油气藏热—流—固耦合理论的研究进展

油气藏开发中地层压力和地层温度的改变导致储层岩石力学性质变化,造成岩石变形,进而影响到流体渗流,温度变化、岩石变形和流体渗流同时发生且三者间存在着耦合关系,因此研究热—流—固耦合作用对于油气藏开发至关重要.从油气藏热—流—固耦合的数学模型、数值模拟及工程应用等方面进行阐述,系统总结了热—流—固耦合理论及其在油气藏领域的...     

碳酸盐岩分形油气藏渗流数学模型分析

运用分形理论来描述具有分形特性的碳酸岩油气藏，以Warren—Root模型为基础，考虑压力对具有分形特征的渗透率和孔隙度的影响，建立变形双重介质分形油气藏渗流数学模型。利用压力曲线、参数对压力的影响率，分析部分参数对压力的影响。渗流数学模型在变形双重介质分形油藏中具有独特的应用意义。     

流固耦合渗流数学模型及物性参数模型研究

在变形多孔介质油藏中,油气开采导致地层压力下降,从而引起多孔介质储层变形和储层物性参数变化,直接影响储层流体的渗流.应用渗流力学及岩土力学原理,在前人工作的基础上,引入储层岩石骨架变形和流体渗流的启动压力,建立了多相流体渗流的流固耦合渗流数学模型,理论上推导出了储层岩石变形数学模型、储层物性参数数学模型,实现了真正意义上的流固全耦合,为流固耦合数值模拟奠定了基础.     

裂缝-孔隙型碳酸盐岩气藏流固耦合新模型对比

针对以前流固耦合模型中存在的不足，考虑以往在双重介质流固耦合研究中采用Terzaghi有效应力所带来的不适应性，通过引入双重有效应力理论来研究裂缝性气藏中的流固耦合问题，得到了考虑介质变形的双重孔隙介质流固耦合新模型。该模型考虑了渗流参数随有效应力变化的非线性双重孔隙介质流固耦合渗流。在此基础上,推导了双重孔隙介质非线性流固耦合渗流有限元计算公式，编制了计算程序，并就新模型与原有耦合模型和非耦合模型计算结果进行了对比，结果证明流固耦合研究中适宜采用双重有效应力。     

考虑地层水蒸发的异常高温油气藏相态和渗流研究现状

国内外发现的深层高温高压凝析气藏和油藏越来越多,而现有的商品化软件和理论模拟均忽略了高温条件下地层水蒸发和“盐析”对油气藏流体相态、渗流和开发动态的影响。从高温油气藏地层水蒸发的实验研究、地层水蒸发对油气藏流体相态特征、物质平衡方程、油气藏储量、地层流体渗流以及开发动态等方面的影响进行了分析,指出异常高温油气藏存在地层水蒸发和地层水“盐析”问题,在生产过程中会对渗流造成影响,高温高矿化度地层水的油气藏必须考虑其影响。综合分析认为,针对异常高温高矿化度地层水的油气藏,建立考虑地层水蒸发和“盐析”效应的油气藏气液固耦合综合模型对于深层油气藏的渗流理论和开发很有必要,具有重要科学意义。     

欠平衡钻井油气藏与井筒耦合模型

利用流体力学的质量守恒方程、动量守恒方程和地层的渗流力学方程,建立了欠平衡钻井油气藏与井筒耦合流动模型,并利用有限差分方法对模型进行了求解.所建立的欠平衡钻井油气藏与井筒耦合模型能模拟主要油气藏类型欠平衡钻井过程中油气藏流体与井筒内流体的耦合流动,模拟地层油、气的流入对井底压力的影响.欠平衡钻井过程中,不同类型油气藏和井筒流体耦合流动时地层油/气进入动态不同,地层油/气的进入对井底压力的影响规律也有很大区别.计算结果表明地层油/气的流入可以使井底压力下降0.03～2.50 Mpa,因此在欠平衡钻井设计中,应充分考虑产层段油/气流入对井底压力的影响.     

