流固耦合油藏数值模拟
裂缝性低渗透油藏流-固耦合理论与数值模拟
裂缝性低渗透油藏流-固耦合理论与数值模拟
刘建军;张盛宗;刘先贵;胡雅档
【期刊名称】《力学学报》
【年(卷),期】2002(034)005
【摘要】根据裂缝性低渗油藏的储层特征,建立适合裂缝性砂岩油藏渗流的等效连续介质模型.将渗流力学与弹塑性力学相结合,建立裂缝性低渗透油藏的流-固耦合渗流数学模型,并给出其数值解.通过数值模拟对一实际井网开发过程中孔隙度、渗透率的变化以及开发指标进行计算,并和刚性模型以及双重介质模型的计算结果进行了分析比较.
【总页数】6页(P779-784)
【作者】刘建军;张盛宗;刘先贵;胡雅档
【作者单位】武汉工业学院土木工程系,武汉,430023;中国科学院武汉岩土力学研究所,武汉,430071;中国科学院渗流流体力学研究所,廊坊,065007;中国科学院渗流流体力学研究所,廊坊,065007;中国科学院渗流流体力学研究所,廊坊,065007【正文语种】中文
【中图分类】TE3
【相关文献】
1.流管法天然裂缝性低渗透油藏数值模拟研究 [J], 付莹;尹洪军;王美楠
2.裂缝性低渗透砂岩油藏数值模拟历史拟合方法 [J], 孙业恒
3.裂缝性低渗透油藏流-固耦合数值模拟 [J], 刘建军;冯夏庭
4.低渗透裂缝性油藏渗吸数值模拟研究 [J], 王希刚;宋学峰;姜宝益;蔡喜东;刘刚
5.生产测井资料在低渗透裂缝性油藏精细数值模拟中的应用 [J], 秦民君;李宁;郑小敏;赵慧;吴迪;张宏
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高等油藏物理 第6章-油藏数值模拟的步骤
选择合理的开发方案。
4. 数值模拟的过程
方案预测及最优方案推荐
方案预测一般包括：“新区开发方案预测”和“老区开发方案预 测” （1）老区开发方案预测
A.加密井或局部新井投产。 B.根据剩余油分布开采层段补孔； C.封堵油井高含水层； D.增大生产压差或改间歇开采等； E.增加或限制注水，根据高含水层突进方向进行平面调整； F.老井和高含水井转注； H.局部打新井完善注采关系。 I.生产井侧钻
2.计算渗流力学的步骤
建立数学模型 即建立一套描述油藏中 流体的偏微分方程组，包括 初、边值问题。 建立数值模型 通过离散化，将连续的偏微分 方程组转换成离散的有限差分方程 组，再用多种方法将非线性系数线 性化，成为线性代数方程组，然后 求解线性代数方程组
建立数学模型
建立数值模型
建立计算机模型
建立计算机模型
油藏动态预测
在油藏开发的不同阶段，利 用数值模拟进行动态预测，有不 油藏动态预测的步骤为： 同的用途
规划方案 静态 开发前期
选择模型 输入资料
灵敏度试验
动态
Kr、C fw、C
开发方案
开发初期
调整方案
开发中期
历史拟合
动态预测
定QO,Qw,Q 方案
开发后期
4. 数值模拟的过程
注意！模拟计算时常常出现迭代失败或速度很慢情况，不排除计算软件的稳
定性问题，主要和模型有关。一般需检查以下数据：是否有大量的小孔隙网 格存在？网格是否严重扭曲？是否有大量的非相邻网格存在（ECLIPSE软件有 提示）？井射孔位臵是否是错误的？含水率是否太快？模型地层是否能够提 供足够的产量，是否能够容纳配注量？迭代控制参数是否合理？相渗曲线是 否严重扭曲？
什么是油藏数值模拟
一、什么是油藏数值模拟油藏研究的主要目的是预测油藏未来的动态特征，并找出提高最终采收率的方法和手段。
油藏数值模拟是油藏研究的重要方法之一，它是以数值模拟软件为主要研究工具。
油藏数值模拟软件都是基于描述油藏地质和流体特征的数学物理方程，即所谓的“数学模型”。
把复杂的数学模型处理成适合计算机用数值方法求解的软件就是数值模拟软件。
使用这些软件，利用地震、测井等地质数据建立数值化的地质模型，结合油田油水井的生产动态资料，求解基本流动方程，模拟地下油、气、水运动，研究解决油藏开发的实际问题，这样的工作就叫作油藏数值模拟。
二、软件发展简介八十年代引进的黑油模型软件，研究了大量的机理问题和实际应用。
一体化黑油模型数值模拟软件，实现了从地质建模到油藏模拟结果的三维显示的一体化过程，大大地提高了数值模拟研究工作的效率和模拟结果精度。
另外，陆续开发了自动历史拟合、基于数值模拟的试井分析、微机机群并行计算数值模拟等一系列适合油田实际需要的软件。
九十年代末，引进的并行软件。
