A Study on the Heat Penetrating Coupling Unsteady State Model of Heavy Oil During Steam Flooding

An unsteady model of temperature field coupled with seepage field during thermal recovery process was derived and the solution method was given. Considering the effects of pressure and temperature during the derivation, the variation laws, with different types of constraints, of temperature and pressure changing with time and space were summarized in the model. The deduced governing equations are applied to oil fields with practical data and the comparison of the results with the numerical results and empirical formula calculation results is basically the same. Examples show that the heat penetrating coupling method can analyze dynamic variation of the formation temperature and pore fluid pressure data near borehole wall quantitatively during thermal production in heavy oil reservoir.     

高温井地层温度变化对井壁稳定性影响规律研究

高温井钻井过程中保持井壁稳力的常规方法中并没有考虑地层温度变化的影响,为安全钻井带来了隐患.从钻井过程中井壁及地层温度场的数值模拟和附加温变应力下井壁周围应力场的计算出发,研究了井壁及地层温度变化规律和井周围岩应力状态.依据控制体单元能量守恒原理建立了钻井过程中井壁及地层温度场控制方程,并利用有限差分法对控制方程进行了离散,并对数值求解方法进行了优化,实现了温度场的快速计算.依据孔隙介质热弹性理论对井壁周围的应力分布规律进行了计算,结合地层的强度准则确定了考虑温度变化情况下地层坍塌压力、破裂压力的计算模型,为高温井安全钻井液密度窗口的设计提供了依据.     

流固耦合作用下注水井井壁稳定性研究

注水开发油田在生产过程中，渗流场会对油藏地应力场产生影响，在井壁附近产生应力集中。研究了注水过程中流固耦合作用下套管损坏的力学机理，在传统的Biot 方程的基础上，考虑介质渗透性能随应力的变化，建立了注采过程中流体渗流与固体弹塑性变形的非线性耦合数学模型，采用全耦合的有限元法对所建立的模型进行求解。通过对大庆油田南二区某注水井注水开发过程的数值模拟，分析了注水对储层孔隙压力、井壁围岩应力场和变形场的影响，并对比了不同注采情况下储层孔隙压力和井壁应力随时间的变化关系。研究表明，油藏注水开采过程中，油藏流固耦合作用对地层特别是井壁附近围岩的应力和变形影响很大。研究结果为合理建立油藏注水开发的流固耦合计算模型，合理控制注采压差，预防和减少该地区地层变形、套管损坏等提供了依据。     

异常高压气藏流固耦合的数值模拟

异常高压气藏具有比常规气藏更强的流固耦合效应,因而研究异常高压气藏流固耦合效应对于模拟气藏开采,指导气田生产具有十分重要的现实意义。为此,在气藏储层岩石应力、应变分析的基础上,结合修正的Terzaghi有效应力原理和岩石骨架本构关系,建立了异常高压气藏储层岩石骨架变形的数学模型;将固相平衡方程和流体流动方程组合,建立了异常高压气藏流固耦合模型。采用空间8节点等参元对圆柱形封闭地层进行了网格划分,基于Galerkin有限元法对流固耦合变形场、渗流场方程进行了空间域离散,并利用全隐式数值格式对半离散微分方程进行了时间域上的离散,建立了以位移和流体压力为未知变量的流固耦合有限元数值模型,并采用两场交替迭代的方法得到了控制方程在几何域上的耦合解。实例分析的结果表明,所建立的流固耦合模型比传统非耦合模型更能精确地描述异常高压气藏流体渗流与岩石变形的特征,与工程实际相符合,计算程序的精度高、可靠性强。     