高含硫裂缝性气藏流体渗流规律研究进展

针对高含硫裂缝性气藏存在硫沉积、相态变化、吸附、扩散、非达西流动效应等复杂渗流特征以及H2S具有高腐蚀性、剧毒性的特点，从吸附和扩散理论、非达西渗流、耦合流动规律、相态理论研究、硫物化沉积规律、酸性气藏模拟发展等研究方面对国内外研究现状进行了分析和评价。提出了高含硫裂缝性气藏渗流规律研究发展方向和研究热点：采用物模和数模相结合的方法，实验研究确定高含硫裂缝气藏气-液-固运移机制、硫沉积地层伤害机理、以及测试H₂S及天然气混合物吸附特征和流体相态变化规律；理论研究建立双重介质流体相变与气-液-固耦合综合模型，研究分析硫物化沉积、非达西流动效应、气体吸附和扩散等因素对流体流动的影响。     

低渗透变形介质油气藏渗流流-固耦合研究

低渗透变形介质油气藏流体渗流和岩石物性对应力场的变化比较敏感,采用耦合应力场和流体渗流场能较好地反应实际情况。对流体渗流和岩石应变耦合数学模拟理论和岩石力学实验方法进行了综合分析,以某个多相流油藏、气藏、存在水力压裂裂缝等情况为例进行研究。研究表明,可用本文方法预测岩石渗储物性动态交化、应力应变、及其对生产的影响。这里介绍的方法在石油工程方面具有广阔的应用前景。     

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。     

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煤层气的开采，使孔隙流体的压力发生变化，引起煤岩骨架有效应力改变及重新分布，并导致煤岩骨架的变形。煤岩骨架的变形将导致煤岩孔隙体积的改变，从而引起煤岩物性、煤岩密度、孔隙压缩系数的变化，进而影响孔隙流体的渗流与开采。因此，气、水渗流与煤岩变形相互影响，相互制约。文章从煤层气藏的储存特性入手，建立了煤层气渗流流固耦合的数学模型，并利用有限差分法对数学模型进行数值求解，以求更加真实地反映出煤层气渗流过程中流体与煤岩之间的动态耦合关系。     

考虑多重应力敏感效应的页岩气藏压裂水平井试井模型

页岩气藏存在多尺度孔隙结构,流体运移方式多样,包括吸附、扩散和非达西渗流。目前页岩气多重运移流动模型仅考虑天然裂缝的渗透率和孔隙度为应力敏感系数,但实验表明扩散系数也具有应力敏感性。建立考虑多重应力敏感效应的压裂水平井试井分析模型,能准确分析和预测页岩储集层和流体参数,对页岩气藏生产动态分析和开发方案编制十分必要。基于页岩储集层多尺度孔隙结构,假设页岩气藏具有基质和裂缝系统的双重介质,考虑流体多重流动机理,建立以扩散系数、天然裂缝渗透率和孔隙度为应力敏感系数的压裂水平井试井分析模型,分析了压裂规模和页岩储集层特征参数对试井曲线的影响。结果表明,压裂规模参数主要影响气藏开采早期,页岩储集层特征参数主要影响气藏开采晚期。针对中国典型页岩气区进行分析,提出的试井分析方法能较好地拟合生产数据,可为页岩气藏高效开发提供一定借鉴。     

致密储层CO2压裂裂缝扩展规律数值模拟

CO₂压裂具有节约水资源、降低储层伤害等优点,并已在矿场实践中取得良好效果。为认清CO₂压裂裂缝扩展规律,基于流体流动、热传导和固体力学方程,建立CO₂压裂裂缝扩展热流固耦合模型。采用有限元法求解该模型,并与解析解对比验证模型可靠性。根据数值模型对CO₂压裂裂缝扩展进行参数敏感性分析,结果表明:CO₂在渗透率高于0.01 mD的地层中滤失量较大,地层破裂前增压速率较低,缝长和缝宽较小;CO₂黏度显著影响压力扩散和裂缝几何尺寸;注入排量对起裂压力影响较小,但会改变地层破裂前增压速率和延伸压力;热应力造缝是CO₂压裂造缝机理之一,地层与注入液的温度差越大,热应力越大,地层起裂压力越小,裂缝延伸越容易。研究结果可为CO₂干法压裂设计提供参考。     

