低渗透油藏嵌入离散裂缝模型的数值模拟研究

摘要

在如今的油藏开发中，人工压裂技术作为重要的增产措施之一，已被大规模应用于低渗油藏开发。为了能够准确预估压裂的具体效果，确保人工裂缝可以最大限度的提升产量，需要对压裂后的油藏进行高效模拟，在此过程中裂缝的数值模型必不可少。目前可以广泛应用的导流裂缝模型主要有离散裂缝模型(DFM模型)和嵌入离散裂缝模型（EFM模型）。DFM模型考虑到裂缝的开度极小，认为可以忽略裂缝内物理量在法向上的变化，把其中的N维流动简化为N-1维。通过达西定律确定裂缝和基质间的交换流量，并以此耦合两种介质中流体的控制方程。为减少网格划分的难度，EFM模型使用正交的结构网格划分整个油藏，裂缝被认为是嵌入在基质网格中，通过类Peacman公式计算裂缝与基质网格的流量交换。单相流动问题中，两模型间的误差与网格和系统尺度之比相关，由于实际的油藏数值模拟中网格尺度远小于系统的尺度，EFM模型与DFM模型的计算精度基本相同。而对于裂缝油藏中的多相流动，由于裂缝与基质的不同流通特性，导致流体的相饱和度在裂缝处发生间断，EFM模型中忽略了该现象，因而其计算精度低于DFM模型。
　　结合DFM模型和EFM模型的优势，本文提出一种高效的裂缝模型。该模型使用正交的规则网格对整个油藏进行划分，网格系统并不依赖于裂缝分布，在模拟含有复杂裂缝的油藏时可以大大减少工作量;对于裂缝与两侧基质的流量交换，则利用裂缝与基质网格单侧插值确定，合理地描述了基质中的流场在裂缝处的间断;覆盖裂缝的基质网格不参与实际计算，而是为基质网格系统的计算提供第二类边界条件，这样可以有效避免因网格参数定义不准确而产生的误差。
　　为应用于实际的压裂油藏，将本文模型推广至交叉裂缝和裂缝网格，针对裂缝结点附近的流动特性，分别对裂缝内及附近基质中的多相流动进行修正。在裂缝的结点内，利用流体流动与电流的相似性，通过裂缝网格间的等效流通传导率，直接确定裂缝网格间的流量交换，有效地回避了对裂缝结点的模拟计算，从而使得计算时间步长大幅度增加;对于结点附近的基质，在确定与裂缝的流量交换时，通过裂缝网格独立插值计算基质区域中的压力分布，而流体的相饱和度则利用基质区域中联立所得的质量守恒方程确定。
　　基质中具有较强的毛管力，而裂缝中的毛管力极其微弱，当流体穿过基质-裂缝界面时，两种介质中毛管力的差异会对各组分的流动造成不同的影响。基质中的毛管力会使得油相组分在裂缝内聚集并难以流出，附近基质中各组分流体的趋替也会因而有所减缓。在不同毛管力条件下，本文模型的结果与DFM模型始终保持一致，而EFM模型在低毛管力条件下与其他两模型存在较大差异，随着基质毛管力的增加该差异逐渐减小。数值模拟时，基质与裂缝中毛管力的差异还会对裂缝模型的精度产生一定影响。基质中的毛管力会导致流体相饱和度的梯度在界面处发散。由于该现象发生的范围极小，裂缝-基质界面附近的计算网格需要足够的精细才可以得到准确的结果。当忽略基质毛管力时，界面处流体的相饱和度相对平缓，网格尺度变化对附近流场的计算影响比较微弱。
　　综上，本文主要对低渗油藏中导流裂缝模型进行研究，提出了一种高效的裂缝模型，并将其推广至裂缝网络油藏。该模型在划分网格时不依赖于油藏中裂缝的分布，大幅度地提高了复杂裂缝油藏的模拟效率。由于通过单侧插值的方法分别计算裂缝与两侧流场的流量交换，其计算精度高于EFM模型，与DFM模型相同，可以被应用于人工压裂油藏中多相流动的数值模拟。同时本文还研究了基质毛管力对裂缝模拟的影响，通过对裂缝-基质界面处流场的分析，发现由于两种介质毛管力的差异会导致流体相饱和度的梯度在界面处发散，因此对于高毛管力油藏，需要使用较精细的网格才能进行准确模拟。

目录

声明

论文说明

摘要

第1章 绪论

1．1 致密油气藏开发

1．2 人工水力压裂

1．3 裂缝模拟简介

1．4 本文工作

第2章 离散裂缝模型回顾及比较分析

2．1 DFM模型

2．2 EFM模型

2．3 DFM模型与EFM模型的简要对比

2．3．1 单相流动问题

2．3．2 多相流动问题

2．4 本章小结

第3章 一种高效离散裂缝模型

3．1 数学模型

3．2 控制方程的数值求解

3．2．1 油藏的网格划分

3．2．2 裂缝方程的离散

3．2．3 基质方程的离散

3．2．4 方程的迭代求解

3．3 数值算例

3．3．1 直裂缝油藏

3．3．2 斜裂缝油藏

3．4 本章小结

第4章 裂缝网络数值模拟方法

4．1 裂缝结点中的流动

4．2 结点附近流量的计算

4．3 数值算例

4．3．1 交叉裂缝油藏的数值模拟

4．3．2 裂缝网络油藏的数值模拟

4．4 本章结论

第5章 毛管力对裂缝模拟的影响

5．1 毛管力对裂缝模型的影响

5．2 毛管力对计算精度的影响

5．3 基质-裂缝界面处流场的分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 本文创新点

6．3 对未来工作的展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文