基于CFD-DEM耦合的梯度结构防砂介质设计及其在地质能源开发中的控砂-渗流协同优化研究

针对细粉砂油气藏开发中控砂与产能释放的矛盾，研究人员创新性提出具有梯度结构的防砂介质（含砾石充填层和机械筛管），通过CFD-DEM四向耦合数值模型，从细观尺度揭示了梯度结构通过空间均质化削弱颗粒堵塞的机制。结果表明，该结构在相同表观精度下较传统均质结构减少50%以上出砂量，渗透率提升10%-50%，为细粉砂储层安全高效开发提供新思路。

　　

地质能源开发中，细粉砂油气藏的高效开发长期面临控砂与产能释放的"跷跷板"难题——传统防砂介质要么因过滤精度过高导致堵塞，要么因孔隙过大引发砂涌。这一矛盾在天然气水合物(NGH)开发中尤为突出，日本、加拿大等国的试采曾因砂堵或设备磨损引发严重事故。现有技术如形状记忆材料防砂系统成本高昂，而常规筛管在应对细粉砂时易发生渐进式堵塞。中国石油领域的研究团队独辟蹊径，从结构创新入手，设计出具有流体流向递增精度的梯度结构防砂介质，为破解这一行业痛点提供了新方案。

研究采用计算流体动力学(CFD)与离散元法(DEM)四向耦合技术，建立"携砂-挡砂"数值模型。通过模拟不同粒径颗粒(含黏土质细粉砂)在梯度结构中的运移行为，对比分析传统均质结构与新型梯度结构的性能差异。关键技术包括：1) 建立考虑流体-颗粒-介质多相作用的CFD-DEM耦合模型；2) 设计表观精度相同但空间分布异质的梯度结构；3) 量化评估出砂量、渗透率等关键指标。

梯度结构防砂介质设计
创新性提出表观精度相同但空间异质分布的梯度结构：对于砾石充填层，采用沿流体流向孔隙率递减的梯度排列；机械筛管则设计开孔尺寸递增的多级过滤单元。这种结构通过"逐级拦截-空间再分布"机制，使颗粒在介质内部形成与结构匹配的梯度分布。

控砂效果对比分析
模拟显示：传统均质结构外部会快速形成致密砂饼，而梯度结构使60%以上被拦截颗粒均匀分布于介质内部。在相同表观精度下，梯度结构使出砂质量降低50%，最大出砂速率下降超50%。渗透率提升10%-50%，压力梯度改善幅度相当。

结论与展望
梯度结构通过"空间均质化"效应打破控砂与渗流的传统矛盾：1) 外部致密砂体厚度减少60%；2) 有效防砂状态持续时间延长2倍；3) 砾石充填层更适用于低渗储层，独立筛管对高泥质储层效果显著。该研究为细粉砂储层开发提供了兼具理论创新与工程实用价值的解决方案，相关成果已应用于南海神狐海域天然气水合物试采设计。

研究团队特别致谢国家重点研发计划(2023YFC2811004)、国家自然科学基金(51991362)和山东省高校青年创新团队项目(2022KJ072)的资助。Yong Chen作为第一作者完成方法论构建与数值模拟，Yuanfang Cheng和Chuanliang Yan负责理论指导，工业应用验证由Zhongying Han团队完成。全文未披露利益冲突，所有作者确认研究的原创性。