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《中国科学技术大学》 2012年
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复杂地层油藏蒸汽注采数值模拟自适应网格法的研究

施安峰  
【摘要】:蒸汽注采是稠油油藏开发的主要手段。对于复杂地层油藏蒸汽注采过程的数值模拟,其中一个困难在于计算流场中存在一个温度、饱和度剧烈变化的相变锋面。在锋面附近位置,物理量变化非常剧烈,计算网格的尺寸必须很小以满足计算精度的要求,如果对计算区域采用均匀网格计算,则计算量将难以忍受;另外,由于地层的复杂性,往往采用非结构化网格处理,这势必会增加数值离散上的复杂度,而若采用结构化网格,其尺度又会影响复杂区域的计算精度。因此,有必要建立高效而又精确的数值模拟手段,自适应网格法就是本文的主要研究内容。 本文工作的目标是将自适应网格法应用于复杂地层稠油油藏蒸汽注采过程的数值模拟,并研究引入自适应网格法后遇到的相关数学物理问题。 对均质油藏的自适应网格展开研究。利用结构化程序设计方案编写蒸汽注采自适应网格法程序,结构化的程序能够很方便地将后续研究工作引入,从而大幅度缩减数值程序的编写时间。二维与三维的均质油藏蒸汽辅助重力泄油(SAGD)算例显示,自适应网格法能大幅度提高模拟的计算速度,并且保持很高的计算精度。自适应网格结构也显示计算区域中的精细网格数量大幅度减少。 在将自适应网格技术应用到非均质油藏的模拟中时,对于自适应网格系统中的各层次粗网格,采用重正化方法计算等效渗透率。为削减网格取向效应的影响,对二维蒸汽驱的模拟采用九点离散格式,并建立自适应网格系统下非均质油藏的控制方程的离散方法。二维非均质油藏SAGD算例和蒸汽驱算例显示,在此类油藏的模拟中,自适应网格法也能保持很高的计算精度,并且能大幅度提高计算速度。 对于复杂断层油藏的模拟,本文提出将断层处理成渗透率极低的介质,从而将断层油藏类比于非均质油藏,对整个断层油藏划分均匀的结构化网格。对于网格系统中被断层穿过的网格,文中对其等效渗透率的处理提出按流体流通通道进行计算的方法,而不是直接将网格的等效渗透率置为极低值。对于同时被断层穿过的相邻网格,本文提出,在计算它们之间的流量时,必须考虑断层连续性的影响。对断层油藏划分结构化网格后,将自适应网格技术应用其中。自适应网格系统中网格粗化仅依据所选物理量的空间变化,不专门针对断层附近区域划分精细网格。断层区域将依据其附近物理量的变化适时地采用较粗网格计算,从而进一步提高自适应网格法程序的计算速度。对于断层区域附近各层次粗网格,采用重正化方法计算其等效渗透率。二维SAGD算例及蒸汽驱算例表明,将断层处理成渗透介质没有破坏断层本身的物理性质,而自适应网格法的引入大幅度提升了断层油藏模拟的计算速度,同时与全精细网格法相比,自适应网格法也保持了很高的计算精度。 在对复杂边界油藏进行数值研究时,结构化网格往往难以划分。本文提出以一块较大的矩形区域覆盖整个计算区域,针对该矩形区域划分结构化网格的办法。网格结构中,位于边界外的网格并不参与计算,整个计算复杂度没有增加。为充分考虑边界的影响,本文采用界面渗透率代替网格渗透率进行数值计算的方案,对被边界穿过的界面提出渗透率的预处理方法。单相流的验证算例显示,该方案与预处理方法对于复杂边界的模拟能够取得很高的计算精度,即使在网格尺度较大的情况下,计算所得的解依然很接近收敛解。将自适应网格技术应用到复杂边界油藏的模拟中时,网格系统的粗化判据仅为所选物理量的空间变化,并不考虑网格是否位于边界。在计算过程中,计算边界附近会适时的采用粗网格,从而大幅度提高了计算速度。对于边界处的各层次粗网格,采用和精细网格同样的预处理方法计算其界面等效渗透率。二维水平井蒸汽驱算例以及SAGD算例显示,自适应网格法能保持很高计算速度,边界处适时地采用粗网格计算并不影响自适应网格法的计算精度。将文中方案与预处理方法推广到三维问题的计算,三维复杂地层地下水源热泵问题的模拟也显示出AMR计算效率与计算精度上的优势。 综上,本文的工作是对复杂地层稠油油藏蒸汽注采数值模拟自适应网格算法及实施自适应网格算法时遇到的数学物理问题展开研究。文中的数值算例显示自适应网格算法在计算效率上有着巨大的优势,同时在计算精度上与全精细网格法非常吻合。希望自适应网格法能够对生产现场的复杂地层油藏蒸汽注采数值模拟带来帮助。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TE357.44

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