流固耦合理論在特高含水期油藏開發(fā)中的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

范云鵬 周志軍 李長春

摘 ?????要： 在經(jīng)過幾十年的注水開發(fā)后，國內(nèi)大多數(shù)油藏都進入了特高含水期，這使得油藏的進一步開采更加困難，尤其是經(jīng)歷了高壓注水和循環(huán)注水等過程后，儲層壓力、地層孔隙結構和流體參數(shù)等不斷的發(fā)生變化，這導致儲層多孔介質發(fā)生不規(guī)律的變形，而這種變形同時也會影響地層流體的滲流作用，致使特高含水儲層的流固耦合作用愈發(fā)明顯。結合流固耦合理論在特高含水期油藏開發(fā)中的研究現(xiàn)狀和發(fā)展歷程進行綜述和分析，并對該理論未來的發(fā)展趨勢進行展望。

關 ?鍵 ?詞：特高含水期;流固耦合;油藏數(shù)值模擬

中圖分類號：TE341 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： ?1671-0460（2019）03-0575-04

Abstract： With the water injection development of oil field for several decades， most of the domestic oil reservoirs have entered an ultra-high water cut stage， which makes further exploitation of the oil reservoirs more difficult. Especially after the process of high pressure water injection and circulating water injection， the reservoir pressure， stratigraphic pore structures and fluid parameters constantly change， which leads to irregular deformation of reservoir porous medium. At the same time， this kind of deformation will also affect the seepage effect of the formation fluid， which makes the fluid-solid coupling of ultra-high water cut reservoir more obvious. In this article， the research status and development history of the fluid-solid coupling theory in the development of oil reservoirs with ultra-high water cut stage were summarized and analyzed， and the future development trend of the theory was forecasted.

Key words： Ultra-high water cut stage; Fluid-solid coupling; Oil reservoir numerical simulation

當油藏進入高含水期以后，由于可采儲量下降，剩余油的分布分散，使得采油效率急劇下降，并且耗水量增大，注采井組的井況日漸惡化，開發(fā)效益越來越差。但是，從儲層豐度以及油田總體產(chǎn)量來看，特高含水期的老油田依舊是整個區(qū)塊的開采主體，所以在特高含水油藏的開采方面不容小覷[1]。因此，對處于特高含水期油藏的挖潛，是關系到國家能源發(fā)展的重要因素，只有不斷的嘗試提高采收率，才能更充分的發(fā)揮老油田的經(jīng)濟優(yōu)勢。

油田的常規(guī)開采中一般都會經(jīng)歷注水開發(fā)的過程，凡是涉及到油藏數(shù)值模擬的過程就不得不考慮儲層中流體的滲流規(guī)律。從經(jīng)典的滲流理論，到現(xiàn)在的流固耦合理論，都繞不開流體與巖石顆粒之間的相互作用關系。流體在儲層孔隙中的滲流會涉及到不同方面的理論，首先必須考慮的是油藏注水過程中流體壓力的變化，進而會引起巖石顆粒的運移以及孔隙雜質的流動。在原有地層壓力平衡被打破以后，巖石骨架會趨向于下一個穩(wěn)態(tài)，這一過程中就會發(fā)生多孔介質的變形，孔隙結構的重新分布直接影響著儲層物性和流體的滲流規(guī)律;其次，由于儲層孔隙結構的重新分布，儲層空間發(fā)生變化引起流體壓力的重新分布，這反過來用于巖體的孔隙和吼道上，使得巖石骨架在受力條件下趨于新的平衡，產(chǎn)生了又一次的巖石骨架變形，直到它們之間達到一個動態(tài)平衡狀態(tài)，這就是流固耦合作用。因此，只要涉及到流體在巖石體儲層中的滲流問題，就不可避免的考慮流固耦合作用，這也稱之為儲層開采過程中應力場和滲流場的耦合效應。本文將從流固耦合理論在特高含水期油藏開發(fā)中的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢展開論述與分析。

1 ?流固耦合理論在特高含水期油藏開發(fā)中的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在石油開采的相關工藝中，伴隨著油氣的開采和運移，都會涉及到流體滲流和巖石骨架或者地層裂縫之間的強相互耦合作用，這種耦合作用會明顯的影響油藏的開采以及相關施工（鉆井、固井、完井、增產(chǎn)壓裂改造等）難度。尤其在注水開發(fā)的油藏中，當油藏到達特高含水期時，油藏內(nèi)的流體流動頻繁，對巖石骨架和孔隙結構產(chǎn)生難以估量的影響。因此針對特高含水期的油藏開發(fā)需要著重對考慮流固耦合問題。國內(nèi)外學者對流固耦合問題一直都十分看重，并且已經(jīng)成果斐然。

