渗流场及其相关场耦合的数学模型

盆地数值模拟是含油气盆地定量化研究的重要手段，在盆地演化过程中各种场相互作用和影响，因此，在盆地模拟时要综合考虑多种场变量的耦合作用，建立了多场相互作用的耦合非线性数学模型，并通过有限元数值方法对莺歌海盆地进行了数值模拟，莺歌海盆地是一个高温高超压盆地，其温，压、流场具有强烈的非线性耦合关系，计算表明所建模型适合莺歌海盆地。     

本源微生物驱油渗流场—微生物场耦合数学模型

通过对本源微生物驱油机理的研究,从好氧、厌氧两步激活理论出发,建立了一个全新的本源微生物驱油渗流场—微生物场耦合的数学模型,并给出了数值模型的求解思路。在该模型中,微生物作用下的渗流方程是时间和空间的函数,阐述了微生物本身及3类主要代谢产物(表面活性剂、聚合物及气体)对物性参数的作用与影响,同时渗流方程也体现了微生物采油的主要作用机理。微生物方程以网格内的物质均匀分布为基本假设,阐述了由于流体流动造成的物质分布的变化规律和微生物群落间的级联代谢过程。该模型为本源微生物驱油数值模拟软件的研发提供了理论依据。     

开发过程中三场耦合的数学模型

以岩石力学、渗流力学和传热学的理论为基础,研究油藏非等温情况下流体渗流与岩体变形之间相互的力学作用,建立三场（渗流场、温度场和应力场）及其耦合作用时的数学方程。为研究稠油油藏油气的运移规律,准确进行油藏数值模拟提供理论基础。研究表明：在石油开采过程中,流体渗流与岩体变形存在耦合作用;在稠油热采过程中,还要考虑温度场的影响。流体渗流场、地应力场和地温场相互耦合的数学模型为非线性动力学模型。该模型除可用于油藏数值模拟外,还可用于深部地下工程和地热能源的开发。     

气井的流固耦合渗流场分析

针对气井生产过程中存在的流固耦合作用,在充分考虑真实天然气的偏差因子、密度以及黏度随压力变化的基础上,建立数学模型,利用COMSOL Multiphysics软件对应力场、渗流场进行耦合计算,得到流固耦合作用下的渗流场分布。从中提取井底上方20 m处切线上的地层压力、孔隙度、渗透率、渗流速度、气体密度、气体黏度等数据,进一步分析耦合渗流场的分布特点。研究得出:气井耦合渗流场中压力分布与常规数值分析得到的"压力漏斗"趋势相似,但压力数值偏小;由于应力场的作用,耦合渗流场中地层的孔隙度和渗透率是变化的,尤其在井底附近的减小程度显著,进而导致耦合渗流速度小于常规渗流场,最终影响气藏的开发动态;受压力变化的影响,天然气的黏度、密度分布也近似为"漏斗"趋势。结果表明,考虑流固耦合作用下的渗流场才是地下渗流的真实反映。     

流固耦合多相多组分渗流数学模型的建立

根据流固耦合渗流的基本思想，首次建立了流固耦合渗流的运动方程，并在此基础上建立了流固耦合多相多组分渗流的数学模型，为流固耦合渗流油藏数值模拟奠定了理论基础。     

流固耦合多相多组分渗流数学模型的建立

根据流固耦合渗流的基本思想,首次建立了流固耦合渗流的运动方程,并在此基础上建立了流固耦合多相多组分渗流的数学模型,为流固耦合渗流油藏数值模拟奠定了理论基础。     

油,水二相流固耦合渗流的数学模型

为了正确模拟油藏中流体流动的动态过程，必须考虑由于注水和开采而引起的多相流体的流动、应力状态的变化和储集层变形之间复杂的相互作用。但由于这种问题的控制方程是三维非线性耦合方程，因此，很难模拟这种耦合作用。利用广义的Ｂｉｏｔ理论建立了一个完全耦合的数学模型，它描述可变形油藏中岩石变形和油水流动的这种相互作用。模型中假设岩石骨架具有弹塑性特性，流体是可压缩的。以岩石骨架位移和油水压力为未知变量所建立的控制方程，包括岩石骨架的平衡方程和流体（油、水）的连续性方程。所建立的流固耦合模型在石油工程，特别是在油藏数值模拟中有广泛的应用。参８（陈志宏摘     

