平面非均质油藏合理布井方式实验研究

建立平面非均质油藏物理模型,在物理模型上布置饱和度测量电极,测量含油饱和度场的变化,研究不同类型平面非均质油藏采用不同布井方式的渗流规律和驱油效果,实验结果表明,布井方式对平面非均质油藏开采效果有显著影响,在选择布井方式时应充分考虑水驱、聚合物驱、聚驱后化学驱的驱油效果,总体来说,注采井的主流线应与沉积相带的延伸方向垂直、且注入井布在高渗带、采出井布在低渗带的布井方式,经过水驱、聚合物驱、聚驱后二元驱3个驱替阶段后最终采收率最高。     

三元复合驱提高石油采收率渗流机理的实验研究

通过建立纵向非均质油藏物理模型, 在物理模型上布置压差传感器和饱和度测量探针, 测量三元复合驱的开采效果、压力场和饱和度场变化, 研究三元复合驱提高采收率的宏观渗流机理. 渗流场变化是三元复合驱提高采收率的重要原因, 油藏内压力变化和饱和度变化是非线性耦合在一起的, 它们之间的相互作用导致了三元复合驱渗流场的变化. 对于纵向非均质油藏, 三元复合驱提高采收率的机理是: 高渗层内主要通过驱替残余油, 提高驱替效率而提高采收率, 渗流场的变化使三元复合剂波及到中低渗层, 驱替出中低渗层的剩余油, 同时提高宏观波及效率和驱替效率而提高中低渗层的采收率.     

多尺度非均质多孔介质模拟及参数灵敏度分析

针对多孔介质非均质固有的多尺度性和单一观测资料的局限性, 提出了将确定性和随机性方法相结合以模拟非均质体, 并以海岸平原沉积环境为例, 来说明并检验. 首先, 依据转移概率矩阵, 判断和划分非平稳不整合面, 并综合水文地层学分析, 建立了区域(大)尺度确定性层序模型. 其次, 利用岩心记录剖面和CPT资料, 确定了水文沉积相的水平平均长度, 建立了各沉积系统的Markov模型, 得到了局部(中等)尺度随机水文相模型. 最后, 层序模型和相模型相结合, 生成了融合定量与定性观测资料,兼具确定性与随机性的多尺度非均质模型. 此外, 为进一步研究模型参数的不确定性对溶质运移的影响, 重建了代表两类非均质模型的多个虚拟体, 并分别用来模拟地下水流和污染物运移的过程. 灵敏度分析表明, 水文相水平平均长度的拉长, 一般会导致污染物弥散云的第1, 2阶空间矩趋于增大.     

水驱油两相流物理模拟相似参数的敏感性分析

提出了相似参数的敏感性分析方法, 定义了表征目标函数对相似参数依赖程度的敏感因子. 以五点法井网为基础, 建立了考虑重力、毛管力、油水和岩石压缩性等因素影响的三维两相水驱油物理模拟的相似准则. 通过相似参数的敏感性数值实验, 定量分析了各个相似参数对于水驱油计算结果的影响程度, 即对各个相似参数的敏感因子进行比较, 确定了各个相似参数的主次关系. 结果表明: 各个相似参数的敏感因子在10^-4 ~10⁰, 为定量确定水驱油物理模拟主要相似参数, 实现部分相似提供了理论依据和设计原则.     

非均质底水油藏水平井沿程水淹模型

地层非均质性和井筒压降是水平井沿程见水不均匀的两个重要影响因素.本文建立了底水油藏地层两相渗流与水平井井筒变质量流的耦合模型,并给出求解方法.保持井筒沿程平均渗透率和变异系数不变,构造不同的渗透率分布,并以此为基础,利用所建模型对井筒沿程产液剖面与渗透率剖面关系、井筒沿程含水率变化规律和水平井井口含水率变化规律进行分析.研究表明,由于井筒压降的作用,沿程渗透率分布对水平井含水率的变化有很大的影响,井筒沿程产液剖面与渗透率剖面相关性沿流体流动方向逐渐变差;在井口定产液量的条件下,高渗带与跟端距离越近,高渗带处产液量越来越大、水平井见水越早、井口含水率上升得越慢、开发效果越差.     

