稠油热采中THM耦合机制及储层破裂演化研究

Thermal production is an important heavy oil recovery method , which bothers with the complex problems of Thermo-Hydro-Mechanical(THM) coupling effects and reservoir failure processes due to steam injection. In this research, the rock triaxial test is designed to research the rock strength reduction characteristics under high temperature and pressure, and the acoustic emissions experiment is used to analysis the thermal cracking responds of the rock failure. Based on the damage mechanics and the coupling theory of T-H-M, the fully coupling equations of heat transfer, fluid seepage, geomechanics, and reservoir damage are constructed. Finite element method is used to solve the coupling equations, and the coordination problems of grid and coupling parameters between Eulerian and Lagrangian space coordinates. Upscaling thermal recovery simulation methods of heterogenous reservoirs are also researched. Considering the influence of rock strength failure and reservoir fracturing,the dynamic coupling responses of steam chamber evolution and T-H-M dynamic behaviors in space-time are quantitatively analyzed. This research is of great significance for steam injection parameters optimization,and geologic hazard evalution induced by thermal production.

稠油热采高温蒸汽注入过程中的温度-渗流-应力(THM)耦合机制及与储层破裂之间的相互影响是当前热采开发领域中亟待解决的重要基础性课题。本研究旨在综合考虑温度场、渗流场、应力场及储层破裂相互关系的力学框架体系内，通过高温高压岩石力学试验分析岩样的强度损伤本构关系，声发射试验测试破裂事件随温度、压力载荷变化的时序特征；应用损伤力学和THM多场耦合理论，建立温度-渗流-应力-破裂相互耦合作用的系统控制方程；研究耦合模型的有限元数值求解方法，重点解决温度、压力Eulerian坐标与储层变形Lagrangian坐标的统一描述，复杂形状/边界/各向异性油藏热采模拟等问题；研究掌握随蒸汽腔扩展，温度、压力、应力变化与储层破裂之间的动力学响应机制，为稠油热采开发方案优化及热采诱发地质灾害评价预防等研究提供理论基础及技术支持。

稠油热采过程中的温度-渗流-应力(THM)耦合机制及与储层破裂之间的相互影响是当前热采开发领域中亟待解决的重要基础性课题。本课题在综合考虑温度场、渗流场、应力场及储层破裂相互关系的力学框架体系内，针对热采开发中的岩石热破裂特征、温度-渗流-应力-破裂耦合机制及数值求解方法等关键问题，采用多场耦合理论研究、物理试验及数值模拟相结合的方式开展综合研究。内容包括：首先，考虑井筒局部高温与非均匀地应力载荷因素，研制了稠油热采岩层破裂模拟实验装置；利用工业高精度CT扫描仪采集对比实验前后岩样切片图像灰度值变化，分析实验岩样内部裂缝分布。研究表明稠油热采高温-应力耦合环境下可导致岩层产生破裂，地应力、先存微裂缝等因素影响裂缝扩展，裂缝宽度随温度变化的闭合效应显著。第二，应用损伤力学和THM多场耦合理论，建立了温度-渗流-应力-破裂相互耦合作用的系统控制方程，推导了耦合模型的Galerkin有限元等效弱积分形式，采用顺序解耦和参数迭代的方法求解耦合方程，开发了THM耦合有限元数值求解程序；采用破裂损伤单元记录岩层破裂信息、确定裂缝扩展路径，模拟多裂缝起裂、扩展的复杂变化过程。第三、应用研究开发的有限元程序对稠油热采THM耦合机制、THM耦合引发地层稳定性变化、多场耦合作用下的裂缝扩展及泥页岩破裂对SAGD热采开发效果影响等科学/工程问题进行定量评价分析，建立了地质体深部热采开发参数变化(温度/压力/应力/变形/孔渗特征等)与储盖层破裂、油藏开发效果等之间的动态响应机制。研究为稠油热采方案优化及热采诱发地质灾害评价预防等相关问题的解决提供了理论基础和技术支持。