凝析气液复杂渗流数学模型

为真实反映凝析气藏相变过程中流体的流动情况，需要考虑气、液相变作用及流-固热耦合对凝析气藏渗流规律的影响。引入相变产生的毛管力、界面阻力及非达西因子，建立表征凝析气藏多相高速流动相变特征的渗流方程，同时考虑气化潜热及流-固热耦合，推导出流-固热耦合能量方程，结合凝析气藏相变特征的传输方程，对速度场、温度场进行量化计算，从而合理描述流体渗流的特性和过程。利用该模型进行凝析气井复杂渗流规律研究，结果认为：凝析气相变对凝析气渗流的影响显著；流体与岩石颗粒温度在相变区都是先升后降，最终低于气藏原始温度，但岩石颗粒温度变化有滞后趋势；模型考虑界面张力、毛管力时预测的凝析气产能低，凝析油产能高。     

煤层气流固耦合渗流模型求解过程中的参数处理

在对煤层气的流固耦合渗流模型的求解过程中，总体上采用显式交替耦合求解的方法进行，其实现过程为：煤岩变形场方程的求解滞后于煤层气渗流力学模型求解一个时间步。具体来说，首先对有限差分后的流体渗流场方程进行求解，然后将求得的孔隙流体压力增量传递给煤岩变形场方程，煤岩变形场方程将计算所得的体积应变和应力变化再传给渗流模型，据此对物性参数（孔隙度、渗透率、孔隙压缩系数）进行修改，继而进行下一时间步长的计算，如此反复进行，直至结束。流固耦合渗流数学模型采用IMPES方法进行求解中，对于计算过程的非线性问题表现在时间取值问题和空间取值问题两个方面，对此应采用显式方法进行线性化处理。     

油藏三维地应力场数学模型的建立

本文建立了油藏三维地应力场的数学模型。在此模型中，岩石为弹塑性介质，模型考虑了油藏开发过程中温度变化和油，气，水三相流体压力的变化以及岩石的自重对应力的影响。计算温度时考虑了热传导以及流体在多孔介质中的对流换热，在计算流体压力时，考虑了油，气，水三相压力。     

低渗透气藏整体压裂流-固耦合渗流数学模拟

整体压裂会导致低渗透储集层发生固体应变,进而导致对气体渗流的影响。假设气藏开发生产过程为等温、单相气体渗流,并假设储集层为小变形弹性多孔介质,考虑岩石变形、地应力变化、人工裂缝、流体渗流与岩石应变耦合、储集层渗流与裂缝渗流耦合、非达西效应等因素,建立低渗透气藏整体压裂流固耦合渗流数学模型。首先推导出考虑固体应力应变的气藏整体压裂渗流模型控制方程;然后基于线弹性理论和有效应力概念,建立了孔隙含有气体的岩石的应力应变控制方程。由于这两组非线性控制方程互含应力、应变和压力项,因此用有限差分、块中心网格剖分方法,将方程组离散为主对角占优的七对角矩阵,采用隐式迭代方法求解,数值稳定性较好。通过示例分析,揭示了应力、应变、孔隙度和渗透率等参数的动态变化规律,而且模拟结果比其它模型更接近实际情况。图4参11(范学平摘)     

温度对超深裂缝性地层井壁稳定性的影响

温度效应对钻井井壁围岩稳定性的影响不可忽略,特别是超深（>6000 m）裂缝性地层。传统考虑温度效应的坍塌压力预测模型主要适用于连续性地层,温度对裂缝性地层坍塌压力影响的文献研究较少。针对上述问题,首先通过杜哈梅原理确定温度变化产生的诱导应力场,然后利用坐标转换,考虑裂缝渗流场和温度场耦合,获得裂缝面上应力分布特征,最后,将裂缝面应力场代入岩石破坏准则,建立了考虑温度效应的裂缝性地层井壁失稳预测力学模型,研究了温度和裂缝特征对井壁稳定性的影响。研究表明,相同应力和裂缝产状条件下,钻井液循环引起的井壁温度降低增大了井壁垮塌的程度,这与传统模型认为循环引起的温度降低有助于井壁稳定的结论相反;井筒液柱压力一定的条件下,井壁稳定性随裂缝产状发生变化,存在裂缝产状敏感区。对于超深裂缝性地层,随着钻井液循环导致井壁围岩温度降低,增大了井壁失稳风险和程度,在防止井壁失稳的坍塌压力当量密度设计方面应考虑温度和裂缝特征的影响。     

