基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法，包括以下步驟：選取合適尺寸的實驗?zāi)Ｐ停O(shè)計相同分布的測點，依次改變側(cè)點大小，測點位置取無效網(wǎng)格進行研究，模擬不同測點大小的平面滲流場，確定最佳測點尺寸范圍；依據(jù)最佳測點尺寸，引入同一測點數(shù)目，從而確定合適的測點數(shù)目和對應(yīng)模型平面尺寸；根據(jù)最佳測點尺寸和模型平面尺寸，依次針對不同的測點數(shù)目，改變測點距離，模擬相同時刻平面上的流線分布，確定最佳測點間距；計算分析不同平面-縱向尺度比例下的滲流場特征，確定模型縱向尺寸和上下圍巖厚度。本發(fā)明實現(xiàn)了天然氣水合物三維實驗?zāi)Ｐ椭械臏y點合理分布，將其對流線的影響最小化。
【專利說明】基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法。

【背景技術(shù)】
[0002]天然氣水合物是由天然氣和水分子組成的類冰狀的固態(tài)結(jié)晶體，天然氣主要由甲烷組成，故也稱為甲烷水合物。因含大量的甲烷氣體而具有極強的燃燒力，可以直接燃燒，所以又俗稱為“可燃冰”。天然氣水合物的能量密度很高，據(jù)理論計算lm3的飽和天然氣水合物在標準條件下可釋放出164m3的甲烷氣體，是其它非常規(guī)氣源巖(諸如煤層氣、黑色頁巖)能量密度的10倍，為常規(guī)天然氣能量密度的2?5倍，相當于0.164噸石油的能量。另夕卜，天然氣水合物燃燒只產(chǎn)生二氧化碳和水，不會污染環(huán)境，是一種難得的綠色潔凈能源。最重要的是，天然氣水合物的儲量非常豐富。根據(jù)天然氣水合物存在的穩(wěn)定條件分析，陸地上20.7%和大洋底90%的地區(qū)具有形成天然氣水合物的有利條件，據(jù)此估計全球天然氣水合物中的甲烷碳含量達1016kg或含有20X1015m3的甲烷氣，相當于全世界已知煤炭、石油和天然氣等常規(guī)化石燃料總碳儲量的兩倍，將成為本世紀人類最重要的能源。
[0003]和現(xiàn)場實驗相比，物理模擬具有費用低、耗時短、操作容易等優(yōu)點。實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計是物理模擬得以順利進行的關(guān)鍵。
[0004]天然氣水合物開采過程中，反應(yīng)釜中的溫度、壓力、電阻率等參數(shù)的測量對于開采過程具有重要意義，為了測量這些參數(shù)，在實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計時需要加入測點。然而，測點的引入會對反應(yīng)釜中流體的流動帶來影響，這種影響在流線上具有明顯的體現(xiàn)。為了使測量結(jié)果盡可能地接近反應(yīng)釜中的真實情況，必須使測點對流線的影響盡可能小。
[0005]目前研宄天然氣水合物的實驗裝置中，測點的分布大都是根據(jù)測量數(shù)據(jù)的需要進行設(shè)計，并沒有考慮測點的引入對滲流場造成的影響，這樣的設(shè)計可能會引入誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法，本方法采用數(shù)值模擬的方法，對天然氣水合物三維實驗?zāi)Ｐ偷臏y點的大小及分布情況進行研宄，實現(xiàn)了天然氣水合物三維實驗?zāi)Ｐ椭械臏y點合理分布，將其對流線的影響最小化。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法，包括以下步驟:
[0009](I)選取合適尺寸的實驗?zāi)Ｐ?，設(shè)計相同分布的溫度、電阻率、聲波和壓力測點，依次改變測點大小，測點位置取無效網(wǎng)格進行研宄，模擬不同測點大小的平面滲流場，確定最佳測點尺寸范圍；
[0010](2)依據(jù)最佳測點尺寸，引入同一測點數(shù)目，依次模擬不同尺寸模型中的平面滲流場，從而確定合適的測點數(shù)目和對應(yīng)模型平面尺寸；
[0011](3)根據(jù)最佳測點尺寸和模型平面尺寸，依次針對不同的測點數(shù)目，改變測點距離，模擬相同時刻平面上的流線分布，確定最佳測點間距；
[0012](4)計算分析不同平面-縱向尺度比例下的滲流場特征，確定模型縱向尺寸和上下圍巖厚度。
[0013]所述步驟(I)中，具體方法為:取設(shè)定的實驗?zāi)Ｐ统叽?，測點大小分別取l-4cm2，依次增大，模型中設(shè)計3層分布的溫度、電阻率、聲波和壓力測點，每層測點數(shù)均勻分布，測點大小一定，測點位置取無效網(wǎng)格進行研宄，模擬不同測點大小的平面滲流場。
[0014]所述步驟⑴中，最佳測點尺寸大小范圍取[0.8?1.0]cm2。
[0015]所述步驟⑵中，設(shè)計每層模型的測點數(shù)目15X 15，即225個，分別建立 500 X 500 X 500mm3、600 X 600 X 600mm3、700 X 700 X 700mm3、800 X 800 X 800mm3、1000 X 1000 X 100mm3大小不同的模型，研宄不同尺寸模型中的平面滲流場。