它不仅具有以往数值模拟软件的一体化处理功能，其并行化的程序设计可进行几十万，甚至上百万节点的模拟，模拟的井数可多达数百口，大大提高了计算速度和实际油田的模拟规模。
另外，软件还具有水驱、聚驱、气驱及稠油热采等功能，可以描述断层、裂缝等复杂的地质条件，是当今世界最流行的数值模拟软件之一。
三、数值模拟所需要的数据在进行数值模拟之前，必须要对研究的地区有全面的认识，需要尽可能多的地质资料才能刻画出较真实的地质状况。
建立数值模拟模型时首先要在被研究的油藏上选取一块相对独立的区块（最好以断层或天然边界作为其边界），建立地质模型。
将地质模型分割成若干网格块，按软件要求给出有关数据。
（1）数据结构油藏流体（油、气、水）性质数据初始化数据油藏描述数据油藏数值模拟数据流裂缝和聚合物参数时变运行数据（2）初始化数据1）描述油藏和流体性质的数据，包括油层水、油及岩石压缩系数等平衡区数据。
裂缝性地层井壁强化效果评价的流固耦合数值模拟方法与设计方案
图片简介:本技术介绍了裂缝性地层井壁强化效果评价的流固耦合数值模拟方法，通过建立井周围岩弹性变形方程，描述裂缝内流体流动方程和封堵层内流体流动方程并对其求解，将离散后的井周围岩弹性变形方程代入裂缝内流体流动方程，得到裂缝性地层井壁强化的流固耦合方程组并求解；最后将基础参数带入流固耦合方程组中，模拟不同参数组合条件下封堵裂缝的力学响应特征、宽度演化特征及流量分布特征。
本技术系统考虑了井壁强化过程中封堵裂缝内的复杂流动形态及多力耦合作用下的封堵层变形和渗流特征，消除了常规方法选用恒压边界条件或非渗透封堵层的局限性，提出的流固耦合数值模拟方法能够为裂缝性地层井壁强化参数设计及效果评价提供理论支撑和技术指导。
技术要求1.裂缝性地层井壁强化效果评价的流固耦合数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立井周围岩弹性变形方程，并给出初始与边界条件；S2、根据质量守恒方程和连续性方程，分别建立描述裂缝内流体流动方程和封堵层内流体流动方程；S3、对井周围岩弹性变形方程和裂缝内流体流动方程求解，将离散后的井周围岩弹性变形方程代入裂缝内流体流动方程，得到裂缝性地层井壁强化的流固耦合方程组，最后对流固耦合方程组进行求解；S4、将基础参数带入流固耦合方程组中，模拟不同参数组合条件下封堵裂缝的力学响应特征、宽度演化特征及流量分布特征。
2.根据权利要求1所述的裂缝性地层井壁强化效果评价的流固耦合数值模拟方法，其特征在于，步骤S1中，所述井周围岩弹性变形方程为：其中公式(2)中，式中，Hij(i,j＝n,s)为任意坐标位置应力分量的超奇异格林函数，MPa/m；fxy,fyy为函数f偏导数有关的应力分量，m-1；fxyy,fyyy为函数f偏导数有关的应力分量，m-2；σH为最大水平地应力，MPa；σh为最小水平地应力，MPa；σn表示裂缝面上的法向应力分布，MPa；Pf为裂缝内流体压力，MPa；为第j个单元的法向位移不连续，m；为第j个单元的剪切位移不连续，m；L为裂缝长度，m；R表示井眼半径，mm；E表示弹性模量，GPa；v为泊松比，无量纲；s为沿裂缝长度方向任意位置处裂缝单元的横坐标，m；β为裂缝单元局部坐标系与全局坐标系x方向的夹角，°。
汽轮机通流部分热-流-固耦合数值模拟计算
－
（ ２ ）
（ ３ ）
（ ） ４
（ Ｐ Ｕ ｉ ｅ ） ｄ 毒 Ｇ ｋ ＋ Ｇ ｂ — ｐ ｅ
湍 流 动能耗 散率 方程 ：
— ａ ｘ （ ： １ ％ ＋ Ｅ ］ ｌ ｉ ２ － Ｃ ２ ， ｆ １ ％ 坳 ｌ １ “ｋ ２ ｅ Ｐ 了
ｉ
此处 表示分子粘度 。 方程组 中系数 ＝ １ ． ０ ，％ ＝ １ ． ３ ， Ｃ １ ＝ １ ． ４ ４ ， Ｃ ２ ＝ １ ． ９ ２ 。 在流场近壁 区， 采用标准 壁 面 函数 法 进行处 理 。
２ ． １ ． ２ 汽轮机 通 流部 分流 固热耦 合模 型
法的飞速发展 ，利用计算流体动力学 （ Ｃ Ｆ Ｄ） 进行数值模拟可以真实地模拟热流固耦合现象。 耦合 场 的分 析需 要考 虑蒸 汽 与汽 轮机 转子 、叶片 、 汽缸 之 间的交 叉作 用和 相互 影响 ，由于蒸 汽和 转子 、
叶片、汽缸壁之间的换热受蒸汽流场以及温度场的影响，反过来又影响蒸汽流场和温度场的分布，因此 ，
１ 数值方法简介
Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 软件采用有限体积法 （ Ｆ Ｖ Ｍ），微分方程的离散根据计算的不同需要有多种精度可选。采用压 力校正法求解低速不可压流动，在可压缩流动中则采用耦合解法 （ 连续方程 、动量方程与能量方程联立求 解 ）。湍流模型采用二方程模型 ，有 ｋ － ｅ 模型 、ｋ － ｗ模型等。 计算 中，动、静叶间的连接根据计算的不 同可以采用多种方式 ，如稳态的级连接方式与瞬态的级连接 方式 。稳态的级连接方式在工程分析中应用广泛 ，这种方式在动 、静参考系的求解中同时使用周向平均 ， 得到定常解 ， 在滑移的交界面上产生一个混合损失 ， 它计算 了两个叶片排之间的时间平均交互影响 ，忽略 了叶片排之间的瞬态交互影 响。
流-固耦合的数学模型
流-固耦合的数学模型
流固耦合是指流体和固体之间相互作用的现象，它涉及了流体
动力学和固体力学两个领域。
建立流固耦合的数学模型可以帮助我
们更好地理解和预测这种复杂的相互作用。
在数学上，建立流固耦合的模型可以采用多种方法。
首先，我
们可以使用偏微分方程描述流体的运动，如Navier-Stokes方程，
同时使用弹性力学方程描述固体的变形。
然后，通过适当的边界条
件和相互作用条件，将这两个方程耦合在一起。
这种耦合可以通过
将流体和固体的速度、压力、位移等物理量在流固界面上进行匹配
来实现。
另一种建立流固耦合模型的方法是使用有限元法或有限体积法。
这些方法可以将流体和固体的运动方程离散化，然后通过相互作用
界面将它们耦合在一起。
这种方法在工程实践中得到了广泛的应用，因为它可以处理复杂的流固耦合问题，并且可以考虑到材料的非线性、大变形和接触等现象。
除了数值模拟方法，还有一些解析方法可以用于建立流固耦合
的数学模型，如边界元法和格林函数法。
这些方法在特定情况下可
以给出精确的解，但通常适用于简单的流固耦合问题。
总之，建立流固耦合的数学模型涉及到流体力学和固体力学的基本方程，以及适当的边界条件和相互作用条件。
通过合理地耦合这些方程和条件，我们可以得到描述流固耦合行为的数学模型，从而更好地理解和预测流体和固体之间复杂的相互作用。
运动活塞的流固耦合数值模拟
A fluid-structure interaction algorithm applied to the piston of movementGUO Pan a WU Wen-hua a*Liu Jun b(aState Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment,Department of Engineering Mechanics,Dalian university of technology,Dalian116024,China)(b State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment,School of Aeronautics and Astronautics,Dalian university of technology,Dalian116024,China)Abstract:The algorithm of transmission in information on the fluid-solid interface should be addressed of the loosely coupled algorithm which is simple and computationally efficient numerical method on simulation of fluid-structure interaction problems.It is impossible to ensure, theoretically,the equivalence of the velocity and displacement conditions at the same time.Piston problems,have the analytical solution,is solved by the loosely coupled algorithm of new GCLin this paper which based on the equivalence of displacement.The examples show that good performance of the new algorithm on the precision.And the combination of the Newmark method and the CFD has a good prospect in the numerical simulation of fluid-structure interaction.