非均质材料凝固过程分析——理论和实验

分析了两相非均质材料（如闭孔泡沫金属）的凝固过程,给出了可以精确预测非均质材料凝固界面位置以及凝固所需时间的解析解。用蒸馏水作为连续介质,采用试验及数值模拟分别对泡沫金属的凝固过程以及单个孔周围的材料凝固行为进行了研究,结果与理论预测吻合良好。在此基础上,定量分析了孔隙率、孔的形状（如三角形、五边形、圆形孔）等对凝固过程的影响,确定了多孔介质等效热传导系数理论中的孔形状因子。     

多孔介质发动机压燃着火的数值研究

多孔介质发动机能够实现发动机内的均质和稳定燃烧．为加深对多孔介质发动机特性的了解,用改进的KIVA-3V对一种形式的多孔介质发动机燃用气体燃料的工作过程进行了模拟,并讨论了多孔介质初始温度和多孔介质结构及燃料喷射时刻对多孔介质发动机实现压燃着火的影响．针对Zhdanok等人的甲烷预．空气预混合气过滤燃烧的实验,用改进的KIVA-3V进行了数值计算以检验模型的合理性,燃烧波的计算结果与实验结果吻合得很好．计算结果表明在压缩比一定时,多孔介质初始温度是决定多孔介质发动机能否压燃着火的重要因素;改变多孔介质的结构会影响多孔介质内气固两相的换热和多孔介质的弥散作用,多孔介质孔隙大小是影响多孔介质发动机压燃着火的主要因素;在上止点附近起喷燃料不能实现多孔介质发动机的压燃着火．     

基于黑油的多组分聚合物驱数学模型

为准确模拟不同种类聚合物交替注入进一步提高驱油效果的现象,考虑多种类型聚合物的混合增黏作用、竞争吸附作用以及由此导致的渗透率降低作用,构建了基于黑油的多组分聚合物驱数学模型,进而结合CPR(Constrained Pressure Residual)预条件GMRES算法给出了全隐式高效求解程序,并研究了交替注入增效的力学机制以及交替周期数的影响.研究表明:交替注入通过使注入介质更好地匹配储层的非均质性,改变并使各层渗流阻力的变化规律趋同,造成稠油油藏吸液剖面由倒"V"型向倒"U"型转变,增强了聚合物的纵向波及和低渗层剩余油的有效动用;合理的交替周期能够最大程度地抑制剖面返转,相比连续注入,可进一步提高低渗层吸液量11.1%、采收率幅度提高3.1%.上述成果对指导稠油油藏聚合物驱持续高效开发具有重要的理论与实际意义.     

E非均质形核润湿角数学模型研究

分析了非均质形核润湿角, 根据均质形核和非均质形核的动力学条件, 推导了非均质形核的润湿角模型. 利用润湿角模型计算了铁液非均质形核过程中不同形核剂的润湿角, 计算结果表明大部分形核剂的润湿角都小于40°, 而f(q)的值远远小于1. 在一般的形核剂中, TiN, TiC和Re₂O₃的润湿角较小, 而MnO的润湿角较大. 本模型计算出的润湿角与其他研究结果一致.     

基于CT扫描的花岗岩残积土3D大孔隙定量表征及流动模拟全文替换

为深入理解含大孔隙土体内部水分运移机理,本文基于计算机断层扫描(CT)与图像处理技术,构建了含大孔隙(>0.15 mm)的三维(3D)等效孔隙网络模型(PNM),并确定了最优代表性体积单元(REV)的尺寸为300×300×300体素,最后进行了大孔隙空间拓扑结构特征定量表征、PNM单相流动及3D大孔隙水-气两相流动模拟.研究结果表明,孔径较小的孔隙数量较多,超过80%的大孔隙孔径集中在0.15～1.00 mm.孔隙拓扑空间结构差异性较大,配位数主要集中在20以内,但部分可达60以上.孔隙平均配位数在3～7之间,平均连通孔隙半径>2 mm.单相流仿真表明,孔隙结构的复杂程度与CT扫描分辨率,共同导致模拟渗透率与测试结果出现一定差异,但主渗流方向误差仅为3.81%.两相流仿真表明,渗流初期驱替前缘近乎呈直线状,随后呈指进状,之后直至结束,呈不规则状.孔隙残余气主要以块状分布于孔隙边、死角和孔喉突变部位.随渗流时间增加,水相饱和度呈上升趋势(气相饱和度呈下降趋势),之后逐渐趋于稳定状态,最终水相和残余气相饱和度分别趋于94.92%和5.08%.该研究能较好地揭示重构土的细观渗流机...     