[0016]所述步驟⑵中，當測點數(shù)目為15X15時，為了使測點的引入對流線造成的影響并且考慮到模型制作工藝水平，平面模型尺寸范圍取[800X800?850X850]mm2。
[0017]所述步驟⑶中，取800X800mm2模型進行測點密度優(yōu)化，確定測點最小距離。建立測點個數(shù)分別為0、9X9 = 81、15X 15 = 225、19X19 = 361個的模型，其中9X9、15X15、19X19所對應(yīng)的測點距離分別為7Cm、4Cm、3Cm，模擬不同模型中相同時刻平面上的流線分布。
[0018]所述步驟(3)中，最佳測點間距范圍取[4-4.2]cm。
[0019]所述步驟⑷中，固定模型平面尺度為800mmX800mm2，模型厚度分別取160mm、240mm、320mm、400mm和480mm，計算分析不同平面-縱向尺度比例下的滲流場特征，網(wǎng)格平面劃分為40X40mm2，垂向40mm為一層；進行中間一口井降壓分解，井底壓力為4MPa，進行縱向氣水流動動態(tài)分析。
[0020]所述步驟(4)中，模型最佳縱尺寸范圍取[480?500]mm，考慮到圍巖導(dǎo)熱作用對水合物分解的作用，上下圍巖厚度比例范圍為[0.39?0.41]。
[0021]當模型的邊長為[800?850]mm;模型內(nèi)測點分為上中下三層，每層均勻分布15X15個測點；測點大小為[0.8?1.0]cm2;測點間距為[4?4.5]cm的分布時，模擬效果最佳。
[0022]本發(fā)明的有益效果為:
[0023](I)對測點分布進行合理化安排，使得其對流線的影響最小化；
[0024](2)給出所提供的平面尺寸下所對應(yīng)的縱向尺寸，保證模型中的三維流動特征；
[0025](3)提供了圍巖厚度比，將圍巖的作用發(fā)揮到最大。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的平面測點分布圖；
[0027]圖2為本發(fā)明的4層模型示意圖。

【具體實施方式】
:
[0028]下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0029]基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計，包括以下步驟:
[0030]1、測點大小的選擇
[0031]實驗?zāi)Ｐ统叽缛?00X300X300mm，測點大小分別取1cm2，2cm2，4cm2，模型中設(shè)計3層分布的溫度、電阻率、聲波、壓力等測點，每層測點數(shù)6X6均勻分布，測點大小一定，測點位置取無效網(wǎng)格進行研宄，不同測點大小的平面滲流場。
[0032]數(shù)值模擬結(jié)果表明，當測點尺寸超過2cm2之后，模型流線變形比較嚴重，所以采用[0.8?1.0] cm2大小的測點。
[0033]2、測點數(shù)目與對應(yīng)模型平面尺寸的確定
[0034]選用Icm2大小的測點，因模型中需監(jiān)測溫度、電阻率、聲波、壓力等的分布，故需要較多的測點數(shù)目。在此設(shè)計每層模型的測點數(shù)目為15X15，即225個，分別建立 500 X 500 X 500mm3、600 X 600 X 600mm3、700 X 700 X 700mm\800 X 800 X 800mm3、1000 X 1000 X 100mm3大小不同的模型，研宄不同尺寸模型中的平面滲流場。
[0035]結(jié)果表明:當引入225個測點時，100mm模型流線基本沒有變形，800mm模型流線變形幅度較小，但當模型尺寸小于700_后，流線變形嚴重，說明測點的分布對滲流場已產(chǎn)生了很大的干擾。同時，在布置測點時盡量避免在邊界位置布置測點，否則邊界測點對流線干擾較大。
[0036]因此，當測點數(shù)目為15X15時，為了使測點的引入對流線造成的影響并且考慮到模型制作工藝水平，平面模型尺寸取[800X800?850X850]mm2。
[0037]3、測點間距的確定
[0038]取800X800mm2模型進行測點密度優(yōu)化，確定測點最小距離。建立測點個數(shù)分別為0,9X9 = 81,15X15 = 225,19X19 = 361 個的模型，其中 9X9、15X 15、19X 19 所對應(yīng)的測點距離分別為7Cm、4Cm、3Cm。模擬不同模型中相同時刻平面上的流線分布。
[0039]結(jié)果表明:測點距離為7cm時模型流線基本沒有變形；4cm測點距離時，流線變形不明顯，滲流場基本沒有改變；3cm測點距離時，流線開始變形，出現(xiàn)流線穿過測點失真的現(xiàn)象，所以測點間距取[4?4.2]cm。
[0040]4、模型縱向尺寸與測點分布的確定
[0041]固定模型平面尺度為800mmX 800mm2，模型厚度分別取160、240mm、320mm、400mm、480mm，計算分析不同平面-縱向尺度比例下的滲流場特征，網(wǎng)格平面劃分為40X40mm2，垂向40mm為一層。進行中間一口井降壓分解，井底壓力為4MPa，進行縱向氣水流動動態(tài)分析。
[0042]結(jié)果表明:當模型厚度大于480mm時，整個平面達到最大程度的縱向串流，為完全的三維模型。
[0043]所以模型縱尺寸取[480?500]mm，考慮到圍巖導(dǎo)熱作用對水合物分解的作用，上下圍巖厚度比例為[0.39?0.41] ο
