ارزیابی عددی اثرات نیروی ماند سیال در تولید ماسه از چاه‌های نفت غلافدار مشبک‌کاری شده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

چکیده

تولید ماسه از طریق فرسایش تجهیزات ته‌چاهی و سطحی، افت تولید، و برخی اثرات دیگر می‌تواند هزینه‌های استحصال و بهره‌برداری از چاه‌های نفت را تا حد زیادی افزایش دهد. پیش‌بینی تولید ماسه در چاه‌های نفت معمولا با استفاده از قانون خطی دارسی به عنوان معادله بنیادی جریان سیال انجام می‌شود. این قانون سهم اینرسی سیال در افت فشار را در بر نمی‌گیرد و بنابراین زمانی معتبر است که سرعت جریان کم باشد. در صنعت نفت، انحراف از قانون دارسی معمولا برای چاه‌های گاز مهم تلقی می‌شود، ولی در یک تکمیل مشبک‌کاری شده، همگرایی قابل توجهی برای جریان در نزدیکی تونل‌های مشبک رخ می‌دهد که آن را مستعد اثرات اینرسی می‌نماید. در این مقاله، اثرات اینرسی جریان بر تولید ماسه از چاه‌های نفتی قائم غلاف‌دار مشبک‌کاری شده به روش عددی بررسی شده است. به این منظور روش اجزای محدود الاستوپلاستیک توام سه بعدی با رویکرد مش تطبیقی لاگرانژی-اویلری مورد استفاده قرار گرفته است. در تحلیل‌ها از قانون فورشهایمر برای لحاظ کردن اثرات جریان سرعت بالا استفاده شده است. یک قانون فرسایش مبتنی بر گرادیان فشار برای استفاده به عنوان معیار ماسه‌دهی به کار رفته است. از تقارن مارپیچی مشبک‌ها که معمولاً در عمل وجود دارد، برای دستیابی به یک شبیه‌سازی واقع‌گرایانه‌تر و کارآمدتر استفاده شده است. تغییرات پاسخ ماسه‌دهی ناشی از اثرات اینرسی برای محدوده در نظر گرفته شده از پارامترها ارائه شده است. نتایج نشان می‌دهند که جریان با سرعت بالا باعث ایجاد نیروهای هیدرودینامیک اضافی در اطراف تونل‌های مشبک می‌شود که به نوبه خود می‌تواند منجر به تولید ماسه بیشتر شود. نشان داده شده است که نادیده گرفتن اثرات اینرسی در چاه‌های نفت مشبک‌کاری شده می‌تواند منجر به پیش‌بینی دست پایینی از میزان و نرخ تولید ماسه شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Numerical investigation of the effects of Fluid Inertia on Sand Production in Cased-Perforated Oil Wells

نویسندگان [English]

  • Hasan Ghasemzadeh
  • Ahmad Ali Khodaei Ardabili
Civil Engineering, Faculty of Civil Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

Sand production by eroding downhole and surface equipment, production loss, and some other impacts can greatly increase hydrocarbon recovery and operational costs. Prediction of sand production in oil wells is generally conducted by using linear Darcy’s law as the constitutive equation for oil flow. This simple law does not include the contribution of fluid inertial in pressure drop and therefore is valid when the flow velocity is low. In petroleum engineering, deviation from Darcian trend is ordinarily considered important for gas wells, however in a perforated oil well considerable flow convergence occurs near the perforation tunnels, which makes it susceptible to inertia effects. In this paper, impacts of flow inertia on sand production from vertical cased-and-perforated oil wells are numerically analyzed. In this regard, 3D coupled, poro-elastoplastic finite element methods with arbitrary Lagrangian-Eulerian adaptive mesh approach are employed. Forchheimer’s law is utilized to account for high velocity flow effects in the analysis. A pressure gradient-based erosion law is adapted for use as the sanding criterion. The helical symmetry of the perforations, generally the case in practice, is utilized to achieve a more realistic but efficient simulation. Sanding response modifications due to inertia effects are presented for the considered range of parameters. The results indicate that high velocity flow leads to an increase in hydrodynamic forces around the perforation tunnels, which in turn can lead to more sand production. It is shown that ignoring the effects of inertia in perforated oil wells can lead to significantly lower predictions of both amount and rate of sand production.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Sand production
  • Fluid inertia effects
  • Forchheimer’s law
  • Perforated completion
  • Finite element method
  • Helical symmetry

