A coupled CFD-DEM model for sand production in oil wells

Abstract

During the oil recovery a hole is drilled, the sandstone is left unsupported next to the cavity and disloged sand grains can enter the oil recovery system. This process is called sand production and several problems may arise due to that process, as clogging up of the well or damage to the well equipment. The study of sand production process is of paramout importance for safe and economical hydrocarbon production.

The majority of numerical models to predict sand production that have been used to date are continuum-based. However, a continuum approach cannot easily capture important features of the sanding problem, such as erosion, and it requires the formulation recognized as a difficult task because of the large number of interactions and non-lineaities intrinsic to the problem.

On the other hand, discrete-element based approaches allow a simpler formulation of the problem and a better understanding of some of its features. Discrete Element Methods (DEM) describe more naturally the disaggregation and erosion of sand particles and the fluid-solid interaction. In this research rock behavior has been epresented in DEM using the parallel-bond model (PBM) because it mimics the effect of cement between particles. The study has involved the calibration of the DEM rock model agains real data. Moreover, limitations of the DEM model have been explored and sensitivity analyses examining the effects of the local damping have been performed. The main aim of this research is to improve the understanding of sand production based on a Computational Fluid Dynamics (CFD) -DEM coupling model. CFD-DEM is frequently used for process and chemical engineering problems (Zhu et al., 2007). To simulate the interaction of the particles with the fluid, the solid DEM model is coupled with a fluid model (CFD). A validation of the CFD-DEM model has been carried out in this thesis by performing single particle simulations and analyses of ermeability tests. Simulations of sand production using a omogeneous sandstone analogue and, finally, the simulation of sand production under realistic conditions are presented.

En este estudio se ha representado el comportamiento de la roca en DEM utilizando el modelo de enlace paralelo (parallel-bond model - PBM) porque simulat el efecto del cemento entre partículas. El estudio ha implicado la calibración del model en DEM de la roca en comparación don datos reales. Además, las limitaciones del modelo en DEM se ha exploradoy se han llevado a cabo análisis de sensibilidad para examinar los efectos del parámetro de amortiguación (local damping). El principal objetivo de este estudio es mejorar la comprensión de la producción de arena basado en un modelo de acoplamiento con Dinámica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD) CFD-DEM. El CFD-DEM se usa frecuentemente para problemas de procesos y de ingeniería química. Para simular la interacción de las partículas con el fluido, el modelo sólido DEM es acoplado con el modelo de fluido (CFD). En esta tesis se ha llevado a cabo una validación del modelo CFD-DEM realizando simulaciones con una sola partícula y con análisis de tests de permeabilidad. Se han presentado simulaciones de producción de arena utilizando un modelo análogo a una arenisca homogénea, y finalmente se han presentado simulaciones de producción de arena bajo condiciones realistas. Durante el proceso de extracción de petróleo se perfora un agujero y la arenisca queda sin apoyo junto a la vacidad y los granos de arena sueltos pueden entrar en el sistema de extracción del petróleo. Este proceso se llama producción de arena y pueden producirse varios problemas debido a este proceso, como obstruir el pozo o dañar el equipo instalado en el pozo. El estudio del proceso de producción de arena es de primordial importancia para una producción de hidrocarburo segura y rentable. La mayoría de los modelos numéricos para predecir la producción de arena que se han estado usando hasta el momento están basados en medio continuo. No obstante, un método continuo no puede captar fácilmente algunas características importantes del problema de la producción de arena, como es la erosión, y requiere una formulación que se reconoce como una tarea difícil debido al gran número de interacciones y no-linearidades intrínsecas al problema. Por otro lado, los métodos basados en elementos discretos permiten una formulación más simple del problema y un entendimiento mejor de algunas de sus características. Los Métodos de Elementos Discretos (Discrete Element Methods - DEM) describen de una forma más natural la desagregación y la erosión de partículas de arena y de la interacción sólido-fluido.