基于数值模拟的可燃冰开采实验模型测点分布设计方法

摘要

本发明公开了一种基于数值模拟的可燃冰开采实验模型测点分布设计方法，包括以下步骤：选取合适尺寸的实验模型，设计相同分布的测点，依次改变侧点大小，测点位置取无效网格进行研究，模拟不同测点大小的平面渗流场，确定最佳测点尺寸范围；依据最佳测点尺寸，引入同一测点数目，从而确定合适的测点数目和对应模型平面尺寸；根据最佳测点尺寸和模型平面尺寸，依次针对不同的测点数目，改变测点距离，模拟相同时刻平面上的流线分布，确定最佳测点间距；计算分析不同平面-纵向尺度比例下的渗流场特征，确定模型纵向尺寸和上下围岩厚度。本发明实现了天然气水合物三维实验模型中的测点合理分布，将其对流线的影响最小化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于数值模拟的可燃冰开采实验模型测点分布设计方法。

背景技术

天然气水合物是由天然气和水分子组成的类冰状的固态结晶体，天然气主要由甲烷组成， 故也称为甲烷水合物。因含大量的甲烷气体而具有极强的燃烧力，可以直接燃烧，所以又俗 称为“可燃冰”。天然气水合物的能量密度很高，据理论计算1m3的饱和天然气水合物在标 准条件下可释放出164m3的甲烷气体，是其它非常规气源岩(诸如煤层气、黑色页岩)能量 密度的10倍，为常规天然气能量密度的2～5倍，相当于0.164吨石油的能量。另外，天然 气水合物燃烧只产生二氧化碳和水，不会污染环境，是一种难得的绿色洁净能源。最重要的 是，天然气水合物的储量非常丰富。根据天然气水合物存在的稳定条件分析，陆地上20.7％ 和大洋底90％的地区具有形成天然气水合物的有利条件，据此估计全球天然气水合物中的甲 烷碳含量达1016kg或含有20×1015m3的甲烷气，相当于全世界已知煤炭、石油和天然气 等常规化石燃料总碳储量的两倍，将成为本世纪人类最重要的能源。

和现场实验相比，物理模拟具有费用低、耗时短、操作容易等优点。实验模型设计是物 理模拟得以顺利进行的关键。

天然气水合物开采过程中，反应釜中的温度、压力、电阻率等参数的测量对于开采过程 具有重要意义，为了测量这些参数，在实验模型设计时需要加入测点。然而，测点的引入会 对反应釜中流体的流动带来影响，这种影响在流线上具有明显的体现。为了使测量结果尽可 能地接近反应釜中的真实情况，必须使测点对流线的影响尽可能小。

目前研究天然气水合物的实验装置中，测点的分布大都是根据测量数据的需要进行设计， 并没有考虑测点的引入对渗流场造成的影响，这样的设计可能会引入误差。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于数值模拟的可燃冰开采实验模型测点分布设 计方法，本方法采用数值模拟的方法，对天然气水合物三维实验模型的测点的大小及分布情 况进行研究，实现了天然气水合物三维实验模型中的测点合理分布，将其对流线的影响最小 化。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于数值模拟的可燃冰开采实验模型测点分布设计方法，包括以下步骤：

(1)选取合适尺寸的实验模型，设计相同分布的温度、电阻率、声波和压力测点，依 次改变测点大小，测点位置取无效网格进行研究，模拟不同测点大小的平面渗流场，确定最 佳测点尺寸范围；

(2)依据最佳测点尺寸，引入同一测点数目，依次模拟不同尺寸模型中的平面渗流场， 从而确定合适的测点数目和对应模型平面尺寸；

(3)根据最佳测点尺寸和模型平面尺寸，依次针对不同的测点数目，改变测点距离， 模拟相同时刻平面上的流线分布，确定最佳测点间距；

(4)计算分析不同平面-纵向尺度比例下的渗流场特征，确定模型纵向尺寸和上下围岩 厚度。

所述步骤(1)中，具体方法为：取设定的实验模型尺寸，测点大小分别取1-4cm²，依 次增大，模型中设计3层分布的温度、电阻率、声波和压力测点，每层测点数均匀分布，测 点大小一定，测点位置取无效网格进行研究，模拟不同测点大小的平面渗流场。

所述步骤(1)中，最佳测点尺寸大小范围取[0.8～1.0]cm²。

所述步骤(2)中，设计每层模型的测点数目15×15，即225个，分别建立500×500×500mm³、 600×600×600mm³、700×700×700mm³、800×800×800mm³、1000×1000×1000mm³大小不同的 模型，研究不同尺寸模型中的平面渗流场。

所述步骤(2)中，当测点数目为15×15时，为了使测点的引入对流线造成的影响并且考 虑到模型制作工艺水平，平面模型尺寸范围取[800×800～850×850]mm²。

