多孔介质流-固-热三场全耦合数学模型及数值模拟

给出多孔岩体介质的流–固–热三场全耦合数学模型。假定流体为单相流,固体介质为非沸腾的饱和、热弹性多孔介质,该模型由流体物质守恒方程、力学平衡方程和能量守恒方程这3个相互耦合的方程组成,其中包含了众多耦合项,并定义一系列的本构关系及耦合变量。以FEMLAB工具为基础,将该数学模型转化成为一个统一的偏微分方程组,在人机交互的环境下,实现流–固–热三场全耦合数值求解,一次解出渗流场、位移场和温度场,给出更接近真实物理过程的数值解答,避免松散耦合法求解多场耦合问题带来的误差。利用一个已知解析解和数值解的算例来证明了耦合模型及求解方法的正确性。最后模拟通过井孔向岩体中注入冷水时流–固–热全耦合过程,详细地分析全耦合作用对井壁围岩应力的影响,计算结果表明:流–固–热三场耦合作用对井壁的稳定分析有非常重要的影响。

煤层气热-流-固耦合渗流的数学模型

在煤层气的开采过程中 ,煤体变形与流体流动是相互耦合作用的。由于甲烷气的解吸热效应 ,煤层气的渗流又是一个非等温过程。因此对渗流场、变形场及温度场耦合作用下煤层气的渗流规律进行研究具有重要的意义。本文综合利用流体力学、岩石力学和传热学理论 ,给出了考虑温度场、流体渗流场和变形场作用下的水 -煤层气两相流体渗流理论 ,并给出其耦合求解的方法 ,通过数值模拟的方法 。

欠平衡钻井井底岩石的应力状态

欠平衡钻井较常规钻井钻速高,这与其井底待破碎岩石所处的应力状态有着密不可分的关系,而井底岩石的应力状态受地层孔隙压力和温度的共同影响。基于流-固-热三场全耦合基本理论,根据欠平衡钻井中井底待破碎岩石所处的实际状态,对耦合控制方程加以简化,结合与井底岩石应力状态分析相适应的边界条件,利用有限单元法研究了欠平衡钻井过程中地层孔隙压力和地层温度对井底岩石应力状态的影响机理。研究结果表明,随着钻井液液柱压力和井底岩石温度的降低,井底岩石的各个主应力均在减小,降低程度与压差和温差有关:压差和温差越大,井底岩石的各个主应力减小幅度越大。降低速率与岩石渗透率和热传导率有关,渗透率和热传导率越大,井底岩石的各个主应力变化越快,地层孔隙压力辅助破岩的效率越低。

基于THM的井壁稳定性分析

利用流-固-热三场耦合控制方程,根据井壁稳定分析所要研究的对象,对方程做必要的简化,并结合与井壁稳定性分析相适应的边界条件,用有限元法求解方程,探究流-固-热三场耦合作用下的井壁稳定性问题,为解决油气井井壁稳定问题提供理论依据.结果表明:考虑三场耦合的条件下,温度变化对井壁稳定的影响程度主要取决于岩石骨架和地层流体的热膨胀系数值及钻井液温度与地层温度差;井壁温度与钻井液温度差值越大,井壁越趋于不稳定.