低渗透油藏渗流场与应力场耦合规律研究

基于岩石力学、渗流力学、地质力学、计算力学以及流-固耦合渗流的基本理论,考虑低渗透油藏渗流时的启动压力梯度和低渗透储层的流-固耦合特征,建立了低渗透油藏渗流场和应力场耦合的数学模型和数值模型。采用有限差分与有限元相结合的耦合数值计算方法进行了程序设计,研究了低渗透油藏渗流场和应力场的耦合规律。通过数值模拟方法对单井枯竭式开采过程中应力-应变随时间和空间的变化规律、岩石物性参数动态变化规律及开发指标变化规律进行了研究,并和刚性模型的计算结果进行了分析比较。可以看出,低渗透油藏的流-固耦合效应非常明显。     

基于FEPG的多场耦合渗流数值模拟方法

针对泥页岩孔隙内多场耦合作用下的渗流问题进行了系统研究。在Biot理论的基础上,建立了泥页岩孔隙内流体流-固-化耦合作用下的渗流计算模型;介绍了多场耦合作用下泥页岩孔隙内流体渗流的实验室模拟方法,给出了实验结果;在建立渗流计算模型的基础上,探索了利用FEPG方法对泥页岩孔隙内多场耦合作用下的渗流规律进行有限元数值模拟的方法;通过实验模拟和数值模拟两种手段对模型进行了验证。通过数值模拟结果与实验结果的对比可知,数值模拟的准确性非常好,从而验证了模型的正确性。模型深化了对泥页岩孔隙内多场耦合作用下渗流规律的认识,模型简单实用,参数易获取,且具有一定的工程实用价值。     

分支井流固耦合原理渗流场分析

以流固耦合原理为基础,考虑渗流过程中的渗透率变化,在Comsol Multiphysics软件中将渗流场与应力场进行耦合计算,得到了耦合渗流场的压力、渗透率在垂直于主井眼方向的分布曲线,用以分析渗流规律。研究结果表明,渗透率在井底附近区域变化明显,耦合渗流场的整体压力分布大于单纯渗流场,计算产量小于单纯渗流场产量。由此可知,流固耦合原理作用下的渗流场才是地下渗流的真实反映。通过对各种地层参数采取体积加权平均处理,对比了3种不同类型分支井对地层参数的影响,为油藏开发提供分支井技术依据。     

气井压力温度预测综合数值模拟

基于质量、动量、能量守恒原理,导出了描述气井流动气柱的压力、温度、流速及密度分布的常微分方程组,采用四阶龙格-库塔法数值求解.该数值模型综合考虑了井斜角、井身结构、油管柱结构、气井井筒的径向传热、不同环空传热介质及地层的热物理性质沿井深的变化,符合气井的实际情况.应用6460m的新疆柯深1井(高温高压气井)基本数据进行实例计算,并对模型进行了敏感性分析.计算绘出了不同产量下气体压力、温度、流速及密度沿井深的分布曲线,直观地反映了气井的流动规律和地层的传热特征.可为高温高压气井试井工艺设计和生产动态分析(如水化物预测、油管柱设计等)提供技术依据.     

幂律流体在偏心环空中流动的数值模拟

提出了一种在数学上适定的、用于描述偏心环空流场的微分方程,并对工程上常见的两类计算问题给出了求解方法:一是已知压力梯度求流速分布;另一是已知流量求压力梯度。实例计算表明,本算法具有精度高、运算速度快等优点,尤其是对第二类工程问题的计算比现有算法优越。同时,对照文中的数学模型可以发现现有文献中流传甚广、影响很大的算法的错误之处.     

注水井地层带温度场数值模拟及优化

根据地层与水井中热传导机理建立了注水井地层带温度场的数学模型,给出了该抛物型偏微分方程的初始条件和边界条件,并讨论了其数值算法;构造了关于导热系数、比热等参变量的优化识别模型(这是一个含有动态约束的泛函极值问题)、算法和相应的软件;对某油田的多口注水井进行了实际计算,得到的数值结果表明了所给出的模型、算法及软件的正确性.     

