基于DEM-CFD耦合的砂岩出砂机理研究.pdfVIP

摘要

油井出砂是砂岩储层开采过程中常见的工程现象，长期的出砂会造成油井井

壁塌陷、开采管道冲蚀和井筒堵塞等问题。砂岩储层出砂是在流体作用下引起的

砂岩颗粒脱落和运移的动态过程，本文基于离散单元法（DEM）和计算流体动

力学（CFD）理论，建立了出砂过程中砂岩颗粒与流体相互作用的DEM-CFD耦

合模型；基于物理实验标定了砂岩颗粒流计算参数；基于多工况DEM-CFD模拟，

研究了出砂过程中砂岩颗粒脱落及运移的规律，揭示了流体作用下砂岩出砂的细

观机理，确定了影响出砂的主要因素。论文主要工作如下：

（1）考虑出砂过程中砂岩颗粒与流体的相互作用，基于颗粒流与计算流体

动力学理论，建立了出砂过程中砂岩颗粒与流体相互作用的DEM-CFD耦合模

型；基于颗粒流软件PFC3D和计算流体力学求解器FiPy，二次开发实现了砂岩

出砂的DEM-CFD耦合计算方法。

（2）采用PFC3D软件内置的平行粘结模型表征砂岩颗粒之间的胶结作用，

开展了砂岩的单轴压缩物理实验，测定了砂岩的宏观力学参数；采用PFC3D开展

了相同条件下的单轴压缩数值实验，基于数值实验与物理实验的一致性，标定了

砂岩平行粘结模型中的有效弹性模量、法向与切向刚度比、抗拉强度、黏聚力和

内摩擦角等计算参数，并进行了参数敏感性分析。

（3）分析砂岩颗粒的粒径分布特征，推导了松散砂岩颗粒运移的粒径及级

配条件；从细观角度分析了地层流体作用下砂岩颗粒的受力情况，推导了砂岩颗

粒脱落的临界应力条件；建立了以松散颗粒半径、孔隙度和颗粒间摩擦系数为变

量的松散颗粒运移临界压力梯度判别准则；分析了脱落砂岩颗粒与地层流体的相

互作用，建立了以颗粒粘结强度、地层应力和孔隙度为变量的骨架颗粒脱落临界

压力梯度判别准则。

（4）建立了井周附近的颗粒流模型，采用DEM-CFD耦合算法，模拟了开

采过程中地层流体作用下砂岩颗粒脱落、运移及聚集的动态过程，研究了地层流

体与地应力耦合作用下砂岩储层出砂的力学机理。进而开展多工况模拟，研究了

砂岩粘结强度、地层流体压力梯度及颗粒粒径等因素对出砂的影响规律。

关键词：出砂；流固耦合；颗粒流；DEM-CFD耦合

Keywords:Sandproduction;Fluid-structurecoupling;Particleflow;DEM-CFD

coupling

目录

摘要II

ABSTRACTIII

第1章绪论1

1.1研究背景及意义1

1.1.1研究背景1

1.1.2研究意义1

1.2国内外研究现状2

1.2.1砂岩出砂机理研究2

1.2.2出砂预测数值模拟研究3

1.2.3固液两相流计算方法研究6

1.3本文主要研究内容及技术路线7

1.3.1研究内容7

1.3.2技术路线8

第2章砂岩出砂的DEM-CFD耦合模型及数值方法10

2.1砂岩出砂的DEM-CFD耦合的力学模型10

2.1.1出砂颗粒运移的DEM模型10

2.1.2孔隙流体运移的CFD模型12

2.1.3砂岩颗粒与流体的耦合模型13

2.2砂岩出砂的DEM-CFD耦合的数值方法15

2.2.1基于PFC3D的DEM模拟方法15

2.2.2基于FiPy的CFD模拟方法16

2.2.3PFC3D-FiPy耦合方法17

2.3本章小结18

第3章砂岩胶结的平行粘结模型及参数确定19

3.1砂岩胶结的平行粘结模型及