５１卷增刊２ 中 国 造 船 Ｖｏ１．５ １ Ｓｐｅｃｉａｌ ２ Ｄｅｃ．２Ｏｌ０ ２０１０年１２月 ＳＨＩＰＢＵＩＬＤＩＮＧ ＯＦ ＣＨＩＮＡ 文章编号：１０００－４８８２（２０１０）￥２—２３５—０６ 基于ＦＬＵＥＮＴ的深水油藏传热传质数值 模拟研究 郭 涛，张彬，李文武，燕 涛 （海洋石油工程股份有限公司，天津３００４５２） 摘要 油藏注水开采是提高采收率的重要方法，由于热采传递复杂，理论和试验研究存在一定的局限，本文 将参考某油田常用射孔实物模型建立物理模型，经过合理简化建立数学模型，借助ＦＬＵＥＮＴ模拟软件进行 模拟，为描述注热流体驱油过程提供帮助。模拟结果表明，原油的流动性和驱动性较差，粘度越大，流动 效果越差。 关 键 词：深水；油藏；传热传质；ＦＬＵＥＮＴ ０前言 油藏多孔介质内部饱和流动与传热问题，自１８５６年Ｄａｒｃｙ定律提出之后，人们进行了大量研究， 已有较大进展¨Ｊ。其主要内容包括封闭空腔内饱和多孔介质的自然对流、管内或平板问饱和多孔介质 的强迫对流或混合对流 】、埋在饱和多孔介质内的平板（或竖板）或热源的外流等 Ｊ。随着微尺度科 学与工程研究的兴起，微尺度传热与传质问题已成为热科学研究领域中的一个热点。由于微尺度传热 学学科领域跨度大，开展研究时间短，无论是从基础理论研究，还是从实验测试方法和实际应用等方 面面临许多挑战，是当代热科学领域研究的热点之一Ｉ４】。 虽然，国内外对多孔介质内的流动与传热进行了一些研究，并取得了一些有意义的成果。但由于 油藏孔隙复杂（包括基质孔隙和裂缝孔隙），理论和试验存在一定的困难【５】。本文将借助ｆｌｕｅｎｔ模拟 软件进行注热流体开采过程数值模拟及分析，为开展针对油藏多孔介质中的流动与传热基础问题研究 提供理论及技术支持。 １物理模型的建立 １．１建模依据 在射孔完井中，孔密和穿深是两个最重要的射孔参数，以５ 、５．１／２ 套管内采用国产器材８９ 型射孔器（１６￣Ｌｌｍ）为研究对象，穿深指标为５００ｍｍ左右：射孔示意图如图１所示。 学术论文 ２３６ ｌ ： 井 ： 潲 岩 ｊ 冀 ＿ ！ 简 图１ 采油常用射孔射孔示意图 ２物理模型（单位：ｒａｍ） １．２物理模型 根据图１所示的射孔示意图，经过抽象假设，建立物理模型，描述如下： （１）该模型包括三个区域，射孔区、多孔介质区和出口区； （２）物理模型尺寸见图标，单位是ｍｍ。 ２数学模型的建立 ２．１主要１段设 （１）多孔介质非变形，均匀且各向同性； （２）忽略重力对多孔介质内流动的影响； （３）在分析域内，处于局部热力学平衡； （４）射孔区和出口区假设是完全湍流，多孔介质流动属于完全层流。 ２．２数学模型 控制方程为： “ ：０ ＋ ＋ ＝ ｃ －Ｇａ ｃ 罢＋ １ “ｌ ＋ 十 ＝去ｃ －ｉ ｘ ＋茜ｃ孝， ａｙ＋ｋｆ ａ ｃ。 Ｖ Ｏ（ｎｐｒＴ）（１－ｎａｆ ．ａ（——）ｐ，Ｔ）＋ （ｐｆ＿ｎＴ）＋ ＝ｆｌ ” 十ｃ ， （１一ｎ）每］ｃ ／ 出・ ｃ ＋茜ｃ ａｏＴｙ）／］ ｆ ＝丢 ＋ ］簧］＋Ｇ ＋ 一 ｙ １ ＝毒 ＋ ）筹１＋ｃ 《（Ｇｋ＋Ｃ３ｓＧｂ）－Ｃ２ｅＰ￣－ ２．３边界条件 按照实际情况，确定如下的边界条件。 ㈩ （２） 郭涛，等：基于ＦＬＵＥＮＴ的深水油藏传热传质数值模拟研究 ２３７ 。 （３） 瑚 圳 出口段为压力出口： Ｄｔ ：尸０ （４） ２０００＜ｘ＜２１００，－１２５＜ｙ＜１２５ 上下表面为绝热边界： 一Ｉｌ ：０＝ （５） 叙ｌｏ＜ ＜５ｏ０， ＝１ｏ。ｒ—ｌｏｕ５ｏ０＜ ＜５５ｏ，ｌｏ＜ ＜１２５口 一１０＜ ＜一１２５ｕ５５ｏ＜ ＜２ｌｏｏ， ＝Ｉ２５口＂ —Ｉ２５ ３模拟及分析 ３．１模拟初始参数 根据模拟需要，设置如表１的初始参数。 ３．２模拟结果及分析 用ｆｌｕｅｎｔ软件按表ｌ的初始参数分别进行求解，在１０２３ｓ达到稳态，稳态速度和压力场云图如下。 ３．２．１稳态速度场 原油在多孔介质中流动稳态速度场云图如图３所示。 由图３可见： （Ｉ）原油在多孔介质中流动阻力很大，速度下降很快，射孔区和流动出口区域速度变化不大； 当流速为０．Ｏｌｍ／ｓ时，原油在多孔介质中的流动速度很慢，在多孔区很小的一段区域内很快就降低为 渗流。射孑Ｌ段速度云图如图４所示； （２）按照面积加权平均进行计算，得到原油在整个区域的平均速度为０．Ｏ０１３ｍ／ｓ。 图５为ｙ＝０截面的速度变化图。在射孔段流速在１．４．１．５ｍ／ｓ之间射孔到多孔介质过渡段，流速急 剧下降到０．Ｏ０１ｍ／ｓ左右，速度在出口段又有一个小的回升，出口处出现回流现象。 