多尺度嵌入式离散裂缝模型模拟方法

天然裂缝性油藏和人工压裂油藏内裂缝形态多样,分布复杂,传统的离散裂缝模型将裂缝作为基岩网格的边界,采用非结构化网格进行网格划分,其划分过程复杂,计算量大。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,从而提高计算效率。然而,在油藏级别的数值模拟和人工压裂裂缝下的产能分析中,仍然存在计算量巨大、模拟时间过长的问题。本文提出嵌入式离散裂缝模型的多尺度数值计算格式,使用多尺度模拟有限差分法研究嵌入式离散裂缝模型渗流问题。通过在粗网格上求解局部流动问题计算多尺度基函数,多尺度基函数可以捕捉裂缝与基岩间的相互关系,反映单元内的非均质性,因此该方法既有传统尺度升级法的计算效率,又可以保证计算精度,数值结果表明这是一种有效的裂缝性油藏数值模拟方法。     

两套节点格林元嵌入式离散裂缝模型数值模拟方法

对于原始嵌入式离散裂缝模型(EDFM),在计算包含裂缝单元的基质网格内的压力分布时采用了线性分布假设,这导致了油藏开发早期对非稳态窜流量的计算精度不足.因此,本文提出了一种两套节点格林元法的EDFM数值模拟方法.两套节点格林元法的核心思想是将压力节点与流量节点区分开,一套压力节点设置在单元顶点,另一套流量节点设置在网格边的中点,满足局部物质守恒、具有二阶精度的同时,可适用于任意网格类型.本文将两套节点格林元法与EDFM耦合,采用了非稳态渗流控制方程的边界积分形式推导了基质网格与裂缝网格之间传质量的新格式,代替了线性分布假设以提高模拟精度;此外,修正后的EDFM能适应任意形态的基质网格剖分,拓展了原始EDFM仅适用于矩形基质网格、难以考虑复杂油藏边界的局限性.研究表明:通过对比商业模拟软件tNavigator?LGR模块与原始EDFM,验证了本文模型具有较高的早期计算精度;以复杂油藏边界-缝网-SRV分区模型为例,通过对比SFEM-COMSOL商业模拟软件,验证了本文模型处理复杂问题的适应性.本文研究可用于裂缝性油藏开发动态的精确模拟.     

多尺度嵌入式离散裂缝模型模拟方法

天然裂缝性油藏和人工压裂油藏内裂缝形态多样,分布复杂,传统的离散裂缝模型将裂缝作为基岩网格的边界,采用非结构化网格进行网格划分,其划分过程复杂,计算量大。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,从而提高计算效率。然而,在油藏级别的数值模拟和人工压裂裂缝下的产能分析中,仍然存在计算量巨大、模拟时间过长的问题。本文提出嵌入式离散裂缝模型的多尺度数值计算格式,使用多尺度模拟有限差分法研究嵌入式离散裂缝模型渗流问题。通过在粗网格上求解局部流动问题计算多尺度基函数,多尺度基函数可以捕捉裂缝与基岩间的相互关系,反映单元内的非均质性,因此该方法既有传统尺度升级法的计算效率,又可以保证计算精度,数值结果表明这是一种有效的裂缝性油藏数值模拟方法。     

三维压裂缝网不稳定压力半解析求解方法

受地应力及压裂工艺影响, 大斜度井水力压裂缝网展布复杂, 缝网中存在不同倾斜方向、不同展布形态及不同贯穿程度的压裂缝. 本文通过将裂缝面离散为若干矩形微元实现裂缝形态有效表征, 将渗流过程划分为基质向裂缝流动及裂缝向井筒流动两阶段, 采用有限差分方法构建离散裂缝面内不稳定渗流数值解, 结合封闭边界面源函数及叠加原理构建基质内不稳定渗流解析解, 耦合裂缝内流动数值解与基质内流动解析解, 求解了三维压裂缝网不稳定压力. 基于积分中值定理提出了点源、特殊线源代替面源求解基质内渗流的求解方法, 分析了该方法的可行性及适用条件, 在保证模型精度的同时提升了计算效率. 研究表明, 在基质内采用点源函数面积分求解面源的方法可准确求解三维压裂缝网井底压力动态但计算效率极低, 基于积分中值定理的点源、特殊线源近似面源求解方法可大大提升计算效率, 且在裂缝微元划分较为精细(微元无因次边长小于0.15)时可取得较高精度, 基于该模型分析了裂缝导流能力、裂缝倾角、裂缝高度及裂缝段间距对压裂大斜度井典型试井曲线的影响.      