运动活塞的流固耦合数值模拟郭攀a，武文华a*，刘君b(a大连理工大学运载工程与力学学部，工程力学系，工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连116024)(b大连理工大学运载工程与力学学部，航空航天学院，工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连116024)摘要松耦合算法在数值模拟流固耦合问题时具有应用简单和计算高效的优势，但是需要解决流固界面上的信息传递算法。
基于流固耦合的立式拱顶储罐油气爆炸数值模拟
基于流固耦合的立式拱顶储罐油气爆炸数值模拟欧益宏;李润;袁广强;李国庆;王世茂【摘要】针对1000m3立式拱顶储罐内部油气爆炸进行了数值模拟,并对625 L模拟储罐进行了模型实验验证,对耦合条件以及非耦合条件下储罐内部爆炸流场发展,不同测点超压变化进行了对比分析,同时对耦合条件下储罐结构响应进行了研究.结果表明:①非耦合条件与耦合条件下流场发展以及超压变化趋势基本相同,但耦合条件下储罐内部完全燃烧时间比非耦合条件下慢60 ms,超压荷载峰值比非耦合条件下小10％左右.②爆炸时,储罐顶部变形最大,最大应力区域出现在顶-壁,底-壁连接处,考虑到实际工程情况,设计时应遵循“弱顶盖连接设计”原则.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2018(037)022【总页数】8页(P231-237,268)【关键词】拱顶储罐;油气;爆炸;流固耦合;数值模拟;湍流【作者】欧益宏;李润;袁广强;李国庆;王世茂【作者单位】陆军勤务学院油料系,重庆401311;陆军勤务学院油料系,重庆401311;陆军72489部队,山东烟台265301;陆军勤务学院油料系,重庆401311;陆军勤务学院油料系,重庆401311【正文语种】中文【中图分类】X932随着石油化工事业的发展，储油罐安全问题日益增多[1-3]。
油罐区爆炸火灾事故时有发生，容易造成重大的伤亡。
因此，为确保库区安全，需要对储罐爆炸发生发展过程以及罐体结构响应进行分析研究。
国内外许多学者针对储罐内部可燃气体爆炸发生发展规律进行了研究，在不同容积模拟储罐内部进行了实验[4-5]，对密闭空间内部着火模式[6-7]、超压荷载变化规律[8]进行了研究，同时采用不同燃烧模型[9-10]对不同容积[11]、罐顶结构[12-13]的大型储罐结构内部可燃气体爆炸进行了CFD数值模拟,得到了不同因素对储罐内部火焰形态，爆炸冲击载荷的影响。
由于储罐爆炸过程及其复杂，主要包括内部油气爆炸，爆炸冲击压力波的形成与传播，冲击波与储罐结构的相互作用，目前的研究大多将壁面视为刚体，不考虑结构变形对流场发展情况的影响，事实上，储罐爆炸过程是一个典型的流固耦合过程，针对耦合条件冲击响应问题，胡可等[14-15]利用采用TNT当量模型对立式柱形容器内部蒸气云爆炸进行了数值模拟进行了研究，发现耦合效应对爆炸载荷的影响很小，在计算时可将结构视为刚体，Aune 等[16-17]对薄金属板进行了冲击试验以及数值模拟研究，发现耦合条件下的结构变形更小，且更符合工程实际，在计算时不能忽略耦合效应。
流固耦合理论在特高含水期油藏开发中的研究现状与发展趋势
流固耦合理论在特高含水期油藏开发中的研究现状与发展趋势特高含水期油藏是指水含量高达70%以上的油藏，由于含水率高，这类油藏在开发过程中会面临诸多挑战。
流固耦合理论是研究流体和固体之间相互作用的理论，近年来在特高含水期油藏开发中得到了广泛的应用。
本文将对流固耦合理论在特高含水期油藏开发中的研究现状和发展趋势进行探讨。
一、特高含水期油藏的挑战及对流固耦合理论的需求特高含水期油藏的开发面临着诸多挑战，主要包括以下几个方面：1. 残余油的开发难度大。
由于含水率高，残余油往往被水包围，油水界面模糊，难以准确确定残余油的位置和分布情况。
2. 油水混产严重。
在开采过程中，由于油水界面的不明显，会导致油水混产现象严重，降低了开采效率，增加了开采成本。
