气井...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锐，郝思臻，于亚楠，李中，郭永宾，孟文波，刘和兴，张崇，王志宇，陈晓栋，董钊，任冠龙，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37