论文题目: 双重介质气藏流固耦合数值模拟研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 油气田开发工程
作者: 文成杨
导师: 杜志敏
关键词: 双重介质,流固耦合,双重有效应力,数学模型,有限元法,数值模拟
文献来源: 西南石油学院
发表年度: 2005
论文摘要: 近年来,随着石油工业的发展以及解决复杂石油工程问题的需要,流固耦合研究在石油钻井、开采、开发领域显得越来越重要,并已受到人们的高度重视。目前,油气田开发数值模拟领域的流固耦合问题研究主要成果集中在单重介质多相流体流固耦合方面,双重介质储层流体流固耦合问题的特殊性表现为全耦合模型建立的难度大和数值求解技术的复杂性。本文针对目前在双重介质气藏流固耦合数值模拟问题的研究中存在的理论问题和求解技术进行了研究,采用双重有效应力理论来研究该问题,并推导了有限元求解方程,编制了计算程序。有利于制定科学合理的开发方案,提高决策的准确性和科学性。 本文在前人大量的实验和理论研究成果的基础上,在双重介质气藏流固耦合理论方面完成了以下研究工作: 1、分析了采用的Terzaghi广义有效应力理论研究岩石等致密介质的局限性和对双重介质流固耦合问题研究的不适应性,将双重有效应力理论作为基础来研究双重介质气藏流固耦合数值模拟问题。 2、针对双重介质气藏储层在变应力下的弹塑性变形特征,采用了基于Drucker-Prager准则建立的弹性储层和弹塑性储层的本构模型,并给出了相应的矩阵描述和矩阵表达式。 3、在油藏岩石应力和应变分析基础上,结合双重有效应力理论和岩石骨架本构关系,建立了双重介质储层岩石骨架应变的数学模型,包括应变孔隙体积方程、应变渗透率模型、岩石骨架本构关系等。固相平衡方程和流体流动方程组成了以流体压力和介质变形为函数相互耦合的双重介质气藏渗流的流固耦合模型。模型各方程之间互含耦合项,互不独立是一组完全耦合的偏微分方程。 4、由于控制方程的复杂特性和非线性,常用有限差分方法在处理差分网格的方向、复杂的曲线边界和非线性介质特性以及解的稳定性方面的计算精度无法满足数值模拟的精度要求。本文采用有限元方法,以位移和流体压力为未知变量,建立了双重介质气减渗流的有限元数值模型。利用Galerkin方法得到了控制方程在几何域上的耦合解,并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。 5、利用本文建立的流固耦合有限元模型,采用FEPG开发了裂缝—孔隙型双重介质气藏全耦合流固耦合渗流的数值模拟有限元计算程序。推导了一维单向模型解析解并与数值解计算程序进行对比,算例对比结果显示,数值模型计算程序结果与解析解结果相吻合。 6、对一典型裂缝—孔隙型双重介质气藏开采过程进行了数值模拟并与传统
论文目录:
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 问题的提出
1.2 石油工程中的流固耦合问题
1.2.1 普通油气藏开发中的流固耦合问题
1.2.2 碳酸盐岩油气藏开发中的流固耦合问题
1.3 油藏流固耦合与双重介质油气藏流固耦合问题的研究进展
1.3.1 油藏流固耦合问题研究进展
1.3.2 双重介质油气藏开发中的流固耦合问题
1.4 流固耦合问题的求解方法评述
1.4.1 解析方法
1.4.2 数值模拟
1.5 本文研究工作的技术路线
1.6 本文主要工作
1.7 本文的创新点
2 研究双重介质流固耦合问题的基本方法和原理
2.1 储层流固耦合的研究方法
2.1.1 储层流固耦合渗流的研究方法
2.1.2 表征性体积单元的定义
2.1.3 表征体积单元(REV)上状态变量的体积平均
2.2 固体一流体流固耦合的混合物理论
2.2.1 多相孔隙介质运动学的混合物描述
2.2.2 守恒方程
2.2.3 本构方程
2.2.4 场方程与基本方程
2.2.5 混合物理论在岩土工程中的应用
2.3 有效应力原理
2.3.1 Terzaghi有效应力原理
2.3.2 Terzaghi有效应力原理的推广
2.3.3 双重有效应力
2.3.4 Terzaghi有效应力与双重有效应力
3 裂缝—孔隙型双重介质流固耦合的数学模型
3.1 固体骨架变形控制方程
3.1.1 双重孔隙概念模型
3.1.2 基本约定
3.1.3 Terzaghi有效应力与双重有效应力
3.2 流体连续控制方程
3.3 采用双重有效应力原理建立的双重介质流固耦合的数学模型
3.4 与应变相关参数的确定
3.4.1 定压力边界条件
3.4.2 封闭边界条件
3.4.3 流量边界条件
3.5 初始条件
3.6 与应变相关参数的确定
3.6.1 应变孔隙体积模型
3.6.2 应变渗透率模型
3.7 裂缝—孔隙型双重介质全耦合流体渗流模型的特点
4 储层岩石的本构模型
4.1 岩石弹性本构关系的矩阵表述
4.2 岩石弹塑性本构关系的矩阵表述
4.2.1 屈服条件
4.2.2 加载条件
4.2.3 流动规则
4.2.4 硬化规律
4.2.5 增量理论的弹塑性本构矩阵
4.3 双重介质弹塑性本构关系的表述
5 裂缝—孔隙型双重介质流固耦合数学模型的有限元求解
5.1 裂缝—孔隙型双重介质流固耦合模型的GALERKIN有限元空间计算格式
5.1.1 GALERKIN有限元方法的原理
5.1.2 双重有效应力表示的双重介质弹塑性增量有限元计算格式
5.2 裂缝—孔隙型双重介质流固耦合模型的有限元离散
5.2.1 控制方程的有限元离散
5.2.2 控制方程的时域离散
6 有限元模型中系数矩阵的确定
6.1 位移函数
6.2 雅可比矩阵和几何矩阵
6.2.1 雅可比矩阵
6.2.2 几何矩阵
6.3 Gauss数值积分
6.4 耦合模型中的系数矩阵的数值解法
6.5 流固耦合问题的求解过程
7 数值计算程序的编制和验证
7.1 计算程序的开发
7.1.1 程序结构
7.1.2 实现思想
7.1.3 系统特点
7.2 FEPG中模型的计算程序
7.3 计算程序的验证
7.4 算例对比
8 数值模拟示例分析及与原有模型的对比
8.1 示例描述
8.2 气藏模拟计算结果与分析
8.2.1 流体压力比较
8.2.2 储层位移比较
8.2.3 流体流量比较
8.3 本章小节
结论与展望
附录A 模型在FEPG系统中的计算程序
附录B 模型解析解推导
致谢
符号说明
参考文献
博士期间发表论文
博士期间完成的主要科研项目
发布时间: 2006-01-11
参考文献
- [1].裂缝性潜山油藏储气库注采机理研究[D]. 王皆明.中国海洋大学2013
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