一种基于离散元的疏松砂岩微粒运移模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于离散元的疏松砂岩微粒运移模拟方法，属于油气工程技术领域。本发明专利技术主要解决疏松砂岩油藏在生产过程中，微粒在孔喉中的运移、堵塞情况及对渗透率的改善或损害评价。本发明专利技术基于离散元建立了一种疏松砂岩微粒运移模拟方法，可直观地从微观尺度精确表征生产过程中微粒运移过程，准确捕捉微粒运移前后的孔隙结构差异，从而增强现场工程师对疏松砂岩油藏微粒运移规律的认识，进而改善生产措施。产措施。

【技术实现步骤摘要】
一种基于离散元的疏松砂岩微粒运移模拟方法


[0001]本专利技术涉及一种于离散元的疏松砂岩微粒运移模拟方法，属于油气工程


技术介绍

[0002]疏松砂岩储层内的微粒运移现象在油气开发过程中普遍存在，被认为是储层渗透率损害和油气产能减少的重要原因。储层微粒是指胶结在骨架颗粒上或松散地吸附在孔隙之间的一些微小的矿物成分，它们在物理
‑
化学的、化学的、水动力和机械作用的联合作用下，松动、释放、运移和沉淀，最终堵塞孔喉，造成储层损害。然而，截止目前，疏松砂岩微粒运移评价仍主要依赖研究微粒运移损害的实验手段以微模型、填砂模型和岩心的驱替流动实验，无法从微观角度定量化、可视化表征微粒运移过程，揭示微粒运移对储层的损害机理，难以精确理解生产过程中微粒
‑
流体
‑
孔隙结构之间的耦合问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种基于离散元的疏松砂岩微粒运移模拟方法，能够真实地模拟疏松砂岩油藏生产过程中的微粒运移过程，从微观角度定量化、可视化揭示微粒运移对储层的损害程度与损害机理，为优化生产措施以防治微粒运移损害提供技术支撑。
[0004]本专利技术提供的基于离散元的疏松砂岩微粒运移模拟方法，包括如下步骤如下：
[0005]S1、设定计算区域，确定疏松砂岩孔隙度φ、骨架颗粒粒径级配曲线PDF、黏土微粒粒径d
fine
，通过初始平衡计算生成颗粒，构建孔隙结构物理模型；
[0006]S2、依据骨架颗粒、黏土微粒矿物类型在离散元中赋予黏土微粒、骨架颗粒以不同的岩石力学参数(杨氏模量E、泊松比υ、黏土微粒摩擦系数μ
p
‑
p
)、胶结参数(内聚能密度k)，将黏土微粒
‑
骨架颗粒、骨架颗粒
‑
骨架颗粒、黏土微粒
‑
黏土微粒赋予不同粘聚力进行胶结，生成离散元数值模型；
[0007]S3、将研究区域进行网格划分，根据生产参数添加渗流场并赋予相应流动参数，采用CFD
‑
DEM耦合方法模拟疏松砂岩孔喉中的微粒运移过程；
[0008]S4、模拟过程中实时监测黏土微粒在孔喉中的移动、堵塞与分布状态，当流体曳力超过黏土微粒
‑
骨架颗粒粘聚力时，微粒发生脱落，并伴随流体运移，发生堵塞或穿透物理模型，进而分析孔隙结构的变化；当整个模型中黏土微粒无明显脱落、运移时模拟结束，导出并保存模拟结果。
[0009]优选的，步骤S1中，计算区域尺寸应能代表疏松砂岩非均质性；
[0010]进一步优选的，生成颗粒的尺寸应与模拟的疏松砂岩粒径分布曲线足够匹配以保证模拟精度；
[0011]进一步优选的，储层物理模型孔隙度应与疏松砂岩孔隙度匹配；
[0012]进一步优选的，黏土微粒颗粒的粒径应较骨架颗粒粒径小至少一个数量级；
[0013]进一步优选的，按照颗粒排斥法生成储层物理模型时，颗粒间平均不平衡力与平
均接触力的比值应小于10
‑6；
[0014]根据本专利技术，优选的，步骤S2中，根据骨架颗粒、黏土微粒矿物类型在离散元中赋予黏土微粒
‑
骨架颗粒、骨架颗粒
‑
骨架颗粒、黏土微粒
‑
黏土微粒以不同的内聚能密度k；
[0015]进一步优选的，颗粒间粘聚力计算模型采用简化的JKR模型：
[0016]F
sjkr
＝kA
[0017]式中，k为内聚能密度，A为颗粒接触面积。
[0018]进一步优选的，颗粒间粘聚力根据平行胶结模型进行胶结；
[0019]进一步优选的，黏土微粒
‑
黏土微粒、骨架颗粒
‑
骨架颗粒、黏土微粒
‑
骨架颗粒之间的内聚能密度应具有明显差异且具代表性，黏土微粒
‑
骨架颗粒的内聚能密度要远小于骨架颗粒
‑
骨架颗粒内聚能密度；
[0020]进一步优选的，在实验室内测定疏松砂岩岩石力学参数，包括杨氏模量E、泊松比υ、黏土微粒摩擦系数μ
p
‑
p
，并根据其对模拟所用离散元参数进行标定；进一步优选的，黏土微粒颗粒弹性模量应小于骨架颗粒；
[0021]根据本专利技术，优选的，步骤S3中，对研究区域进行网格划分采用结构化网格，网格质量不低于90％，并根据网格质量调整网格精度，单个网格直径应小于3个颗粒直径；
[0022]进一步优选的，黏土微粒运移中受到的外力包括自身重力、曳力、浮力、接触力等，其运动控制方程为：
