油气储层流固耦合理论、数值模拟及其应用

• 作者: 董平川
• 来源期刊: 岩石力学与工程学报
• 学科: 工学
• 关键词: 弹塑性 可变形储层 多相渗流 流固耦合 数学模型 有限元方法 耦合的数值解 稳定分析 软件开发
• 年，卷（期）: 1999,（4）
• 所属期刊栏目: 讨论
• 页码范围: 0
• 页数: 1页
• 分类号: TU45
• 语种: 中文
• DOI: 10.3321/j.issn:1000-6915.1999.04.031

摘要

在传统的渗流理论中,一般假设流体流动的多孔介质骨架是完全刚性的,即在孔隙流体压力变化的过程中,固体骨架是不变形的,它不产生任何弹性或塑性变形.虽然这种简化可以得到问题的近似解,但存在许多缺陷,而且也不切合现场生产实际,比如:在油田的开采过程中, 孔隙流体压力会逐渐降低,由此将导致储层内有效应力的变化,使储层产生变形.在油田注水或注蒸气开采过程中,流体流动和固体变形之间也存在着复杂的相互作用,即流固耦合作用.近年来,油气开采过程中的流固耦合问题的重要性越来越受到人们的重视.为了正确评价整个开发过程,准确模拟油藏中流体流动的动态过程,揭示流体的分布规律,必须考虑由于注水和开采所引起的多相流体的渗流、应力状态的变化和储层变形之间的耦合作用.论文利用广义的Biot理论建立了一个完全耦合的数学模型,它描述了可变形多孔介质中三相流体流动与岩石变形之间复杂的耦合作用.模型中假设岩石的特性和变形由有效应力控制,岩石骨架具有弹塑特性,采用了基于Mohr-Coulomb屈服准则的弹塑性本构模型,并假设流体是可压缩的. 同时, 还考虑了多相流体之间的毛管压力、相对渗透率的变化、流体饱和度以及重力的影响.以岩石骨架位移和每相流体的压力为未知量,建立的耦合控制方程包括岩石骨架的平衡方程、三相流体流动的连续性方程.这4个方程互含耦合项,而且是一组非线性的偏微分方程.在此基础上导出了可变形饱和储层中油水二相、油气二相和单相流体渗流的耦合方程.随后,论文以位移和流体压力为未知变量,推导出了可变形多孔介质中多相渗流的有限元数值模型.利用Galerkin方法得到了控制方程(包括三相、二相和单相流体渗流)在几何域上的耦合解,利用全隐式数值格式得到了半离散微分方程在时间域上的耦合解,同时,对具体的求解算法作出了相应的稳定分析.最后,利用已建立的流固耦合有限元方程,采用8结点等参单元,在Windows环境下成功开发了有限元计算程序--NSFSC2D.论文详细讨论了NSFSC2D开发的基本原理和方法,并利用现有的解析解对软件进行了验证,给出了在石油工程中应用的具体实例.论文建立的流固耦合模型、理论研究方法以及开发的数值模拟软件可以应用于石油工程中的许多领域,如:流固耦合作用下油藏数值模拟、油井的井壁稳定、油藏注水开采、油气井出砂分析和模拟油气开采过程中储层的沉降问题等等.这些实际应用领域还有待进一步开发,但论文初步奠定了储层流固耦合问题的理论基础,是储层流固耦合模拟理论的新进展,无论从理论和实际应用方面来讲,都具有重要意义.

作者信息

序号	姓名	单位	发文数	被引次数	H指数	G指数
1	董平川	石油大学石油工程系	3	207	3.0	3.0