疏松砂岩油藏脱砂压裂产能流固耦合数值模拟

论文摘要

出砂是疏松砂岩油藏开发面临的主要难题之一。脱砂压裂技术是国外近年来发展起来的一种高效防砂技术,该技术既能有效控制出砂,又能显著提高压裂井产量,应用前景极为广泛。然而疏松砂岩油藏脱砂压裂机理复杂,目前对其内在规律认识还不够深入。疏松砂岩油藏胶结强度弱,当储层有效应力状态改变时,具有很强的应力敏感性。因此,考虑流固耦合作用影响,系统研究疏松砂岩渗流与变形相互作用的内在机制,对认识疏松砂岩油藏脱砂压裂机理及指导脱砂压裂施工具有重要意义。首先,本文建立了保持疏松砂岩原位孔隙结构的应力敏感性实验方法,对滨南尚二区疏松砂岩进行了应力敏感性实验,建立了疏松砂岩油藏渗透率及弹性模量动态模型;在流固耦合渗流理论基础上,基于广义达西定律及固体小变形假设推导了渗透率各向异性储层流固耦合控制方程,再联立相应辅助方程,建立了新的渗透率各向异性疏松砂岩脱砂压裂人工裂缝-油藏系统流固耦合数学模型;基于Galerkin有限元法,对流固耦合模型控制方程进行了Galerkin空间域离散,并按全隐式格式对渗流方程进行了时间域差分离散,推导建立了流固耦合模型有限元求解公式;在有限元离散的基础上,基于FEPG软件自主开发了疏松砂岩油藏单相及两相渗流流固耦合有限元程序。其次,建立了脱砂压裂动态造缝有限元分析模型,利用位移及渗流压力动态边界对动态造缝过程进行了流固耦合有限元模拟,分析了造缝形态、裂缝尺寸及储层应力敏感程度对疏松砂岩脱砂压裂井近井地带物性参数的影响规律,研究表明脱砂压裂动态造缝会对近裂缝区域储层有效应力及物性参数产生显著影响。最后,本文综合考虑流固耦合作用、动态造缝效应、变裂缝导流能力、储层渗透率各向异性等因素,建立了新的脱砂压裂产能流固耦合分析模型,分析了各因素对储层应力应变特征、储层孔渗特性变化及压后生产的影响。研究表明,在流固耦合作用下,近裂缝区域储层有效应力及物性参数会发生显著变化;动态造缝效应主要对近井眼储层的应变特性及物性参数产生显著影响;储层渗透率各向异性会显著影响整个储层有效应力及物性参数变化及分布,是影响脱砂压裂产能的重要因素;在多因素综合影响下,脱砂压裂增产倍数明显低于常规渗流模型计算结果,且缝长越小,各因素综合影响越显著。本文对疏松砂岩油藏脱砂压裂开发中的流固耦合问题进行了系统研究,得到的研究成果对该类油藏开发具有重要的理论和应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 流固耦合理论发展及应用
• 1.2.1 流固耦合理论在石油工程中的应用
• 1.2.2 储层物性参数动态模型研究现状
• 1.3 压裂井产能预测研究现状
• 1.3.1 常规压裂产能预测研究现状
• 1.3.2 流固耦合压裂产能预测研究现状
• 1.3.3 以往研究的局限性
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 疏松砂岩油藏物性参数动态模型的建立
• 2.1 疏松砂岩全矿物分析和薄片分析
• 2.1.1 X射线衍射全矿物分析
• 2.1.2 岩心薄片分析
• 2.2 疏松砂岩物性参数应力敏感性实验
• 2.2.1 实验设备
• 2.2.2 岩心制备及安装
• 2.2.3 实验方法及流程
• 2.3 疏松砂岩渗透率动态模型的建立
• 2.3.1 各向同性加载实验结果分析
• 2.3.2 各向异性加载实验结果分析
• 2.3.3 渗透率滞后效应实验结果分析
• 2.3.4 渗透率动态模型的建立
• 2.3.5 渗透率动态模型普实性评价
• 2.4 疏松砂岩弹性参数动态模型的建立
• 2.4.1 全直径岩心弹性参数实验结果分析
• 2.4.2 标准直径岩心弹性参数实验结果分析
• 2.4.3 弹性参数动态模型的建立
• 2.5 本章小结
• 第三章 疏松砂岩油藏流固耦合数学模型的建立
• 3.1 流固耦合问题研究方法
• 3.2 流固耦合模型渗流场方程的建立
• 3.2.1 流固耦合两相渗流Eulerian型方程
• 3.2.2 变形空间坐标两相渗流方程
• 3.2.3 流固耦合饱和两相渗流方程的简化
• 3.2.4 流固耦合单相渗流方程
• 3.2.5 流固耦合渗流场求解定解条件
• 3.3 流固耦合模型变形场方程的建立
• 3.3.1 储层骨架平衡方程
• 3.3.2 储层骨架几何方程
• 3.3.3 储层骨架本构方程
• 3.3.4 流固耦合变形场求解定解条件
• 3.4 疏松砂岩油藏流固耦合模型辅助方程
• 3.5 本章小结
• 第四章 流固耦合数学模型有限元离散
• 4.1 概述
• 4.2 流固耦合变形场方程时空域离散
• 4.3 流固耦合渗流场方程时空域离散
• 4.3.1 饱和油水两相渗流方程时空域离散
• 4.3.2 微可压缩饱和两相渗流方程时空域离散
• 4.4 本章小结
• 第五章 流固耦合有限元程序开发及验证
• 5.1 FEPG有限元程序开发系统
• 5.2 流固耦合有限元程序开发
• 5.2.1 单相流流固耦合程序流程及框图
• 5.2.2 两相流流固耦合程序流程及框图
• 5.3 流固耦合有限元程序验证
• 5.3.1 单相流流固耦合程序验证
• 5.3.2 两相流流固耦合程序验证
• 5.3.3 流固耦合程序零平衡检验
• 5.4 本章小结
• 第六章 脱砂压裂动态造缝对储层物性参数影响研究
• 6.1 脱砂压裂动态造缝有限元模型的建立
• 6.2 动态造缝对储层物性参数影响研究
• 6.2.1 造缝形态对储层物性参数影响
• 6.2.2 造缝长度对储层物性参数影响
• 6.2.3 造缝宽度对储层物性参数影响
• 6.2.4 应力敏感程度对储层物性参数影响
• 6.3 本章小结
• 第七章 疏松砂岩油藏脱砂压裂产能流固耦合模拟
• 7.1 脱砂压裂产能流固耦合有限元模型的建立
• 7.1.1 有限元模拟基本参数
• 7.1.2 几何模型及边界条件
• 7.1.3 人工裂缝的建模处理
• 7.1.4 动态造缝效应的建模处理
• 7.2 单井压裂生产流固耦合模拟
• 7.2.1 脱砂压裂井压力场传播规律
• 7.2.2 储层应力应变特征分析
• 7.2.3 流固耦合作用对储层物性参数影响
• 7.2.4 流固耦合作用对压后生产动态影响
• 7.3 动态造缝效应对压后生产动态影响
• 7.4 变裂缝导流能力对压后生产动态影响
• 7.5 储层渗透率各向异性对压后生产动态影响
• 7.5.1 储层渗透率主轴分量方位的影响
• 7.5.2 储层渗透率主轴分量大小的影响
• 7.6 多因素影响的脱砂压裂井产能分析
• 7.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介