变形介质气藏流固耦合渗流理论及应用研究

【摘要】：对于变形介质气藏,随着气藏的开采,孔隙流体压力的变化,将会引起岩石骨架的变形,而岩石骨架的变形反过来又导致气藏孔隙体积改变,造成气藏物性参数如孔隙度、渗透率和孔隙压缩系数等的变化,从而影响孔隙流体的渗流与气藏的开发。因此,变形介质气藏的渗流问题实际上是一个流体渗流与岩石变形动态耦合作用极强的过程。 本文在深入研究变形介质气藏岩石骨架变形、流体渗流规律的基础上,综合运用气藏工程、渗流力学、岩石力学、弹塑性力学、计算数学和计算机技术等学科和方法,首次建立了一个新型的、完整的变形介质气藏流固耦合的数学模型和数值模型。模型中考虑了变形介质气藏生产过程中岩石变形以及岩石本构模型的选择对气藏渗流的影响。基于所建立的数学模型,编制了变形介质气藏流固耦合数值模拟软件,并对示例气藏进行了模拟计算。 本文的研究有很大的难度和深度,通过研究,得到的主要成果如下: (1) 在气藏岩土应力和应变分析基础上,结合有效应力原理和岩石骨架本构关系,建立了变形介质气藏流固耦合岩石变形的数学模型。 (2) 根据流固耦合渗流理论的基本思想,将渗流力学、岩土力学和地质力学相结合,考虑变形介质气藏渗流的基本特点,建立了变形介质气藏流固耦合流体渗流数学模型。岩石骨架平衡方程和流体渗流的连续性方程组成了气水两相渗流的流固耦合模型,它们之间互含耦合项,互不独立,是一组完全耦合的偏微分方程,只能采用数值方法进行耦合求解。 (3) 总结物性参数动态模型已有的研究成果,给出了变形介质气藏流固耦合数值模拟求解所需的孔隙度、渗透率及孔隙压缩系数等物性参数动态变化的计算模型。 (4) 分别采用有限差分法和有限元法对流固耦合流体渗流数学模型与岩石变形数学模型进行了求解。并将二者结合,根据迭代耦合数值求解的基本思想,采用Visual Fortran语言研制了变形介质气藏流体渗流与岩石变形的耦合计算软件。 (5) 利用所研制的软件,对变形介质气藏流固耦合渗流理论进行了应用示例模拟研究。 本文所建立的流固耦合理论研究方法、数学模型以及所研制的数值模拟软件,可用于分析变形介质气藏岩石变形对各开发指标的影响以及模型的选择对生产动态的影响。模型检验和实际应用表明,本文所建立的耦合数学模型是正确的、可靠的,它对于真实模拟变形介质气藏的开发,指导变形介质气藏生产具有重要的意义。