外电场作用下缝洞介质单相渗流数值模拟研究

论文摘要

外加电场导流驱油技术是近十几年来提出的一种高效开采技术,它主要是利用岩石、油、水三者的电性差异,通过物理场对饱和流体的岩石介质施加影响,使地层中发生各种电化学效应以及电渗、电泳等多种电动力学效应,从而改变油水的渗流规律。本文从流体基本运动方程出发,初步建立了外电场作用下缝洞介质内单相渗流的数学模型;研究了有限元求解方法,推导了有限元方程的数值模型,采用COMSOL Multiphysics软件对文献中缝隙网络单相渗流和弯管中单相电渗流算例进行了数值计算,计算结果和文献结果之间的相对误差小于1.27%,验证了外电场作用下缝洞介质单相渗流数值模拟有限元方法的可行性。研究了外电场作用下缝洞介质的渗流机理,给出了外电场作用下缝洞中速度、压力和电势分布,结果表明电场能有效增加缝洞中流体的速度;缝洞的存在对等压线和等势线的分布都会产生很大的影响。设计了不同径宽比、不同洞密度和不同洞隙度的三类16个二维缝洞模型,系统地研究了外电场对不同缝洞结构介质中单相流体(水)渗流的影响,研究结果表明外电场可有效增加缝洞介质中流体的渗流速度。电场强度在0~5V/cm范围内变化时:不同径宽比模型渗流速度是无电场作用下的1~10.2倍;不同洞密度模型渗流速度是无电场作用下的1~5.8倍;不同洞隙度模型渗流速度是无电场作用下的1~4.5倍。在相同压力梯度和电场强度的情况下,电场对渗透率较小的缝洞模型渗流影响较大。研究了不同缝洞模型的非线性渗流特征,结果表明模型渗透率越大,越容易出现非线性渗流;在三类模型中,不同洞隙度模型更容易出现非线性渗流。本文的研究结果可为采用电场方法提高石油采收率提供一定的理论基础,对于指导应用电场方法提高缝洞型油藏的采收率具有十分重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 第二章 外电场作用下单相渗流的数学模型
• 2.1 缝洞介质基本知识
• 2.1.1 缝洞介质特征
• 2.1.2 缝洞介质基本概念
• 2.2 电动现象的基本理论
• 2.2.1 扩散双电层
• 2.2.2 电动现象
• 2.3 外电场作用下单相流体与介质的基本假设
• 2.4 外电场作用下单相渗流的数学模型
• 2.4.1 外电场作用下单相渗流的运动方程
• 2.4.2 外电场作用下单相渗流的连续性方程
• 2.4.3 外电场作用下单相渗流的边界条件
• 2.4.4 外电场作用下单相渗流的数学模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 外电场作用下单相渗流的有限元求解方法
• 3.1 等效积分形式与加权余量法
• 3.1.1 微分方程的等效积分形式
• 3.1.2 等效积分的“弱”形式
• 3.1.3 加权余量法
• 3.2 外电场作用下单相渗流的数值模型
• 3.3 外电场作用下单相渗流有限元求解的思路和方法
• 3.4 COMSOL Multiphysics软件功能简介
• 3.5 COMSOL Multiphysics模拟计算外电场作用下单相渗流的基本过程
• 3.6 求解方法可行性验证
• 3.6.1 单相渗流求解算法可行性验证
• 3.6.2 外电场作用下单相电渗流求解方法可行性验证
• 3.7 本章小结
• 第四章 外电场作用下缝洞介质单相渗流数值模拟结果与分析
• 4.1 外电场作用下缝洞中速度、压力和电势分布
• 4.1.1 缝洞中速度分布
• 4.1.2 缝洞中压力分布
• 4.1.3 缝洞中电势分布
• 4.2 外电场对不同径宽比缝洞模型单相渗流的影响
• 4.2.1 不同径宽比缝洞模型参数
• 4.2.2 不同径宽比缝洞模型结构
• 4.2.3 外电场对不同径宽比缝洞模型单相渗流的影响
• 4.3 外电场作用下不同洞密度缝洞模型单相渗流分析
• 4.3.1 不同洞密度缝洞模型参数
• 4.3.2 不同洞密度模型结构
• 4.3.3 不同洞密度缝洞模型单相渗流分析
• 4.4 外电场作用下不同洞隙度缝洞模型单相渗流分析
• 4.4.1 不同洞隙度缝洞模型参数
• 4.4.2 不同洞隙度缝洞模型结构
• 4.4.3 不同洞隙度缝洞模型单相渗流分析
• 4.5 本章小结
• 结论和建议
• 参考文献
• 致谢