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油藏热流固耦合模型研究及应用初探

王自明  
【摘要】: 多孔介质中流体流动问题存在于包括石油工程在内的许多工程问题中。对这个问题的研究经历了由非耦合研究到耦合研究的历程,非耦合研究即单纯的渗流力学研究没有考虑流体渗流与岩石变形之间的双向相互作用,流固耦合研究考虑了流体渗流与岩石变形间的双向相互作用,所建立的流固耦合模型较之非耦合模型更深入准确地揭示了流体渗流、岩石变形的规律。但是,流固耦合理论中,一般假设温度场是恒定的,或者是没有考虑温度场变化与岩石变形、流体流动间的耦合作用,然而,自然界中实际存在的流固耦合系统的温度场通常是变化的,特别是大量存在着一些温度变化比较剧烈的流固耦合系统,如工程中的地热利用系统、石油工业中的热力采油系统等。对于这类问题,若仍用流固耦合模型来模拟其中的渗流、变形、变温规律显然就不准确了,这是因为在这类问题中,热效应与流体孔隙压力导致岩石变形;岩石变形与流体渗流导致温度场变化;岩石变形与热效应导致储渗特性和孔隙流体压力的改变从而影响流体渗流,以上三种效应是同时发生的,所以应该考虑能体现上述流、固、热三场间耦合关系的热流固耦合理论。为了准确地模拟油藏中渗流、岩石变形、温度场变化的基本规律,并给大量相关问题(如套管的损坏、井壁稳定、产层出砂、水力压裂等)提供准确的流场;岩石力场和温度场的基础参数,应该将渗流力学、岩石力学、热力学结合起来,建立油藏热流固耦合模型。国内油藏热流固耦合理论和应用的研究工作才刚刚起步,尚处于探索阶段。 本文深入系统地分析研究了流、固、热三场间的耦合关系和三场耦合的力学机理和结合点,提出了热流固耦合问题的基本特征和油藏热流固耦合问题的基本耦合关系,建立了一套油藏热流固耦合问题的研究方法,在此基础上,利用流固耦合力学理论、耦合热弹性力学理论及热力学理论,吸取前人研究正反两方面经验,建立了非完全耦合与完全耦合两类热流固耦合数学模型。第一类模型为非完全耦合模型,包括流体耦合渗流方程、 热应变方程和岩石耦合变形方程;第二类模型为完全耦合模型,包括耦合 温度场方程、流体耦合渗流方程和岩石耦合变形方程。两类模型互有优劣 势,均能独立地描述多孔介质中流体渗流、岩石变形、温度场变化三者之 间复杂的耦合过程,从而更准确地模拟变温变形油藏中的流体渗流、岩石 变形、温度场变化规律。 针对第一类模型,建立了有限元法与有限差分法相结合的数值求解方 法。首次运用本文所建的油藏热流固耦合数学模型及其数值求解方法,利 用 ABAQUS有限元软件对热采油藏进行了模拟计算,进行了几项对地层损 害和石油生产有着重要影响的参数、指标的分析,即:水平位移分析、垂 直位移分析、孔隙指数分析、油井生产动态分析。对上述每一项参数、指 标,都同时在热流固耦合与流固耦合两种状态下进行计算,特别注重对比 分析油藏在上述两种状态下进行计算时各参数、指标的异同,在此基础上 得出了相应的结论,从应用的角度证明了油藏热流固耦合理论和模型的重 要意义和价值。


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