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。     

低渗透油藏中水平井两相渗流分析

大量实验表明，在低渗透多孔介质中，渗流不再符合线性达西定律，而具有启动压力梯度，本文从Buckley-Leverret不混溶两相渗流驱替理论出发，考虑启动压力梯度的影响，对水平井两相渗流进行分析，得到了椭球形边水油藏中水平井定产时的压力分布公式和定压生产时的产量公式，以及饱和度分布公式。经图示分析得出结论：启动压力梯度不仅增大油藏的生产压差，而且使油藏的无水采收率和水驱采收率减少；增大注入量可以降低启动压力梯度对两相渗流的不利影响，从而提高水驱采收率，因此开发含启动压力梯度油藏，应小井距，大流量，大压差进行注水开发；水平井的两相渗流解析解为数值模拟中水平井的处理提供很好的方法。     

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。     

变形介质油藏中的不稳定渗流

大量实验表明:当油藏生产原油时,随着地层中流体压力的降低,油层的孔隙度和渗透率下降,特别是在异常高压油藏中尤为显著。数据表明多孔介质的孔隙度和渗透率随压降的变化规律是指数关系,而实际的油藏介质变形是弹塑性的,即变形在流体压力恢复后,变形不可能完全恢复,因此在开发前期一定要注意保持一定的地层压力。从流体和多孔介质的本构方程出发,建立液体在变形介质油藏中渗流的微分方程。用解析的方法得到了变形介质中的定常流动的精确解;并用数值模拟的方法,研究了无限大油藏、封闭油藏和边水油藏中的不稳定压力,绘制了相应的井底压力曲线。最后分析了封闭变形介质油藏中,定压生产时,油井的产量变化。研究表明:在异常高压的油藏中,必须考虑由介质变形引起的孔隙度和渗透率的影响。     

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.     

缝洞型油藏三重介质油水两相流数值试井解释方法

基于多重介质渗流的概念模型和数学模型,建立了缝洞型油藏油水两相流三重介质数值试井模型;对模型进行数值求解,得到三重介质油藏两相流试井响应曲线并分析其特征。指出三重介质油水两相条件下的压恢曲线与单相时的不重合,并随着初始油水饱和度的变化而变化,不能直接用单相试井模型来解释两相流试井曲线;提出了先拟合油水产量曲线,再拟合压力恢复曲线的试井解释方法。     

多孔介质中指进发育机理及描述方法

设计了一套研究多孔介质中非混相指进的实验方法，提出触发混相与非混相流体的系统因素。研究了指进的统计自相似性，混沌特性及分形描述方法，并与ＤＬＡ模型对比解释流体饱和度等宏观概念。提出拟波及系数、临界流体饱和度等新概念；应用重正化群理论推导了均匀孔隙介质中流体饱和度和拟波及系数的关系，可用以建立宏观非混相指进模拟的数值模拟。     

非线性球形渗流模型及井底压力动态特征研究

对储层较厚的油藏,油井通常采用部分射开的完井方式,当射开厚度较小时,就会出现球形渗流模式.针对这一情况,基于物质平衡原理,建立了考虑二次压力梯度影响的非线性球形渗流物理数学模型.利用变量代换,将渗流模型线性化,求取了不同外边界条件下拉普拉斯空间的解析解,再利用数值反演求取了实空间的解,并编程绘制了井底压力动态特征曲线.根据曲线形态,分析了井底压力动态响应特征,新的非线性渗流特征曲线与常规线性渗流曲线明显不同,非线性渗流模型的压力和压力导数曲线偏离线性渗流模型的曲线,并进行了理论误差分析,结果表明在一定条件下非线性的影响十分强烈,因此,应加强非线性渗流理论的研究.     