页岩气多尺度复杂流动机理与模型研究

页岩气储层纳微米孔隙、裂缝结构复杂,存在多尺度流动,气体的流动规律不同于常规气藏.本文对多孔介质内气体流动进行了研究,利用努森数划分不同尺度下气体流态,阐明了不同区域的流动机理和流动特征;综合考虑达西渗流、滑移扩散效应、井筒附近高速非达西效应等多重非线性效应,建立了页岩气储层多尺度统一流动模型.引入页岩气储层基质-压裂缝耦合两区模型,建立了页岩气储层压裂井定压条件下的两区压力分布和产能预测方程,并结合生产实例进行了参数敏感性分析.结果表明:随着滑移扩散系数、分形系数、压裂半径的增大,页岩气井产能增加,且增加幅度减小;考虑高速非达西效应较不考虑高速非达西效应时,页岩储层产能偏低,且高速非达西效应的影响小于滑移扩散对产能的影响.该模型为体积压裂页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据.     

三元复合驱化学剂浓度变化的实验研究

本文建立了一套长细砂管物理模拟系统,在长细管物理模型不同位置上布置多个测压取样点,通过实时测量压力变化与采集样品检测化学剂浓度变化,研究三元复合驱化学剂在多孔介质中传质规律和浓度变化特征. 从模型进口到模型出口,化学剂浓度都是逐渐下降的,在驱替前沿上升速度快,在驱替后沿降低速度缓慢, 化学剂浓度变化是非对称、有偏移的变化过程. 化学剂的运移速度由大到小分别是聚合物、碱和表面活性剂, 在模型进口附近化学剂的运移滞后和综合扩散强, 化学剂的运移速度快, 3种化学剂之间的运移速度差大, 化学剂的色谱分离明显. 在模型出口附近化学剂的运移滞后和综合扩散减弱, 化学剂浓度降低, 运移速度小, 运移速度差变小, 化学剂的色谱分离现象变弱. 化学剂的吸附滞留率随着距离是逐渐增加的, 聚合物吸附滞留最严重.     

非均匀饱和土中平面波的传播特性

基于Biot多孔介质理论,假设材料物理力学特性沿厚度方向连续变化,利用回传射线矩阵法(RRMM),建了非均匀饱和土平面波动问题的弥散方程,其中考虑了土体的非均匀性、惯性、粘滞以及固体颗和流体的可压缩性.通过数值算例,分析了非均匀饱和土中的弹性波的传播特性,结果表明:两类纵波的波数和耗散沿材料特性变化的方向变化不大,而非均匀性对横波的波数和耗散有着明显的影响.     

直接甲醇燃料电池质子交换膜内两相逆流的研究

从液态进料直接甲醇燃料电池水管理的角度, 对PEM中水的相变过程的发生和发展作了定性的分析, 阐明了PEM干涸的机理. 建立了PEM中两相区内的一维、稳态、含内热源多孔介质相变传热传质模型. 该模型考虑了毛细力、电渗力和相变的影响. 推导出了PEM中两相区的无量纲理论长度δ _t的计算公式和PEM临界干涸准则数[-ω/γ] _cr的表达式. 利用该模型对两相区内液相水饱和度、各相的压力以及温度分布进行了数值模拟. 模拟结果能够从机理上解释Ohm极化区电池性能变化规律, 并能为阴极催化层催化剂含量和PEM最佳厚度的选取提供理论依据.     

裂缝性厚层油藏水窜问题研究

对于辽河油田的裂缝性厚层油藏,如何控制水窜是提高采收率的关键,为此本文提出一种基于双重介质的快速算法,并研究了裂缝性厚层油藏水窜产生的原因和控制水窜的方法.该算法根据相邻节点间的压力平衡关系更新饱和度,与流线方法相比,该算法方便简洁,回避了计算流线分布的困难;与显式求解压力隐式求解饱和度(IMPES)方法相比,该算法的计算精度与其相当,但计算效率却比IMPES方法高出近30倍.针对辽河油田的复杂地质体和纵横交错的水平井网,通过考察影响水窜的主控因素,本文定义了无量纲数?g和?ex(分别表征重力驱流动速度/生产速度,裂隙基质交换速度/生产速度),并计算了?g和?ex取值对水窜的影响,得到了依赖?g和?ex的水窜强度分区图,并分析了水窜强度随?g和?ex的变化趋势.研究结果对提高辽河油田采收率具有一定的指导意义.     

非饱和土的非正交弹塑性本构模型

从应变增量大小和方向的角度出发,以有效饱和度和Bishop有效应力作为基本本构变量,呈现了一个非饱和土的非正交弹塑性本构模型建模框架.建模框架采用非正交的塑性流动法则,直接通过屈服函数确定塑性应变增量的方向,避免了构造塑性势函数的困难.基于所提建模框架,利用屈服函数、硬化参数和土水特征曲线的具体表达式,发展得出一个非饱和土的非正交弹塑性本构模型.所提模型通过材料参数μ可以描述具有不同刚度的非饱和土的力学与水力行为.模型所需材料参数均具有明确的物理意义,且可以通过室内试验确定.利用两种经典应力路径(即恒基质吸力的常规三轴剪切路径和恒净应力的吸湿路径)分析了具有不同刚度的非饱和土的力学与水力行为.模型预测结果与非饱和土试验数据的对比验证了所提模型的优越性.     

