砾石充填层中砂粒运移与孔喉堵塞的颗粒尺度机理：一项CFD-DEM研究

《Powder Technology》：Particle-scale mechanisms of sand migration and pore-throat plugging in gravel packs: A CFD-DEM study

　　

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  采用CFD-DEM方法研究了砾石充填体中砂粒迁移的粒子尺度机理。
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  提出了一种新型综合判据，定量识别孔喉堵塞的演化过程。
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  阐明了控制砂粒迁移和沉积的主导流动机理。

引言

出砂是全世界油气作业中最普遍且最具破坏性的问题之一[1]、[2]。其产生原因是松散或未固结储层地层中的砂粒在流动储层流体的拖曳力作用下脱落。这些脱落的颗粒随产出流体被运移至井筒内，在那里沉降和积累，堵塞流动通道，侵蚀完井设备，并逐渐降低井产[3]。全球约有70%的油井受出砂影响，造成每年数十亿美元的经济损失[4]、[5]。

理解粒子尺度的出砂机理对于开发有效的控砂策略至关重要，但单一实验方法存在固有的局限性。单个砂粒的尺寸为亚毫米级，且迁移速度较快，使得实时追踪非常困难；此外，多孔介质内部有限的光学可视性使直接观测粒子尺度的输运和滞留过程成为不可能[6]。为了克服这些局限，由Tsuji等人[7]首次提出的耦合CFD-DEM方法已被广泛采用，用于研究粒子尺度的出砂问题。先前的研究表明，出砂受到一系列操作和储层因素的影响，包括流体速度[4]、流体粘度[8]、射孔方向[9]、砂粒粒径[10]以及生产压差[11]、[12]。尽管这些研究极大地增进了对出砂机理的理解，但有效的控砂对于维持稳定的油气产量仍然至关重要。在可用的控砂技术中，砾石充填完井因具有高的控砂效率和广泛的储层条件适应性而被最为广泛地应用[13]、[14]、[15]、[16]。在砾石充填体中，通过在砾石孔喉处形成砂拱来实现控砂。这些稳定的颗粒组装体跨越孔隙开口，防止进一步的砂粒侵入[17]、[18]、[19]。

尽管砂拱可以有效防止砂粒进一步侵入，但它们并非永久稳定的。砂拱在生产过程中的部分坍塌经常导致间歇性出砂[4]。因此，有效的控砂不仅取决于砂拱的形成，还取决于其长期稳定性。先前的研究表明，增加流体粘度和流速会通过增强作用于拱体形成颗粒上的流体动力拖曳力来降低砂拱的稳定性[20]。此外，更高的生产压差会加速砂拱的形成和后续的结构破坏[21]。连续的颗粒积累会进一步降低孔喉处的局部孔隙率，增加拱体两端的压差，从而促进其坍塌[10]。相反，增加颗粒间摩擦力和颗粒-滤网摩擦力可以通过增强颗粒组装体的机械阻力来显著改善砂拱的稳定性[22]、[23]。

砂粒在砂拱上的积累在砾石充填体中堵塞的引发和演化过程中起着关键作用。Zhou等人[24]采用CFD-DEM方法研究了填充床中细颗粒的输运，结果表明砂粒优先在砾石孔喉处形成拱状结构。随着颗粒沉积的持续进行，这些砂拱逐渐演变为严重的堵塞区域。在宏观尺度上，Lin等人[25]证明堵塞从局部孔喉堵塞演化为全局连通的堵塞区域，其中滞留颗粒数量随进入砾石充填体的深度增加而呈指数衰减。基于颗粒积累特征，Deng等人[13]、[14]确定了两种主导的堵塞模式：由粗颗粒桥接控制的表面积累和由细颗粒桥接及吸附控制的内部积累。Deng等人[1]进一步证明，粗颗粒主要导致表面堵塞，而细颗粒主导内部堵塞。由此产生的堵塞显著降低了砾石充填体的渗透率，进而损害了油气流动能力[26]。

