页岩气开采中的若干力学前沿问题

页岩气的开采涉及破裂和收集输运两个关键过程.如何实现2000,m以下、复杂地应力作用下、多相复杂介质组分的页岩层内网状裂纹的形成,同时将孔洞、缝隙中的游离、吸附气体进行高效收集,涉及到诸多的核心力学问题.这一工程过程涵盖了力学前沿研究的诸多领域:介质和裂纹从纳米尺度到千米尺度的空间跨越,游离、吸附气体输运过程中微秒以下的时间尺度事件到历经数年开采的时间尺度跨越,不同尺度上流体固体的相互作用,以及压裂过程中通过监测信息反演内部破坏状态等.针对近年来我们国家页岩气勘探开发工作所取得的成就及后续发展中面临的前沿力学问题,在综合介绍页岩气藏的基本特征和开发技术的基础上,以页岩气开采中的若干力学前沿问题为主线,从页岩力学性质及其表征方法、页岩气藏实验模拟技术、页岩气微观流动机制及流固耦合特征、水力压裂过程数值模拟方法、水力压裂过程微地震监测技术、高效环保的无水压裂技术等6个方面的最新研究进展进行了总结和展望,结合页岩气藏开发的工程实践, 深入探究了其中力学关键问题,以期对从事页岩气领域的开发和研究的从业人员提供理论基础, 同时,该方面的内容对力学学科、尤其是岩土力学领域的科研工作也具有重要指导价值.      

Lattice Boltzmann方法模拟多孔介质Klinkenberg效应

格子Boltzmann数值模拟方法是研究复杂的多孔介质结构特别是Klinkenberg效应的有效方法之一，对处理复杂边值问题尤其有效，用格子Boltzmann方法研究了气流穿越多孔介质问题，并将数值计算结果与实验结果进行了比较，结果表明格子Boltzmann方法是数值模拟气流穿越多孔介质问题的有效方法之一。     

基于离散裂缝的多段压裂水平井数值试井模型及应用

水平井压裂技术已经成为开发低渗透油气藏、页岩气藏和致密气场等非常规油气藏的关键技术.基于离散裂缝模型,对裂缝进行简化,建立了二维多段压裂水平井有限导流裂缝数值试井模型,利用有限元方法求解模型,获得多段压裂水平井试井理论曲线和压力场特征.分析表明:多段压裂水平井的试井理论曲线一共分为7个阶段:井筒储存段、裂缝线性流段、裂缝–地层双线性流段、裂缝干扰段、地层线性流段、系统径向流段和边界作用段,其中裂缝–地层双线性流段和裂缝干扰段是其典型特征.分析了裂缝数量、裂缝间距、裂缝不对称、裂缝不等长和裂缝部分缺失等因素对试井理论曲线的影响,结果表明:裂缝数量和裂缝间距对试井理论曲线的影响最大.较多的裂缝、较大裂缝间距、对称的裂缝和等长的裂缝有利于降低压裂水平井井底的流动阻力,提高产能.将建立的数值试井模型应用于四川盆地一口多段压裂水平井的压力恢复测试的数值试井解释,结果表明:本文建立的模型可以较好地拟合压力恢复测试数据,可以获得裂缝的导流能力和裂缝长度,为压裂效果评价和压裂设计提供指导.     

低渗透煤层气藏中气-水两相不稳定渗流动态分析

针对低渗透煤层渗流问题,考虑启动压力梯度及其引起的动边界和动边界内吸附气解吸作用的渗流模型研究目前仅限于单相流,而更符合实际的气-水两相渗流动边界模型未见报道.本文综合考虑了煤层吸附气的解吸作用、气-水两相渗流、非达西渗流、地层应力敏感等影响因素,进行了低渗透煤层的气-水两相渗流模型研究.采用了试井技术中的"分相处理"方法,修正了两相渗流的综合压缩系数和流度,并基于含气饱和度呈线性递减分布的假设,建立了煤层气藏的气-水两相渗流耦合模型.该数学模型不仅可以描述由于低渗透煤层中渗流存在启动压力梯度而产生的可表征煤层有效动用范围随时间变化的移动边界,还可以描述煤层有效动用范围内吸附气的解吸现象以及吸附气解吸作用所引起的煤层含气饱和度的上升;为了提高模型精度,控制方程还保留了二次压力梯度项.采用了稳定的全隐式有限差分方法进行了模型的数值求解,并验证了数值计算方法的正确性,获得了模型关于瞬时井底压力与压力导数响应的双对数特征曲线,由此分析了各渗流参数的敏感性影响.本文研究结果可为低渗透煤层气藏开发的气-水两相流试井技术提供渗流力学的理论基础.     

