深层油气藏水力压裂裂缝扩展数值模拟

深层油气藏水力压裂过程中的岩石变形,不仅要考虑弹性变形还要考虑塑性变形的问题,以往的裂缝扩展数值模拟都没有考虑塑性变形.文章基于Drucker-Prager屈服准则和相关联的流动法则建立了弹塑性水力裂缝扩展的数学模型.模型使用润滑理论描述裂缝内流体流动,耦合岩体变形,采用内聚力模型对裂缝扩展过程进行描述.基于有限元方法编制了数值求解器,通过与经典模型计算结果比较,验证了数学模型和算法的正确性.研究结果表明:相比于弹性水力裂缝,在流体注入量相同时,弹塑性水力裂缝长度短,裂缝宽度大,扩展时需要更高的流体压力.由于塑性应变的存在,缝内流体返排后,弹塑性水力裂缝不会完全闭合.随着岩石摩擦角的增大,弹塑性水力裂缝的宽度减小,所需流体压力增大.相对于理想弹塑性,硬化岩石介质中的水力裂缝宽度较小,所需流体压力较大.     

裂隙介质两相渗流数值模拟研究

以离散裂隙概念为基础建立了离散裂隙型模型,该模型通过对裂隙的降维处理提高了计算效率并适用于所有类型裂隙介质的渗流研究。详细阐述了离散裂隙型模型的基本原理及其两相渗流数学模型,基于Galerkin加权残量法建立了该模型的有限元数值计算格式。通过单裂隙中的Buckley–Leverett两相渗流算例验证了数值算法的正确性。以裂缝性油藏注水开发为例,应用离散裂隙型模型分别对2种不同类型的裂隙介质进行了实例研究。数值计算结果表明：裂隙的存在导致了岩体的强烈非均质性和各向异性,其中裂隙的方位、大小、连通性及其类别对裂隙介质两相渗流均有着重要的影响;正确认识裂隙的分布及其类别对于裂缝性油藏的开发动态研究及其注采井网的布置有着重要的实际意义 。     

页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法研究

页岩气藏多尺度孔隙介质发育、非均质性强,不同尺度介质流体运移机制复杂,明确多重介质流体跨尺度传质表征方法的适用范围对开展页岩气藏数值模拟研究具有重要意义.本文基于体积压裂改造页岩气藏储层多尺度介质分布特征及多尺度介质气体运移特性,以储层不同区域微小单元体为研究对象,分别建立离散介质、拟稳态窜流双重介质、瞬态窜流双重介质表征单元体模型,对比分析不同储层条件和裂缝参数时离散介质模型与不同窜流模式双重介质表征单元体模型内流体产量变化规律,得到页岩气藏多重介质流体跨尺度传质表征方法适用范围.研究结果表明:生产早期不同窜流模式对窜流量影响较大,多重介质渗透率相差越大,生产早期不同窜流模式得到的窜流量相差越大,窜流量差异持续时间越长;采用瞬态窜流或拟稳态窜流双重介质模型可以较为准确地描述干酪根有机质-无机基岩之间流体跨尺度传质规律;无机基岩-次生缝网流体跨尺度运移规律需要采用离散介质模型进行描述.离散缝网耦合干酪根-无机基岩双重介质模型可以比较精确描述体积改造页岩气藏流体运移规律,该模型对开展页岩气藏数值模拟器研究具有重要的理论意义.     

基于模拟有限差分的嵌入式离散裂缝数学模型

嵌入式离散裂缝模型划分网格时不需要考虑油藏内的裂缝形态,只需对基岩系统进行简单的网格剖分,可以大大降低网格划分的复杂度,从而能够提高计算效率.并且该模型可以将现有成熟的油藏数值模拟技术和离散裂缝网络模型有机地结合起来,能精细地模拟流体在裂缝性油藏中的流动.本文模型求解采用模拟有限差分方法,该方法基于单个网格的节点和面信息构造数值计算格式,理论上适用于任何复杂网格系统,且具有良好的局部守恒性,将其推广到嵌入式离散裂缝模型后,克服了该模型基于有限差分方法求解时不能有效处理全张量形式的渗透率以及不适用于复杂边界形状裂缝性油藏的局限性.最后通过实际算例验证了本文方法的正确性和优越性.     