缝洞型多孔介质中多相流的有限体积法数值模拟

本文研究的碳酸盐岩油藏储集体属于缝洞型多孔介质.这类缝洞型多孔介质由裂缝、溶蚀孔洞和低孔隙度低渗透率的基岩组成.裂缝是空隙流体流动的主要通道;溶蚀孔洞大小从几厘米到数米不等,渗透率和孔隙度都很高,是流体主要的储集空间.由于缝洞型多孔介质空隙空间的复杂性和强非均质性,数值计算中基本控制方程的空间离散应采用非结构化网格的计算模型.本文采用有限体积法模拟缝洞型多孔介质中多相流体的流动,并给出了相应的单元中心格式有限体积法的计算公式.裂缝介质和溶洞介质中单元间多相流体的流动考虑为高速非达西流,其质量通量采用Forchheimer定律计算.非线性方程的离散选取全隐式格式,并采用Newton-Raphson迭代进行求解.通过两个二维模型注水驱油的数值模拟,验证了本文方法的有效性.     

基于XFEM-MBEM的嵌入式离散裂缝模型流固耦合数值模拟方法

离散缝网的表征与模拟是目前国内外研究的热点. 在非常规油气开发过程中, 由于地应力场的存在会对裂缝的流动属性产生显著影响, 若将裂缝视为静态对象, 与矿场数据会出现极大偏差, 因此要基于动态裂缝做更深入的研究. 本文针对致密油藏应力场?渗流场耦合力学问题, 提出了一种高效的混合数值离散化方法, 其中采用扩展有限元法 (XFEM) 求解岩石的弹性形变, 采用了混合边界元法 (MBEM) 精确计算基岩与裂缝间的非稳态窜流, 这两种数值格式是完全耦合的, 并对整体计算格式的时间项进行了全隐式求解, 可准确表征致密油藏开采过程中的裂缝变形及流体流动机理. 此外, 本文采用了嵌入式离散裂缝前处理算法显式表征大尺度水力压裂缝, 并考虑了支撑剂的作用; 采用了双孔有效应力原理和双重介质隐式裂缝表征方法, 可捕捉基质与小尺度天然裂缝的动态信息; 由此, 本文所提出的混合模型综合表征了基质?天然裂缝?水力压裂缝共同组成的致密油藏复杂渗流环境, 并通过几个实例论证了模型的准确性, 研究表明: 对致密油藏压裂水平井进行产能评价时, 应力场所引起渗流参数的改变及裂缝开度降低的影响不可忽略. 本文研究可为非常规油气资源的开发提供理论指导.      

缝洞型油藏三维离散缝洞数值试井模型

缝洞型碳酸盐岩油藏发育着大尺度的溶洞和裂缝,非均质性极强,缝洞型碳酸盐岩油藏问题的研究成为了世界级难题之一.由于大尺度溶洞和裂缝对储层的流体流动起主导作用,因此,基于连续介质理论的双重介质或三重介质模型已不适合其中流体流动的描述.根据大型缝洞分布地质特征,探索性地提出了一种板块组合的复合架构离散缝洞模型描述该类油藏中的流体流动,将三维空间大裂缝用板块描述,溶洞用高渗透率和高孔隙度不规则多面体团块描述.将裂缝面用二维三角形单元离散, 溶洞和基质用三维四面体离散, 利用三维混合单元有限元法对建立的不定常渗流模型进行求解,得到了三维渗流条件下的试井理论曲线及压力场分布.通过对试井理论曲线特征的分析, 获得了各敏感参数对试井曲线的影响规律.通过对1口井的实际测试资料解释结果的分析,并与实际地震反射资料及生产实际资料的对比,发现本文所建立的模型可以较好地反映裂缝和溶洞的地质动态状况,并与实际生产状况具有较好的一致性.这一结果说明了所建模型的正确性以及测试资料分析结果的可靠性.      

