油藏含砂流体渗流机理及流固耦合单井数值模拟研究

本文根据出砂油井开采过程中流体渗流和砂粒产生、运移、沉降、堵塞与油井围岩弹塑性变形动态耦合的作用机理，提出了“含砂流体流固耦合渗流数值模拟”这一新概念，并首次对含砂流体流固耦合渗流理论及数值模拟方法进行了研究，取得了突破性成果，对于易出砂储层的开采具有重要的指导意义。 本文在前人大量实验和理论分析成果的基础上，将渗流力学、岩石力学和弹塑性力学相结合，通过多学科综合研究，首次建立了一套新型的、完整的含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟理论模型：探索出了实现含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟的一系列配套技术和方法：研制了在微机上实现含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟的软件，并通过实例分析验证了本文理论、方法及软件的正确性和有效性。 在模型建立方面：本文通过多学科综合研究，创建了储层岩土骨架破坏准则和可动砂启动准则，为出砂油层流固耦合渗流单井数值模拟模型的建立打下坚实的基础。在此基础上，本文首次将流体中的可动砂作为流体中的一相进行研究，建立了流固耦合情况下流体和可动砂的运动方程以及骨架砂剥离本构方程、可动砂在孔隙表面和喉道沉降方程，并根据质量守恒原理建立了含砂流体流固耦合渗流三维四相单井黑油模型。然后根据油井围岩弹塑性变形的特点，建立了油井围岩弹塑性变形本构模型：并根据有效应力原理及平衡条件，建立了油井围岩弹塑性变形平衡微分方程。在物性参数动态模型方面，本文考虑了体积应变、骨架砂剥离、可动砂在孔隙表面和喉道沉积对物性参数的影响，建立了含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟所需的物性参数动态模型。这些准则和模型的建立，构成了完整的含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟模型。 在模型求解方面：本文根据有限差分的基本原理，研究了用于含砂流体流固耦合渗流单井模型求解的有限差分方法；根据有限元的基本原理，研究了用于出砂流固耦合油井围岩弹塑性变形模型求解的有限元方法；根据含砂流体渗流模型差分求解和油井围岩弹塑性变形模型有限元求解的基本特点，研究了在两个模型间耦合求解的方法。 在模拟器研制和实例分析方面：本文根据软件工程的基本要求，研制了含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟器；通过该模拟器对实例进行了模拟计算，证实了本文理论模型、方法与模拟器的正确性和有效性。 研究结果表明，储层中砂粒产生、运移、沉降、堵塞对流体渗流、岩土骨架变形有着明显影响，并最终影响油井的开采。因此，含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟不仅具有很强的理论意义，而且对油井开采和油田开发具有重要的指导作用。