温度对超深裂缝性地层井壁稳定性的影响

温度效应对钻井井壁围岩稳定性的影响不可忽略,特别是超深（>6000 m）裂缝性地层。传统考虑温度效应的坍塌压力预测模型主要适用于连续性地层,温度对裂缝性地层坍塌压力影响的文献研究较少。针对上述问题,首先通过杜哈梅原理确定温度变化产生的诱导应力场,然后利用坐标转换,考虑裂缝渗流场和温度场耦合,获得裂缝面上应力分布特征,最后,将裂缝面应力场代入岩石破坏准则,建立了考虑温度效应的裂缝性地层井壁失稳预测力学模型,研究了温度和裂缝特征对井壁稳定性的影响。研究表明,相同应力和裂缝产状条件下,钻井液循环引起的井壁温度降低增大了井壁垮塌的程度,这与传统模型认为循环引起的温度降低有助于井壁稳定的结论相反;井筒液柱压力一定的条件下,井壁稳定性随裂缝产状发生变化,存在裂缝产状敏感区。对于超深裂缝性地层,随着钻井液循环导致井壁围岩温度降低,增大了井壁失稳风险和程度,在防止井壁失稳的坍塌压力当量密度设计方面应考虑温度和裂缝特征的影响。      

盐穴储气库注采运行时温效应对腔体稳定性的影响

地下盐穴储气库注采周期的变化会导致腔内气体的温度、压力发生周期性变化,从而导致围岩中产生热应力,进而危及储气库注采过程中的安全运行。基于变质量热力学理论,推导出了注采过程中变注采速率的条件下腔内气体温度、压力随时间变化的微分方程,并结合已有的研究实例进行验证。基于单个腔体热固耦合模型,分别研究了注采气过程中,热效应、注采速率以及盐岩导热系数对腔体稳定性的影响。对于注气过程,热效应的存在、注气速率的增加以及盐岩导热系数的增大有助于避免围岩中发生拉伸损伤,维持腔体的稳定性;而对于采气过程,热效应的存在、采气速率的增加以及盐岩导热系数的增大会加剧围岩中的拉伸损伤,不利于腔体的稳定性。     

地下盐穴储气库盐岩热损伤机理

基于变质量热力学原理，建立盐穴储气库注采过程中的工程热力学分析数学模型，给出了单个注气和采气过程中温度和压力随时间变化的解析解，作为数值模拟的边界条件。根据金坛储气库的基本数据和盐岩实验研究参数，利用COMSOL Multiphysics有限元软件建立单腔盐穴注采过程的温度-应力耦合模型，模拟恒定注采速率下盐腔围岩的拉伸损伤、剪切损伤和膨胀损伤分布情况，研究夹层和热应力对围岩损伤的影响。基于热应力理论，结合模拟结果分析盐穴储气库注、采气过程中围岩的热损伤机理。模拟结果表明：在热应力存在的情况下，夹层的存在促进了围岩损伤的产生，无夹层时围岩无损伤发生，有夹层时围岩存在损伤；注气过程和采气过程的损伤发生位置存在差别：注气过程损伤多发生在夹层附近的盐岩中，采气过程损伤多发生在夹层中；膨胀损伤的范围最广，且损伤范围覆盖了前2种损伤，因此实际生产过程中推荐使用膨胀损伤判据，损伤评价结果更为保守。     

An Experimental Study on Creep Characteristics of Salt Rock and Gypsum-salt Rock in Puguang Gas Field

