流固-热流固耦合理论研究及其在疏松砂岩油藏防砂中的应用

摘要

国内外疏松砂岩油藏生产中广泛存在着出砂问题，出砂是此类油藏开采中遇到的难题之一，它已成为制约油田进一步开发的重要因素。目前对疏松砂岩油藏的出砂机理及预测研究还不够深入，防砂技术也没有和疏松砂岩油藏特点有机结合，工艺的选择存在一定的盲目性和随意性。本文立足于油藏出砂机理研究，将岩石受力变形和地层流体渗流结合起来，开发出砂管理技术；并加强防砂工艺技术适应性评价研究，为防砂工艺的优化选择和进步提供支持。 采用岩石力学理论和方法，试验测试了典型疏松砂岩油藏的岩石变形破坏规律和强度参数，其应力应变是非线性关系，本构方程应该选择Druck-Prager准则处理；同时实验研究了不同含水情况下岩芯力学特性和出砂量、出砂指数的变化规律，为不同含水阶段出砂预测研究提供了基础。 应用有效应力定律和连续介质力学理论，考虑了流体渗流、储层变形或破坏、液化砂粒运移等众多因素，建立了基于流固耦合形式的动态定量出砂预测模型。出砂机制主要有储层结构破坏产生粗砂和储层剥蚀产生细砂这两类，出砂过程分为两部分：第一部分主要包括孔隙性岩层骨架的变形或破坏作用，第二部分包括流体的流动和砂粒的运移。在理论研究的基础上开发了软件系统，应用顺序Galerkin有限元进行了求解验证，重点模拟分析了油藏、地层、生产参数对出砂趋势的影响和主要防砂工艺下近井地带地质力学参数的时空演化情况。结果表明：随着地层破坏和出砂，炮眼和井筒周围应力会重新分布，地层参数的变化受出砂和应力作用的复杂影响，出砂量是一个波动变化的过程——这一现象与现场和室内的观测是基本一致的。 稠油油藏原油黏度高一般采用注蒸汽开采，本文考虑了热对流的影响，建立了蒸汽注入条件下对地层压力、变形和有效应力评价的热-流-固耦合数学模型，采用FEPG软件对注蒸汽井进行了数值模拟。计算结果表明，由于地层流体高温膨胀引起的高压力，会导致位移、变形，甚至地层结构破裂；这说明了油藏热-流-固耦合研究的重要性。 在对胜利油区出砂地层岩石结构特征及粒级模型研究的基础上，采用实尺寸防砂方法评价大型物理模拟实验装置，开展了机械防砂工艺适应性评价，主要包括滤砂管与砾石充填防砂试验、挤压与非挤压充填防砂试验、地层粘土稳定与地层填砂后砾石充填防砂试验、砾石充填防砂影响因素试验等。对挤压砾石充填防砂工艺进行了优化研究，在现场应用中取得了良好的效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

创新点摘要

第1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出砂机理及出砂预测技术

1.2.2防砂工艺技术概况

1.2.3流固耦合理论及其在油田开发中的应用

1.3主要研究内容

第2章 疏松砂岩油藏出砂机理及岩石特性研究

2.1疏松砂岩油藏出砂机理

2.1.1疏松砂岩出砂的基本过程

2.1.2疏松砂岩的破坏形式

2.1.3砂粒移动

2.1.4砂拱的形成与稳定

2.1.5间歇出砂

2.1.6出砂影响因素分析

2.2疏松砂岩变形破坏规律及准则

2.2.1疏松砂岩强度参数测试

2.2.2疏松砂岩变形破坏过程中渗透率变化实验研究

2.2.3疏松砂岩变形破坏规律

2.2.4疏松砂岩变形破坏准则

2.3含水、泥质含量与岩石力学参数关系实验研究

2.3.1不同含水情况下驱替实验研究

2.3.2含水、泥质含量变化对岩石强度的影响实验研究

2.4小结

第3章 油井流固耦合出砂预测理论模型

3.1油井出砂定量预测研究进展

3.2流固耦合出砂预测模型

3.2.1岩层骨架剥蚀与变形方程

3.2.2液相流动方程

3.2.3出砂定量预测模型方程

3.3出砂预测有限元分析方法

3.3.1岩层骨架弹塑性变形有限元方程

3.3.2最小二乘有限单元法求解流体方程

3.4地层应力伤害与疏松砂岩适度出砂

3.4.1应力伤害的力学机制

3.4.2应力伤害定量评价模型方程

3.5小结

第4章 疏松砂岩出砂预测及防砂工艺数值模拟

4.1软件主要功能模块简介

4.2疏松砂岩出砂机理定量研究

4.2.1储层结构强度对疏松砂岩出砂的影响

4.2.2流体粘度对疏松砂岩出砂的影响

4.2.3地应力变化对疏松砂岩出砂的影响

4.2.4生产压差波动对疏松砂岩出砂的影响

4.2.5生产压差建立时间对疏松砂岩出砂的影响

4.3不同防砂方式模拟分析

4.3.1防砂工艺参数数值处理

4.3.2气液混排模拟

4.3.3涂料砂防砂

4.3.4砾石充填防砂

4.4小结

第5章 储层热-流-固耦合作用模型及应用

5.1三场耦合作用机理

5.2热-流-固耦合理论及数学模型

5.2.1多孔隙介质骨架变形方程

5.2.2孔隙介质单相流体渗流方程

5.2.3能量方程

5.2.4定解条件

5.3三场耦合模型数值分析

5.4小结

第6章 防砂工艺技术评价及优化试验研究

6.1出砂地层岩石结构及粒级模型研究

6.1.1胜利油区出砂地层沉积特征及岩石结构

6.1.2胜利油区出砂地层的岩石结构模型

6.2防砂方法评价物理模拟实验研究

6.2.1防砂方法评价模拟试验装置

6.2.2滤砂管防砂评价试验研究

6.2.3砾石充填与滤砂管防砂试验比较

6.2.4挤压与非挤压充填防砂试验比较

6.2.5地层粘土稳定后砾石充填防砂试验

6.2.6地层填砂后砾石充填防砂试验

6.2.7绕丝筛管砾石充填防砂影响因素试验

6.3挤压砾石充填防砂工艺优化研究

6.3.1常规砾石充填防砂问题分析

6.3.2挤压砾石充填技术优化

6.4小结

6.4.1防砂工艺适应性评价

6.4.2防砂工艺技术推荐

第7章 疏松砂岩油藏出砂预测及防砂工艺技术应用

7.1概述

7.2出砂预测技术

7.2.1孤东油田七区出砂预测

7.2.2 NB35-2油田出砂预测

7.2.3郑家-王庄油田出砂预测

7.3挤压砾石充填防砂工艺技术

7.4小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

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