低渗透油藏非线性渗流理论及数值模拟方法

针对低渗透油藏非线性渗流理论与数值模拟方法方面存在的大量问题,从毛细管模型出发,推导了低渗透油藏非线性渗流新模型,详细解释了新模型中特有的物理参数内涵;并由此建立了低渗透油藏非线性单相渗流理论,与相对渗透率引入渠道流假设一致,将单相非线性新模型推广到两相渗流中,建立了能够同时考虑启动压力梯度、非线性渗流弯曲段连续变化的数值模拟方法。根据所建立的低渗透油藏单相稳态和非稳态渗流理论以及数值模拟方法,开展了达西、拟启动压力梯度和非线性模型的油藏动态对比计算。结果表明:低渗透油藏主要受非线性渗流控制,仅井点的少数网格存在拟线性流动,非线性模型计算的结果介于达西和拟启动线性模型之间。     

低渗稠油油藏水平井储量有效动用界限研究

低渗透稠油储层具有明显的启动压力梯度,该文首先基于分析低渗透油藏弹性能量开发中的不稳定渗流过程,得到拟稳态条件下直井开发渗流方程的基本解;再利用保角变换方法,建立考虑启动压力梯度影响下,水平井在三维空间上压力分布的计算模型。考虑技术和经济因素,提出了低渗透稠油油藏衰竭开发下水平井储量有效动用界限,包括满足渗流速度要求的最大动用范围以及满足经济极限累计产油量要求的最小动用范围,并建立了相应的计算方法。研究结果表明,对于低渗透稠油油藏,要综合考虑技术和经济条件的要求,在满足水平井储量有效动用界限的基础上确定开发井距,才能对此类油藏进行有效开发。通过X-DEH油田开发实例,研究了不同储层物性和开发条件下,水平井在水平平面动用半径和垂直平面动用厚度的变化规律,结果表明该方法具有很好的可操作性。     

低渗透油藏非线性渗流产能计算模型及参数敏感性分析

应用常规的油藏工程方法,进行低渗透油藏动态预测普遍存在较大的误差.对此,在考虑启动压力梯度、应力敏感性、牛顿流体微压缩性以及流体粘度可变性的基础上,运用渗流理论,建立了低渗透油藏非线性平面径向稳定渗流模型,应用解析方法对模型进行求解.结合华庆油田白155井区超低渗透油藏的开发实例,对影响油井的产能因素进行参数敏感性分析,绘制了不同参数下油井的产能曲线.与达西线性渗流对比,提出该模型可用来评价油井产能以及进行产能预测.     

致密油储层压裂水平井产能预测与敏感性因素分析

在体积压裂模式下,致密油储层发育多尺度的不同介质,导致其渗流机理复杂,产量预测难度大。该文针对致密油独特的储层特征,结合实际生产动态特征,分为多生产阶段、多渗流区域,考虑启动压力梯度、压敏效应等非达西因子的影响,遵循质量守恒与势能守恒原理,建立了致密油储层压裂水平井产能预测模型。根据实际生产数据,通过产能模型,可以进行历史拟合,并反演得到相关参数,最终实现单井产能预测。同时,以产能模型为技术手段,分析了压裂水平井在致密油储层中的开发动态,考虑的产能敏感性因素主要包括非达西因子、水平段长度、裂缝条数、裂缝半长、裂缝导流能力等。实例计算表明,启动压力梯度和压敏效应对产能的影响较大,且压裂水平井产量并不是随着各影响因素值的增加而线性增大,考虑投入产出比,均应该存在一个相对最佳值或者最佳值范围。     

风城油田采出水处理工艺技术改造研究

随着蒸汽辅助重力泄油(SAGD)规模开发的增多,部分SAGD采出液进入风城1号稠油联合站常规采出水处理系统,使原油脱水难度增加,一段沉降脱水罐出水无法达到采出水处理系统进水水质要求,经研究将已建沉降脱水罐改造为预除油罐,从采出水水质、设计参数以及改造的可行性等方面进行了分析,并对其中的有效容积、沉降速度和沉降时间进行了核算,确定了改造内容,并取得了一定的经济效益。     

堆石料渗透各向异性对大坝渗流场影响数值分析

本文对面板堆石坝进行堆石体渗透正交异性的渗流场数值分析。运用有限元分析软件对模型进行渗流分析得出:相对于各向同性情况,堆石体渗透正交异性对于大坝的渗流量有一定影响;随着堆石体渗透各向异性程度(渗透系数水平方向与竖直方向比值)的增大,浸润线不断抬升,因此在实际工程中,应注意这方面的控制防护。总体来说,堆石体渗透正交异性对整个面板堆石坝渗流场有一定影响。     

