石油水力压裂过程的建模与可视化仿真研究

摘要

水力压裂是油气井增产，水井增注的一项重要措施。模拟仿真成为其过程研究的重要手段。对不同地质条件下压裂过程的模拟仿真分为二维和三维两种，但大多数仿真方法一般只是建立实际目标模型和最终模拟结果的输出，没有参数输入和结果输出之间的动态可视化输出，工程技术人员不便对于水力压裂过程作出某些高效的预测和判断。对应实际压裂施工状况，模型也有待于改进。为弥补这方面的不足，需要建立一种交互的、直观的水力压裂过程的动态可视化仿真系统。本文主要是要实现水力压裂裂缝延展过程的二维和三维建模及可视化仿真研究。 建立起符合石油水力压裂工程实际并且能满足可视化仿真要求的压裂模型。在传统的二维裂缝延展模型中忽略了滤失作用对整个压裂过程的影响，这就使模型与压裂施工实际结果产生了一定的误差。本文将滤失作用的主要的影响因素——综合滤失系数引入传统的二维模型，建立了带滤失的裂缝延展模型，并基于WindowsAPI绘图接口程序实现了水力压裂裂缝延展过程的二维可视化仿真。 由于传统方法建立的全三维压裂模型过于复杂而无法适应仿真系统可视化的要求，而拟三维模型在压裂实际应用中有一定的局限。本文采用将动态应力强度因子与拟三维模型相融合的方法，实现了拟三维模型向全三维模型的横向渗透，使模型更加符合工程实际，满足了可视化仿真的需要。同时，提出了一种新的模型算法，解决传统模型中参数耦合问题，使模型的求解向上结合全三维模型，向下联系二维模型，实现了三种模型的纵向联合，并基于MATLAB完成了水力压裂裂缝延展过程的三维可视化仿真。 按照课题的设计目标，构建了分布式的压裂仿真系统平台。以MATLAB生成COM组件完成模型计算，OpenGL绘图接口程序完成压裂模型的可视化，并结合33MAX建立压裂的背景模型，为实现水力压裂过程的全景可视化仿真系统奠定了基础。 实践证明，通过上述方法实现的石油水力压裂裂缝延展过程的可视化仿真达到了预期的效果，并顺利通过了合作单位的验收。本课题所研制出相关的仿真软件，不仅可以为业内人士提供一个直观的研究工具，同时可以提供一个可视化的技术讲座或教学培训系统。为水力压裂技术进入可视化仿真研究的新领域，改进研究手段，提高研究效率做出了一定的探索。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1选题背景

1.1.1石油水力压裂技术概述

1.1.2课题的来源、目的及研究的意义

1.2国内外研究现状综述

1.2.1石油水力压裂过程模型发展状况

1.2.2仿真技术发展及应用

1.2.3计算机图形学及可视化技术的发展

1.3本文主要研究内容

第二章水力压裂裂缝模型的研究

2.1裂缝的二维基础模型

2.2裂缝延展过程中滤失的影响

2.2.1受压裂液粘度控制的滤失系数C1

2.2.2受地层流体的压缩性控制的滤失系数C2

2.2.3有造壁性的压裂液滤失系数C3

2.2.4综合滤失系数

2.3带滤失的二维压裂模型

2.4裂缝延展三维模型的建立

2.4.1真三维动态应力强度因子的引入

2.4.2缝高的控制

2.4.3模型的边界条件和初始条件

2.5本章小结

第三章裂缝延展过程的二维可视化仿真研究

3.1二维裂缝仿真模型的建立

3.1.1缝长Lj模型

3.1.2缝宽Wx模型

3.1.3椭圆体的压降

3.1.4缝长Lj上的总压降及缝口宽模型

3.2二维仿真软件的设计

3.3基于WINDOWSAPI的裂缝延展过程的可视化仿真

3.4本章小结

第四章裂缝延展过程的三维可视化仿真研究

4.1三维裂缝模型的求解

4.1.1变隐式为显式算法

4.1.2 PKN预报—校准

4.1.3隐含未知函数处理

4.2仿真界面-GUI设计

4.3基于MATLAB裂缝模型仿真实现

4.3.1仿真模型的建立

4.3.2动态仿真的实现

4.3.3仿真数据同步显示

4.5本章小结

第五章压裂过程的全景可视化仿真平台

5.1仿真平台的构建

5.2 COM组件的生成与调用

5.2.1 COM技术

5.2.2创建Matlab COM组件

5.2.3 COM组件发布

5.2.4 COM组件在VC中的调用

5.3人机交互界面-MFC设计

5.4基于OpenGL实现三维压裂模型的可视化

5.4.1 OpenGL工作原理

5.4.2基于OpenGL建立环境模型

5.4.3实现裂缝延展模型的可视化

5.5本章小结

第六章课题总结与展望

6.1课题总结

6.2课题展望

参考文献

研究生期间发表的论文

致谢

附录