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页岩气藏压裂缝网扩展数值模拟

力学学报 2015年第6期47卷 994-999页

作者：曾青冬姚军孙致学中国石油大学(华东)石油工程学院青岛266580

为探究页岩气藏水力压裂复杂裂缝网络的形成机理,开展了缝网扩展的数值模拟研究.考虑应力阴影和天然裂缝作用,建立了井筒和裂缝中流体流动模型,利用位移不连续方法求解应力与位移不连续量,然后构建了压力与裂缝宽度的迭代方程,并采用牛... 详细信息

为探究页岩气藏水力压裂复杂裂缝网络的形成机理,开展了缝网扩展的数值模拟研究.考虑应力阴影和天然裂缝作用,建立了井筒和裂缝中流体流动模型,利用位移不连续方法求解应力与位移不连续量,然后构建了压力与裂缝宽度的迭代方程,并采用牛顿迭代法求解.通过比较数值解经典模型解析解,验证了模型和迭代解法的正确性.多簇裂缝同步扩展时裂缝间距越小,压裂液分配到各条裂缝越不均匀,靠近井筒跟部的裂缝的分流量越大,从而裂缝宽度越大;考虑天然裂缝作用时,逼近角越小或者应力各向异性越弱,水力裂缝越容易发生转向扩展,裂缝网络越复杂.

关键词：页岩气藏裂缝网络应力阴影天然裂缝位移不连续法

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孔隙尺度下岩性分类及参数粗化

科学通报 2017年第16期62卷 1774-1787页

作者：宋文辉姚军 CHRISTOPH Arns 李阳张磊杨永飞孙海中国石油大学石油工程学院青岛266580 School of Petroleum Engineering University of New South WalesSydney 2052Australia 中国石化油田勘探开发事业部北京100029

随着孔隙尺度流动模拟研究深入,基于数字图像可对岩石性质进行模拟计算,但计算结果并不能反映宏观岩样性质,因此急需合理参数粗化方法.本文建立了孔隙尺度下处理岩性分类以及参数粗化的一整套方法.对于岩相学岩性分类,计算闵可夫斯基形... 详细信息

随着孔隙尺度流动模拟研究深入,基于数字图像可对岩石性质进行模拟计算,但计算结果并不能反映宏观岩样性质,因此急需合理参数粗化方法.本文建立了孔隙尺度下处理岩性分类以及参数粗化的一整套方法.对于岩相学岩性分类,计算闵可夫斯基形态学函数值,采用K均值聚类得到水平层理,并通过空间插值和K均值聚类确定出岩石不规则层理.对于水动力学岩性分类,计算逾渗几何参数,使用有监督无监督高斯混合模型进行分类,分类结果与连通孔隙结构性质匹配良好.基于层状层理、不规则层理、水动力学岩性分类结果提出相应参数粗化公式,计算局部岩样渗透率、电导率反推整体岩样渗透率、电导率.研究结果发现基于水动力学岩性分类结果建立的参数粗化公式获得的整体岩样渗透率、电导率最为准确.

关键词：岩性分类参数粗化闵可夫斯基函数逾渗几何 K均值高斯混合模型

考虑流动电位的微米/纳米毛细管单相渗流模式

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石油学报 2015年第1期36卷 81-88页

作者：姚军张文娟卜亚辉孙海中国石油大学石油工程学院山东青岛266580

流体在多孔介质中流动时,由于固-液界面扩散双电层的存在,流体的流动会产生流动电位现象,而流动电位会反过来对流体在多孔介质中的流动造成影响。从微米和纳米尺度,利用圆形、正方形和三角形截面毛细管模型,采用有限元数值求解方法,研... 详细信息

流体在多孔介质中流动时,由于固-液界面扩散双电层的存在,流体的流动会产生流动电位现象,而流动电位会反过来对流体在多孔介质中的流动造成影响。从微米和纳米尺度,利用圆形、正方形和三角形截面毛细管模型,采用有限元数值求解方法,研究了在不同毛细管尺寸下,流动电位对毛细管单相流体渗流模式的影响,得到了考虑流动电位情况下不同尺寸三角形截面毛细管传导率和其形状因子的关系,并研究了在不同毛细管尺寸条件下,考虑流动电位对流体流动的影响后外加压力梯度与流体流量之间的关系。研究结果表明,由于流动电位对流体流动的影响,当毛细管尺寸与扩散双电层厚度相当时,流动电位会对流体在毛细管中的流动产生显著影响,流体的流动阻力增加,毛细管传导率减小,但是毛细管中的流体流量与压力梯度仍然保持线性关系。

关键词：流动电位微米/纳米尺度扩散双电层传导率毛细管模型

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水平井多裂缝同步扩展数值模拟

石油学报 2015年第12期36卷 1571-1579页

作者：曾青冬姚军中国石油大学石油工程学院山东青岛266580

为探究页岩气藏水力压裂复杂裂缝网络的形成机理,开展了水平井多裂缝同步扩展的数值模拟研究。考虑井筒和裂缝内流体流动,耦合岩体变形,建立了多裂缝同步扩展数学模型,利用裂缝尖端渐近解隐式求解裂缝扩展步长,并采用扩展有限元方法对... 详细信息

为探究页岩气藏水力压裂复杂裂缝网络的形成机理,开展了水平井多裂缝同步扩展的数值模拟研究。考虑井筒和裂缝内流体流动,耦合岩体变形,建立了多裂缝同步扩展数学模型,利用裂缝尖端渐近解隐式求解裂缝扩展步长,并采用扩展有限元方法对模型进行了求解。通过与经典模型计算结果比较,验证了数学模型与算法的正确性,并将数值算法运用于2个算例。多裂缝同步扩展时,两侧裂缝的长度和宽度比中间裂缝的大。裂缝间距越小时,两侧裂缝偏离初始最大主地应力方向角度越大,中间裂缝宽度越小;地应力差越小时,两侧裂缝偏离初始最大主地应力方向角度越大。研究结果表明,应力阴影作用对多裂缝同步扩展轨迹和几何形态具有重要作用,且裂缝间距越小,地应力差越小,应力阴影作用越强,裂缝形态越偏离单裂缝扩展形态。

关键词：分段压裂同步扩展扩展有限元尖端渐进解水平集方法

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页岩气在有机质中吸附规律的分子模拟研究

中国科学：物理学、力学、天文学 2017年第11期47卷 142-148页

作者：张风昀隋宏光姚军孙海张磊中国石油大学理学院青岛266580 中国石油大学石油工程学院青岛266580

甲烷(CH_4)在页岩有机质中的吸附行为对页岩气的开采有重要的意义,选取有机质作为研究对象,构建I型干酪根模型,采用巨正则系综蒙特卡罗(Grand Canonical Ensemble Monte Carlo,GCMC)方法和分子动力学(Molecular Dynamics,MD)方法研究不... 详细信息

甲烷(CH_4)在页岩有机质中的吸附行为对页岩气的开采有重要的意义,选取有机质作为研究对象,构建I型干酪根模型,采用巨正则系综蒙特卡罗(Grand Canonical Ensemble Monte Carlo,GCMC)方法和分子动力学(Molecular Dynamics,MD)方法研究不同温度、不同压力下CH_4气体在Ⅰ型干酪根中的吸附行为.结果表明:(1)CH4气体吸附时吸附量随着压力的增大会增大,CH_4气体吸附符合朗缪尔(Langmuir)吸附规律,可以使用Langmuir方程进行拟合;(2)温度对CH_4的吸附有着较大的影响,高温不利于CH_4气体在干酪根中的吸附,相同的平衡压力下,温度越高,吸附量越小;(3)径向分布函数表明干酪根中不同的原子对CH_4气体的吸附起着不同的作用;(4)在低压阶段,吸附是引起体积应变的主要原因,在高压阶段,压力则对体积应变发挥明显作用.

关键词： CH4 干酪根吸附分子模拟

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含水煤岩超临界等温吸附模型的对比分析

煤炭学报 2020年第12期45卷 4095-4103页

作者：韩文成李爱芬方齐 ASADULLAH Memon 中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580

甲烷在煤层中的吸附多为含水条件下的超临界吸附。为了对比分析含水和超临界条件下经典吸附模型的适用性和准确性,开展了不同温度和不同含水率下煤层气的吸附实验,并分别采用Langmuir模型、Dubinin-Radushkevich(D-R)模型、Dubinin-Asta... 详细信息

甲烷在煤层中的吸附多为含水条件下的超临界吸附。为了对比分析含水和超临界条件下经典吸附模型的适用性和准确性,开展了不同温度和不同含水率下煤层气的吸附实验,并分别采用Langmuir模型、Dubinin-Radushkevich(D-R)模型、Dubinin-Astakhov(D-A)模型,以及考虑了煤层气溶解及煤岩膨胀的改进Langmuir+k模型、Dubinin-Radushkevich+k(D-R+k)模型、Dubinin-Astakhov+k(D-A+k)模型对含水煤岩的吸附数据进行了拟合及对比分析,并讨论了水分和温度对煤岩超临界吸附的综合影响。结果表明:Langmuir模型、D-R模型和D-A模型在中压和高压下与实测结果偏差较大,均方根误差介于0.01~0.06。而考虑溶解气及煤岩膨胀等因素的改进吸附模型具有更高的拟合精度,其中D-A+k模型最适用于描述含水煤岩的超临界吸附,拟合误差最小,拟合精度最高,其均方根误差介于0.002~0.009。不同温度下含水煤岩的饱和吸附量均随含水率的增加出现不同程度的降低,当含水率增加至某一值后甲烷吸附量趋于稳定。在30和60℃下当煤岩含水率由0增至6%时,甲烷饱和吸附量分别降低7.92%和2.49%。不同含水率的煤岩其饱和吸附量随温度的增加出现不同程度的降低,当温度由30℃升高至60℃时,干煤样的饱和吸附量降低9.05%,而含水率为2.5%的湿煤样其饱和吸附量降低4.61%,含水率为6.0%的湿煤样其饱和吸附量降低3.68%。可见甲烷在煤岩中的吸附受水分和温度的综合影响,含水煤岩的饱和吸附量随温度和含水率的升高而降低,温度越高时煤岩的饱和吸附量受水分的影响越小,含水率越高的煤岩其饱和吸附量受温度影响越小。

关键词：水分煤岩超临界等温吸附吸附模型饱和吸附量

考虑变应力影响的粗糙裂缝油水两相流动能力数值模拟方法

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中国石油大学学报（自然科学版） 2020年第2期44卷 100-107页

作者：王东英姚军宋文辉孙海中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580

油水两相相对渗透率和毛管力曲线是表征裂缝中流体流动特性的重要指标。基于侵入逾渗模型,建立一种考虑变应力影响的粗糙裂缝内油水两相流动数值模拟方法。通过蒙特卡洛法构建单条粗糙裂缝模型;利用侵入逾渗模型模拟单条粗糙裂缝中的稳... 详细信息

油水两相相对渗透率和毛管力曲线是表征裂缝中流体流动特性的重要指标。基于侵入逾渗模型,建立一种考虑变应力影响的粗糙裂缝内油水两相流动数值模拟方法。通过蒙特卡洛法构建单条粗糙裂缝模型;利用侵入逾渗模型模拟单条粗糙裂缝中的稳态油-水驱替过程,数值求解毛管力及相对渗透率曲线。通过与Mualem解析模型比较验证模型的准确性。借助裂缝所受有效应力与开度间的解析关系,研究变应力影响下油水两相流动能力的变化规律。结果表明:油-水驱替过程中,随着裂缝有效应力增加,毛管力曲线呈整体抬升趋势,其中油相相对渗透率明显减小,而水相相对渗透率基本不变,同时发现油相开始流动对应的含水饱和度和水相基本失去流动能力对应的含水饱和度均随有效应力的增加而减小。

关键词：单条粗糙裂缝相对渗透率毛管力变应力侵入逾渗模型

磁场-渗流场耦合作用下的铁磁流体多孔介质流动数值模拟

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科学通报 2017年第8期62卷 836-846页

作者：姚军黄涛黄朝琴谢昊君刘均荣张建光中国石油大学(华东)石油工程学院青岛266580 Department of Petroleum Engineering Colorado School of Mines

铁磁流体作为一种新型功能材料,由于同时具备磁性及流体性质被广泛应用于各个技术领域.本文从数值模拟理论上研究了利用磁场控制的铁磁流体驱油问题:针对外磁场作用下的铁磁流体多孔介质流动物理过程,将磁力项引入铁磁流体相运动方程从... 详细信息

铁磁流体作为一种新型功能材料,由于同时具备磁性及流体性质被广泛应用于各个技术领域.本文从数值模拟理论上研究了利用磁场控制的铁磁流体驱油问题:针对外磁场作用下的铁磁流体多孔介质流动物理过程,将磁力项引入铁磁流体相运动方程从而耦合磁场-渗流场给出其流动方程,并采用全隐式有限体积法形成相应数值离散格式;通过二维均质填砂平板流动实验验证了模型和算法的正确性,在此基础上,对比了平面及纵向非均质多孔介质中注水及注铁磁流体的驱油效果,计算结果表明通过控制铁磁流体的驱替路径可以提高驱替波及范围继而提高采收率,为提高原油采收率提供了新的思路和方法.

关键词：铁磁流体多孔介质磁场-渗流耦合注铁磁流体驱油实验及数值模拟

基于多尺度混合有限元的离散裂缝两相渗流数值模拟

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科学通报 2017年第13期62卷 1392-1401页

作者：张庆福黄朝琴姚军王月英李阳中国石油大学(华东)石油工程学院青岛266580

裂缝性介质通常具有多尺度特征,离散裂缝模型虽具有计算精度高、拟真性好的优点,但传统数值方法在解决此类多尺度流动问题时,难以突破计算量大的瓶颈,不利于实际应用.对此,本文将离散裂缝模型和多尺度混合有限元相结合,仅需进行宏观大... 详细信息

裂缝性介质通常具有多尺度特征,离散裂缝模型虽具有计算精度高、拟真性好的优点,但传统数值方法在解决此类多尺度流动问题时,难以突破计算量大的瓶颈,不利于实际应用.对此,本文将离散裂缝模型和多尺度混合有限元相结合,仅需进行宏观大尺度计算,通过多尺度基函数来刻画小尺度裂缝精细流动特征,在保证计算精度的同时降低了计算量.在小尺度上,采用模拟有限差分法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,该方法不仅具有良好的局部守恒性,而且适用于任何复杂离散裂缝网格.文章详细阐述了离散裂缝模型多尺度混合有限元两相流动数值计算格式的建立,重点介绍了如何使用模拟有限差分法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,并采用超样本技术进一步提高计算准确性.数值结果表明,本文计算方法不仅能够准确捕捉离散裂缝性介质中的精细流动特征,而且具有很高的计算效率.

关键词：裂缝性介质多尺度混合有限元法离散裂缝模型模拟有限差分两相渗流