带启动压力梯度的双孔压敏介质压力动态及其应用研究

通过在流动方程中加入启动压力梯度,并考虑地层渗透率随压力的变化发生变化,建立了带启动压力梯度的双孔压敏介质油藏试井解释模型;通过隐式格式对所形成的非线性抛物型方程进行了线性化,采用追赶法进行了求解;通过对参数的敏感性分析表明:启动压力梯度和渗透率变化模数都对压力及压力导数有着很大的影响,导致径向流段不复存在,压力及压力导数曲线在后期上翘;将形成的方法在胜利油田的低渗透潜山油藏进行了应用,解释结果更加符合地质实际,表明了该方法的正确性和实用性。     

致密油藏体积压裂水平井不稳定压力分析

水平井结合体积压裂改造成为目前开发致密油藏的关键技术。考虑到致密油藏多尺度渗流(基质、天然裂缝和水力裂缝)及多种流动机理(启动压力梯度和应力敏感)相互耦合的复杂渗流过程,该文建立了综合考虑致密油藏启动压力梯度和应力敏感的体积压裂水平井不稳定压力分析模型。通过Laplace变换和摄动变换等求解得到了拉氏空间中的井底压力,应用Stehfest数值反演绘制了相应的压力动态响应曲线。研究结果表明:压力响应曲线可以划分为6个流动阶段,模型的退化结果与Ozkan模型一致,验证了该文模型的正确性,并在此基础上进行了影响因素分析。该文研究结果可为致密油藏体积压裂水平井的不稳定压力分析提供一定的理论依据。     

致密油藏中一种基于微管流动特征的非线性渗流模型

随着常规油气资源的大量消耗,低渗透致密油藏逐渐成为开发的主要资源。由于致密储层主要发育大量的纳米级孔隙与裂缝,当流体通过时,流动规律偏离达西定律,渗流曲线不再是一条通过原点的直线。对于渗流过程中各因素之间的相互作用及对渗流规律的影响说法不一,至今没有一个满意的模型。为了正确认识致密油藏储层的非线性渗流规律,该文以边界层理论为基础,提出了低渗透致密油藏一种新的非线性渗流模型。通过流体在微纳米管中的流动实验分析,润湿性液体的边界黏附层厚度与驱替压力梯度呈指数关系,对流量模型进行了简化处理;进而利用毛管束模型得到了致密多孔介质中液体的渗流模型,并用天然致密岩心进行单相水流动实验给予验证。研究结果表明,所得非线性渗流模型是有效的,能够用来描述致密油藏的非线性特征。     

基于流管法的低渗透油藏水驱动态分析

为了认识低渗透油藏的水驱动态规律,完善低速非达西渗流的水驱动态理论,该文基于流管法的基本原理,给出了五点法井网的三角流管模型,引入启动压力梯度,建立了低渗透油藏水驱动态开发指标的油藏工程计算方法。经对比验证,利用该方法计算的产油量与实际产量一致,若不考虑启动压力梯度会导致产油量偏高,存在较大误差。绘制并分析了渗流阻力、含水饱和度、产油量、产水量、采出程度以及波及系数等动态指标的变化曲线。结果表明,随着注入水从主流管向外的扩展,水驱前缘推进变慢,渗流阻力也随之变大,流管中注入水突破变慢。主流管突破后产油量迅速下降,开始迅速产水,采出程度和波及系数增幅变缓。所有流管都突破后产量和采出程度趋于平缓,注入水完全波及。同一时刻水驱前缘后从注入井端到采油井端的含水饱和度不断减小。研究结果可为低渗透油田水驱开发及动态分析提供指导。     

低渗透岩心渗流过程压力传播特征研究

深入认识低渗透储层的渗流特征,对如何经济有效开发低渗透油田具有重要指导意义。应用1米长露头岩心渗流模拟系统,研究了低渗透岩心单相渗流过程、恒压水驱油过程中压力动态传播特征,克服了短岩心模拟过程中产生的端面效应,较真实的反映了低渗透储层的渗流特征。低渗透长岩心单相水渗流实验表明,低渗透储层由于应力敏感效应导致渗透率沿渗流方向降低。储层渗透率并非常数,而是孔隙流体压力的函数。低渗透储层内部压力分布呈非线性特征,生产压差越大,岩心内部压力分布的非线性程度增强。压力损失因应力敏感效应主要消耗在生产井近井地带,越靠近生产井,压力分布的非线性程度越明显。恒压水驱油过程中,渗流阻力主要损失在油水两相区。在油水前缘到达各测压点之前,其压力逐渐下降,油水前缘通过该点后,其压力逐渐上升。     