所述步骤(3)中，取800×800mm²模型进行测点密度优化，确定测点最小距离。建立测 点个数分别为0、9×9＝81、15×15＝225、19×19＝361个的模型，其中9×9、15×15、19×19所对 应的测点距离分别为7cm、4cm、3cm，模拟不同模型中相同时刻平面上的流线分布。

所述步骤(3)中，最佳测点间距范围取[4-4.2]cm。

所述步骤(4)中，固定模型平面尺度为800mm×800mm²，模型厚度分别取160mm、240mm、 320mm、400mm和480mm，计算分析不同平面-纵向尺度比例下的渗流场特征，网格平面划 分为40×40mm²，垂向40mm为一层；进行中间一口井降压分解，井底压力为4MPa，进行纵 向气水流动动态分析。

所述步骤(4)中，模型最佳纵尺寸范围取[480～500]mm，考虑到围岩导热作用对水合物 分解的作用，上下围岩厚度比例范围为[0.39～0.41]。

当模型的边长为[800～850]mm；模型内测点分为上中下三层，每层均匀分布15×15个测 点；测点大小为[0.8～1.0]cm²；测点间距为[4～4.5]cm的分布时，模拟效果最佳。

本发明的有益效果为：

(1)对测点分布进行合理化安排，使得其对流线的影响最小化；

(2)给出所提供的平面尺寸下所对应的纵向尺寸，保证模型中的三维流动特征；

(3)提供了围岩厚度比，将围岩的作用发挥到最大。

附图说明

图1为本发明的平面测点分布图；

图2为本发明的4层模型示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

基于数值模拟的可燃冰开采实验模型设计，包括以下步骤：

1、测点大小的选择

实验模型尺寸取300×300×300mm，测点大小分别取1cm²，2cm²，4cm²，模型中设计3 层分布的温度、电阻率、声波、压力等测点，每层测点数6×6均匀分布，测点大小一定，测 点位置取无效网格进行研究，不同测点大小的平面渗流场。

数值模拟结果表明，当测点尺寸超过2cm²之后，模型流线变形比较严重，所以采用 [0.8～1.0]cm²大小的测点。

2、测点数目与对应模型平面尺寸的确定

选用1cm²大小的测点，因模型中需监测温度、电阻率、声波、压力等的分布，故需要较 多的测点数目。在此设计每层模型的测点数目为15×15，即225个，分别建立500×500×500mm³、 600×600×600mm³、700×700×700mm³、800×800×800mm³、1000×1000×1000mm³大小不同的 模型，研究不同尺寸模型中的平面渗流场。

结果表明：当引入225个测点时，1000mm模型流线基本没有变形，800mm模型流线变 形幅度较小，但当模型尺寸小于700mm后，流线变形严重，说明测点的分布对渗流场已产生 了很大的干扰。同时，在布置测点时尽量避免在边界位置布置测点，否则边界测点对流线干 扰较大。

因此，当测点数目为15×15时，为了使测点的引入对流线造成的影响并且考虑到模型制 作工艺水平，平面模型尺寸取[800×800～850×850]mm²。

3、测点间距的确定

取800×800mm²模型进行测点密度优化，确定测点最小距离。建立测点个数分别为0、 9×9＝81、15×15＝225、19×19＝361个的模型，其中9×9、15×15、19×19所对应的测点距离分 别为7cm、4cm、3cm。模拟不同模型中相同时刻平面上的流线分布。

结果表明：测点距离为7cm时模型流线基本没有变形；4cm测点距离时，流线变形不 明显，渗流场基本没有改变；3cm测点距离时，流线开始变形，出现流线穿过测点失真的现 象，所以测点间距取[4～4.2]cm。

4、模型纵向尺寸与测点分布的确定

固定模型平面尺度为800mm×800mm²，模型厚度分别取160、240mm、320mm、400mm、 480mm，计算分析不同平面-纵向尺度比例下的渗流场特征，网格平面划分为40×40mm²，垂 向40mm为一层。进行中间一口井降压分解，井底压力为4MPa，进行纵向气水流动动态分 析。

结果表明：当模型厚度大于480mm时，整个平面达到最大程度的纵向串流，为完全的三 维模型。

所以模型纵尺寸取[480～500]mm，考虑到围岩导热作用对水合物分解的作用，上下围岩 厚度比例为[0.39～0.41]。

如图1所示，模型平面尺寸取[800×800～850×850]mm²，测点间距取[4～4.5]cm，测点大小 取[0.8～1.0]cm²，每层分布测点个数15×15。

如图2所示，将模型纵向平均分为4层，测点分上层、中部、下层三层布置，即A-A、 B-B、C-C面上。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。