流固耦合理论的发展及其在储层出砂预测中的应用

秘臻蠢趁　流固耦合理论的发展及其在储层出砂预测中的应用　张晓斌’　李素芹’马丹　１．中国石油大学（华东）石油工程学院　山东青岛　２６６５８０　２．长庆油田第五采油厂【摘　要】本文介绍了储层中岩体（即岩石骨架）与孔隙中流体相互耦　陕西榆林７１８６００　ＤｅｎｎｉｓＣｏｏｍｂｅ等人建立了稠油冷采的动力学一地质力学耦合模　合理论的发展过程，并就该理论在储层开采过程中出砂预测方面的具体应　型，该模型包括多孔弹性、塑性介质中的力学方程，流体流动的连续性　用进行了研究。研究结果表明，地下流固耦合理论的进一步发展对解决储　方程等，对储层孔隙中可动砂的运移速度等进行了估算。　层生产中出砂预测等一系列问题有重要的意义。　Ｉ关键词】流固耦合；发展；储层出砂　在国内，董平川等人将Ｂ０ｉｔ理论推广到多相渗流和岩体弹塑性情　形，并针对油、气开采问题，在已有流固耦合数学模型及其有限元数值　模拟的基础上开发了储集层流固耦合数值模拟软件，并应用到了石油工　引言　程中的一些具体问题中。　流固耦合理论是渗流力学、岩土力学、流体力学等多门学科交叉生　冉启全等人首次用固相质点速度为耦合变量，建立了弹塑性储层中　产的力学分支学科，是研究地下储层中流体与岩石骨架相互作用的一门　小变形条件下多相多组分渗流耦合模型，且得到了数值解，并在石油工　科学。近年来，由于石油工业的发展、复杂的石油工程问题解决的需要　程一些领域中有了一定程度的应用。　等，流体耦合理论在石油的开采过程中已受到人们的高度重视。　薛世峰等人建立了非混相饱和两相渗流与空隙介质耦合作用的数　１、地下流固耦合理论发展概况　学模型，并推导了用解耦方法建立的有限元计算格式。随后又建立流固　近年来，随着实验状况和计算模拟水平的发展，流固耦合问题在理　耦合形式的出砂定量预测理论模型，并应用有限元数值解法定量分析　　论和应用方面都取得了可观的进展。主要表现在：由简单的单相渗流发　与出砂过程相关的岩石结构变形、地层渗透率变化等参数。展到复杂的多相渗流，由基本的单一孔隙介质模型发展到更为接近实际　中国石油大学的孙辉博士，研究建立了基于流固耦合形式的出砂预　油藏状况的双重（空隙一裂缝）连续介质及拟连续或非连续的裂隙网络　测模型，并开发了有限元程序计算软件，实现了疏松砂岩油藏动态定量　介质模型；由固相介质弹性小变性的假设转为研究更为接近油藏实际的　出砂预测，且该软件能对不同防砂方式进行评价，为工艺参数优选提供　非线性本构关系（粘弹性、弹塑性、蠕变）；数学理论的发展及其应用改善　指导。　了对理论模型的评定和求解能力。　３　结论与建议　关于流体与固体相互耦合的研究，最早来源于Ｔｅｒｚａｇｈｉ关于饱和　本文介绍了地下流固耦合理论的发展过程及其在储层出砂预测中　土的一维固结的研究。通过研究饱和流体的可变形多孔介中的流动一　的发展与应用的过程。尽管在过去的几十年里流固耦合理论及其在储层　变形问题，提出了有效应力原理。该公式在岩土力学中得到了广泛的应　出砂预测中应用得到了快速的发展，在出砂预测模型的建立等方面等方　用，迄今仍是研究岩体和流体相互作用的基础公式之一。　面都得到了完善的解决。但是，由于流固耦合问题是强非线性问题，若　Ｂｌｏｔ将Ｔｅｒｚａｇｈｉ的一维有效应力理论推广到了三维，研究了各向变　要得到模型的更加精确的解，还需借助于更完善的渗流力学、数学理论　形材料的变形特征与储层中流体压力的相互作用，在对材料变形、流体　等及更加先进的计算机处理技术。　流动规律及可压缩性等各方面进行了假设的基础上，提出了完善、经典　的三维固结理论，给出了解析型的计算公式，奠定了流固耦合理论研究　的基础。　随后，Ｓａｖａｇｅ将Ｂｉｏｔ理论发展到了各相同性的弹性孔隙介质中，　ＺＬｅｎｋｏｗｗｉｃｚ在考虑了非线性的基础上，提出了广义的Ｂｉｏｔ理论。　在上述理论研究的基础上，Ｖｅｒｒｕ￣ｔ进一步发展了多孔介质骨架与　其中饱和的多相渗流之间相互耦合的理论模型，在连续介质力学的基　础上，建立了Ｅｕｌｅｒ型多相流体运移和变形孔隙介质耦合的理论模型。　２．地下流固耦合理论在储层出砂中的应用　储层开发中，生产井的出砂问题是一个典型的流固耦合问题：流体　质点不仅要在储层这种多孔介质中发生流动，而且会对储层的岩石骨架　施加载荷，使得岩石骨架的应力状态发生变化，使之产生变形甚至破坏　脱落，而脱落的部分颗粒会随流体进行流动，对流体质点的渗流规律造　成影响。　按照耦合机理的不同流固耦合问题可分为两大类：一、流固耦合现　象只出现在流体相与固体相的交界面上，耦合问题是由两相耦合面的　平衡关系在模型中体现；二、流体相与固体相相互重叠，耦合问题要通　过微分方程在模型中体现。在地下储层流固耦合问题中，储层岩石骨架　参考文献　与其中流体相互叠加，属第二大类。　［１】薛世峰，全兴华，岳伯谦等．地下流固耦合理论的研究进展及应　在基于流固耦合理论的储层出砂预测模型的建立过程中，需考虑　用．石油大学学报（自然科学版），２０００，２４（２）：１　０９－１　１　５．　出砂机理等多种因素的影响，选用不同的控制方程、应力一应变本构关　［２］郭衍茹，练章华，魏臣兴等．气井的流固耦舍渗流场分析【Ｊ】．断块　系、质量守恒方程、本构方程等。流体相与固体相的相互耦合作用是通　油气田，２０１２，１　９（４）：４８Ｉ－４８４．　过控制方程体现，在描述流体相的控制方程中要有体现固体相影响的　项，在描述固体相控制方程中有体现流体相影响的项。　【５】董平川，徐小荷，何顺利．流固耦合问题及研究进展．地质力学学　报，２００１，５（ｉ）：１　７－－２６．　在国外，Ｙａｆｌｏｎｇ　Ｗａｎｇ等人提出了模拟储层中流体流动的全耦合　【４】薛世峰，马国顺，于来刚等．流固耦合模型在定量预测油水井出　模型，对储层出砂量等进行了估算。该模型给出了储层中流体流动的连　砂过程中的应用．石油勘探与开发，２００７，５４（６）：７５０－－７５４．　续性方程和运动方程，模型中的岩石骨架的体积应变（或位移）满足莫　尔一库仑岩石弹Ｊ眭屈服准则，储层渗透率的变化￣ｔＫｏｚｅｎｙ－Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ或　Ｃａｒｍｅｎ—Ｋｏｚｅｎｙ关系式确定。　’张晓斌（１　９８７．１　２－），女，山东省潍坊市，在读研究生，现就读　于中国石油大学（华东）油气田开发工程专业。