毛管数对天然岩心渗流特征的影响

本文运用理论分析和室内实验相结合的方法,对天然岩心驱油效率的影响因素进行了深入的研究,提出毛管数是影响驱油效率的主要因素之一。实验研究给出了作为饱和度和毛管数的二元函数的一族相对渗透率曲线,使得贝克菜-列弗莱特的二相渗流理论得以扩展,并为三次采油物理-化学渗流理论和数值模拟研究提供了实验基础。     

两维两相流数值模拟的有限元与边界元解法

两维两相流数值模拟是油藏数值模拟领域内需要进一步研究的课题。本文针对多孔介质内两相流体的平面渗流问题，给出了一种精度较高的边界元方法和三角剖分的有限元方法联立求解方法，得到好较好的结果，为两维两相流数值模拟研究提供了又一途径。     

三重介质复合油藏压力动态特征研究

建立了三重介质复合油藏试井解释模型，采用数值方法对模型进行了求解。讨论了地层的内外渗透率比、内径的大小以、窜流系数、弹性储容比、外边界条件以及表皮系数等参数对于这种类型油藏压力响应动态的影响。表明：当油藏内外区的渗透率不同时，类似于在井的周围存在封闭边界或者定压边界；内区的大小决定着反应外区渗透率影响的压力响应出现的早晚；窜流系数影响着窜流阶段出现的早晚；弹性储容比影响着导数曲线上“凹陷”的深度和宽度；而外边界的影响则由于油藏内外区渗透率的差异而和普通的三重介质油藏不同；表皮系数对压力动态的影响与内外区域渗透率比对压力动态的影响也有着很大的差别。     

考虑高速流动效应的凝析液饱和度变化规律

建立了凝析气藏的油气两相渗流数学模型及其数值模型，并给出了求取数值解的隐式压力显式饱和度(IMPES)方法。首次用数值解方法研究了考虑毛管数效应、非达西效应及其耦合作用高速流动效应下凝析油气混合物渗流规律。根据计算结果，考虑毛管数效应后的凝析油平均饱和度明显低于不考虑毛管数效应的模型，在较高产量下，凝析油饱和度沿径向方向先增加后减小，表现出明显的速度剥离效应。而非达西效应则导致更高凝析油饱和度，尤其以近井地带明显。两种效应的耦合作用通常是降低凝析油饱和度，即高速流动有利于提高凝析气井产能。     

存在高渗透区的黏土心墙土石坝渗流稳定性分析

黏土心墙土石坝是重要的挡水建筑物,心墙的低渗透性可以大幅降低坝体水力梯度,减少坝体发生渗透破坏的风险。然而心墙的质量问题（如局部高渗透区）会影响坝体的渗透稳定性,甚至酿成管涌溃坝等严重后果。以瀑布沟心墙土石坝为原型开展坝体渗流大型水槽模型试验,并结合有限元数值模拟方法研究高渗透区对坝体内部渗流场和渗流稳定性的影响。试验表明高渗透区域将改变心墙的渗流场,成为优势渗流通道,导致高渗透区域附近孔压值大幅上升,同时高渗透区域的存在将显著提升坝体渗漏速率。试验与模拟结果一致表明,随着高渗透区域逐步上移,高渗透区所在位置处的孔隙水压力增大,坝体渗漏量减小。高渗透区和心墙的渗透系数增加都会使心墙孔压值和渗漏量增加;随着高渗透区的渗透系数的增大,心墙坝渗流稳定性系数降低,导致坝体稳定性下降;随着心墙渗透系数的增大,高渗透区水力梯度略微减小,但心墙整体临界水力梯度下降,坝体稳定性降低。所得结论可为基于监测数据反演分析心墙的质量问题和评估坝体的安全性能提供依据。     

多孔介质不溶混流体毛细压力与饱和度关系实验研究

采用根据张力计原理设计的简易装置实验测定多孔介质湿润相被单调驱替过程中湿润相饱和度与毛细压力的关系曲线，研究不同两相系统（水-气、水-油、油-气）中该关系的特点和联系。实验结果采用Van公式进行拟合，结果表明实测曲线和拟合曲线吻合很好。为了寻找预测任意两相系统湿润相饱和度与毛细压力关系的简单途径，在Parker等提出的折算理论基础上，采用两种方法处理实验数据、拟合参数，将折算系数应用于实测数据，结果表明通过引入折算系数，一组两相系统中湿润相有效饱和度与折算毛细压力的关系可用于其它两相。     