1.1 ?國外流固耦合研究現(xiàn)狀

在石油天然氣開發(fā)領域，國外學者在前人的研究成果之上做了大量工作，關于流固耦合的理論不斷豐富和完善。

M.Mainguy[2] 研究了油藏儲層中流體流動與巖石之間的耦合方程，通過巖石本構方程、儲層應力方程等做了進一步計算整合，編輯了新的完全耦合模擬器可以實現(xiàn)與傳統(tǒng)儲層模擬器之間的信息互換。N.Khalili[3] 提出了一種控制雙孔隙彈性介質中非等溫流動和變形的偏微分方程，用以分析雙孔彈性介質中熱流體的注入所產(chǎn)生的全耦合相關規(guī)律。D.ANDREW S.REES[4]對熱流體注入多孔介質中產(chǎn)生的局部非平衡熱效應做出研究，提出溫度對巖石多孔介質中流體的影響局部非平衡方程。Y.W.Kwon Mech[5]將Bltzmann法應用于不規(guī)則形狀流體域，對流體流動方程進行求解，開發(fā)出新的流固耦合作用分析程序，能夠解決每個時間步長的耦合瞬間流體流動和結構力學參數(shù)的精確計算，并給出2維和3維條件下流固耦合模擬實例。R.Gelet[6]針對雙重孔隙結構的裂縫性油藏采用局部分析非平衡熱流體注入條件下的熱-流-固耦合模型，運用有限元近似位移矢量描述巖石骨架變形，并用軟件模擬參數(shù)變化。

Pan Peng-Zhi[7]應用模擬多組分流體流動和熱傳遞的程序TOUGH2結合模擬巖石非線性和不連續(xù)地質力學特性的程序RDCA，集成為TOUGH-

RDCA模擬器用于多相流體存在的流固耦合應力場和滲流場的模擬分析。N.Guy[8]就蒸汽輔助重力泄油（SAGD）過程中由應力變化導致儲層內(nèi)滲透率和孔隙度的變化，建立了熱流體流動與地層巖石骨架之間的耦合方程，編寫有效的熱-流-固耦合模擬數(shù)值程序，能更好的實現(xiàn)油藏模擬過程中自適應網(wǎng)格細化過程，從而對蒸汽驅動前沿做出更精確的描述。Zhong Ruizhi[9]研究了水力壓裂過程中高壓流體和巖石骨架之間的耦合作用，通過建立一個全耦合有限元模型來模擬多個水力壓裂過程，并且針對性的模擬了高壓流體耦合作用下裂縫幾何形狀與應力變化之間的關系。

1.2 ?國內(nèi)流固耦合發(fā)展狀況

國內(nèi)在流固耦合滲流理論研究方面起步較晚，但近年來發(fā)展較快，并且由原來的單一靠現(xiàn)有的成熟商業(yè)化軟件模擬到現(xiàn)階段的自主研發(fā)軟件模擬。

2001年黎水泉等在已有變形介質滲流模型基礎上考慮了有效應力對滲流參數(shù)的影響，推導了非線性滲流模型的有限元計算格式，并編寫了流固耦合計算程序[10]。

2002年劉建軍等針對低滲透儲層的滲流規(guī)律，充分考慮啟動壓力梯度，推導計算了低滲條件下的耦合數(shù)學模型，在已有黑油模型基礎上編寫了適合低滲油藏流固耦合計算軟件[11]。

2003年周志軍做了低滲條件下油水兩相滲流的綜合分析研究，建立相關數(shù)學方程并做了數(shù)值求解，在GALERKIN有限元理論的基礎上設計數(shù)值模擬計算軟件并對低滲透油藏有關滲流參數(shù)進行模擬計算[12]。

2004年李勇通過建立孔隙度和滲透率模型研究巖石骨架變形對其地層參數(shù)的影響，進一步分析壓裂體系中流固耦合作用，編制整體壓裂動態(tài)開發(fā)模擬軟件[13]。

2005年文成楊采用Drucker-Prager原則對氣藏儲層的彈塑性做了描述，通過分析應力應變與巖石骨架之間的關系建立流固耦合全耦合模型，基于FEPG程序開發(fā)了適合氣藏的流固耦合計算程序[14]。

2007年孫輝、李玉坤等人研究了稠油熱采過程中注蒸汽對地層力學特性的影響，進一步完善了熱-流-固耦合模型，并通過GALERKIN有限元法中的全隱式解法做了求解和模擬，得到單項流中流體的壓力分布規(guī)律[15，16]。

2009年孫峰等結合油藏生產(chǎn)過程中流體對巖石骨架的影響，建立了與地層應力應變相關的穩(wěn)定性評價模型，定量分析井底附近儲層變形及應力變化情況[17]。

2010年賈善坡等人以油氣藏中基本滲流規(guī)律為基礎，建立了相關地層參數(shù)的動態(tài)演變方程，推導油氣儲層中流固耦合全耦合動態(tài)模型，并在一組注采井網(wǎng)中加以實驗驗證[18]。

