高黏度牛顿流体中砂粒运动实验研究

高黏度牛顿流体中砂粒运动实验研究

李健增;汪志明;芮阁;任众鑫;廖小波

【摘要】为了解决疏松砂岩稠油油藏开采过程中的砂粒运移问题,基于固液两相流理论及实验流体力学理论,利用研制的高黏度流体颗粒自由沉降实验装置,分别开展了高黏度牛顿流体中球形颗粒的自由沉降实验、砂粒的自由沉降实验和不同含砂体积分数下混合黏度变化规律实验,根据实验结果,建立了不同粒径范围的阻力系数模型以及混合黏度模型.研究表明,高黏油混合黏度存在相应的临界值,在实验条件下,含砂体积分数为0.1％时,混合黏度达到最低,不利于携砂.结合上述模型和实验结果,建立了高黏度牛顿流体中的砂粒运动模型,揭示了高黏介质中颗粒的特定运移规律,为今后稠油携砂流动规律理论研究奠定了基础.%To study sand migration issues in the production of the heavy oil reservoir of unconsolidated sandstone, a series of laboratory experiments were performed according to the solid-liquid two-phase flow theory and the experimental fluid mechanics theory. Those experiments included setting of round particles and sand in high viscous fluid,and mixed viscosity variation pattern of heavy oil with different sand concen-tration. Based on experiment results, we established resistance coefficient model and mixed viscosity model under different grain size, which revealed the mixed viscosity of high viscosity oil had a critical sand volume fraction. It demonstrated that the mixed viscosity is the lowest when the sand volume fraction is 0. 1%. Based on this model,sand transport model in high viscous Newtonian fluid was set up, which reveals parti-cle migration pattern in high viscosity medium,and lays foundation for the study on sand carrying flow pat-tern of heavy oil.

【期刊名称】《石油钻探技术》

【年(卷),期】2012(040)005

【总页数】5页(P77-81)

【关键词】疏松砂岩;稠油油藏;携砂能力;混合黏度

【作者】李健增;汪志明;芮阁;任众鑫;廖小波

【作者单位】中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249;中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249;中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249;中国

石油大学(北京)石油工程学院,北京102249;中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249

【正文语种】中文

【中图分类】TE311+.1

稠油适度出砂开采技术在国际上应用较为成功，在我国渤海地区也有应用[1]，但

缺乏适度出砂开采完井参数的优化设计理论依据，国外大都依靠稠油开采过程中积累的经验指导实际生产。随着该技术的大范围推广和井筒结构复杂程度的逐步提高，在稠油油藏开采过程中，砂床沉积造成砂堵、砂埋等井下故障频繁发生，并亟待解决[2-3]。目前对适度出砂开采完井参数设计的理论研究较少，水平井筒稠油携砂

流动规律研究仅处于理论研究阶段，更缺乏高黏度流体中砂粒运动规律的实验研究。笔者基于适度出砂开采实际现状，将固液两相流研究理论引入到稠油开采研究中，利用自主研制的高黏度流体颗粒自由沉降试验装置，用实验的方法进行分析，分别开展了高黏度牛顿流体中球形颗粒的自由沉降实验、砂粒的自由沉降实验和不同含砂体积分数下混合黏度变化规律实验，在前人研究的基础上，采用分组优化分析的

方法建立了修正阻力系数方程，首次引入了临界含砂体积分数值，建立了高黏度牛顿流体中砂粒运动模型。

利用球形颗粒分析牛顿流体中颗粒的自由沉降规律，假设颗粒在沉降过程中不与壁面发生碰撞，且体系中无静电和外界离心力作用，仅处于重力的作用之下。对砂粒进行受力分析可知，砂粒从静止开始，在重力、浮力以及液体阻力的作用下，经过一个足够长的加速段最终达到平衡，即[4]：

式中：vs为颗粒的速度，m/s；CD为阻力系数；ds为砂粒直径，m；ρs为砂粒

密度，kg/m3；ρl为流体密度,kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

整理可得，单个球形颗粒自由沉降末速表达式为[5]：

求解沉降末速时必须先确定阻力系数CD。根据因次分析可知，CD为固体颗粒雷

诺数Res的单值函数，其中固体颗粒雷诺数Res的定义为[6]：

式中，μ为流体黏度,Pa·s。

由于稠油具有黏度高、流动性差的特性，因此稠油油藏的井底流速一般较低，大多控制在层流范围内，这里假设Res<1 000。

1)层流区(Res<1)沉降，这时颗粒与流体之间的相对运动是层流，适用Stokes定律，得到球形固体颗粒的自由沉降速度为[7]：

2)Allen给出了过渡区(1

此时，圆球形固体颗粒的自由沉降速度为：

目前关于固体颗粒在流体中自由沉降的实验研究多是针对低黏度流体开展的，在高黏度流体中，地层砂粒形状不规则性对砂粒自由沉降速度的影响程度，仍需要通过实验进行研究。因此，开展了单颗粒砂粒在高黏度流体中的自由沉降规律实验，分析并得到了不规则砂粒在高黏度流体中自由沉降速度的变化规律。

2.1 球形颗粒自由沉降实验

为方便实验数据的处理，根据渤海海域实际开采状况，设计了等比例沉降实验装置，