裂缝性低渗透油藏流-固耦合理论及应用

本文在总结前人已有成果的基础上,在裂缝性低渗透油藏流-固耦合研究方面完成了以下工作: (1)通过大量的岩芯实验,研究发现低渗透岩石渗流时存在明显的流-固耦合效应,并通过理论分析对该现象做以解释。 (2)建立裂缝性低渗透油藏渗流场和岩土变形场的等效连续介质模型。推导出考虑裂缝影响情况下,渗流场和岩土变形场参数的等效处理方法。利用等效连续介质渗流模型研究了不同裂缝形态对水驱油效果的影响。 (3)研究了地应力和孔隙压力对裂缝开度及渗透率的影响,得出裂缝性低渗透油藏渗流场与岩土变形场之间的耦合关系式。 (4)利用断裂力学的知识,研究了注水过程中,储层裂缝扩展的动力学机理,给出考虑裂缝扩展情况下的渗透率演化方程,并结合流-固耦合模型给出数值模拟的方法。 (5)利用有限元和有限差分方法,给出了裂缝性低渗透油藏流固耦合模型的计算方法,并编制了相应的数值模拟软件。 (6)探讨了本文理论在工程上的应用。 论文利用所编制的油藏流团耦合计算软件,对大庆油田卯六区块开发过程中孔隙度、渗透率演化及耦合效应对开发过程的影响进行了数值模拟;结合断裂力学知识,给出了开发过程中裂缝扩展的数值计算方法,并对一简单情况下裂纹扩展情况进行了数值计算;最后,通过解析分析的方法,对渗流作用井壁力学     

弱胶结油藏大孔道出砂的渗流与管流耦合模型

将渗流力学、岩石力学、流体力学知识相结合,建立了弱胶结油藏大孔道出砂的渗流与管流耦合模型,并进行了实例计算。油藏渗流模型主要基于达西定律,并且考虑了储层的可压缩性。将大孔道中的油藏流体与砂粒看作单分散的、稀释的悬浮液。考虑砂粒在大孔道中的沉降及液固两相流之间的相互作用,基于Navier-Stokes方程推导了油藏流体-砂粒两相运动的控制方程。其中,出砂流速门槛值和砂粒剥落本构方程通过实验方法确定,油藏流体渗流与大孔道管流之间通过压力和流量关系进行耦合。最后,通过计算研究了矩形区域内-注-采情况下大孔道的延伸情况,得到了开发过程中流场压力分布图和累计出砂量变化曲线,分析了油藏流体粘度、注采速度对出砂的影响。     

水力压裂三维数学模型研究

根据渗流力学、岩石力学、传热学、断裂力学知识，建立了油水井三维水力压裂模拟计算的数学模型。模型考虑了压裂液的流变性、支撑剂在压裂缝中的运移、压裂液与储层岩石的热交换以及压裂过程中的流固耦合作用，给出了裂纹扩展和流固耦合计算的数值解法，通过算例验证了所提出数学模型的合理性。     

低渗透油藏CO2混相驱过程中考虑对流扩散的流固耦合模型研究

为研究低渗透油藏中对流扩散和流固耦合对CO2混相驱油的影响,推导低渗透油藏CO2混相驱过程中多相多组分渗流场、对流扩散场和应变场三场全耦合控制方程,并给出求解方法。模型考虑对流扩散、混相和岩石骨架的应力–应变对整个渗流过程的影响,并对边界条件进行约束。应用建立的考虑对流扩散的流固耦合模型进行实例分析,结果表明:所建模型综合考虑对流扩散与流固耦合现象对渗流的影响,体现出模型与计算方法的实用性,并提高CO2混相驱的模拟精度,本模型计算结果与常规数值模拟结果具有一定的可比性。同时,通过界面张力、产能、混相区域等参数定量描述对流扩散现象对CO2混相驱的影响。     

油藏渗流–应力耦合分析的FEM-FVM混合方法的改进

在油藏开采过程中,岩石应力场变化的波及范围远大于发生渗流的储层区域,因而现有渗流–应力全耦合方法数值模拟的计算量往往十分巨大。为了提高数值模拟的计算效率,考虑渗流计算区域和应力计算区域的差异,对FEM-FVM(有限元–有限体积)混合方法进行了改进。对储层渗流区域采用细密的网格进行计算,以获得地下流体较为准确的分布情况;对应力计算区域则采用粗网格进行计算,从而降低计算耗时。全耦合理论中的力学平衡方程采用有限元法在粗网格上进行离散;质量守恒方程则在细网格上采用有限体积法进行离散。对Terzaghi一维固结问题和Mandel二维固结问题的数值模拟表明,该方法的计算结果与解析解吻合较好。通过对一个二维单相流单井开采问题和一个三维两相流五点井网开采问题的数值计算,分析了油藏数值模拟中渗流–应力耦合效应的影响。     

降雨对流变介质的影响分析

以塑性力学、流变力学和渗流力学为理论依据，利用改进的粘弹塑性流变模型，分析岩土介质的力学特性。并通过自编的计算程序，对力学-流变-渗流进行数值计算，应用结果表明：改进的粘弹塑性流变模型能较好的描述岩土类材料的流变特性。     

考虑水的耦合与否在隧道稳定计算中造成的结果差异对比

在进行海底隧道的稳定性分析时,只有考虑水的作用才能保证计算的真实性,但流-固耦合计算的速度比较慢,而且计算也比较困难,因此,在计算过程中有时就不考虑流体的作用,而只作一般的弹塑性分析,这就造成了一定的误差.结合厦门海底隧道的稳定计算,考虑有水作用与无水作用两种情况,应用三维快速拉格朗日法进行弹塑性和流-固耦合分析,就开挖后的应力分布、洞周位移、塑性区等结果,对其差异进行了统计对比.     