复杂边界稠油油藏蒸汽注采过程自适应网格法的研究

将自适应网格法推广到复杂边界稠油油藏的蒸汽注采过程,针对复杂边界附近的网格提出相应的粗化算法。首先,在实施自适应网格算法之前对边界上最精细网格上的计算参数进行预处理以提高计算精度,然后,再利用同样的预处理方法对自适应网格法中边界处的各层次粗网格的渗透率进行粗化。在建立动态AMR网格系统的网格粗化准则中,仅采用油藏温度和各相饱和度的空间变化作为控制阈值,这样边界区域在相变锋面未到达时将自适应地采用粗网格进行计算。数值算例显示边界附近自适应地采用粗网格进行计算并不影响油藏数值模拟的计算精度,自适应网格法在保持计算精度的同时,大幅度提高了计算速度。     

无网格方法求解稳定渗流问题

使用无单元伽辽金(EFG)方法求解圆形油藏中心井和矩形油藏裂缝井两种稳定渗流模型。在中心井模型计算过程中，观察到采用对数等分布置节点是最有效的；计算结果与理论解和有限元解相比较，表明无网格方法是一种比有限元更为精确的方法。裂缝井模型通过在初始节点基础之上加密节点，获得了比较好的结果，并且给出了等压力曲线图。     

计算含动边界非定常流动的无网格算法

在无网格算法中考虑了含动边界的流动问题,研究了可以计算处理包含一定位移及扭转动边界非定常流动的算法.创建了无网格算法的动点法则,并引入抗扭方法对弹簧方法进行改进来处理离散点运动,提高了方法的可用度及精度.发展了求解基于无网格的ALE方程组的算法,在点云离散的基础上采用曲面逼近计算空间导数及HLLC格式计算数值通量,运用四步龙格-库塔法进行时间推进.在跨、超音速条件下,计算模拟了典型翼型简谐振动流场,计算结果与实验结果及文献对比吻合,验证了该算法的正确性.     

曲线坐标下连通域河道平面二维水流的数值模拟

在边界拟合曲线坐标系下,运用B型交错网格模式和动边界扫描技术建立了基于连通域的二维水流数学模型,并提出了模型中有关参数的处理方法.采用贴体坐标变换将复杂的物理域变换成规则的计算域,在计算域上采用控制容积法离散方程,应用SIMPLEC算法计算速度-压力耦合.研究结果表明:采用控制容积法和SIMPLEC算法离散求解方程,具有良好的守恒性和稳定性; 该模型能够较准确地模拟连通域河段的流场变化、水位变化等过程,可供实际工程应用.     

用于ALE有限元模拟的网格更新方法

任意拉格朗日欧拉法(ALE)可以通过定义参考网格的运动,实现自由液面跟踪,完成液体晃动的数值计算. 综合用于更新网格节点的3种基本计算方法,将多方向更新网格速度的技术应用于任意拉格朗日欧拉网格节点的速度计算. 给出了水平圆柱形贮箱和椭圆形贮箱内液体晃动算例,实现了多方向更新网格运动与晃动流场计算的耦合,使ALE方法能胜任复杂几何边界下的自由液面流动的数值模拟.      

