稠油热采过程中的热—流—变形耦合及注汽方案优化

论文摘要

注蒸汽热力采油是一项复杂、技术难度大的系统工程,它涉及到油藏地质、采油工程、传热学、经济分析等多门学科,因此,科学、经济的管理好蒸汽吞吐井就必须从油藏的实际出发,研究蒸汽吞吐的热力学过程,包括井筒内饱和水蒸汽温度/压力传输、储层内多相流传质传热等,进而选定科学合理的生产方式和工作制度。本文将蒸汽在井筒及地层中的流动作为一个统一的系统,考虑井口注汽参数与地层吸汽能力之间的协调关系,建立了注汽过程中井筒高温汽/液热动力学数学模型,综合分析了油藏中温度场、流体场、固体力场之间的耦合关系和三场耦合的力学机理,建立了一个反映变温、变形油藏的热-流-变形耦合模型。在此基础上,针对水平井段吸汽不均匀问题,建立了水平井注汽参数优化模型,对注汽管柱结构和注汽参数进行研究及优化,为提高油井产能和油井采收率提供了技术支持。论文研究内容包括:1、基于质量、动量、能量守恒及传热学理论,建立了预测井筒蒸汽压力、温度分布的综合数学模型,采用迭代法求解,计算了井筒中的压力和干度等参数的分布,同时对其进行了敏感性分析。2、基于连续介质力学、流固耦合、耦合热弹性力学及热力学理论,建立了热-流-变形耦合数学模型,并给出了相应的Galerkin有限元公式及解耦方法。采用FEPG有限元软件对热采油藏注蒸汽过程进行了模拟计算,在初始地应力和热-流-变形耦合状态下对岩层水平位移、垂向位移、水平应力、垂向应力等参数进行对比分析。在此基础上得出了相应结论,从应用的角度说明了油藏热-流-变形耦合研究的重要性。3、在上述研究工作的基础上,以水平段注汽均匀为设计目标,建立了水平注汽管柱压降模型、热损失模型和配注器节流模型。通过仿真与有限元数值模拟的方法,对水平注汽管柱结构进行了优化设计,给出了部分定量结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 问题的提出及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 蒸汽吞吐热力模型的研究进展
• 1.2.2 热-流-变形耦合问题研究进展
• 1.3 论文主要研究内容
• 1.4 论文创新点
• 第二章 井筒汽液两相流热力学研究
• 2.1 井筒压降数学模型
• 2.2 井筒总传热系数及热损失数学模型
• 2.3 井筒与油层之间的协调关系
• 2.4 井筒热力学计算方法
• 2.5 井筒热力敏感性分析
• 2.5.1 注汽速率对井筒压力、干度的影响
• 2.5.2 注汽压力对井筒干度的影响
• 2.5.3 注汽干度对井筒压力的影响
• 2.6 井筒热力参数耦合计算分析
• 第三章 储层热-流-变形耦合作用的理论模型
• 3.1 热-流-变形耦合理论及数学模型
• 3.1.1 多孔隙介质骨架变形方程
• 3.1.2 孔隙介质单相流体渗流方程
• 3.1.3 能量方程
• 3.1.4 定解条件
• 3.2 三场耦合作用机理
• 3.3 三场耦合效应分析
• 3.3.1 流体渗流和变温对岩层骨架变形的影响
• 3.3.2 骨架变形和变温对流体渗流的影响
• 3.3.3 骨架变形和流体渗流对温度场的影响
• 第四章 热-流-变形耦合模型定量分析与算例
• 4.1 有限元数值模拟设计方案
• 4.2 耦合数学模型的Galerkin有限元公式
• 4.3 算例分析
• 4.3.1 有限元数值模型的建立
• 4.3.2 有限元模拟结果分析
• 第五章 水平井注汽方案优化
• 5.1 水平注汽管柱设计方案
• 5.2 水平注汽管柱热力学过程分析
• 5.2.1 水平注汽管柱压降计算模型
• 5.2.2 水平注汽管柱热损失计算模型
• 5.2.3 配注器节流机理研究
• 5.3 水平注汽参数优化设计软件
• 5.3.1 软件系统设计方案
• 5.3.2 主要功能模块简介
• 5.3.3 软件界面介绍
• 5.3.4 使用说明
• 5.4 工程应用算例
• 结论
• 参考文献
• 附录一 注汽管柱优化设计书
• 致谢