2011年楊軍征等人提出了控制體積流量法的計算思路，有效的減少了流固耦合程序編寫及運算的難度。姚軍、單嫻等人針對裂縫性油藏開發(fā)過程中存在的流固耦合問題，建立了油水兩相滲透率張量和滲流壓力等參數(shù)的計算模型，運用GALERKIN加權殘量法計算后模擬驗證[19-21]。

2012年張允等人針對目前油藏數(shù)值模擬技術精度差、計算速度慢等問題，提出分區(qū)域單個計算后并行模擬的方法，實現(xiàn)了數(shù)值模擬高效、精確和可移植性的并行編程計算[22]。

2013年盛茂等人對頁巖氣藏的流固耦合方程做出改進，通過考慮氣體滲流場對巖石骨架形變影響以及各種滲流機理的作用，綜合建立了滲流模型并用有限元法和隱式解法對模型做出求解，編輯了數(shù)值模擬軟件[23]。

2015年張宏學博士對煤系頁巖儲層注氣條件下的流固耦合規(guī)律做了研究，分別建立了基于雙重介質的孔隙度和滲透率模型并用物理實驗加以驗證，得出頁巖儲層流固耦合控制方程，利用COMSOL Multiphysics軟件模擬了基質和裂縫系統(tǒng)中的耦合作用多頁巖氣采收率的影響[24]。

2016年蘇玉亮、康永尚等從多重介質耦合方面考慮頁巖氣的滲流規(guī)律，建立動態(tài)耦合模型后推導出方程的半解析解，并通過物理模擬實驗中的CT成像技術加以分析驗證[25，26]。

我國的油田進過多年的注水開發(fā)，油藏大都進入高含水甚至特高含水期，通過以往學者在流固耦合理論和實踐方面的研究，可以為特高含水期油藏開發(fā)借鑒思路，豐富研究手段，為開發(fā)高含水時期的剩余油提供理論基礎和技術手段。

2 ?流固耦合理論在特高含水期油藏開發(fā)中的發(fā)展趨勢

未來流固耦合理論在特高含水期油藏開發(fā)中的應用發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 ?由簡單發(fā)展到越來越復雜

以往在受計算機技術的限制，數(shù)值模擬涉及該方面的運算一直受到制約，隨著近年來試驗測試和計算能力的提升，耦合問題的研究從理論到實踐都有了一個長足的發(fā)展。從原來的最簡單了單孔單滲模型轉向更為負雜的雙孔連續(xù)性介質模擬以及后來連續(xù)性介質或非連續(xù)性孔隙網(wǎng)格模型的發(fā)展。從之前單一固相的介質微小彈性變形轉為更貼合實際生產(chǎn)需求的非線性有限變形問題，其中涉及到了巖體結構的彈塑性以及流變和蠕變理論。不但從滲流理論方面尋找突破，還可以從巖石力學性能性質方面考慮[27]。

2.2 ?由定性研究向精確化的定量研究發(fā)展

定量科學研究是對事物由感性（定性）認識上升到理性（定量）的一個重要手段。定量科學研究是一個典型范式，也就是基于數(shù)學模型的研究方法，常見的流固耦合問題亦是如此，再針對模型的數(shù)值求解過程中有兩種方法：有限差分法和有限元法 [28]。人們對于流固耦合理論最開始的認知只是把一些影響因素考慮在內(nèi)，對特高含水期油藏的內(nèi)部變化有一個定性的了解，對于變化的大小、幅度并沒有概念，而現(xiàn)在隨著計算機技術的日趨進步，相關理論日益完善，人們對于特高含水時期油藏開發(fā)中流固耦合問題，也由定性認知提升到日益追求精確化的定量研究，而且在未來精確度也會逐漸的提升。

2.3 ?模擬軟件逐漸成熟化和個性化

對于特高含水期油藏中的流固耦合理論的研究，對于該理論的內(nèi)涵及驗證，最開始只是停留在方程推導，建立耦合方程，這只是純理論階段。后來人們利用成熟的商業(yè)化軟件對流固耦合的過程進行模擬，從而驗證耦合項和耦合方程的合理性。而未來的發(fā)展趨勢則是由原來的單一靠現(xiàn)有的成熟商業(yè)化軟件模擬到現(xiàn)階段的自主研發(fā)軟件模擬。

3 ?結束語

在資源日益匱乏的大環(huán)境下，充分開發(fā)特高含水期的剩余油顯得尤為重要，而在該過程中考慮流固耦合問題更是有利于加深對特高含水期油藏內(nèi)流體運移和巖石骨架變形的認識。而對于長期注水開發(fā)的老油田，尤其是受到高強度注水沖刷以后，儲層地質條件變得十分復雜，以往的開采理論對現(xiàn)有狀況的指導效果收效甚微，只有從流固耦合滲流機理方面取得成效，才能精確的預測地層耦合規(guī)律、剩余油分布、地層物性參數(shù)變化等，提出更好的優(yōu)化方案、增產(chǎn)措施。

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