深埋隧洞涌水预测非达西流模型及数值模拟

由于深部岩体具有高温、高地应力、高地下水压等特点,深埋隧洞开挖必然会带来高水力梯度引起的控水断裂高流速非达西流问题。基于单裂隙高流速非达西流试验结果,建立二次型的非达西流本构模型,及非达西流影响系数与渗透率的关系式。通过构建统一的达西–非达西流本构方程,建立达西–非达西流有限元分析方法,采用共轭梯度迭代法,进行非达西流有限元方程的迭代求解。最后将理论与方法应用于深埋隧洞的涌水预测中。通过对比达西与非达西流结果表明,对于裂隙宽度较大情况,采用非达西流理论计算是十分必要的,且断层(发育溶蚀裂隙)的宽度及多条断层的交叉位置等对隧道涌水量具有较大的影响。

考虑非达西流的弱透水层固结计算

由于成岩作用的影响,深部弱透水层中的黏性土较为坚硬、致密,在这种黏土层中的孔隙渗流规律有偏离达西定律的现象,而在现有的地面沉降研究中,对深部弱透水层的固结变形计算始终沿用以达西定律为基础的固结方程进行,这显然是与实际情况不相符的。鉴于此,以孔隙渗流为非达西流为基础,对太沙基一维固结方程进行了重新推导,并采用半解析法对非达西流-太沙基一维固结方程进行了求解。分别采用达西流-太沙基固结方程和非达西流-太沙基固结方程对同一固结问题进行了计算,结果表明,考虑非达西流后土层达到某一固结度所需的固结时间较之不考虑非达西流时明显增加了,而且固结时间增长的趋势与实测的增长趋势较为一致。

低速非达西流动机理分析

对低速非达西流动现象机理的解释历来有争议。近十余年我国学者对地下油气储集层中的非达西流动现象进行了较广泛的数学模拟和实验研究 ,大多相信与流体边界层性质异常有关。边界水曾被认为是在固体表面分子剩余力场作用下形成的一种晶体结构物质 ,但早在 2 0世纪 70年代 ,这种认识已被包括提出者在内的学者们否定 ,有关实验表明 ,边界水与本体水的黏度没有差别 ,不动层厚度仅为 1～ 2个水分子层厚度。根据近代表面与胶体化学原理指出 ,液体在储集层中的低速非达西流动不应归咎于流体边界层性质异常 ,而应归咎于岩石中胶体颗粒进入孔隙流体引起的塑性流动 ;气体在含水岩样中的低速非达西流动不应归咎于水膜 ,而应归咎于气体相渗透率滞后现象导致的水在岩样中的重新分布。

气藏水平井非达西流动二项式产能试井公式

文章依据气藏水平井湍流仅发生在井附近短半轴小于10倍井半径的旋转椭球体内,而此椭球体外的流动是达西流动,可以使用水平井达西流的各种地层边界条件下的产能公式的特点,研究了高速气体向水平井流动的非达西流二项式产能公式。水平井二项式产能公式是基于气藏被分为达西流动区域和非达西流动区域二部分的公式组合,借助对水平井系列研究成果及非达西流压力梯度的二项式公式,导出了气藏水平井新型产能公式。这些新公式充分考虑了水平气井的特点,较之其它文献,如据Joshi公式导出的气藏水平产能公式,更能准确地反映水平井的渗流规律。

基于非达西流动的自支撑剪切裂缝导流能力实验研究

页岩储层有天然裂缝和弱面发育,采用大规模压裂技术对其进行改造会在改造区域形成大量自支撑剪切裂缝,该自支撑剪切裂缝在页岩气开发中具有重要作用,研究和评价裂缝导流能力的大小对页岩气开发具有重要指导意义。常用的基于Darcy流动方程推导的裂缝导流能力评价公式,不能满足流体高速流动时的裂缝导流能力评价,需要开发适合于页岩的自支撑裂缝导流能力评价方法,为页岩体积改造形成的自支撑裂缝导流能力评价提供支持。选用龙马溪组页岩储层岩样,利用自行研制的剪切-渗流耦合实验系统对样品进行剪切,形成剪切自支撑裂缝,在应力-渗流耦合条件下进行氮气流动测试,获得一组压力和气体流量数据,基于非线性Izbash定律描述气体在自支撑裂缝中流动特征方程,和基于流动特征方法建立自支撑裂缝导流能力计算公式,根据测试数据计算了自支撑裂缝的导流能力,利用裂缝导流能力计算理论气体流量,结果表明理论流量和实测流量具有很好的符合性。开展了不同剪切位移和不同围压条件下页岩自支撑剪切裂缝导流能力评价实验,结果表明,自支撑裂缝导流能力受错位程度、粗糙度等性质影响;在围压10~40 MPa实验条件下自支撑剪切裂缝导流能力在0.1~1 D·cm范围。新建立的导流能力评价方法可为流体高速流动时裂缝导流能力评价提供一种有效途径。