稠油聚驱中聚合物溶液的最优浓度与最优段塞尺寸

聚合物驱是在实际中应用最多的化学驱方法,但一般不建议将其用于开采稠油。稠油除了常规注水开采外,大多使用热采的方法开采,但对于深度较深和厚度较薄的稠油油藏,热采方法的驱油效果也不理想。而聚合物驱对此条件不敏感,且近年来水平井的大量应用与油价的高涨,这使采用高浓度大段塞聚合物溶液的稠油聚驱成为可能。该文采用数值方法模拟了四分之一五点法井网的稠油聚驱过程,比较了不同聚合物溶液浓度与段塞尺寸下稠油聚驱的采收率,结果表明:聚合物浓度与段塞尺寸分别存在最优值,即当浓度或段塞尺寸低于最优值时,采收率随浓度或段塞尺寸的增大而显著增加;而当浓度或段塞尺寸高于最优值时,采收率的增加不明显。在此基础上研究了原油黏度、渗透率变异系数、聚合物溶液注入时机以及注入速度对最优浓度和最优段塞尺寸的影响。     

基于雷诺数的砂砾石管涌过程判别

管涌破坏是发生堤坝险情乃至溃决的主要原因。传统渗流力学涉及管涌机理、发展过程及控制措施,对管涌过程定量判别及非线性特征研究尚显不足。开展不同级配砂砾石管涌试验,指出细颗粒含量及均匀程度是影响砂砾石管涌破坏的主要因素;分析管涌破坏过程中水流状态变化规律,提出了基于雷诺数Re的管涌过程判别方法。试验结果表明:砂砾石管涌过程可定量分为孕育阶段（Re<0.85）、形成阶段（0.85≤Re≤5.00）、发展阶段（5.0050.00）。孕育和形成阶段,可动细颗粒启动并缓慢调整,水力坡降与渗流速度呈线性关系,黏阻力占主控作用,渗流运动符合达西定律;发展和破坏阶段,渗流通道形成并逐步扩展,可动细颗粒快速流失,渗流速度变化较大,惯性力占主控作用,水力坡降与渗流速度呈远离平衡态的非线性关系,层流逐渐向紊流过渡,可用二次方程描述。研究结果可为管涌险情预报和应急处置提供决策依据。     

基于分形理论的岩石裂隙非线性渗流各向异性研究

针对裂隙岩体非达西渗流问题,开展了不同粗糙裂隙非线性渗流特性的研究。将完整的方形岩块采用劈裂法制成裂隙试件,用三维光学扫描系统量测裂隙表面形貌,并采用Kulatilake提出的自仿射分形维度方法计算表面的分形维度来表征粗糙表面的各向异性特征。根据裂隙流的曲折效应,在Forchheimer定律基础上,提出了水文弯曲度和表面分形幂律关系来表征非线性特点,并由此提出了新的粗糙裂隙非线性分形模型。对各组裂隙试件在2个方向（0°,90°）上进行饱和渗流试验,发现流动符合Forchheimer定律且存在各向异性特点,最后由分形模型,提出了区分达西流与Forchheimer流的新判据。     

准脆性介质热流固及损伤耦合效应的数值模型

运用热流固耦合理论,在岩石破裂过程分析系统(Rock Failure Process Analysis,RFPA)的基础上实现了温度-渗流-应力-损伤(Thermo-hydro-mechanical-damage,THMD)的多场耦合数值模型,并以此为工具进行了水工结构中温度场随渗流和应力而变化的规律研究。结果表明,水的流动导致的热量迁移现象可以用于分析水工建筑物的水温异常,并可将其作为结构是否出现了渗漏的一种监测手段。对破坏过程中温度变化规律的数值试验研究表明:在初始加载阶段,试样中的原生裂隙随着应力的不断增加而闭合,导致透水能力以及渗流速度的降低,渗流对温度场的影响作用也随之而逐渐减小;但当试样中的应力水平达到其峰值强度时,损伤急剧增加并形成了渗漏通道,渗流速度增大,试样顶端的温度也急剧升高。数值模拟得到的温度场随渗流速度和方向、应力、破坏三因素的变化规律有助于完善温度探漏的相关理论。     