圆筒炉内燃烧器出口湍流流动和燃油燃烧的三维数值模拟

针对一现场运行圆筒炉内油、气联合燃烧器燃油燃烧过程进行了详细的数值模拟。其中，对燃烧器的复杂几何形状没有进行任何简化，实现了计算区域的结构化网格划分。在前人的研究基础上发展了计算燃油液雾燃烧过程完整的数学模型，对气相的湍流流动采用κ-ε模型，对液雾颗粒相的湍流流动采用随机轨道模型，对湍流燃烧采用EBU-Arrhenius模型，对辐射传热采用离散坐标模型。模拟计算成功地得到了燃烧器出口流场、温度场、组分分布以及火焰形状等详细信息，揭示了计算区域内流动、燃烧和传热过程特点。计算结果与现场测量数据吻合。     

油水两相流管路流动的模拟研究

油水两相流是输油管路内常见的一种流态,利用FLUENT软件对油水两相流在突扩和突缩管内的流动进行模拟发现,管路内压力、速度有明显变化,含油量不同其变化程度也不一样。突扩管内含油量增大会延迟流速到达最大的时间,增大流速核心区减小的速度,突缩管内高含油量时双肩处压力无突然增大现象,压力减小区有一定的提前。通过模拟分析突变管内油水两相流动规律,为实际油品输送提供一定的参考依据。     

PV型旋风分离器内三维流场的数值模拟

采用雷诺应力模型(Reynolds stress model，简称RSM)，在三维贴体坐标系下采用SIMPLE算法求解控制方程，应用Fluent程序数值模拟PV型旋风分离器内三维流场。计算结果与实测值相吻合，轴向速率在中心处有滞流、回流，环形空间顶部有二次流，排气管末端有短路流。随着排气管直径的减小，切向速率增大。     

催化裂化装置四旋分离系统内气相流场的数值研究

采用雷诺应力模型(RSM)对两种催化裂化装置四旋分离系统内气相流动的三维流场进行数值模拟,分析了两种第四级旋风分离系统（简称四旋）内气相流场的特点。结果表明：在传统式结构中,储料罐内部分区域气流向上运动,不利于颗粒沉降,料腿内产生气流反窜现象,四旋内存在偏流,影响颗粒输送,结构设计不合理是导致颗粒堵塞的主要原因;改进式结构中,储料罐内气相速度很小,有利于颗粒沉降,料腿中周期性的二次涡影响颗粒的气力输送,可能对壁面产生磨损,四旋分离空间内流场稳定,有利于颗粒分离,改进式结构可以有效避免颗粒堵塞现象的发生。两种结构内部气相流场的对比为合理设计四旋分离系统结构提供了参考依据。     

压裂水平井一体化耦合数值模拟方法

随着特低渗透油藏的开发,压裂水平井得到了广泛的应用,并取得了良好的经济效益。但到目前为止,对于人工压裂裂缝、压裂过程中产生的诱导微裂缝尚缺乏有效的手段对其进行模拟,因此也难以准确预测压裂水平井的生产动态。分别从油藏基质、人工压裂裂缝、诱导微裂缝与水平井筒等四个维度的流动模型出发,以各个维度的接触面为链接节点,提出了油藏基质、人工压裂裂缝、诱导微裂缝与水平井筒的相互匹配方法,构建雅克比矩阵,并利用全隐式方法进行求解,实现了对压裂水平井的一体化耦合模拟。实例计算表明:压裂水平井的一体化耦合数值模拟模型能够充分体现油藏基质、人工压裂裂缝、诱导微裂缝与水平井筒多尺度的流动特点,可以更加有效地应用于压裂水平井的动态模拟。     

论水力旋流器流场数值模拟中湍流模型的选择

在水力旋流器数值模拟研究的过程中，湍流模型的选择非常重要。对同一水力旋流器在相同参数条件下分别选择不同湍流模型进行了模拟，并将模拟结果与实验结果进行了对比。由于RSM模型（The Reynolds Stress Model）尽可能多地考虑了影响雷诺应力的因素，特别适合于模拟高速旋转流体，只要处理合理，模拟结果与实验测试结果的误差一般不超过10％；而κ-ε模型的模拟结果与实验测试结果相差太大，不适用于水力旋流器流场模拟。因此，在设计研究各种类型的水力旋流器时，首先推荐采用RSM模型模拟水力旋流器流场，根据工程目标，对水力旋流器结构进行优化设计，减少物理模型的实验，缩短研发周期，降低研发成本。     

多阶梯水平气井渗流与井筒管流耦合模型

考虑阶梯水平井穿越3个独立气层的情况,根据质量守恒原理和动量定理,结合实际气体的状态方程,利用采气指数的概念,建立了裸眼完井方式下多阶梯水平气井渗流与井筒变质量管流耦合的数学模型并编制了相应的计算程序进行求解.利用该模型,可以求解阶梯水平气井井筒沿程压力分布及产量分布,为阶梯水平气井的生产系统分析提供了理论依据.模拟计算表明,阶梯水平井在钻遇多个气层时,先钻遇物性最好的储层所得到的径向产量高于先钻遇物性最差的储层.