绕水翼空化流动多尺度数值研究

空化的多尺度效应是一种涉及连续介质尺度、微尺度空化泡以及不同尺度间相互转化的复杂水动力学现象, 跨尺度模型的构建是解析该多尺度现象的关键. 本文基于欧拉-拉格朗日联合算法, 通过界面捕捉法求解欧拉体系下大尺度空穴演化, 通过拉格朗日体系下离散空泡模型求解亚网格尺度离散空泡的运动及生长溃灭. 同时, 通过判断空泡与网格尺度间的关系判定不同尺度空化泡的求解模型. 基于建立的多尺度算法对绕NACA66水翼空化流动进行模拟, 将数值结果与实验进行对比, 验证了数值计算方法的准确性. 研究结果表明, 离散空泡数量与空化发展阶段密切相关, 在附着型片状空穴生长阶段, 离散空泡数量波动较小, 离散空泡主要分布在气液交界面位置; 在回射流发展阶段, 离散空泡逐渐增加并分布在回射流扰动区; 在云状空穴溃灭阶段, 离散空泡数量增多且主要分布在气液掺混剧烈的空化云团溃灭区. 在各空化发展阶段, 离散空泡直径概率密度函数均符合伽玛分布. 空化湍流流场特性对拉格朗日空泡空间分布具有重要影响, 离散空泡主要分布在强湍脉动区、旋涡及回射流发展区域.      

复杂边界条件下渗流场流线分布研究

流线分布研究已受到油藏工程师们的普遍关注。本文从无限大油藏稳态渗流场基本解出发,结合边界元方法求解出复杂边界条件下稳态渗流场的势分布,以此为基础提出了流线场的生成办法,并给出了应用实例。本文方法的优点在于求解过程中将问题的维数降低了一维,减少了计算量;计算精度较高且具有一定的普遍应用性;适应于求解任意形状的包括定压、定流量或混合边界在内的组合边界问题。实例表明,利用本文方法产生的流线分布因能够较为直观地反映出油藏流体在注采井间的运动轨迹,为优化井网和注入方案提供了重要依据。     

基于规则网络的碳酸盐岩多尺度网络模型构建方法研究

碳酸盐岩油藏非均质性强,孔隙大小变化可达好几个数量级,描述碳酸盐岩油藏多尺度孔隙特征具有重要意义.本文首先基于三维规则网络模型建立了不同物理尺寸的溶洞网络、大孔隙网络和微孔隙网络;然后提出一种耦合算法,以溶洞网络为基础,通过添加适当比例的大孔隙和微孔隙,构建出碳酸盐岩多尺度网络模型;最后对比分析了各网络模型的几何性质、拓扑性质和绝对渗透率.结果表明,碳酸盐岩多尺度网络模型能够同时描述不同尺度孔隙的几何和拓扑特征;且相比各单一尺度的孔隙网络模型,多尺度网络模型有着较高的绝对渗透率,这是由于各尺度孔隙之间的相互连通极大地提高了网络的整体连通性和流动能力,为碳酸盐岩油藏微观渗流模拟提供了重要的研究平台.     

福建海岸带地质环境背景与海水入侵的形成条件探讨

提出一种新的网格自适应方法：在需要加密的网格单元中心加入新结点,并对加密后的相邻 三角形网格单元进行公共边变换, 构成新的网格单元. 与传统的在网格边界中点加入新节点的自 适应方法相比,新方法可以更加灵活地控制网格密度,加密后的网格继承原先的网格质量不 发生畸变,并且算法编程简便,容易实现. 将自适应网格生成方法和基于特征线方程的分离 算法相结合,对空腔内不可压缩黏性流动进行了计算. 在特征线方向上进行时间步离散,动 量方程求解过程中采用非增量型分离算法. 计算中,把求解变量梯度值作为判定准则,在 变化剧烈的区域进行网格局部加密. 计算结果表明该组合算法有很好的计算精度,并有效减 少了计算时间和存储量.     

