热流耦合井筒流动及其地层渗流研究

摘要

在石油勘探与开发中，通过对井底瞬时压力的反演可以了解地层中油气储量、渗透性及井壁污染等参数。由于压力和温度有很多相似之处，本文开展了对井底瞬时温度的解释反演研究以及温度效应对压力试井解释的影响与修正的研究。这样，一方面可以有效使用温度数据，另一方面在进行试井解释和储层评价时弥补了压力试井的不足。而且井筒中温度分布的准确预测是油气井设计和动态分析的重要基础，对提高采油设备的设计水平、改进油井加热方法以及地层参数计算和储油量评价等都有重要的指导意义。
　　 本文对生产井或注入井井筒和地层的温度随时间变化进行了研究，考虑了多层地层条件下井筒和地层的换热，其中地层由n个不同的热力学及物理性质的多孔介质层组成，整个系统由井筒区、热表皮区(包括套管、环空、水泥环等)及地层三部分组成。其中地层中只有水平方向的热传导，忽略垂直方向上的热传导，井筒中仅考虑流体的热对流，忽略热传导。井筒和地层的温度通过综合热传导系数联系起来。对方程组进行拉氏变换，在拉氏空间上求解，再运用数学物理方程的理论进行反演，得到井筒温度和地层温度的解析解表达式，进一步得到了温度试井所需要的图版。通过将实测温度曲线与理论图版做拟合，对实测温度进行定量解释，可得分层注入量及地层热力学参数。
　　 由于蒸汽热采会导致地层温度变化，从而使地层中流体性质发生变化，进而改变地层压力曲线的形态。本文提出一个蒸汽注采井的压力试井模型和曲线拟合方法，采用多区域径向复合油藏模型对地层进行划分，并从地层渗流方程出发得到多区域的压力扩散方程，对其进行拉氏变换，得到拉氏空间上的解，再经过反演得到压力的解析表达式，为了引入温度效应，需要对压力进行修正，于是本文引入了由温度效应引起的压力部分，得到考虑温度效应的多区域复合油藏压力典型曲线模版。在此基础上对一些实测压力曲线进行拟合，给出了解释结果。
　　 由于气体压力随温度变化而变化，本文提出一个考虑热效应的气井压力模型并给出计算方法。该模型根据根据气体在井筒中流动的特点给出了气体流动的连续性方程、动量方程及能量方程，再根据气井生产状况的不同给出相应的定解条件。由于井底与产气层相连通，井底压力来源于气体在地层中的渗流方程。文中定义了气体渗流的拟压力，给出了拟压力的气体渗流方程，由叠加原理得出变流量条件下的气井井底拟压力的半数值半解析表达式，该表达式作为井筒流动的一个边界条件。
　　 由于井底压力来源于地层，而井底压力随着时间和生产状态的变化(如变流量或关井)发生变化，因此采用井筒流动与地层渗流耦合迭代求解，即对地层渗流采用半解析半数值进行求解，渗流方程在井壁的压力分布作为井筒的底部压力边界条件，井筒流动方程采用PISO(Pressure Implicit with Splitting of Operators)数值求解，从而得到井筒中压力及速度分布，井底速度转化为流量后作为地层渗流的流量条件，这样不断迭代直至收敛，得到井筒流动及地层渗流的压力分布和速度分布。计算结果表明：热效应对井底压力曲线的早期形态影响较大，从而解释了实测气井压力曲线早期数据“异常”这一现象，不仅丰富和发展了现代试井理论，而且对地层的认识更加准确。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 背景及研究意义

1.2 井筒温度计算国内外研究进展

1.2.1 国外研究发展状况

1.2.2 国内研究发展状况

1.2.3 国内外研究现状综合比较

1.3 本文研究内容

第2章地层和井筒的热力学基础理论

2.1 岩石热物理性质

2.1.1 岩石的导热系数

2.1.2 岩石的比热

2.1.3 岩石的导温系数

2.1.4 岩石与流体的热交换系数

2.2 基本的热力学方程

2.2.1 热传导方程

2.2.2 不可压流体的能量方程

2.3 对流换热

2.4 小结

第3章气体地下渗流的相关概念和控制方程

3.1 地层参数

3.1.1 孔隙度Φ

3.1.2 渗透率Κ

3.1.3 流体的体积系数Β

3.1.4 流体的压缩系数Cf

3.1.5 井筒存储常数C

3.1.6 表皮因子S

3.2 流动方程

3.2.1 达西定律

3.2.2 连续性方程

3.2.3 状态方程

3.2.4 气体渗流微分方程

3.3 定解条件

3.3.1 边界条件

3.3.2 初始条件

3.4 均质无限大地层线源解

3.5 小结

第4章注入井或生产井井筒与地层的温度及其压力研究

4.1 温度试井的物理模型和数学模型

4.2 变量和方程的无量纲化

4.3 无量纲解析解

4.4 温度试井实例研究

4.5 蒸汽注采井地层压力研究

4.5.1 不考虑温度效应的压力模型及其曲线模版

4.5.2 考虑温度效应的井底压力模型及其曲线模版

4.5.3 考虑温度效应的试井分析的曲线拟合及其解释实例

4.6 小结

第5章气井井筒热流耦合的相关概念和计算模型

5.1 井筒与流体的物性参数和热力学参数

5.1.1 流体的粘度

5.1.2 压缩因子Z(偏差因子)

5.1.3 摩擦因子f

5.1.4 综合热传导系数Ut

5.2 非稳态的气体井筒热流耦合计算模型

5.2.1 连续性方程

5.2.2 流体的动量方程

5.2.3 能量方程

5.2.4 真实气体状态方程

5.3 边界条件和初始条件

5.3.1 初始条件

5.3.2 边界条件

5.4 小结

第6章气井井筒流动和地层渗流的耦合计算

6.1 引言

6.2 流场计算的PISO算法

6.2.1 SIMPLE算法

6.2.2 PISO算法

6.3 井筒流动和地层渗流耦合模型的数值求解

6.3.1 初始条件的计算

6.3.2 井筒流动控制方程组的离散

6.3.3 井筒流动和地层渗流耦合计算步骤

6.4 计算实例与分析

6.5 小结

第7章总结和展望

7.1 总结

7.2 创新

7.3 未来工作的展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果