油页岩原位注热开采的多场耦合分析模型

油页岩作为传统能源的一种接替资源，储量非常丰富。油页岩的原位开采过程是一个热-流-固多场耦合的作用过程，近些年来这一耦合过程已成为了油页岩开采技术领域内的研究热点。本项目拟在了解和认识油页岩原位注热开采过程的动力学特性基础上，将渗流力学、岩石力学以及传热学理论相结合，基于孔隙－裂隙－裂缝多重介质建立油页岩原位注热开采的多场耦合分析模型，研究动力学模型的求解方法，并编程实现对油页岩原位开采过程的仿真计算。用以分析油页岩原位注热开采过程中温度场、渗流场和应力场的动态分布特征以及油页岩原位注热开采中裂隙分布及产状对开采效率的影响规律，为现场原位开采提供可靠的科学依据。本项目的实施无论是对促进油页岩原位注热开采技术的发展，还是指导现场实践，都具有十分重要的科学理论意义和实际应用价值。

项目从微观和宏观两个层面进行了油页岩原位注热开采的多场耦合分析模型的研究。宏观层面，将渗流力学、岩石力学以及传热学理论相结合，建立了热-流-固多场完全耦合渗流数学模型，并在此基础上将油页岩原位注热开发过程中发生的化学反应进行了建模，从而构建了完整的热-流-固-化耦合数学模型。研究了全耦合偏微分方程组的求解方法，采用有限体积法和有限元方法相结合的数值模拟方法对耦合数学模型进行了求解，通过砂土固结算例验证了耦合模型及求解方法的正确性。研究利用所建立的热-流-固/化耦合渗流数值计算模型对油页岩原位加热开发的渗流过程进行了数值分析。微观层面，提出准动态驱替的概念以描述油页岩内驱替速度介于准静态和动态之间的驱替过程。准动态模型在不同的尺度区别对待黏性力：将表征单元体(REV)尺度的驱替视为动态，而将孔隙尺度的驱替视为准静态。在REV尺度上，提出双重网络简化计算黏性力和毛管力的综合作用；在孔隙尺度上，运用概率方法描述界面在不同孔隙内的运动几率，提高了计算效率。通过与现有的计算和实验结果进行对比验证了模型的正确性，并基于岩石微CT 扫描图像建立等价孔隙网络，计算分析了岩样内驱替速度、孔隙半径分布和孔隙角落形状对水驱油过程的影响。研究提出的计算模型有利于认识储层内水油两相驱替的动态全过程，从而为油页岩注热（气/水）开采提供理论科学依据。