3. 地质构造复杂。
特高含水期油藏地质构造复杂，地层中存在大量裂缝、孔隙和岩石间隙，影响了油藏的渗流性能。
针对这些挑战，流固耦合理论的应用成为了特高含水期油藏开发的重要手段。
流固耦合理论可以帮助我们更加准确地了解油藏的流体运移特性和固体结构特征，从而指导油藏的开发工作。
1. 流固耦合数值模拟方法的研究。
通过数值模拟方法，可以模拟油藏中流体和固体的相互作用过程，从而预测油水流动规律、确定油水分布情况等。
2. 流固耦合实验研究。
通过在实验室中建立流固耦合实验模型，可以直接观察油藏中流体和固体的相互作用过程，从而深入了解油藏的开采规律。
3. 流固耦合理论在油藏地质调查与评价中的应用。
流固耦合理论可以帮助我们更准确地评价油藏地质构造、确定油藏渗流性能等，为后续的开发工作提供重要依据。
1. 流固耦合理论与人工智能的结合。
将流固耦合理论与人工智能技术相结合，可以更加准确地预测油藏的开发规律，为油藏开采过程提供更精确的指导。
2. 流固耦合理论在油藏监测与控制中的应用。
通过流固耦合理论，可以实现对油藏开采过程的实时监测与控制，提高开采效率，降低开采成本。
3. 流固耦合理论与新材料技术的结合。
油藏数值模拟与cmg操作简介
案例二：CMG操作在某油田的应用
总结词：有效增产
详细描述：某油田采用CMG操作，有效提高了油田的采收率和产能，降低了开发成本。
案例分析：该油田在开发后期，面临采收率低、生产成本高等问题。通过引入CMG操作，优化了油田的 生产参数，提高了采收率和产能，同时降低了开发成本，为油田的可持续发展提供了保障。
案拟与 CMG操作相结合，实现了协同增效， 进一步提高了油田的开发效果和经济 效益。
案例分析：该油田在开发过程中，同 时面临储层复杂、生产参数调整难度 大等问题。通过结合油藏数值模拟和 CMG操作，对储层进行精细描述和模 拟预测，优化了CMG操作参数，实现 了协同增效，提高了油田的开发效果 和经济效益。
应用领域与优势
应用领域
油田开发、油气田评估、生产优化等。
优势
能够模拟复杂油藏的动态变化和油、气、水的流动情况，提供科学依据，提高 油田开发的经济效益和成功率。
02
CMG操作简介
CMG软件概述
综合性
01
CMG软件是一个综合性的油藏工程软件，集成了数值模拟、地
质建模、生产优化等功能。
模块化
02
CMG软件采用模块化设计，可以根据用户需求选择不同的模块
04
油藏数值模拟与CMG操作的发展趋
势与挑战
发展趋势
精细化模拟
随着油藏地质模型的精度不断提高，数值模拟将更加精细化，能 够更准确地预测油藏的动态变化。
多物理场模拟
将地质、流体、热力学等多物理场纳入模拟范围，提高模拟结果的 准确性和可靠性。
智能化模拟
利用人工智能和机器学习技术，实现模拟过程的自动化和智能化， 提高模拟效率和精度。
主要观点总结
油藏数值模拟是预测油田开发效果和制定开发方案的重要 手段，通过模拟可以预测油田在不同开发条件下的产量和 压力变化，优化开发方案，提高油田采收率。
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流固耦合油藏数值模拟
随着石油工业的发展以及解决复杂石油工程问题的需要，流固耦合渗流的研究越来越
受到高度重视。在油藏开采过程中，油藏流体渗流与岩土变形是相互影响、相互制约的，
即油、气、水的渗流与开采要引起油藏应力的重新分布，并导致多孔介质的变形；而多孔
介质的变形则导致油藏孔隙体积的改变，引起油藏物性参数（特别是孔隙度、孔隙压缩系
数和渗透率）的变化，反过来影响油藏流体的渗流与开采。由此可见，油藏是一个流体渗
流与多孔介质变形的动态耦合统一体。因此，本质意义上的油藏数值模拟应该是对油藏流
体渗流与岩土变形的动态耦合作用过程进行仿真模拟，既要对流体的渗流过程进行模拟，
又要对岩土的变形过程进行模拟，并要体现出它们之间的动态耦合作用关系。
常规油藏数值模拟基于纯渗流力学理论，在模拟流体渗流时，不能同时对岩土变形过
程进行模拟，无法考虑流固耦合作用下油藏物性参数的变化对油气渗流的影响。用它作为
预测手段，预测流固耦合作用下的油藏开采动态是困难的，并且经常造成较大的误差。
一、 基本原理
流固耦合油藏数值模拟的数学模型由两部分组成，即流固耦合作用下的渗流数学模型
和流固耦合作用下的岩土变形数学模型
1、 流固耦合作用下的渗流数学模型
2、 流固耦合作用下的岩土变形数学模型