多孔介质内原油渗流模型及数值计算.docx

设计计算*多 孔 介 质 内 原 油 渗 流 模 型及 数 值 计 算闻 设计计算 * 多 孔 介 质 内 原 油 渗 流 模 型及 数 值 计 算 闻建龙 赵松峰 张 星 王 静 ( 江苏大学能源与动力工程学院) 摘要 数值模拟可为油藏开发及采油设备的更新提供数据参考。采用 Fluent 计算软件建立了 采油井筒及周围地区含泥砂稠油渗流模型，针对不同的渗流情况，对防砂管附近的原油渗流运动 进行模拟，计算并分析模拟数据。分析结果认为，在渗流较大的压力作用下，防砂管很容易发生 变形断裂等损坏; 在流体流出多孔介质区域时，速度增加很明显，在管内容易碰撞，进而在封闭 的环境下对防砂管内壁造成侵蚀，影响防砂管的使用寿命; 在防砂管的设计中应使防砂管的结构 性能沿竖直方向从中心到两端逐渐变强，从而提高防砂管工作的整体平衡性和受力均匀性。 关键词 多孔介质 渗流模型 防砂管 数值模拟 油田的考察，模型内物理参数选择为: 密度 1 020 g / mm3 ，粘度 1 800 mPa ·s，雷 诺 数 在 2. 0 × 10 － 3 到 2. 0 × 10 － 2 之间变化，故流动状态设为层流。 0 引 言 目前，众多大型油藏的开发决策都进行了数值 模拟，数值模拟可为油藏开发及采油设备的更新提 供数据参考［1］。油藏数值模拟领域的第 1 项工作是 Peaceman 和 RaChofdr 的交替方向隐式 ( ADI 格式) 程序［2］。20 世纪 60 年代，科研人员建立了简单的 三维三相模型; 70 年代第 1 代组分模拟器诞生; 80 年代出现了复杂的油井管理软件; 90 年代网格自动 生成软件包的发展使油藏模拟更加方便［3］。笔者采 用 Fluent 计算软件建立了采油井筒及周围地区含泥 砂稠油渗流模型，针对不同的渗流情况，对防砂管 附近的原油渗流运动进行模拟，计算并分析模拟数 据，以期为新型防砂管的研制提供数据支持。 图 1 渗流区计算模型 2 渗流数学模型 2. 1 流-固两相流基本模型 笔者主要研究含泥砂稠油的渗流运动，所以选 1 渗流物理计算模型 液固两相模型中的单一混合物连续介质建立模型。 单一混合物连续介质模型是 20 世纪 70 年代由 Spalding 提出的，也 称 “无 滑 移 模 型 ”， 与 单 向 流 在油气井的开采过程中常伴有大量的地层出砂 现象，防砂器能够阻止地层砂涌入，使原油液体通 过渗流运动进入防砂管被开采出来，达到防砂采油 的目的［4］。将防 砂 管 定 义 为 多 孔 介 质， 对 防 砂 管 周围的原油渗流运动采用 Fluent 软件中多孔介质进 行计算模 拟。物 理 计 算 模 型 如 图 1 所 示 ( 箭 头 表 示粘土原油混合流体的流动方向) 。根据试验及对 ［5］ 模型相比，只是物性参数和本构关系不同 。 设 ρm 是混 合 物 的 密 度，Vm 是 混 合 物 总 体 积， 令固粒和流体的速度分别为 up 和 uf ，现 在 做 如 下 假设: ①所 有 固 粒 相 的 速 度 等 于 当 地 的 流 体 速 度 * 基金项目: 江苏省自然科学基金资助项目 “具有跨尺度形貌的液体端面密封内流场与润滑理论研究” ( BK2007095) 。 — 34 —2011 年第 39 卷第 8 期石 油机械3u，即 up = uf = u;②流-固 两 相 间 的 相 互 作 用 视 为μ= ∑j = 13Δpyvj Δny( 7)αyj流体混合物中各组分的相互作用，不考虑流体与固粒之间的阻力。对于流 固 两 相 单 流 体 模 型，在 渗 流 方 程 研 究 中，将流固两相流作为单一 — 34 — 2011 年 第 39 卷 第 8 期 石 油 机 械 3 u，即 up = uf = u; ②流-固 两 相 间 的 相 互 作 用 视 为 μ = ∑ j = 1 3 Δpy vj Δny ( 7) αyj 流体混合物中各组分的相互作用，不考虑流体与固 粒之间的阻力。 对于流 固 两 相 单 流 体 模 型，在 渗 流 方 程 研 究 中，将流固两相流作为单一混合物连续介质建立方 程模型，即 ρ = ρm ，v = up = uf = u。 2. 2 多孔介质中的控制方程 2. 2. 1 多孔介质中的连续性方程 无源情况下渗流连续性方程为: μ v Δn z ∑ α j z Δp = ( 8) j = 1 zj 其 中，1 / αij 就 是 方 程 ( 3 ) 中 的 D， vj 是 x、 y、z 3 个 坐 标 方 向 的 速 度 分 量， Δnx 、Δny 及 Δnz 是多孔介质在 x、y、z 3 个坐标方向的真