表１模拟初始参数 岩石热物性 原油热物性 岩石和油的初始温度 参数 密度 定压比热容 导热系数 密度／ 定压比热容 导热系数 粘度 ／（ｋｇ／ｍ ）／（Ｊ／（ｋｇ。Ｋ）） ／（ｗ／（ｍ。Ｋ））（ｋｇ／ｍ ） ／（Ｊ／（ｋｇ。Ｋ）） ／（Ｗ／（ｍ。Ｋ））／（ｋｇ／（ｍ・ｓ）） 量值 ２５００ ９００ １．５ ９００ １８４５ ０．１４５ １．０６ ３００ ３．２．２稳态压力场 压力场云图如图６所示。 由图６可见： （１）射孔段压降很小，多孔介质渗流段压降很大，在１４５０ｍｍ范围内，压降为２６２００Ｐａ。图６ 给出了ｙ＝Ｏ截面压力分布图。 （２）维持流速为０．０ｌｍ／ｓ，所需的最小初始压力为１２７５２５Ｐａ。 ２３８ 中 造 船 学术论文 图３稳态速度场 １．６０４・０２ 图４射孑Ｌ段速度云图 １ ４ｏｅ－０２ ｔａ ａ １ ００￣０２ ＶｅＩｏｃｉｔｙ ８．００ｅ’０３ Ｍａｇｎｉｔｕｄｅ （ｍｌｓ）６．００￣－０３ ４ Ｏ －０３ ２ ００￣－０３ ０ ００￣＊００ ０ ２ Ｓ０ｏ Ｔ５０ １ｅ＋０３ １ ４，０３ １ ５￣＋０３ １ ７ ＊０３ Ｇ１￣＊０３ ａ；Ｉ５￣＊０３ Ｃｕ ｒｖｅ Ｌｅｎｇｔｈ（ｍｍ） 图５ ｙ＝Ｏ截面速度分布图 图６稳态压力场 ｓｔａｔｉｃ ｔ ｍ・０４ Ｐ ｒｅｓｓｕｒｅ （ｐａｓｃａ１） １００￣＊０４ ０ ２５０ ５００ ７５０ １ｅ＋０３ １２５￣＊０３ １ ５ｅ＋Ｏ０ １ ７５￣＋０３ ２￣＋０５ ３２５￣＊０３ Ｃｕ ｒｖｅ Ｌｅｎｇｔｈ（ｉｆｌｍ） 图７ Ｙ－－Ｏ截面压力分布图 图７为ｙ＝Ｏ截面的压力变化图。射孔段压力在２．５５．２．６５×ｌＯ Ｐａ之间，进入多孔介质后压力逐渐 下降为０。 ３．２．３稳态温度场 对能量方程进行求解，得到如图８的温度分布等值线图。 由图８可见，达到稳态后，多孔介质的温度场稳定在３１９￣Ｃ左右；【１ｊ于粘度较大，原油的流动性 和驱动性较差。 ５１卷增刊２ 郭涛，等：基于ＦＬＵＥＮＴ的深水油藏传热传质数值模拟研究 ２３９ ０．２ ＞一 ０ ０ ０．５ １ １．５ ２ Ｘ （ａ）１ＯＯｓ ０＿２ ＞一 ０ ０ ０．５ １ １．５ ２ Ｘ （ｂ）５００ｓ ０．２ ＞＿ ０ ０ ０．５ １ １．５ ２ Ｘ （ｃ）１０００ｓ 图８温度分布等值线图 ４ 结 论 （１）原油在多孔介质中流动阻力很大，速度下降很快，射孔区和流动出口区域速度变化不大； 当流速为０．０１ｍ／ｓ时，原油在多孔介质中的流动速度很慢，在多孔区很小的一段区域内很快就降低为 渗流。按照面积加权平均进行计算，得到原油在整个区域的平均速度为０．００１３ｍ／ｓ。 （２）射孔段压降很小，多孔介质渗流段压降很大，在１４５０ｍｍ范围内，压降分别为２６２００Ｐａ。 维持流速为０．Ｏｌｒｎ／ｓ，所需的最小初始压力为１２７５２５Ｐａ。 （３）在Ｘ轴方向，模拟温度场出现了高．低一高的曲态。达到稳态后，多孑Ｌ介质的温度场稳定在 ３１９℃左右，可见原油的流动性和驱动性较差。 参考文献： 【ｌ】Ｌｉｕ Ｘｉａｏｙａｎ，Ｚｈａｏ ＢＯ，Ｚｈａｎｇ Ｙａｎ，Ａｘｉａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｒｏｐ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｏｉｌ－ｇａｓ・ｗａｔｅｒ ｍｉｘｔｕｒｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ ｂｕｒｉｅｄ ｐｉｐｅｌｉｎｅ［Ｊ］，Ｗｓｅａｓ ＴｒａｎｓａｎｓａｃｔｉｏｎｓＲ ｏｎ Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００６，１，（１）１０８－１ １６ ［２】ＣＨＯＵ Ｆ Ｃ，ＬＩＥＮ Ｗ Ｙ，ＬＩＮ Ｓ Ｈ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｎｏｎ—Ｄａｒｉｃａｎ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｓｑｕａｒｅ ｐａｃｋｅｄｓｐｈｅｒｅ ｃｈａｎｎｅｌｓ—ｌ［ｓ】．ｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ．Ｉｎｔ．Ｊ．ＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒ １９９２，３５：１９５—２０６． 【３］ＷＡＮＧ Ｂ Ｘ，ＤＵ Ｊ Ｈ．Ｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ ａ ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｎｎｕｌｕｓ ｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈ ｐｏｒｏｕｓ ｍｅｄｉａ．Ｉｎｔ［Ｊ］．Ｊ．Ｈｅ￣Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒｌ９９３，３６，４２０７—４２１３ 【４】ＫＡＶＩＡＮＹ Ｍ．Ｌａｍｉｎａｒ ｆｌｏｗ ｔｈｒｏｕｇｈ ａ ｐｏｒｏｕｓ ｃｈａｎｎｅｌ ｂｏｕｎｄｅｄ ｂｙ ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｌａｔｅｓ［Ｊ］．Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｅａｔ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓ￣ｒ １９８５，２８：８５ｌ一８５８． ［５］黄晓明．多孔介质相变传热与流动及其若干应用研究［Ｄ］．武汉：华中科技大学，２００４． ２４０ 中 圈 造 船 学术论文 Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｉｎ Ｄｅｅｐ ｔｅｒ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＬＵＥＮＴ ＧＵＯ Ｔａｏ，ＺＨＡＮＧ Ｂｉｎ，ＬＩ Ｗｅｎｗｕ，ＹＡＮ Ｔａｏ （Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｏｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００４５２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｏｔ ｆｌｕｉｄ ｌｎｔｏ ｏｉｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｅａｎｓ ｔｏ ｒａｉｓｅ ｔｈｅ ｏｉｌ ｒｅｃｏｖｅｒｙ．Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｏｔ ｆｌｕｉｄ，ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｓｏｍｅ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｎｄｉｅｓ．Ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ ｔｏ ａｎ ｅｎｔｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ｐｅｒｆｏｒａｔｉｎｇ ｇｕｎｓ ｉｎ ｏｉｌｆｉｅｌｄ，ａ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｉｍｐｌｉｆｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｎ， ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＦＬＵＥＮＴ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｌｏｗａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ ｐｏｏｒ．Ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｏｆ ｏｉｌ ｉｓ，ｔｈｅ ｗｏｒｓｅ ｔｈｅ ｌｆｏｗｉｎｇ ｐｒｏｐｏｒｔｙ ｉｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ ｗａｔｅｒ；ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ：ｈｅａｔ ａｎｄ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ；ＦＬＵＥＮＴ 作者简介 郭涛男，１９８１年生，硕士，助理工程师。主要从事油藏多孔介质传热传质研究和海洋石油平台橇块的设计工作。
