稠油热采过程中的热-流-变形耦合及注汽方案优化

摘要

注蒸汽热力采油是一项复杂、技术难度大的系统工程，它涉及到油藏地质、采油工程、传热学、经济分析等多门学科，因此，科学、经济的管理好蒸汽吞吐井就必须从油藏的实际出发，研究蒸汽吞吐的热力学过程，包括井筒内饱和水蒸汽温度/压力传输、储层内多相流传质传热等，进而选定科学合理的生产方式和工作制度。本文将蒸汽在井筒及地层中的流动作为一个统一的系统，考虑井口注汽参数与地层吸汽能力之间的协调关系，建立了注汽过程中井筒高温汽/液热动力学数学模型，综合分析了油藏中温度场、流体场、固体力场之间的耦合关系和三场耦合的力学机理，建立了一个反映变温、变形油藏的热-流-变形耦合模型。在此基础上，针对水平井段吸汽不均匀问题，建立了水平井注汽参数优化模型，对注汽管柱结构和注汽参数进行研究及优化，为提高油井产能和油井采收率提供了技术支持。论文研究内容包括： 1、基于质量、动量、能量守恒及传热学理论，建立了预测井筒蒸汽压力、温度分布的综合数学模型，采用迭代法求解，计算了井筒中的压力和干度等参数的分布，同时对其进行了敏感性分析。 2、基于连续介质力学、流固耦合、耦合热弹性力学及热力学理论，建立了热-流-变形耦合数学模型，并给出了相应的Galerkin有限元公式及解耦方法。采用FEPG有限元软件对热采油藏注蒸汽过程进行了模拟计算，在初始地应力和热-流-变形耦合状态下对岩层水平位移、垂向位移、水平应力、垂向应力等参数进行对比分析。在此基础上得出了相应结论，从应用的角度说明了油藏热-流-变形耦合研究的重要性。 3、在上述研究工作的基础上，以水平段注汽均匀为设计目标，建立了水平注汽管柱压降模型、热损失模型和配注器节流模型。通过仿真与有限元数值模拟的方法，对水平注汽管柱结构进行了优化设计，给出了部分定量结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1问题的提出及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1蒸汽吞吐热力模型的研究进展

1.2.2热-流-变形耦合问题研究进展

1.3论文主要研究内容

1.4论文创新点

第二章井筒汽液两相流热力学研究

2.1井筒压降数学模型

2.2井筒总传热系数及热损失数学模型

2.3井筒与油层之间的协调关系

2.4井筒热力学计算方法

2.5井筒热力参数敏感性分析

2.5.1注汽速率对井筒压力、干度的影响

2.5.2注汽压力对井筒干度的影响

2.5.3注汽干度对井筒压力的影响

2.6井筒热力参数耦合计算分析

第三章储层热-流-变形耦合作用的理论模型

3.1热-流-变形耦合理论及数学模型

3.1.1多孔隙介质骨架变形方程

3.1.2孔隙介质单相流体渗流方程

3.1.3能量方程

3.1.4定解条件

3.2三场耦合作用机理

3.3三场耦合效应分析

3.3.1流体渗流和变温对岩层骨架变形的影响

3.3.2骨架变形和变温对流体渗流的影响

3.3.3骨架变形和流体渗流对温度场的影响

第四章热-流-变形耦合模型定量分析与算例

4.1有限元数值模拟设计方案

4.2耦合数学模型的Galerkin有限元公式

4.3算例分析

4.3.1有限元数值模型的建立

4.3.2有限元模拟结果分析

第五章水平井注汽方案优化

5.1水平注汽管柱设计方案

5.2水平注汽管柱热力学过程分析

5.2.1水平注汽管柱压降计算模型

5.2.2水平注汽管柱热损失计算模型

5.2.3配注器节流机理研究

5.3水平注汽参数优化设计软件

5.3.1软件系统设计方案

5.3.2主要功能模块简介

5.3.3软件界面介绍

5.3.4使用说明

5.4工程应用算例

结论

参考文献

附录一注汽管柱优化设计书

致谢