页岩气藏数值模拟方法评价及选择

复杂的裂缝网络给页岩气藏数值模拟研究带来巨大挑战.本文利用离散裂缝模型(DFM),分别建立微尺度模型和矿场尺度模型,研究了不同基质渗透率和裂缝开度对应条件下,不同类型裂缝对页岩气总产量的贡献率.研究结果表明:在量级约为(10–8~10–4)×10–3μm2的页岩气藏基质渗透率范围内,且存在SRV改造区的条件下,页岩气产量以SRV内人工裂缝的贡献为主,SRV内以及SRV外天然裂缝的贡献量相对较小.因此,综合考虑计算复杂度和计算精度,可通过构建基质-天然裂缝表观渗透率和连续介质模型的方法表征天然裂缝,采用离散介质模型中计算网格少、效率高的离散裂缝网络(DFN)模型表征人工裂缝.     

顺煤层水力割缝抽采煤层瓦斯渗流规律数值模拟

为得到顺煤层水力割缝抽采瓦斯渗流规律以及预测水力割缝后瓦斯气体抽采量，结合渗流力学和弹塑性力学理论，建立了水力割缝抽采煤层瓦斯的固流耦合数学模型，同时给出了相应初始条件及边界条件。利用Madab计算得到顺煤层水力割缝后煤体应力场、瓦斯压力场以及瓦斯抽采量变化规律。数值模拟结果显示：水力割缝后，煤体有效体积应力得到释放；沿割缝方向储层卸压效果明显；煤层内裂隙、裂缝数量增加，长度和张开度增大；煤体渗透性能增强；煤层气抽采量较普通钻孔有较大幅度的提高。模拟结果显示了顺煤层水力割缝抽采煤层气的优势。此模拟方法对煤层气增产工业中确定水力割缝工艺参数以及预测瓦斯产量具有重要的指导意义。     

疏松砂岩稠油油藏压裂井裂缝参数优新方法

世界上稠油油藏可采量超过了规原油.由于稠油油藏地层一般比较疏松生产易出砂,压裂防砂完井是疏松砂岩稠油油藏用造措施之一.而裂缝参数选取对于压裂防砂施工来说是至关重要.针对目前裂缝参数优化仅仅以产能为目标缺陷,本文引用裂缝流比重念来表征人工裂缝对油藏流体传输量贡献大小,裂缝流比重越大双线性流模式越标准,越有利于防砂生产.建立了压裂井数值模拟模,以计算不同宽比矩泄油区域中压裂井期生产情况.统一压裂设计方法基上,以增产和防砂为双重优化目标提出了一种优化疏松砂岩稠油油藏压裂井裂缝参数新方法：即对于定条件油藏和压裂用支撑剂数量,存一个特定无因次裂缝流能力使缝流比重数取最大值,此时裂缝参数即为最优裂缝参数.回归了正方泄油区域压裂防砂井参数优化公式,可以据油藏和支撑剂条件方便地进行压裂井裂缝参数优化.对于矩泄油区域,可以用等效支撑剂数消除宽比影响,将其等效为正方泄油区域之后进行裂缝参数优化.     

致密气藏裂缝岩心渗透率非稳态测试理论研究

准确评价致密气藏裂缝和基质系统渗透率对评价其可采储量和产能等方面具有重要意义.基于致密气藏裂缝岩心非稳态测试流动特征和物理模型,建立了裂缝岩心非稳态测试流动数学模型,采用Laplace变换和Stehfest数值反演,得到了上游和下游腔室的无因次拟压力解和特征曲线,分析了不同参数对无因次拟压力特征曲线的影响.结果表明,裂缝岩心的非稳态渗流可划分为3个阶段:裂缝渗流阶段、基质渗流阶段和系统平衡阶段.在裂缝渗流阶段,裂缝渗透率越大,持续时间越短;裂缝孔隙度对该渗流阶段基本没有影响.在基质渗流阶段,基质渗透率越小,达到平衡所需时间越长;基质孔隙度越小,平衡系统压力越大.本文研究为评价致密气藏裂缝岩心属性提供一种评价方法.     

分叉网络的启动压力梯度研究

要高效地开发低渗透油藏,就需要充分认识低渗透油层自身所具有的特殊规律和性质,并准确地描述低渗透油藏的渗流力学规律.本文以低渗透油藏中可能存在的裂缝网络为研究背景,采用理想的分叉网络模型,研究非牛顿流体中的Binghan流体流过裂缝分叉网络时的启动压力梯度.研究表明低渗透分叉网络油藏中Binghan流体流动的启动压力梯度是流体的屈服应力和分叉网络微观结构参数的函数.本文建立的模型没有经验常数,每个参数都有明确的物理意义.本文的模型有助于进一步深入探讨裂缝网络型多孔介质的渗流机理.     