三场耦合作用下黏土岩损伤变形特性及本构模型

深部地下围岩常常处于温度场、渗流场、应力场等多场耦合作用,研究黏土岩在温度-渗流-应力场耦合作用下的变形损伤演化过程尤为重要。从试验和理论模型2个方面对黏土岩开展了温度-渗流-应力三场耦合特性研究,结果表明:高温会造成黏土岩内部结构发生质的劣化,黏土岩的温度越高,其峰值强度越小,而应变变形量越大;渗透系数随变形总体呈先减后增的趋势,并在峰后阶段略有降低,分别与体变压缩硬化、剪胀损伤、软化剪胀3阶段相对应,体积变形的转折拐点即为渗透率加速增大的临界点;黏土岩的渗透率随温度升高呈先减小后增大的趋势,当温度＜50 ℃时,渗透率随温度升高而减小,当温度＞50 ℃后,随温度升高而增大;温度越高,黏土岩的“实损伤”发展越快。基于试验结果,建立了温度-渗流-应力三场耦合作用下的损伤本构模型,该模型能较好地模拟黏土岩三场耦合作用下的损伤变形演化过程。     

准脆性介质热流固及损伤耦合效应的数值模型

运用热流固耦合理论，在岩石破裂过程分析系统（Rock Failure Process Analysis, RFPA）的基础上实现了温度－渗流－应力－损伤的多场耦合数值模型，并以此为工具进行了水工结构中温度场随渗流和应力而变化的规律研究。其结果表明，水的流动导致的热量迁移现象可以用于分析水工建筑物的水温异常，并可将其作为结构是否出现了渗漏的一种监测手段。通过对破坏过程中温度变化规律的数值试验研究表明：在初始加载阶段，试样中的原生裂隙随着应力的不断增加而闭合，导致透水能力以及渗流速度的降低，渗流对温度场的影响作用也随之而逐渐减小；但当试样中的应力水平达到其峰值强度时，损伤急剧增加并形成了渗漏通道，渗流速度增大，试样顶端的温度也急剧升高。数值模拟得到的温度场随渗流速度和方向、应力、破坏三因素的变化规律有助于完善温度探漏的相关理论。     

不同闭门速度下的闸门水动力特性数值模拟

采用RNG k-ε湍流模型、VOF模型及动网格技术,对平面闸门动水关闭过程进行了数值模拟,分析了闭门时闸门区的流场特征及闸门门体水动力特性,发现闸底附近压力梯度大,闸下压力沿水流方向逐渐减小;研究了以不同速度闭门时闸门底缘的压力情况,发现闭门速度对底缘压力影响较小,可适当增大闭门速度,快速闭门,确保闸门体系的安全运行。研究结果可为事故闸门的水力设计及运行提供一定的参考依据。     

锦州某地下水封洞库工程渗流场数值分析

以锦州某地下水封洞库工程为例,对研究区的水文地质条件、洞库结构和人工水幕系统进行了概化,建立了地下水封洞库在无水幕、有水平水幕、有水平水幕和垂直水幕3种条件下的三维地下水渗流数值模拟模型,模拟了地下洞库周围的地下水渗流场;利用建立的地下水渗流数值模型预测了3种条件下洞库周围地下水等水位线扩展情况及洞库上方地下水位变化情况等,并对结果进行了对比分析。由分析结果可知,有水平水幕和垂直水幕条件下的地下水等水位线扩展范围和速度比其他2种条件小,因此人工水幕系统在保证地下水封洞库工程有效性和储油安全性以及保护洞库周围地下水环境等方面起到了重要作用。     

库水位骤降情况下土石坝坝坡稳定分析

库水位骤降时,土石坝坝体内浸润线高于库水位,较高的孔隙水压力和渗透力会导致上游坝坡失稳。英布鲁水电站土石坝设计过程中,采用饱和与非饱和渗流模型的有限元法分析得到库水位骤降条件下土石坝的非稳定渗流场,采用极限刚体平衡法计算得出上游坝坡的安全系数。结果表明:英布鲁水电站土石坝在水库敞泄时,上游坝坡的安全系数不满足规范要求;库水位按设计推荐的库水位降落速度控制,上游坝坡的稳定安全系数满足规范要求。