[发明专利]一种深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明公开了一种深水气井防砂筛管冲蚀数值模拟方法。

背景技术

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。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明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。

本发明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。