Abstract

Through the determination of mineralogical compositions of the salt rock and gypsum-salt rock in Puguang gas field and the creep experiments on these rocks, the authors analyze the impacts of mineralogical compositions, deviatoric stress, temperature, and confining pressure on creep behavior and proposes the constitutive equation of steady-state creep rate by combining with the creep curve and rock parameters obtained by the experiments. The experiment results indicate that the main mineralogical compositions of the salt rock and gypsum-salt rock in Puguang gas field are sodium chloride and calcium sulfate, where the content of sodium chloride can be up to more than 93%; the inherent mineralogical compositions are the internal factors that impact the creep characteristics of rock, along with the content of sodium chloride increasing, the rates of transient creep and steady-state creep increase accordingly; and as the deviatoric stress and temperature increase, the steady-state creep rate increases too. However, the impact of confining pressure is very small. The authors obtain the parameters of Heard's creep constitutive equation by fitting test data, working out the steady-state creep rates of salt rock and gypsum-salt rock under different deviatoric stresses and temperatures, which provides the theoretical basis of the calculation of safe mud density window and the analysis of abnormal casing deformation for the formations of salt rock and gypsum-salt rock in Puguang gas field.     

超临界二氧化碳钻井基础研究进展

超临界CO2钻井技术是以CO2为钻井介质的新型钻井技术,在实现CO2资源化利用和提高非常规油气钻探效益等方面潜力巨大,其关键理论和技术问题主要体现在超临界CO2在井筒中的流动规律、携岩能力、射流破岩及井壁稳定性等井筒多相流和流体与岩石相互作用方面。为此,利用超临界CO2在井筒中的流动模型分析了影响超临界CO2钻井环空压力分布的因素;通过理论计算和室内携岩试验分析了超临界CO2的携岩能力;根据理论分析和室内射流破岩试验分析了超临界CO2射流破岩机理;利用临界CO2与井壁围岩的力-热耦合模型并结合超临界CO2对岩石力学性质的影响,分析了超临界CO2钻井的井壁稳定性。结果表明:循环流量和井口回压是影响超临界CO2钻井环空压力分布的主要因素;井斜角为48°~72°时超临界CO2携岩最小返速比较高,超临界CO2的携岩效果与清水接近,但远优于空气;超临界CO2射流破岩产生的温度应力可有效降低破岩门限压力,提高破岩效率;采用超临界CO2钻进水平层理硬质页岩地层时井壁稳定性好。研究结果为完善超临界CO2钻井理论和尽快形成超临界CO2钻井技术奠定了理论基础。      

重复压裂总应力场计算模型

定量描述垂直裂缝井重复压裂前各种因素产生的诱导应力场分布状况计算模型的研究还不完整,为此系统地研究了引起垂直裂缝井重复压裂前?地应力场变化的主要因素,建立了重复压裂时的总应力场计算模型;综合应用渗流力学、岩石力学和热力学理论,建立了热—流—固三场耦合应力场计算模型。该模型对耦合渗流方程、耦合温度场方程采用有限差分法求解,对岩土变形方程则采用有限元法求解,并采用显示交替求解方式将其结合起来整体求解,可以得到热流固三场耦合作用下油/水井生产/注入引起的应力场变化,实现了对垂直裂缝井重复压裂前由于长期生产/注入活动产生的诱导应力场的定量分析和模拟,为现场实施压裂改造提供了指导。     

深水井筒环空压力计算模型适应性评价

深水井筒在生产阶段受地层高温产出液的影响,温度场重新分布引起环空密闭空间的压力急剧上升,威胁井筒安全。为向深水油气井的井身设计和套管强度校核提供一定的依据,结合现场实例对基于状态方程和胡克定律计算模型和基于状态方程和温度压力耦合作用的迭代计算模型进行对比,对模型机理和影响计算结果的因素进行了分析。深水井筒中的环空流体介质复杂,井底高温及异常压力使得深水井筒中的环空中流体热膨胀系数和压缩系数对套管体积的影响难以利用胡克定律简化计算。结果表明,基于状态方程和温度压力耦合作用的迭代计算模型更适用于深水井筒的环空压力分析。     