泡沫分流特性研究

为了研究泡沫在地层中的渗流特性,对气液在地层中不同注入顺序、气液注入过程中的产出规律进行了研究,分析了泡沫产生分流效应的并联管前缘流动理论,从而得到了泡沫在多孔介质中的分流特性;同时还研究了泡沫的封堵特性,通过泡沫注入实验数据分析,指出泡沫封堵存在叠加效应的认识有待商榷。研究表明:在非均质地层中,先注入气体或先注入发泡剂溶液,泡沫都可以产生分流效应;多段塞气液交替注入后,非均质地层流出的流体流速相同;分流率相同的实质是流度相同;泡沫有效封堵时,在高低渗地层的段塞式运移速度取决于孔隙,高低渗地层速度之比是孔隙度的反比。该研究对产生泡沫的现场注入气液顺序提供了指导,认识了泡沫在多孔介质中的流动本质,可指导现场泡沫调剖驱油的生产作业。下一步还需要深入研究泡沫深部调剖的方法和泡沫叠加效应。     

变形双重介质油藏井筒耦合模型及数值模拟研究

针对双重介质地质特征和油气实际流动过程,同时考虑了双重介质的应力敏感特性以及油藏-井筒耦合流动的影响,将变形双重介质油藏渗流与井筒管流作为整体进行研究,建立了变形双重介质径向油藏与井筒耦合单相流动模型;针对模型方程的强非线性,采用无条件稳定的全隐式方法对模型进行离散,应用Newton迭代方法求解,得到模型数值解;并探讨了依赖产量和形状因子的裂缝压力动态变化规律,给出了压力图版。     

碳酸盐岩酸化反应机理分析

为进一步阐明酸液化学添加剂与碳酸盐岩储层开采的关系，文章通过讨论酸岩反应动力学模式，归纳出酸岩扩散与表面反应控制速率方程，并结合实际酸/岩（液/固）反应动力学分析导出无量纲动力学参数的表达式。鉴于酸液是一种电解质浓溶液，文章还从流体动力学和电解质溶液理论的角度，对影响H⁺扩散传质的各种影响因素作了理论分析，并通过研究边界层的形成和工作液流动状态下的酸/岩反应，提出盐酸与碳酸盐岩的反应主要受H⁺液相扩散传质和液/固表面反应动力学影响的观点，而H⁺液相扩散传质速率又取决于工作液在边界层的流动状态。     

压裂液返排率的理论计算

压裂液返排率是评价压裂效果的一个重要参数,而返排率的求取往往是压裂施工结束后现场液体收集得到,缺乏相关理论模型进行预测。为了丰富压裂设计及评价理论体系,从压裂液返排机理出发,考虑裂缝闭合前后压裂液返排不同的返排过程,根据物质平衡原理、岩石力学和渗流力学,建立了返排率计算的数学模型,分析了地层渗透率、孔隙度、裂缝导流能力、破胶压裂液黏度对返排率的影响,计算结果表明,地层孔隙度对压裂液返排率影响较小,破胶压裂液黏度、裂缝导流能力、地层渗透率对返排率影响较大,提高破胶压裂液黏度和裂缝导流能力对于返排率的提高有重要的意义。     

疏松砂岩应力损害分析评价

疏松砂岩为应力敏感介质,完井、开采过程中储集层易产生膨胀/压实变形,造成应力损害,影响油井产能。以疏松砂岩介质的力学性能及其在孔隙流体作用下的动态应力演化过程为基础,综合考虑流体渗流、储层变形和破坏等因素,建立了流固耦合形式的疏松砂岩应力损害定量评价模型,并采用有限元数值模拟方法求解。采用该模型对胜利油田某裸眼油井疏松砂岩油藏进行了应力损害定量评价,结果表明:近井壁储集层沿最大主应力方向剪切膨胀,孔隙度、渗透率相应提高,而沿最小主应力方向区域塑性压实,孔隙度、渗透率均下降;开采过程中油藏压力衰竭导致储集层骨架有效应力增加,储层孔隙度和渗透率下降,随生产压差增大,储层渗透性能将进一步降低,生产过程中应采取必要措施以消除应力损害。     

应用压缩系数确定地震波速的新方法

地震波属于应力波和弹性波,其波速与介质密度和介质压缩系数密切相关。计算单相介质的地震波速有理论公式,而计算双相介质的地震波速却没有理论公式,现有的经验公式和物理模型都存在一定的缺陷,而且夸大了孔隙度对地震波速的影响。根据研究,地层双相介质可以视为拟单相介质,因此采用单相介质的地震波速计算公式对其波速进行计算,只是计算时需采用基质和孔隙流体的平均参数。根据计算分析,在地层孔隙度范围内,孔隙度对地震波速的影响并不大。本次研究为确定地震波速提供了一个新的思路,展现了良好的实用性和应用前景。