Numerical investigation of a coupled moving boundary model of radial flow in low-permeable stress-sensitive reservoir with threshold pressure gradient

The threshold pressure gradient and formation stress-sensitive effect as the two prominent physical phenomena in the development of a low-permeable reservoir are both considered here for building a new coupled moving boundary model of radial flow in porous medium. Moreover, the wellbore storage and skin effect are both incorporated into the inner boundary conditions in the model. It is known that the new coupled moving boundary model has strong nonlinearity. A coordinate transformation based fully implicit finite difference method is adopted to obtain its numerical solutions. The involved coordinate transformation can equivalently transform the dynamic flow region for the moving boundary model into a fixed region as a unit circle, which is very convenient for the model computation by the finite difference method on fixed spatial grids. By comparing the numerical solution obtained from other different numerical method in the existing literature, its validity can be verified. Eventually, the effects of permeability modulus, threshold pressure gradient, wellbore storage coefficient, and skin factor on the transient wellbore pressure, the derivative, and the formation pressure distribution are analyzed respectively.     

封面图片说明

封面图为一组油气井地下渗流场的模拟图(带箭头的线为流线,其他为等值线,颜色深浅表示压力的大小,圆圈的核心为井点).油气井井组的渗流是油气田开发方案制定及方案调整的重要依据,无论是对常规油气藏还是对非常规油气藏都有着重要的意义.从油气藏井组的渗流场图可以看出:流体的流动方向、压力分布的不均匀程度以及不同井产量对整个井组渗流场的影响.从渗流场图还可以确定不流动区域的位置,为调整井的钻井提供可靠的依据.(图文供稿:刘曰武,中国科学院力学研究所)     

李群方法在渗流力学的应用

试图用李群方法来分析流体及渗流的运动规律.对于流形上流体、渗流力学方程的研究,物理空间的流动中的拓扑结构只要具有李群的性质,便可以此来进行流动分析.这是将李群理论直接、直地应用于渗流力学的一种方法.李群方法将众多求解特定类型的渗流微分方程方法统一到共同的概念之下.李群无穷小变换方法为寻找微分方程的闭合形式的解提供的广泛的应用,补充了求解渗流力学方程的数学物理技巧.     

机采油井井口温度的影响因素分析

基于传热学理论,建立了机采油井井简及其周围地层温度场的数学模型,对不同参数下的井口温度进行了模拟,分析了油井产量、含水率、井深、油管半径、环境温度及地温梯度等参数的影响.     

纳米材料的研究进展

纳米材料是由尺度 在1~100nm的微小颗粒组成的体系。由于它具有独特的性能而备受关注。本文总结了近几年来纳米材料的研究进展,着重从纳米材料的制备、微观结构、力学及热力学性能的研究情况作了一个概述,总结了有关纳米材料的几个研究热点以及分子动力学计算机模拟在纳米材料研究中的应用。最后并指出了几个急待研究的工作。      

临界产量Dupuit公式的讨论及一种新的方法

临界产量的确定对底水油藏的高效开发起着重要作用. 然而,临界产量Dupuit 公式反映临界产量随着打开程度的降低而单调增加,存在不合理的地方. 本文与一些学者的研究表明,Dupuit 公式推导过程暗含的“当临界状态时水锥正好处于井底” 的假设不合理,水锥不能稳定在井底位置. 在不作水锥到达井底的假设,假设油井上部为径向流,井底周围为半球形流动的情况下,推导出了一种新的底水临界产量方程. 算例与工程实例表明,该方法比较符合实际,能够求得临界水锥高度和对打开程度进行优化.