[0023][0024]式中，F
p,n
和F
p,t
分别为法向接触力和切向接触力，F
p,g
为重力，F
p,e
为颗粒周围流体施加颗粒的力，如曳力、压力梯度力和浮力，r
p,c
和T
p,r
分别为颗粒矢量半径和颗粒的额外扭矩，u
p
和ω
p
分别为平动速度和转动速度，m
p
和I
p
分别颗粒质量和惯性矩。
[0025]进一步优选的，颗粒(黏土微粒、骨架颗粒)间接触力可以表示为剪切力、弹簧力、切向及法向阻尼力：
[0026]F＝(k
n
δn
ij
‑
γ
n
vn
ij
)+(k
t
δt
ij
‑
γ
t
vt
ij
)
[0027]式中，第一项为法向接触力，第二项为切向接触力。k
n
和k
t
分别为法向弹性系数和切向弹性系数，γ
n
和γ
t
分别为法向和切向的阻力系数，vn
ij
和γ
t
vt
ij
分别为相对速度的法向分量和切向分量，δn
ij
和δt
ij
分别为接触颗粒间的法向重叠量和切向位移矢量。
[0028]进一步优选的，将生成的孔隙结构物理模型中接触颗粒周缘空隙设置为流域，模拟流体从孔隙介质在一定生产压力梯度ΔP下注入，流体在注入过程中改变流体周围颗粒的作用力，当黏土微粒
‑
骨架颗粒间剪切应力超过剪切强度极限，即满足下式时，黏土微粒
‑
骨架颗粒间发生相对滑移并脱落：
[0029][0030]式中，τ为颗粒胶结处的剪切应力，为颗粒间内摩擦角。
[0031]进一步优选的，当颗粒之间胶结状态破坏后，颗粒间的平行胶结模型退化为赫兹模型；
[0032]进一步优选的，颗粒(黏土微粒、骨架颗粒)
‑
流体间的耦合作用采用解析的CFD
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于离散元的疏松砂岩微粒运移模拟方法，包括如下步骤：S1、确定模拟区域，确定疏松砂岩孔隙度φ、骨架颗粒粒径级配曲线PDF和黏土微粒粒径d
fine
，基于此在在离散元中通过初始平衡计算构建由黏土微粒、骨架颗粒组成的孔隙结构物理模型；S2、依据骨架颗粒、黏土微粒矿物类型在离散元中赋予黏土微粒、骨架颗粒以岩石力学参数和胶结参数，将黏土微粒
‑
骨架颗粒、骨架颗粒
‑
骨架颗粒、黏土微粒
‑
黏土微粒赋予不同粘聚力进行胶结，生成离散元数值模型；S3、将研究区域进行网格划分，根据生产参数添加渗流场并赋予相应流动参数，采用计算流体力学
‑
离散元耦合方法模拟疏松砂岩孔喉中的微粒运移过程；S4、在微粒运移过程的模拟过程中实时监测所述黏土微粒在孔喉中的移动、堵塞与分布状态，当流体曳力超过所述黏土微粒
‑
骨架颗粒的粘聚力时，所述黏土微粒发生脱落，并伴随流体运移，发生堵塞或穿透物理模型，进而分析孔隙结构的变化；当整个模型中黏土微粒无明显脱落、运移时模拟结束，导出并保存模拟结果。2.根据权利要求1所述的疏松砂岩微粒运移模拟方法，其特征在于：步骤S1的过程如下：S
11
、在所述模拟区域内生成边界墙，边界墙为一圆柱，底面直径D，高度H；S
12
、确定所述疏松砂岩孔隙度φ、所述骨架颗粒粒径级配曲线PDF和所述黏土微粒粒径d
fine
；S
13
、根据所述疏松砂岩孔隙度φ、所述骨架颗粒粒径级配曲线PDF和所述黏土微粒粒径d
fine
，在所述模拟区域内按照颗粒排斥法生成由所述黏土微粒、所述骨架颗粒构成的所述孔隙结构物理模型，当平均不平衡力与平均接触力的比值小于10
‑6时，初始平衡计算结束。3.根据权利要求1或2所述的疏松砂岩微粒运移模拟方法，其特征在于：步骤S2，所述胶结参数为内聚能密度k，根据平行胶结模型进行胶结，颗粒间粘聚力计算模型采用简化的JKR模型：F
sjkr
＝kA式中，k为内聚能密度，A为颗粒接触面积。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的疏松砂岩微粒运移模拟方法，其特征在于：步骤S2中，所述岩石力学参数包括杨氏模量E、泊松比υ和黏土微粒摩擦系数；在实验室内测定所述岩石力学参数，并根据结果对离散元模拟所用的所述黏土微粒和所述骨架颗粒进行标定。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的疏松砂岩微粒运移模拟方法，其特征在于：步骤S3中，所述网格划分采用结构化网格，并根据网格质量调整网格精度，确保满足模拟条件包括不同生产条件及孔隙结构下的微粒运移过程；所述流动参数包括压力梯度ΔP、流体密度ρ
f
和流体粘度μ
f
。6.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：范白涛，幸雪松，冯桓榰，徐国贤，邢希金，何松，周定照，谷林，秦玮，李振波，唐洪明，赵峰，
申请(专利权)人：中海油研究总院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：