在冲刷坑底部岩块上的脉动上举力

利用瞬变流模型 ,详细地研究了脉动压力在岩缝中的传播机理和作用于岩块上脉动上举力的成因 ,导出了岩块上可能最大脉动上举力的预报公式 .并在三峡溢流坝断面模型的平衡冲刷坑底部 ,系统地量测了不同尺寸岩块上的脉动上举力 ,验证了理论分析结果 .     

具有通信受限的网络控制系统量化反馈控制

针对一类通信受限的网络控制系统,研究量化反馈控制器及动态调度策略的联合设计问题.考虑到介质访问约束和信号量化误差的影响,将网络控制系统建模为等价的离散时间切换系统;通过Lyapunov稳定理论推导出保证系统鲁棒稳定的模式及量化依赖型充分条件,并给出了量化反馈控制器的设计方法;在此基础上,设计了基于实时状态的动态通信调度策略,实现了网络控制系统的镇定控制.最后通过仿真示例验证了所提出方法的有效性.     

页岩气多尺度复杂流动机理与模型研究

页岩气储层纳微米孔隙、裂缝结构复杂,存在多尺度流动,气体的流动规律不同于常规气藏.本文对多孔介质内气体流动进行了研究,利用努森数划分不同尺度下气体流态,阐明了不同区域的流动机理和流动特征;综合考虑达西渗流、滑移扩散效应、井筒附近高速非达西效应等多重非线性效应,建立了页岩气储层多尺度统一流动模型.引入页岩气储层基质-压裂缝耦合两区模型,建立了页岩气储层压裂井定压条件下的两区压力分布和产能预测方程,并结合生产实例进行了参数敏感性分析.结果表明:随着滑移扩散系数、分形系数、压裂半径的增大,页岩气井产能增加,且增加幅度减小;考虑高速非达西效应较不考虑高速非达西效应时,页岩储层产能偏低,且高速非达西效应的影响小于滑移扩散对产能的影响.该模型为体积压裂页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据.     

水平井多簇压裂裂缝的竞争扩展与控制

针对水平井多簇压裂多裂缝竞争扩展问题,通过近似解显式求解了多裂缝扩展时的应力干扰作用,建立了水平井多簇射孔裂缝扩展模型.模型采用了近似方法,在保证一定精度的基础上,简化了计算工作量,并通过隐式水平集算法验证了方法的可靠性.基于该模型,对不同射孔工艺条件下各簇裂缝缝长、缝宽与进液量进行了数值模拟.结果表明:射孔摩阻和多裂缝应力干扰作用共同决定各簇裂缝流量分配.多簇裂缝同步扩展时,中间簇裂缝由于受到外侧裂缝的挤压作用,进液量、缝长和缝宽均小于外侧裂缝.缝间距增大会削弱中间簇裂缝流量、宽度和缝长减小的趋势.通过减少每簇射孔数量、射孔直径或者采用非均匀射孔的方式,可以促进各簇裂缝均衡进液与延伸.该研究为多裂缝展布形态优化与控制方法提供了理论依据与参考方法.     

页岩气直井非稳态非线性渗流的数值计算及产能预测

结合我国南方海相页岩气藏的实际,针对页岩气藏的特殊孔隙结构及多尺度流动的特征,首先由Knudsen数判断出储层主体流态为滑移流,并指出页岩气在页岩多孔介质中的传输过程是一个等温过程.然后修正了Beskok-Karniadakis二阶近似模型,建立了致密页岩气直井平面径向非稳态非线性渗流问题的数学模型.进一步应用玻尔兹曼变换将问题简化,并给出了求解压力场的数值离散显式迭代格式.最后数值计算得到了内边界定压条件下直井的压力场随时间、空间分布曲线,预测了产量随时间变化的规律,并分析了解吸、滑移和扩散效应对产量的影响.     

块体形状分类新方法

岩体的特性很大一部分受岩体内块体形状的影响,因此确定原岩的块度形状特征和块体的几何特征分布非常重要,以前的块体形状分类方法都是基于块体是正交体的假设建立的,不被广泛接受,本文提出了一种以共线性ε和容积系数κ为参数,采用三角形分类法对块体形状进行分类的新方法,实现了对矿岩块体体积和形状的联合统计分析.提出了基于块体形状的矿岩块度等效尺寸计算方法,对块体的筛上累计百分率进行了统计分析.并应用三组接近正交的理想节理组,对块度进行了模拟,验证了块体形状分类的效果.     