结合自适应网格的基于特征线方程的分离算法

提出一种新的网格自适应方法:在需要加密的网格单元中心加入新结点,并对加密后的相邻三角形网格单元进行公共边变换, 构成新的网格单元. 与传统的在网格边界中点加入新节点的自适应方法相比,新方法可以更加灵活地控制网格密度,加密后的网格继承原先的网格质量不发生畸变,并且算法编程简便,容易实现. 将自适应网格生成方法和基于特征线方程的分离算法相结合,对空腔内不可压缩黏性流动进行了计算. 在特征线方向上进行时间步离散,动量方程求解过程中采用非增量型分离算法. 计算中,把求解变量梯度值作为判定准则,在变化剧烈的区域进行网格局部加密. 计算结果表明该组合算法有很好的计算精度,并有效减少了计算时间和存储量.      

基于图像四叉树的改进型比例边界有限元法研究

为提高数值计算的精度,断裂力学问题的数值模拟需要在裂纹扩展的局部区域采用较密的网格,而远离裂纹扩展的区域可采用较疏的网格,且对于裂纹扩展问题的数值模拟,大多数数值方法又存在局部网格重剖分的问题.论文提出了一种基于图像四叉树的改进型比例边界有限元法用于模拟裂纹扩展问题,该方法可根据结构域几何外边界的图像全自动进行四叉树网格剖分,无需任何人工干预,网格剖分效率极高,由于比例边界有限元法本身的优势,四叉树网格的悬挂节点可以直接地视为新的节点,无需任何特殊处理.通过引入虚节点的思想,将裂纹与四叉树单元边界交叉点作为虚节点,虚节点的自由度作为附加自由度处理,并采用水平集函数表征材料内部的裂纹面,含不连续裂纹面的子域可通过节点水平集函数识别,使得裂纹扩展时无需进行网格重剖分,界面的几何特征通过比例边界有限元子域的附加自由度表征.最后,通过若干算例验证了该方法的性能,建议的改进型比例边界有限元法在求解复合型应力强度因子和模拟材料内部裂纹扩展路径时均具有较高的精度.     

压裂页岩气藏多尺度耦合流动数值模拟研究

在碳达峰的国策背景之下,页岩气成为传统能源向绿色清洁低碳能源转型的重要过渡和能源支点.压后页岩气藏流体流动力学成为高效开发页岩气的关键力学问题.文章将小尺度低导流天然裂缝等效升级为连续介质,建立有机质-无机质-天然裂缝三重连续介质模型,同时对大尺度高导流裂缝采用离散裂缝模型刻画,嵌入天然裂缝连续介质中,构建多重连续/离散裂缝模型.综合考虑吸附气的非平衡非线性解吸附和表面扩散,自由气的黏性流和克努森扩散,给出页岩气在多尺度复杂介质中的非线性耦合流动数学模型.提出多尺度扩展有限单元法对离散裂缝进行显式求解,创新性构建三类加强形函数捕捉离散裂缝的局部流场特征,解决了压后页岩海量裂缝及多尺度流动通道的流动模拟难题.文章提出的模型和方法既能准确刻画高导流裂缝对渗流的影响,又克服了海量多尺度离散裂缝导致计算量增大的问题.通过算例展示了压后页岩各连续介质的压力衰减规律,发现裂缝中自由气、有机质中自由气、无机质中吸附气依次滞后的压力(浓度)扩散现象,重点分析了吸附气表面扩散系数、自由气克努森扩散系数、天然裂缝连续介质渗透率和吸附气解吸附速率对页岩气产量的影响.文章重点解决压后页岩多尺度流动通道的表征和...     

模型燃烧室内瞬态紊流的大涡模拟

本文采用三种不同亚网格尺度模型对带有V型稳定器的模型燃烧室二维瞬态紊流流动进行了大涡模拟。并在交错网格系下用SIMPLE算法和混合差分格式求解离散方程。数值研究拟不同型式入口速度分布和不同亚网格尺度模型下模型燃烧室二维瞬态紊流流场。计算结果表明不同入口速度分布和不同亚网格尺度模型对瞬态流场和出口速度分布有一定的影响。本文通过数值模拟,揭示了V型稳定器后旋涡的产生和脱落过程。通过计算结果及实验数据的比较可知,本文采用的亚网格尺度模型可以用来模拟模型燃烧室紊流流场及稳定器后面回流区的流动情况。