任意形状复合油藏压力动态的边界元分析

油气藏形状对井底压力动态响应有着显著的影响，常规的解析方法只能计算规则形状油气藏的井底压力响应。该文建立了任意形状复合油藏不稳定渗流的数学模型，并将区域分割法与边界元方法相结合，研究了任意形状复合油藏不稳定压力响应的计算方法，应用杜哈美原理考虑了表皮效应与井储系数对井底压力动态响应的影响。绘制并分析了复合油藏的典型曲线，通过分析指出油藏的边界性质会影响典型曲线后期形态，而内区形状的也可能掩盖复合油藏典型曲线的特点。     

非饱和低渗透黏土非线性渗流定律与固结

该文分析了渗流实验结果,得出:非饱和低渗透黏土渗流遵循具起始水力梯度的非线性渗流定律.考虑到在非饱和黏土中气相在含水饱和度大于90%时不能独立运动,基于该非线性渗流定律,分别建立了非饱和黏土定流量单向非线性渗流、定压单向非线性渗流、定流量径向非线性渗流固结数学模型.以黏性边界层思想,构造出了上述数学模型解的结构,以积分方程法,导出了非饱和低渗透黏土非线性渗流平均质量守恒方程、活动边界运动方程、压力分布与平均固结度计算公式.进行了实例计算分析,结果表明:与线性渗流相比,非线性渗流使黏土层同一位置处的无量纲超孔隙水压力增大,使非饱和低渗透黏土固结活动边界运动速度减小、使定流量单向渗流平均固结度增大.该文结果可用于非饱和低渗透黏土地质工程与岩土工程等领域.达西渗流固结计算是具有起始水力梯度的非线性渗流固结计算的特例.     

考虑二次梯度项影响的多层油藏渗流模型研究

为了提高单井产量和降低生产成本,很多生产井都采用多层合采的方式进行生产。然而传统的多层油藏渗流模型常常忽略了非线性偏微分方程中的二次梯度项,从而违背了物质平衡条件,进而不能准确反映地下原油在多层油藏中的渗流规律。为此,该文保留非线性偏微分方程中的二次梯度项,建立了考虑井筒储集与表皮效应影响的多层油藏渗流模型,采用全隐式有限差分对模型进行离散,并应用迭代方法进行求解,绘制了井底压力和分层产量的理论变化曲线,最终分析了二次梯度项对多层油藏的井底压力动态和各层产量分布的影响。研究结果有利于提高对多层油藏渗流规律的认识,为合理地运用直井开发多层油藏提供理论依据。     

水气二相渗流与双重介质变形的流固耦合数学模型

为了真实反映地质岩体系统内孔隙、裂隙对发生于其中的物理过程的控制与影响,基于岩体渗流水力学和多相渗流力学理论,将工程地质体简化为孔隙一裂隙双重介质,建立了水气二相渗流与双重介质变形的流固耦合数学模型,采用Galerkin有限元方法推导了相应的有限元方程,编制出三维有限元计算程序。算例表明：双重介质模型能够比较准确地描述地质体的结构;在进行注水井数值实验模拟时,考虑耦合与不考虑耦合时的孔隙压力的差别随时间的推移会越来越大。     

考虑水驱油藏润湿性变化的数值模拟方法

注水开发过程中岩石润湿性的变化对水驱效率和剩余油的分布影响较大，然而目前通用的数值模拟软件未能将其考虑在内。本文根据已有结论及研究成果，提出了考虑岩石润湿性变化的方法。主要利用相对渗透率的变化来表征润湿性的变化，根据含水饱和度的变化选择相应的相对渗透率曲线，在黑油模型的基础上建立能反映长期水冲刷后油藏岩石润湿性变化的数学模型，开发研制了三维三相下考虑储层润湿性变化的数值模拟软件，结合胜利油田典型油藏，进行了数值模拟研究。结果表明：岩石润湿性变化对水驱效果的影响与开发初期岩石润湿程度有关，对于偏亲水油藏，考虑润湿性变化后计算的采出程度有所减小，而亲油油藏考虑润湿性变化后计算的采出程度有所增加。