مراجع

[1] Bear J. (1972), Dynamics of Fluids in Porous Media, American Elsevier Publishing Company, Dover, New York.
[2] Geertsma, J. (1974), Estimating the Coefficient of Inertial Resistance in Fluid Flow Through Porous Media, J Geophys Res-Sol Ea, 14, 445-450.
[3] Forchheimer, P. (1901), Water movement through soil, Zeitschrift des Vereines Deutscher Ingenieure, 45, 1782-1788.
[4] Dake, L.P. (1998), Fundamentals of Reservoir Engineering, 17th edn. Elsevier Science, The Hague, The Netherlands.
[5] Settari, A., Bale, A., Bachman, RC., Floisand, V. (2002), General Correlation for the Effect of Non-Darcy Flow on Productivity of Fractured Wells, Paper presented at the SPE Gas Technology Symposium, Calgary, Canada.
[6] Fetkovich M.J. (1973), The Isochronal Testing of Oil Wells, Paper presented at the Fall Meeting of the Society of Petroleum Engineers of AIME, 30 Las Vegas, Nevada.
[7] Nguyen, T.V. (1986), Experimental Study of Non-Darcy Flow Through Perforations, Paper presented at the SPE Annual Technical Conference and Exhibition, New Orleans.
[8] Al-Otaibi A., Wu Y-S. (2011), An Alternative Approach to Modeling Non-Darcy Flow for Pressure Transient Analysis in Porous and Fractured Reservoirs, SPE/DGS Saudi Arabia Section Technical Symposium and Exhibition, Al-Khobar, Saudi Arabia.
[9] Li, D., Ionescu, C-L., Ehighebolo, I.T., Jr, B.H., Zhazbayeva, A., Yergaliyeva, B., and Francia, L. (2022 November), Modeling and Simulation of Non-Darcy or Turbulent Flow for Oil Wells, Paper presented at the SPE Annual Caspian Technical Conference, Nur-Sultan, Kazakhstan.
[10] Morita, N., Whitfill, D.L., Massie, I., Knudsen, T.W. (1989), Realistic Sand-Production Prediction: Numerical Approach, SPE Production Engineering Journal, 4, 15–24.
[11] Vardoulakis, I., Stavropoulou, M., Papanastasiou, P. (1996), Hydro-mechanical aspects of the sand production problem Transport Porous, Med 22, 225-244.
[12] Skjaerstein, A., Stavropoulou, M., Vardoulakis. I, Tronvoll. J. (1997), Hydrodynamic erosion; A potential mechanism of sand production in weak sandstones, Int J Rock Mech Min 34, 292.e1-292.e2.
[13] Wang, H., Gala., D.P, Mukul M.Sh. (2019), Effect of Fluid Type and Multiphase Flow on Sand Production in Oil and Gas Wells, SPE J. 24, 733–743.
[14] Sun, D., Li, B., Gladkikh, M., Satti, R., Evans, R. (2013), Comparison of Skin Factors for Perforated Completions Calculated with Computational-Fluid-Dynamics Software and the Karakas-Tariq Semianalytical Model, SPE Drill Completion, 28, 21-33.
[15] Sadrnejad, S.A, Ghasemzadeh, H., Khodaei Ardabili, A.A. (2018), A Finite Element Model for Simulating Flow around a Well with Helically Symmetric Perforations, Journal of Engineering Geology, 12, 159-188.
[16] Chan A.H.C., Pastor M., Schrefler B.A., Shiomi T., Zienkiewicz O.C. (2022), Computational Geomechanics Theory and Applications, 2nd eddition, John Wiley & Sons Ltd, Hoboken, USA.
[17] Aziz K., Settari A. (1979), Petroleum reservoir simulation, Applied Science Publishers, Great Britain.
[18] Firoozabadi A, Katz D.L. (1979), An Analysis of High-Velocity Gas Flow Through Porous Media, J Petrol Technol, 211-216.
[19] Potts D.M., Zdravković L. (1999), Finite Element Analysis in Geotechnical Engineering: Theory, Thomas Telford, London, England.
[20] Menetrey Ph., Willam K. J. (1995), Triaxial Failure Criterion for Concrete and its Generalization, ACI Structural Journal, 92, 311–318.
[21] Eshiet K., Sheng Y. (2013), Influence of rock failure behaviour on predictions in sand production problems, Environ Earth Sci, 70, 1339-1365.
[22] Gravanis, E., Sarris E., Papanastasiou P. (2015), Hydro-mechanical erosion models for sand production, Int J Numer Anal Met, 39, 2017-2036.
[23] Papamichos, E. (2004), Failure in rocks: Hydro-mechanical coupling for erosion Revue Française de Génie Civil, 8, 709-734.
[24] Karakas, M., Tariq, S.M. (1991), Semianalytical Productivity Models for Perforated Completions, SPE Production Engineering, 6, 73-82.
[25] Fattahpour, V., Moosavi, M., and Mehranpour, M. (2012), An experimental investigation on the effect of rock strength and perforation size on sand production, J Petrol Sci Eng, 86–87, 172-189
[26] Papamichos, E., Liolios, P., van den Hoek, P.J., (2004), Breakout Stability Experiments and Analysis. Paper presented at the Gulf Rocks 2004, the 6th North America Rock Mechanics Symposium (NARMS), Houston, Texas.
نشریه علمی ژئومکانیک نفت
دوره 6، شماره 3
شماره ویژه انگلیسی
آبان 1402
صفحه 9-20

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار