流固耦合理论在特高含水期油藏开发中的研究现状与发展趋势

范云鹏 周志军 李长春

摘      要： 在经过几十年的注水开发后，国内大多数油藏都进入了特高含水期，这使得油藏的进一步开采更加困难，尤其是经历了高压注水和循环注水等过程后，储层压力、地层孔隙结构和流体参数等不断的发生变化，这导致储层多孔介质发生不规律的变形，而这种变形同时也会影响地层流体的渗流作用，致使特高含水储层的流固耦合作用愈发明显。结合流固耦合理论在特高含水期油藏开发中的研究现状和发展历程进行综述和分析，并对该理论未来的发展趋势进行展望。

关  键  词：特高含水期;流固耦合;油藏数值模拟

中图分类号：TE341       文獻标识码： A       文章编号：  1671-0460（2019）03-0575-04

Abstract： With the water injection development of oil field for several decades， most of the domestic oil reservoirs have entered an ultra-high water cut stage， which makes further exploitation of the oil reservoirs more difficult. Especially after the process of high pressure water injection and circulating water injection， the reservoir pressure， stratigraphic pore structures and fluid parameters constantly change， which leads to irregular deformation of reservoir porous medium. At the same time， this kind of deformation will also affect the seepage effect of the formation fluid， which makes the fluid-solid coupling of ultra-high water cut reservoir more obvious. In this article， the research status and development history of the fluid-solid coupling theory in the development of oil reservoirs with ultra-high water cut stage were summarized and analyzed， and the future development trend of the theory was forecasted.

Key words： Ultra-high water cut stage; Fluid-solid coupling; Oil reservoir numerical simulation

当油藏进入高含水期以后，由于可采储量下降，剩余油的分布分散，使得采油效率急剧下降，并且耗水量增大，注采井组的井况日渐恶化，开发效益越来越差。但是，从储层丰度以及油田总体产量来看，特高含水期的老油田依旧是整个区块的开采主体，所以在特高含水油藏的开采方面不容小觑[1]。因此，对处于特高含水期油藏的挖潜，是关系到国家能源发展的重要因素，只有不断的尝试提高采收率，才能更充分的发挥老油田的经济优势。

油田的常规开采中一般都会经历注水开发的过程，凡是涉及到油藏数值模拟的过程就不得不考虑储层中流体的渗流规律。从经典的渗流理论，到现在的流固耦合理论，都绕不开流体与岩石颗粒之间的相互作用关系。流体在储层孔隙中的渗流会涉及到不同方面的理论，首先必须考虑的是油藏注水过程中流体压力的变化，进而会引起岩石颗粒的运移以及孔隙杂质的流动。在原有地层压力平衡被打破以后，岩石骨架会趋向于下一个稳态，这一过程中就会发生多孔介质的变形，孔隙结构的重新分布直接影响着储层物性和流体的渗流规律;其次，由于储层孔隙结构的重新分布，储层空间发生变化引起流体压力的重新分布，这反过来用于岩体的孔隙和吼道上，使得岩石骨架在受力条件下趋于新的平衡，产生了又一次的岩石骨架变形，直到它们之间达到一个动态平衡状态，这就是流固耦合作用。因此，只要涉及到流体在岩石体储层中的渗流问题，就不可避免的考虑流固耦合作用，这也称之为储层开采过程中应力场和渗流场的耦合效应。本文将从流固耦合理论在特高含水期油藏开发中的研究现状和发展趋势展开论述与分析。

1  流固耦合理论在特高含水期油藏开发中的国内外研究现状

在石油开采的相关工艺中，伴随着油气的开采和运移，都会涉及到流体渗流和岩石骨架或者地层裂缝之间的强相互耦合作用，这种耦合作用会明显的影响油藏的开采以及相关施工（钻井、固井、完井、增产压裂改造等）难度。尤其在注水开发的油藏中，当油藏到达特高含水期时，油藏内的流体流动频繁，对岩石骨架和孔隙结构产生难以估量的影响。因此针对特高含水期的油藏开发需要着重对考虑流固耦合问题。国内外学者对流固耦合问题一直都十分看重，并且已经成果斐然。

1.1  国外流固耦合研究现状

在石油天然气开发领域，国外学者在前人的研究成果之上做了大量工作，关于流固耦合的理论不断丰富和完善。

M.Mainguy[2] 研究了油藏储层中流体流动与岩石之间的耦合方程，通过岩石本构方程、储层应力方程等做了进一步计算整合，编辑了新的完全耦合模拟器可以实现与传统储层模拟器之间的信息互换。N.Khalili[3] 提出了一种控制双孔隙弹性介质中非等温流动和变形的偏微分方程，用以分析双孔弹性介质中热流体的注入所产生的全耦合相关规律。D.ANDREW S.REES[4]对热流体注入多孔介质中产生的局部非平衡热效应做出研究，提出温度对岩石多孔介质中流体的影响局部非平衡方程。Y.W.Kwon Mech[5]将Bltzmann法应用于不规则形状流体域，对流体流动方程进行求解，开发出新的流固耦合作用分析程序，能够解决每个时间步长的耦合瞬间流体流动和结构力学参数的精确计算，并给出2维和3维条件下流固耦合模拟实例。R.Gelet[6]针对双重孔隙结构的裂缝性油藏采用局部分析非平衡热流体注入条件下的热-流-固耦合模型，运用有限元近似位移矢量描述岩石骨架变形，并用软件模拟参数变化。

Pan Peng-Zhi[7]应用模拟多组分流体流动和热传递的程序TOUGH2结合模拟岩石非线性和不连续地质力学特性的程序RDCA，集成为TOUGH-

RDCA模拟器用于多相流体存在的流固耦合应力场和渗流场的模拟分析。N.Guy[8]就蒸汽辅助重力泄油（SAGD）过程中由应力变化导致储层内渗透率和孔隙度的变化，建立了热流体流动与地层岩石骨架之间的耦合方程，编写有效的热-流-固耦合模拟数值程序，能更好的实现油藏模拟过程中自适应网格细化过程，从而对蒸汽驱动前沿做出更精确的描述。Zhong Ruizhi[9]研究了水力压裂过程中高压流体和岩石骨架之间的耦合作用，通过建立一个全耦合有限元模型来模拟多个水力压裂过程，并且针对性的模拟了高压流体耦合作用下裂缝几何形状与应力变化之间的关系。

1.2  国内流固耦合发展状况

国内在流固耦合渗流理论研究方面起步较晚，但近年来发展较快，并且由原来的单一靠现有的成熟商业化软件模拟到现阶段的自主研发软件模拟。

2001年黎水泉等在已有变形介质渗流模型基础上考虑了有效应力对渗流参数的影响，推导了非线性渗流模型的有限元计算格式，并编写了流固耦合计算程序[10]。

2002年刘建军等针对低渗透储层的渗流规律，充分考虑启动压力梯度，推导计算了低渗条件下的耦合数学模型，在已有黑油模型基础上编写了适合低渗油藏流固耦合计算软件[11]。

2003年周志军做了低渗条件下油水两相渗流的综合分析研究，建立相关数学方程并做了数值求解，在GALERKIN有限元理论的基础上设计数值模拟计算软件并对低渗透油藏有关渗流参数进行模拟计算[12]。

2004年李勇通过建立孔隙度和渗透率模型研究岩石骨架变形对其地层参数的影响，进一步分析压裂体系中流固耦合作用，编制整体压裂动态开发模拟软件[13]。

2005年文成杨采用Drucker-Prager原则对气藏储层的弹塑性做了描述，通过分析应力应变与岩石骨架之间的关系建立流固耦合全耦合模型，基于FEPG程序开发了适合气藏的流固耦合计算程序[14]。

2007年孙辉、李玉坤等人研究了稠油热采过程中注蒸汽对地层力学特性的影响，进一步完善了热-流-固耦合模型，并通过GALERKIN有限元法中的全隐式解法做了求解和模拟，得到单项流中流体的压力分布规律[15，16]。

2009年孙峰等结合油藏生产过程中流体对岩石骨架的影响，建立了与地层应力应变相关的稳定性评价模型，定量分析井底附近储层变形及应力变化情况[17]。

2010年贾善坡等人以油气藏中基本渗流规律为基础，建立了相关地层参数的动态演变方程，推导油气储层中流固耦合全耦合动态模型，并在一組注采井网中加以实验验证[18]。

2011年杨军征等人提出了控制体积流量法的计算思路，有效的减少了流固耦合程序编写及运算的难度。姚军、单娴等人针对裂缝性油藏开发过程中存在的流固耦合问题，建立了油水两相渗透率张量和渗流压力等参数的计算模型，运用GALERKIN加权残量法计算后模拟验证[19-21]。

2012年张允等人针对目前油藏数值模拟技术精度差、计算速度慢等问题，提出分区域单个计算后并行模拟的方法，实现了数值模拟高效、精确和可移植性的并行编程计算[22]。

2013年盛茂等人对页岩气藏的流固耦合方程做出改进，通过考虑气体渗流场对岩石骨架形变影响以及各种渗流机理的作用，综合建立了渗流模型并用有限元法和隐式解法对模型做出求解，编辑了数值模拟软件[23]。

2015年张宏学博士对煤系页岩储层注气条件下的流固耦合规律做了研究，分别建立了基于双重介质的孔隙度和渗透率模型并用物理实验加以验证，得出页岩储层流固耦合控制方程，利用COMSOL Multiphysics软件模拟了基质和裂缝系统中的耦合作用多页岩气采收率的影响[24]。

2016年苏玉亮、康永尚等从多重介质耦合方面考虑页岩气的渗流规律，建立动态耦合模型后推导出方程的半解析解，并通过物理模拟实验中的CT成像技术加以分析验证[25，26]。

我国的油田进过多年的注水开发，油藏大都进入高含水甚至特高含水期，通过以往学者在流固耦合理论和实践方面的研究，可以为特高含水期油藏开发借鉴思路，丰富研究手段，为开发高含水时期的剩余油提供理论基础和技术手段。

2  流固耦合理论在特高含水期油藏开发中的发展趋势

未来流固耦合理论在特高含水期油藏开发中的应用发展趋势主要表现在以下几个方面。

2.1  由简单发展到越来越复杂

以往在受计算机技术的限制，数值模拟涉及该方面的运算一直受到制约，随着近年来试验测试和计算能力的提升，耦合问题的研究从理论到实践都有了一个长足的发展。从原来的最简单了单孔单渗模型转向更为负杂的双孔连续性介质模拟以及后来连续性介质或非连续性孔隙网格模型的发展。从之前单一固相的介质微小弹性变形转为更贴合实际生产需求的非线性有限变形问题，其中涉及到了岩体结构的弹塑性以及流变和蠕变理论。不但从渗流理论方面寻找突破，还可以从岩石力学性能性质方面考虑[27]。

2.2  由定性研究向精确化的定量研究发展

定量科学研究是对事物由感性（定性）认识上升到理性（定量）的一个重要手段。定量科学研究是一个典型范式，也就是基于数学模型的研究方法，常见的流固耦合问题亦是如此，再针对模型的数值求解过程中有两种方法：有限差分法和有限元法 [28]。人们对于流固耦合理论最开始的认知只是把一些影响因素考虑在内，对特高含水期油藏的内部变化有一个定性的了解，对于变化的大小、幅度并没有概念，而现在随着计算机技术的日趋进步，相关理论日益完善，人们对于特高含水时期油藏开发中流固耦合问题，也由定性认知提升到日益追求精确化的定量研究，而且在未来精确度也会逐渐的提升。

2.3  模拟软件逐渐成熟化和个性化

对于特高含水期油藏中的流固耦合理论的研究，对于该理论的内涵及验证，最开始只是停留在方程推导，建立耦合方程，这只是纯理论阶段。后来人们利用成熟的商业化软件对流固耦合的过程进行模拟，从而验证耦合项和耦合方程的合理性。而未来的发展趋势则是由原来的单一靠现有的成熟商业化软件模拟到现阶段的自主研发软件模拟。

3  结束语

在资源日益匮乏的大环境下，充分开发特高含水期的剩余油显得尤为重要，而在该过程中考虑流固耦合问题更是有利于加深对特高含水期油藏内流体运移和岩石骨架变形的认识。而对于长期注水开发的老油田，尤其是受到高强度注水冲刷以后，储层地质条件变得十分复杂，以往的开采理论对现有状况的指导效果收效甚微，只有从流固耦合渗流机理方面取得成效，才能精确的预测地层耦合规律、剩余油分布、地层物性参数变化等，提出更好的优化方案、增产措施。

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