[发明专利]基于数值模拟的可燃冰开采实验模型测点分布设计方法

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。