裂隙介质两相渗流数值模拟研究

以离散裂隙概念为基础建立了离散裂隙型模型,该模型通过对裂隙的降维处理提高了计算效率并适用于所有类型裂隙介质的渗流研究。详细阐述了离散裂隙型模型的基本原理及其两相渗流数学模型,基于Galerkin加权残量法建立了该模型的有限元数值计算格式。通过单裂隙中的Buckley–Leverett两相渗流算例验证了数值算法的正确性。以裂缝性油藏注水开发为例,应用离散裂隙型模型分别对2种不同类型的裂隙介质进行了实例研究。数值计算结果表明：裂隙的存在导致了岩体的强烈非均质性和各向异性,其中裂隙的方位、大小、连通性及其类别对裂隙介质两相渗流均有着重要的影响;正确认识裂隙的分布及其类别对于裂缝性油藏的开发动态研究及其注采井网的布置有着重要的实际意义 。     

横观各向同性饱和弹性多孔介质三维非轴对称Lamb问题

基于孔隙介质的Biot理论, 首先引入位移函数, 将圆柱坐标系下横观各向同性饱和弹性多孔介质的Biot波动方程转化为两个解耦的6阶和2阶控制方程.然后根据方位角的Fourier展开和径向Hankel变换, 求解了Biot波动方程, 得到了以土骨架位移和孔隙水压力为基本未知量的积分形式的一般解, 并用一般解给出了饱和多孔介质总应力分量的表达式. 在此基础上研究了横观各向同性饱和半空间体的Lamb问题. 考虑表面排水和不排水两种情况, 得到了横观各向同性饱和弹性半空间体在表面竖向和水平谐振力作用下, 表面径向位移、竖向位移和周向位移的积分形式解, 给出了算例.     

微三角形槽道内非均匀定热流加热下的滑移流动换热

针对微三角形槽道, 利用正交函数法求解了滑移流区内带温度跳跃边界条件的能量方程, 理论分析了多种不同非均匀定热流密度加热条件下不可压缩气体在微三角形槽道内热充分发展滑移流动的换热特性, 获得了相应的温度分布及平均Nusselt数的计算式. 讨论了Knudsen数、微槽高宽比及不同加热边界条件对平均Nusselt数的影响. 计算结果表明: 正交函数法适用于微三角形槽道内滑移流动换热特性的分析计算; 在滑移流区, 微三角形槽道内的平均Nusselt数随Kn数的增加而减小, 但减小的幅度随微槽的高宽比和加热边界条件的不同而不同. 对微正三角形槽道而言, 相比单独底边加热条件, 两斜边加热条件下的换热性能在小Kn数时下降较缓, 在大Kn数时下降较大. 最后得到了非均匀加热边界条件下微正三角形槽道内平均Nusselt数的计算关联式.     

密实及稀疏泥石流的流动性控制因素

泥石流是山区常见的地质灾害之一,固-液两相协同作用使泥石流明显区别于崩塌碎屑流、洪水等其他地质流体.由于泥石流固-液两相相互作用的复杂性,现阶段泥石流流动性研究主要集中在密实泥石流(体积固相浓度～0.6,也称为黏性泥石流).然而,对密实泥石流向稀疏泥石流转变(体积固相浓度0.6～0.4)中的物理过程研究较少.本研究以体积固相浓度和液相黏度为变量,通过一系列泥石流水槽实验对应力状态和孔隙水压的精准测量,探究体积固相浓度的变化对孔隙水压及泥石流流动性的影响,揭示密实泥石流及稀疏泥石流的流动机理.实验结果表明,泥石流的高流动性与液化程度密切相关.在密实泥石流向稀疏泥石流的转变过程中,固相颗粒从剪胀状态过渡到剪缩状态,孔隙水压上升导致泥石流液化,流动性激增.剪应力的计算值和实测值对比表明,密实泥石流的剪切阻力由颗粒间摩擦主导,而稀疏泥石流的剪切阻力则部分来源于液相黏性,因此表征密实流体剪切阻力的流变关系不足以完全描述稀疏流体的流变行为,充分考虑颗粒间相互作用(摩擦、碰撞)和液相黏性的模型有助于揭示稀疏泥石流的流动机理,这一点有待进一步研究.