低渗透煤层气开采与注气增产流固耦合理论及其应用

我国煤层普遍渗透率低、吸附强、解吸速度慢而导致绝大多数煤层试验井产量低、衰减快、难以形成稳定的工业性气流,同时低渗透煤层甲烷运移过程表现出相互制约和非达西渗流及排采降压流固耦合作用的突出特点,低渗透煤层气开采遇到挑战。因此,进行低渗透煤层气开采与注气增产流固耦合理论及其应用的研究,具有十分重要的理论意义和应用价值。在低渗透煤层气开采流固耦合方面完成的主要研究内容和结果如下:(1)根据煤层特性和煤层甲烷运移属性,将煤层抽象为双重介质模型,并建立了反应解吸、扩散、渗流过程的低渗透双重介质气、水两相流流固耦合模型和注气增产煤层气多组分流体流固耦合模型;详细推导了双重介质气、水两相流流固耦合模型和煤基质系统扩散项的数值解法,并开发了三维、双重介质气、水两相流、拟稳态非平衡吸附流固耦合模拟程序。(2)利用开发的模拟程序和现场试验井资料对煤层气生产动态参数进行模拟,模拟结果与现场试验井结果相吻合。得到如下结论:①通过单井开采过程中的储层压力下降幅度、气–水产能大小、压降漏斗、水饱和度和甲烷浓度变化范围和下降幅度的模拟结果表明:考虑耦合作用的模拟结果与实际更为吻合,耦合时的结果比不考虑耦合时的结果偏小。对导致其差异根源的耦合机理分析表明:煤层气开采尽可能保证由于耦合作用而导致储层渗透性受弱化程度最小;②井群间距对煤层气开采至关重要,井群间距对产能等参数的影响,与储层的渗透率密切相关,渗透率较高储层比渗透率较低储层井群干扰出现的时间早,开采初期小井群间距的气–水产能大于较大井群间距的气–水产能;③通过渗透率、扩散系数对产能影响的研究表明:煤储层渗透率的大小直接控制着煤层气产能的大小,拟稳态扩散系数越大,煤层气井的早期产量上升越快,产气量高峰期到来越早。这说明煤层气的开采运移过程同样受到扩散过程的影响,揭示了煤层瓦斯解吸、扩散和渗流互为条件、互相联系和互相约束的运移机制;④在低速低渗透情况下,通过对启动压力产生的机理分析和模拟结果表明:开发低渗透煤层气藏,应采用小井距、较大压差开发方案;考虑低渗透气体渗流的滑脱效应时,气–水产能比不考虑滑脱效应时高;⑤注气模拟结果表明:注气增产机理主要是注入的二氧化碳气体不但减少了煤层甲烷的分压,加速了煤层甲烷的解吸,而且二氧化碳比甲烷气体更易吸附,竞争吸附置换煤层甲烷分子,大量的煤层甲烷解吸进入割理裂隙系统,从而提高了煤层气产量。因此,注气开采是低渗透煤层气增产的有效途径。     

基于TOUGH2和FLAC3D的水-气二相流-固耦合模型

要实现饱和-非饱和土体的水-气二相流-固耦合作用的数值模拟,关键是如何实现渗流场与应力场的耦合,目前,松弛耦合方法不仅精度能够满足一般的工程要求,而且求解方法易于实现,是多相流-固耦合问题研究的主要方向。本研究根据松弛耦合原理,利用TOUGH2/EOS3来模拟水-气二相渗流过程;利用FLAC3D来模拟土体变形;基于水-气二相渗流过程与力学过程的相互影响,给出饱和度-密度、孔隙水压力和气压力-有效应力、体积应变-孔隙率、孔隙率-固有渗透率,以及孔隙率-毛细压力等状态变量之间的耦合关系式;利用C++控制TOUGH2、FLAC3D在流固耦合过程中的有序运行并利用耦合关系式传递相关状态变量,以实现对水-气二相流-固耦合作用的模拟。利用该模型对一现场压气试验进行模拟,通过模型计算值与实测值的对比,验证了模型的准确性和有效性。     

可压缩流体渗流的流固耦合问题数值模拟研究

可压缩流体在多孔介质中的流动过程是流体流动和固体变形相互耦合作用的结果,研究多孔介质中流固耦合渗流规律对于完善流固耦合理论以及工程应用有着重要意义。本文在考虑了流体的可压缩性和固体变形影响的前提下,基于流固耦合力学理论,建立了地下水渗流问题的流固耦合数学模型,采用了编制FSCSP程序的对数学模型进行数值求解。通过数值计算,比较了考虑耦合效应与非耦合效应之间的存在较大差异,这对于实际工程中流固耦合问题的数值模拟有着重要的理论意义和指导意义。