承压含水层中扩展井附近非达西流数值解

本文采用数值差分方法得到了承压含水层中扩展井附近非达西流情况下的数值解,并假设非达西流可以用Forchheimer定律描述,同时考虑了裂隙储水效应的影响,采用无量纲变量分析了主裂隙以及含水层中的水位降深规律,并将数值解与Boltzmann变换得到的解析解进行了比较。研究结果表明,Boltzmann变换所得到的解析解在整个抽水时期都会高估水位降深,在考虑裂隙储水效应后,抽水初期不同的无量纲紊动因子βD的水位降深曲线互相重合,且在双对数坐标下表现为直线;含水层中的水位降深在抽水初期随βD增大而减小,在抽水后期随βD增大而增大。

低速非达西流临界雷诺数实验研究

在束缚水饱和度下油驱油和残余油饱和度下水驱水的实验基础上,运用前人的低渗透油藏低速非达西判定方法,得到了束缚水饱和度下油驱和残余油饱和度下水驱低速非达西的临界雷诺数。研究表明,束缚水饱和度下油驱和残余油饱和度下水驱低速非达西的临界雷诺数不同,也就是说,驱替与被驱替介质不同,产生低速非达西的临界雷诺数不一样。分析了产生这一现象的原因,并通过实例给出了应用临界雷诺数计算出现低速非达西的临界渗流速度。

承压含水层中大口径井附近非达西流的线性化近似解与数值解

研究了承压含水层中大口径井附近的非达西流,采用线性化方法和Laplace变换得到了无量纲水位降深在拉氏空间下的解析解,采用Stehfest数值逆变换得到了实空间下的水位降深,同时得到了抽水后期和抽水稳定阶段水位降深的解析解。定义了反映非达西流动特征的水力传导度ξ,采用相应的数值解对线性化近似解进行了验证。研究结果表明,在抽水初期,不同ξ值所对应的井筒中的水位降深基本相同,并在双对数坐标下表现为一直线;在抽水后期,无论是在井筒还是含水层中,ξ越大,水位降深越小;在抽水稳定时期,水位降深随距离增大并呈幂函数递增,线性化方法在抽水初期会带来一定误差,而在抽水后期结果比较精确。

承压含水层中抽水井附近非达西流的近似解析解

本文将线性化方法和Laplace变换相结合研究承压含水层中单一抽水井附近的非达西流问题,得到了水位降深在抽水后期和抽水稳定阶段的近似解析解,并对抽水后期近似解析解的适用性进行了讨论。通过Stehfest数值Laplace逆变换得到了任意时刻任意位置水位降深的半解析解,并采用数值解对线性化方法所得到的近似解进行了验证。研究结果表明:在抽水后期,水位降深随着Izbash定律中的两个常数的增大而减小;在抽水后期,水位降深近似为时间的幂函数,在抽水稳定阶段,水位降深可以近似为距离的幂函数;在抽水后期,线性化方法所得到近似解与数值解吻合很好,而在抽水初期线性化方法则存在一定误差,会低估水位降深。

考虑非达西流的低渗透油藏水力压裂优化研究

建立充分考虑低渗透油藏渗流特征以及压裂井导流能力失效性的数学模型,并在原有黑油模拟器的基础上,实现该模型的数值求解。以井生产时所诱发的压力波为基础,基于渤海湾某低渗透油田实际数据,从极限波及区域的角度对水力压裂进行优化研究。结果表明:压裂后波及区域的增加是单井增产的主要原因;发生井间干扰时,干扰部位的极限波及区域形态可以比较直观地反映井网控制程度及剩余油分布情况;可以根据注水井和采油井在投产后压力波及系数变化开始减缓时的波及区域,确定压裂注采井的合理井距,当注采井连线与裂缝方向的夹角大于70°时,井组系统和裂缝系统的匹配性最优。

低渗油藏非达西流启动压力梯度的确定方法

针对低渗透油层低速非达西流启动压力梯度的 6类确定方法进行了全面的论述和评价。准确地确定低渗油藏的启动压力梯度 。

越流含水层中抽水井附近非达西流动模型的数值解

该文研究了以Forchheimer定律为基础的越流含水层中抽水井附近非达西流问题,获得了该条件下水位降深的数值差分解,分析了非达西流、越流和井储对水位降深的影响。结果表明:在不考虑井储影响时,抽水初期越流补给对水位降深影响较小,不同越流补给情况下的水位降深曲线相互重合;抽水后期,越流补给强度越大,水位降深越小。考虑井储影响后,在抽水初期不同越流补给和非达西流动条件下的水位降深曲线相互重合且在双对数坐标下为一直线,含水层的水位降深规律与不考虑井储情况下一致。非达西流动剧烈程度对水位降深的影响与越流补给强度有关。当越流补给较小时,紊动越剧烈(即非达西流动越明显),抽水初期的水位降深越小,而在抽水后期的水位降深越大;当越流补给较大时,整个抽水过程中紊动越剧烈水位降深越小。