时变有向网络下仿射多个体系统的状态一致性

本文探讨时变网络下多个体系统的状态一致性,研究了平稳离散时变有向网络下仿射多个体协同系统趋于状态一致的充分必要条件.由于线性多个体系统是仿射多个体系统的特例、非时变网络是平稳离散时变网络的特例、无向网络(对称网络)是有向网络的特例,因此本文的结论涵盖了此前有关一阶多个体协同系统状态一致性的主要理论结果.     

孔隙和裂缝分形油藏的瞬态压力分析

研究了孔隙与裂缝分形油藏中流体的流动．通过引进流动路径长度的微分关系式和单位横截面面积得出分形渗透率、孔隙度和渗流速度三个基本公式．阐明了分形孔隙介质与分形裂缝介质中渗透率和孔隙度表达式的区别．建立起分形油藏中单相流体渗流的压力扩散方程，给出相关方程的解，绘制了用于瞬态压力分析的典型曲线．讨论了孔隙分形油藏和裂缝分形油藏试井解释的方法和步骤．对于多维各向异性分形介质，在直角坐标和圆柱坐标系中也给出了相应的渗流压力扩散方程．对分形油气藏勘探和开发具有重要意义．     

缝洞型有水油藏动态储量及水体大小定量评价方法

国内缝洞型碳酸盐岩油藏储层非均质性强、连通性差、油水关系复杂,储集体普遍含边底水且不具有统一油水界面,对油井动态储量错误的估计导致油藏钻井成功率普遍较低、开发效果差.如何定量评价该类型储集体的动态储量及水体大小,为下一步开发井位部署及开发技术政策的制定提供支撑是亟需解决的难题.本文基于Blasingame方法及流动物质平衡方法,推导了油藏拟稳态水侵情况下动态储量评价理论,提出了一种基于水侵动态识别方法进行动态储量及水体大小定量评价的流程与方法.本方法首先基于水侵识别方法将油井生产阶段划分为未水侵段、水侵初期阶段及水侵中后期段;然后通过拟合未水侵阶段油井生产动态数据进行动态储量的评价,通过拟合水侵初期油井生产动态进行水体大小的定量评价.通过建立考虑边底水的数值模拟概念模型,以正演的方式验证了本方法的可靠性.该方法已在国内哈拉哈塘缝洞型碳酸盐岩油田中进行了应用,应用效果较好.     

二氧化碳埋存对地层岩石影响的室内研究

利用XRD,SEM,三轴岩石实验系统及岩心驱替实验装置研究了二氧化碳溶蚀对储层岩石矿物组分、孔隙结构及力学性能的影响.结果表明,在一定条件下,二氧化碳对岩石的溶蚀主要受岩石的结构和构造、流体组成及外部动力条件的影响,即具有层理构造的岩心,其层理面是优先溶蚀区域,应力变化时这些部位微裂纹的产生及扩展的几率最大,主应力也有一定的控制作用;在稳定水体环境控制的块状构造的岩心中,CO2的溶蚀导致岩心孔隙变大,并产生次生孔隙;裂缝的形成受溶蚀、流动方向及应力的共同控制.在二氧化碳水溶液注入过程中,出口端气体流速有一个突然大幅度增加的过程,表明流动过程中发生的溶蚀作用产生了2种变化:(1)岩石微裂缝的产生及闭合;(2)岩石颗粒的运移.静态溶蚀实验表明,随着溶蚀时间的增加,岩石的抗拉强度及抗压强度均下降,证实了胶结强度的明显下降.渗透率的增加及微裂纹(或裂缝)的产生造成封存的效果变差,从而影响了封存的效果.     

孔隙网络模型模拟人工裂缝渗流研究

传统支撑剂导流能力试验需要耗费大量时间和成本,设备复杂并且对不同流体的适用性较差,基于支撑剂的排列分析和孔隙网络模型的基本原理,本文提出用孔隙网络模型模拟人工裂缝的思想,并建立了模型.以实测支撑剂渗透率作为指导,通过调整模型参数使模型预测结果与实测数据相符;并用所建立的模型对支撑剂的渗透率进行预测,达到较好的效果.针对压裂液和稠油等非牛顿流体,利用调整好的模型研究了非牛顿流体在人工裂缝中的流动特征.本文证明了孔隙网络模型模拟人工裂缝内渗流的可行性,相对于传统支撑剂导流能力试验,本方法经济高效,并且针对不同的流体有更广泛的适用性.