焊后热处理消除管道环缝焊接残余应力的有限元模拟

以ABAQUS模拟软件为基础,创建管道环缝二维轴对称有限元模型,利用完全耦合方式计算了304不锈钢管焊接过程中的温度场和残余应力场,并在焊接完成后的残余应力场的基础上进行了焊后热处理工艺过程的有限元模拟。结果表明:二维轴对称模型能够有效地模拟304不锈钢管焊接热力耦合机制,相较于三维模型单元数目更少,节省大量计算时间;热处理后的残余应力场与热处理前相比,厚度方向残余应力降低,环向和纵向残余应力没有降低,但应力集中位置明显减少,应力分布较为平缓;焊后热处理过程中的塑性应变和高温蠕变是残余应力消除的力学机制,其中塑性应变起主要作用。     

流-固全耦合新模型研究

在油藏开采过程中，储层岩石体变形与流体的流动是相互耦合作用的，并且流体渗流时的压力、饱和度也是不断变化的。假设岩石体变形为弹性小变形，建立其变形方程。由达西定律，考虑油、水两相流体耦合渗流时的饱和度变化，经过推导变换，得到了油、水两相流体的耦合渗流方程，从而得到了以岩石质点位移、流体压力和流体饱和度为未知量的流-固耦合数学模型，并给出了求解数学模型所需的定解条件。新模型拓宽了以前以岩石质点和流体压力为未知量的流-固耦合数学模型，实现了岩石变形和流体渗流的真正意义上的耦合，丰富了流-固耦合理论，为考虑流-固耦合影响下的油藏数值模拟奠定了理论基础。     

加拿大M区块浅层油砂SAGD开采盖层稳定性研究

高温条件下上覆盖层的稳定性及对注入蒸汽的有效封堵作用对于浅层油砂蒸汽辅助重力泄油（SAGD）的成功开发至关重要。为了在加拿大M区块应用SAGD技术时为开发方案设计与安全生产提供技术支撑,通过X射线衍射分析、CT扫描、稳态平板法与三轴应力测试,获取了该区块油砂盖层岩心的矿物组成、微观结构、热力学参数及岩石力学参数;利用小型水力压裂试验确定了油砂储层及盖层岩石的最小地应力与地层破裂压力梯度;采用油藏流体模拟与应力模拟耦合的方法,分析了SAGD开发过程中盖层的应力分布状态。试验与模拟结果表明:M区块油砂盖层岩心中黏土矿物含量较高,遇水可能发生膨胀,造成强度降低;盖层岩石没有裂隙或微裂缝,但存在弱面区,岩石物性表现出非均质性;盖层的最小主应力为3.65 MPa,沿垂直方向,有利于对注入蒸汽进行有效封堵;整个开采生命期盖层的Mises应力最大值始终低于最小主应力,在设计的SAGD注汽温度与压力条件下,M区块油砂储层上覆盖层不会发生塑性形变或破坏,在整个生产期间能够保持密封的稳定性。研究形成的油砂SAGD开采盖层稳定性评价方法,为该类油藏热采注汽压力优化设计与矿场施工提供了理论依据。      

Coupled THMC modeling of CO2 injection by finite element methods

Geological CO₂ sequestration has been proposed to mitigate greenhouse gas emissions. Massive CO₂ injection into subsurface formation involves interactions among pressure and temperature change, chemical reactions, solute transport, and the mechanical response of the rock; this is a coupled thermal–hydraulic–mechanical–chemical (THMC) process. Numerical modeling of CO₂ injection around the wellbore area can provide information such as changes in rock properties as well as stress and pressure changes, and this helps better predict injectivity evolution and leakage risk. In this paper, a fully coupled THMC model based on finite element methods is presented to analyze the transient stress, pressure, temperature and chemical solute concentration changes simultaneously around an injection well. To overcome these numerical oscillations in solving the transient advection–diffusion equations involved in the heat transfer and solute transport processes, we employ a stabilized finite element approach, the subgrid scale/gradient subgrid scale method (SGS/GSGS). A hypothetical numerical experiment on CO₂ saturated water injection into a carbonate aquifer is conducted and preliminary results show that the fully coupled model can successfully analyze stress and pressure changes in the rock around a wellbore subjected to thermal and chemical effects.