气井高速非达西流动附加压降计算公式的修正

通常情况下 ,气井井轴周围的高速流动为非达西流动 ,产生附加压降。Forchheimer通过实验 ,提出了描述非达西流动的二次方程。但目前在计算平面径向非达西流动附加压降时 ,将上积分边界定为气井供气边界 ,与实际情况不符合。根据气体实际流动情况 ,对公式给予修正 ,并以实例比较了两公式计算的差别 ,证实气井实际非达西流动边界的影响不可忽略。

低速非达西流有限导流垂直裂缝模型

在低渗透油气藏中,油气藏流体的流动一般不遵循达西定律,而是低速非达西流。水力压裂已成为开发低渗透油气藏的较为常用且相当有效的增产措施,试井在分析压裂井动态方面有其独特的作用。文章针对低渗透油气藏中的低速非达西流,从渗流力学基本理论出发,在总结、继承前人成果的基础上,给出了低速非达西流下考虑表皮和井筒存储效应的有限导流垂直裂缝井三线性流动试井分析模型,用积分变换的方法求得了该模型的Laplace空间解,并利用Stehfest方法对此解进行了数值反演,作出了考虑表皮和井筒存储效应、不考虑表皮和井筒存储效应以及不同启动压力梯度下的模型的试井分析曲线。文章对上述典型曲线进行了特征分析,在考虑井储和表皮效应的情况下,对现场实例进行了拟合分析,拟合效果较好。

岩石峰后非达西流问题的探讨

许多学者从瞬态法测岩石渗透性的压差时间序列计算出渗流速度序列,发现渗流速度与压差梯度不是线性关系,认为岩石峰后存在非达西流。针对该问题,求解了瞬态法中的非稳定渗流问题解析解,发现即使在达西定律适用的情况下,瞬态法中所谓的渗流速度与压差梯度也不是线性关系。另外,利用峰后实测岩石侧向位移与渗透系数的关系、分析峰后渗流雷诺数,说明目前试验中发现的峰后高速非达西流是值得商榷的。但是随着裂隙开度的增大,水力梯度的增加,出现高速非达西流是必然的。

一维软土地基非达西流固结分析

水在土体中的渗流规律以及边界的排水情况对土体中孔压消散的快慢有较大影响。采用Hansbo提出的可同时考虑低速渗流曲线段和较高速渗流直线段的非达西流公式模拟土中水的渗透规律,利用Galerkin加权残值方法推导了半透水边界一维非达西流固结问题的有限元方程表达式,并将其编制为应用程序。利用已有的基于达西流的双面半透水边界一维固结解析解答验证了求解方法的合理性和程序编制的正确性。在此基础上对半透水边界一维非达西流的固结特性进行了分析。分析表明,Rt=200时,半透水边界相当于完全透水边界,达西流情况孔压消散快于非达西流情况。同一时刻,半透水边界条件下达西流与非达西流固结存在一个深度分界点。分界点以上,非达西流情况孔压消散快于达西流情况;分界点以下,达西流情况孔压消散快于非达西流情况。且分界点随着m的增加而变深,但随着i1的增加而变浅。

非达西流对凝析气藏的伤害

反凝析污染对凝析气井的伤害是凝析气藏开发中遇到的一个非常重要的问题,它将降低凝析气井产能,导致凝析油采收率的下降。而影响凝析气藏开发的另一项主要因素是非达西流,它将造成凝析气藏近井地区的凝析油析出、孔道堵塞、渗透率降低。文章针对上述两大问题进行了深入的研究,给出了利用实验定量测定反凝析污染程度的方法;同时结合某具体凝析气田数据,使用油藏工程方法研究了紊流对其影响的程度,利用数值模拟方法模拟了在不同紊流系数下该凝析气田开发方案。通过指标对比分析,得出了气井的非达西效应对凝析气藏开发效果的影响程度和定量研究反凝析污染和非达西流影响程度的方法,为合理开发凝折气藏提供了理论参考。

真实气体高速非达西流的单井数值模拟

在考虑天然气高速非达西渗流特征和真实气体PVT参数随压力变化基础上,建立了平面径向流下单井高速非达西不稳定渗流数学模型,模型中气体渗流符合Forchheimer二项式方程,并引入了天然气PVT参数的计算和拟压力的计算,采用数值差分方法对模型进行求解,并编制了计算软件。计算了非达西渗流以及真实气体PVT参数随压力变化对产能的影响,为气藏产能计算和动态分析提供依据。

泡沫型多孔介质中非达西流动特性的研究

本文通过将泡沫材料复杂结构进行几何简化，形成立方框架结构，利用简化的等效单元流道，提出一种数理模型，它既考虑固体网架表面对流体的摩擦阻力作用，也考虑网架迎着流向的迎风阻力（形状阻力），得到了在多孔介质中非达西流的压力降与流速的关系式。并用简化的框架结构导出了预估泡沫材料渗透率ｋ和Ｆ－Ｗ关系式中流速平方项的系数Ｆ。另外，还通过专用的实验装置测定了四种不同孔径泡沫陶瓷的ｋ和Ｆ。结果表明，根据所给模型理论预测的结果与实验值一致性较好，在泡沫型多孔材料的应用中能够提供流动特性的相关数据。