[0044]如圖1所示，模型平面尺寸取[800X800?850X850]mm2，測點間距取[4?4.5]cm，測點大小取[0.8?1.0]cm2，每層分布測點個數(shù)15X15。
[0045]如圖2所示，將模型縱向平均分為4層，測點分上層、中部、下層三層布置，即A-A、B-B, C-C 面上。
[0046]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法，其特征是:包括以下步驟: (1)選取合適尺寸的實驗?zāi)Ｐ?，設(shè)計相同分布的溫度、電阻率、聲波和壓力測點，依次改變側(cè)點大小，測點位置取無效網(wǎng)格進行研宄，模擬不同測點大小的平面滲流場，確定最佳測點尺寸范圍； (2)依據(jù)最佳測點尺寸，引入同一測點數(shù)目，依次模擬不同尺寸模型中的平面滲流場，從而確定合適的測點數(shù)目和對應(yīng)模型平面尺寸； (3)根據(jù)最佳測點尺寸和模型平面尺寸，依次針對不同的測點數(shù)目，改變測點距離，模擬相同時刻平面上的流線分布，確定最佳測點間距； (4)計算分析不同平面-縱向尺度比例下的滲流場特征，確定模型縱向尺寸和上下圍巖厚度。
2.如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法，其特征是:所述步驟(1)中，具體方法為:取設(shè)定的實驗?zāi)Ｐ统叽?，測點大小分別取l-4cm2，依次增大，模型中設(shè)計3層分布的溫度、電阻率、聲波和壓力測點，每層測點數(shù)均勻分布，測點大小一定，測點位置取無效網(wǎng)格進行研宄，模擬不同測點大小的平面滲流場。
3.如權(quán)利要求2所述的基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法，其特征是:所述步驟⑴中，最佳測點尺寸大小范圍取[0.8?1.0]cm2。
4.如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法，其特征是:所述步驟⑵中，設(shè)計每層模型的測點數(shù)目15X15，即225個，分別建立 500 X 500 X 500mm3、600 X 600 X 600mm3、700 X 700 X 700mm\800 X 800 X 800mm3、1000 X 1000 X 1000mm3大小不同的模型，研宄不同尺寸模型中的平面滲流場。
5.如權(quán)利要求4所述的基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法，其特征是:所述步驟⑵中，當測點數(shù)目為15X15時，為了使測點的引入對流線造成的影響并且考慮到模型制作工藝水平，平面模型尺寸范圍取[800X800?850X850]mm2。
6.如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法，其特征是:所述步驟(3)中，取800X800mm2模型進行測點密度優(yōu)化，確定測點最小距離。建立測點個數(shù)分別為0、9X9 = 81,15X15 = 225,19X19 = 361個的模型，其中9X9,15X15,19X19所對應(yīng)的測點距離分別為7Cm、4Cm、3Cm，模擬不同模型中相同時刻平面上的流線分布。
7.如權(quán)利要求6所述的基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法，其特征是:所述步驟(3)中，最佳測點間距范圍取[4_4.2]cm。
8.如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法，其特征是:所述步驟(4)中，固定模型平面尺度為800mmX800mm2，模型厚度分別取160mm、240mm、320mm、400mm和480mm，計算分析不同平面-縱向尺度比例下的滲流場特征，網(wǎng)格平面劃分為40X40mm2，垂向40mm為一層；進行中間一 口井降壓分解，井底壓力為4MPa，進行縱向氣水流動動態(tài)分析。
9.如權(quán)利要求8所述的基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法，其特征是:所述步驟(4)中，模型最佳縱尺寸范圍取[480?500]mm，考慮到圍巖導(dǎo)熱作用對水合物分解的作用，上下圍巖厚度比例范圍為[0.39?0.41]。
10.如權(quán)利要求1所述的基于數(shù)值模擬的可燃冰開采實驗?zāi)Ｐ蜏y點分布設(shè)計方法，其特征是:當模型的邊長為[800?850]mm;模型內(nèi)測點分為上中下三層，每層均勻分布15X15個測點；測點大小為[0.8?1.0]cm2;測點間距為[4?4.5]cm的分布時，模擬效果最佳。
【文檔編號】G06F17/50GK104462734SQ201510018284
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2015年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月14日
【發(fā)明者】李淑霞, 郝永卯, 靳玉蓉, 鄭如意, 李清平, 曹文 申請人:中國石油大學(華東)