尽管取得了这些进展，关于砾石充填体中砂粒堵塞的若干重要问题仍未解决。首先，孔喉堵塞的动态演化过程尚未得到定量表征。特别是局部颗粒积累、砂拱失稳坍塌以及随后的颗粒再迁移和再沉积过程尚未得到系统描述。其次，在裂缝型或高度非均质储层中，优势流动通道在砾石充填体内部产生不稳定且非均匀的流动条件。这些流动条件会显著改变作用于砂粒和砂拱上的流体动力，而大多数现有研究均假设稳定流动。最后，由于对不稳定流动效应的认识有限，稳定流动与不稳定流动条件下砂粒迁移和堵塞行为的系统比较仍然稀缺。因此，实际储层流动条件对砾石充填体长期性能的影响尚未得到充分理解。

为解决上述问题，本研究建立了砾石充填体系砂粒迁移的CFD-DEM模型，并通过自设计的出砂实验装置进行了严格验证。利用该经验证的模型，系统地研究了砂粒的粒子尺度迁移和沉积行为以及孔喉堵塞的动态演化过程。进一步提出了综合堵塞判据，以定量识别孔喉堵塞的初始阶段和后续演化阶段。最后，对稳定流动和不稳定流动条件下砂粒的动态响应进行了对比分析。研究成果为砾石充填体中砂粒迁移和堵塞提供了新的机理认识，并为优化控砂技术和生产策略提供了理论指导。

章节摘要

粒子运动的控制方程

离散元方法（DEM）通过显式求解单个粒子的微观运动来解释岩土材料中的宏观变形和破坏演化，使其特别适用于涉及大变形和大位移的问题。在DEM框架内，有限离散砂粒组装体的力学响应通过求解牛顿运动方程获得，同时考虑接触和非接触相互作用。$$m_i\frac{{\mathit{dv}}_i}{\mathit{dt}}=F_{f\to p}+\sum F+m_{i}g$$$$I_i\frac{d}{}$$

DEM参数标定

关键建模参数经过标定，以确保模拟行为忠实地反映实际材料和系统在所考虑条件下的响应[22]、[24]、[25]、[36]。通过筛分试验和堆积密度试验测定了颗粒粒径和堆积密度。图2进一步展示了DEM参数标定过程。进行了倾斜板试验（图2a）和静止安息角试验（图2c），以表征颗粒间和

砾石层中的动态迁移过程

图8展示了砾石充填层中砂粒的迁移和沉积剖面。初始阶段（t=0.28s），颗粒以高速穿入，一旦与砾石接触，速度急剧下降。由于残余动能和可用的孔隙空间，部分颗粒通过孔喉继续缓慢迁移（见t=0.44s），形成明显的速度梯度。随着侵入的持续进行，颗粒沉积在已有的积累体上，形成更大的

结论

本研究建立了一个有效的CFD-DEM耦合模型，用于研究砾石充填层中的砂粒输运行为。在稳定流动和不稳定流动条件下，系统地分析了砂粒的迁移模式、沉积特征和孔喉堵塞演化机理。主要结论总结如下：

• (1)
  孔喉堵塞是一个动态过程，涉及颗粒迁移、沉积和再迁移的反复循环，以及间歇性的

CRediT作者贡献声明

郑超：撰写—审阅与编辑、监督指导、调查研究、经费获取。赵俊琪：撰写—初稿、调查研究。何世刚：验证、数据管理。杨子豪：形式化分析。王智远：软件。李秋实：可视化。吴传宇：撰写—审阅与编辑、监督指导。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究感谢以下基金的资助：山东省优秀青年科学基金项目（海外）（编号：2024HWYQ-045）、山东省泰山学者项目（资助编号：tsqn202211085）、英国皇家学会牛顿国际学者校友后续资助（资助编号：AL\24100053）、中央高校基本科研业务费专项资金（编号：25CX02016A），以及海洋地球物理勘探国家工程研究中心研究项目

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