基于渗流场的水合物实验装置测点布置.pdf

第 39 卷 第 1 期 2017 年 1 月 石 油 钻 采 工 艺 OIL DRILLING 2. Forestry College, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471002, Henan, China Citation: ZHENG Ruyi, LI Shuxia, ZHANG Mengqin, HAO Yongmao, HOU Jian. Arrangement of measurement points of hydrate experiment devices based on seepage fieldJ. Oil Drilling measurement point of sensor; seepage field; numerical simulation 基金项目：国家自然科学基金项目“天然气水合物藏注热开采可行性研究” （编号：51274227） ；中央高校基本科研业务费专项资金课 题“油气藏渗流力学与提高采收率” （编号：15CX08004A） 。 第一作者：郑如意（1991-） ， 中国石油大学（华东） 油气田开发专业硕士研究生， 现从事天然气水合物开采理论的研究工作。通讯地址： （266580） 山东青岛经济技术开发区中国石油大学（华东） 工科 B633 室。E-mail： 通讯作者：李淑霞（1970-） ， 中国石油大学（华东） 油气田开发专业教授， 博士生导师， 现从事油藏工程及天然气水合物开采机理方面的 研究和教学工作。通讯地址：（266580） 山东青岛经济技术开发区中国石油大学（华东） 工科 B625 室。E-mail：lishuxiaupc. 万方数据 108石油钻采工艺2017 年 1 月（第 39 卷） 第 1 期 二十一世纪油气资源消耗量日益增长， 人类面 临着日益严峻的能源危机和环境污染。与传统能源 相比， 天然气水合物（NGH） 具有储量丰富、 分布广 泛、 能量密度高、 清洁环保等优点1。随着对水合物 理论研究、 室内实验以及现场试采的不断进行2， 天 然气水合物的商业性开采逐渐提上日程。和现场试 采相比， 室内实验具有费用低、 耗时短、 易操作等优 点。国内外已经研制出了各种各样的天然水合物实 验装置：美国橡树岭国家实验室（ORNL） 建立了三 维海底模拟实验系统3；加拿大 DBR 公司研制了 JEFRI 变体积高压蓝宝石全透明天然气水合物实验 装置4；中国天然气水合物研究起步较晚， 但在相 关的科研院所和高校也逐步研制了相应的天然气水 合物模拟实验装置5-8；德国、 日本等国的相关研究 机构也都陆续研制了各种水合物实验设备9-10。 天然气水合物实验系统主要由高压系统、 冷却 系统、 测试系统及其他辅助设备组成11。其中测试 系统是实验仪器的关键， 由各种传感器和检测仪器 组成， 可以监测反应过程中反应釜内温度、 压力、 电 阻率、 水合物饱和度等物性参数的变化。一般而言， 传感器测点分布越密集， 越有利于全面了解反应釜 中物性参数的变化情况， 然而， 引入过多的传感器测 点会对反应釜中渗流场带来干扰， 造成测量数据的 不准确。 目前对于实验仪器中传感器的研究已经取得了 一定的成果。Minamide 等人利用遗传算法 RCGA 和模拟退火 SA 对温度传感器的分布进行了研究， 得到了可以对投影数据集进行优选的一种方法12； 于百胜等人提出了一种利用参数选择对传感器的分 布进行评估的方法， 可以用来评估测点整体与局部 的测量效果13；Neuhaus 等人设计了一种用于测 量高纯度、 高腐蚀性液体流量的流量传感器14；李 巧真等人设计开发了传感器实验装置计算机控制 系统， 对各种传感器进行标定和测试， 由计算机对实 验数据进行实时采集和处理15；史治宇等人利用 灵敏度分析方法提出了传感器数目和位置的优化方 法， 可以用有限的传感器测点获取足够的结构破损 信息16；闫嘉钰等人利用灰色综合关联度对传感 器的分布及数目进行优化， 对数控机床关键点的温 度测点进行选取17。 总的来说， 目前对于实验装置中传感器的研究 主要集中在传感器的分布、 数目以及传感器的设计， 而对于传感器测点的存在对渗流场影响的研究仍然 处于空白。因此， 从传感器测点引入对渗流场中流 线的影响入手， 利用数值模拟方法定量分析了水合 物实验中传感器测点的尺寸与传感器测点间最小间 距的关系。 1测点尺寸对渗流场的影响 Numerical simulation of the effect of measurement point dimension on seepage field Swinkels 等人指出， 能够进行 PVT 处理的热模 拟器即可进行天然气水合物开采的模拟， 软件 CMG 的热采模块 STARS 符合这样的要求18。在 CMG- STARS 中加入水合物分解及生成反应的模块， 进而 对水合物藏的开采过程进行模拟， Uddin 等人利用该 软件进行了天然气水合物藏开采的模拟19。 首先建立实验室尺度下的天然气水合物开采模 拟实验模型， 模型平面尺寸 600600 mm， 传感器测 点在模型平面均匀分布。为研究测点的存在是否会 对渗流场产生影响， 数值模拟中将传感器测点所在 的网格设置为不渗透的无效网格。假设模型中心一 口井， 水合物降压分解。模拟计算过程中所用的主 要参数见表 1。 表 1模拟计算主要参数 Table 1 Main parameters of simulation calculation 参数数值 初始 NGH 饱和度 /%40 初始含水饱和度 /%60 孔隙度0.353 渗透率 /mD200 水合物藏温度 /9 水合物藏压力 /MPa6.913 生产井井底压力 /MPa4 目前水合物实验中的压力传感器测点尺寸一般 采用 25 mm， 温度测点多采用铂电阻， 测点尺寸为 38 mm， 电阻率测点一般是特制的， 尺寸为 1020 mm20-25。下面研究中选取网格大小为 66 mm， 网 格数为 100100， 测点间距为 72 mm。为分析不同 测点尺寸对渗流场中流线的影响， 设计测点尺寸分 别取 6 mm、 12 mm 和 18 mm 进行数值模拟计算， 同时 与没有安装传感器测点的数值模拟结果进行对比。 图 1 为不同测点尺寸下渗流场中的流线图（图 中黑色实线为流线， 白色色块为测点的位置， 测点间 距为 72 mm） ， a、 b、 c、 d 为不同测点尺寸时模型中水 合物降压分解相同时间后的流线分布图， 其中 a 为 无测点时的流线分布， b、 c、 d 为测点尺寸分别 6 mm、 12 mm 和 18 mm 时的流线分布。可以看出， 测点尺 寸为 6 mm 时对流线的影响基本可以忽略；当测点 万方数据 109郑如意等：基于渗流场的水合物实验装置测点布置 尺寸达到 18 mm 后， 测点的存在对流线产生的干扰 越来越大。因此， 随着测点尺寸的增大， 测点的引入 对渗流场的影响增大。 图 1不同测点尺寸的流线分布 Fig. 1 Flow line distribution of different measurement point dimensions 2测点间距对渗流场的影响 Numerical simulation of the effect of point- to-point spacing on seepage field 为了研究传感器间距对渗流场的影响， 以传感 器测点尺寸 6 mm 为例， 网格大小为 66 mm， 网格 数为 100100。分别设计了传感器测点间距为 60 mm、 48 mm、 36 mm 和 24 mm， 通过数值模拟计算 并对比， 分析传感器测点间距对渗流场的影响。 图 2 为测点尺寸为 6 mm 时水合物降压分解相 同时间后不同传感器测点间距模型中的流线分布 图， 其中 a、 b、 c、 d 分别为测点间距为 60 mm、 42 mm、 36 mm 和 24 mm 时的流线分布。可以看出， 当传感 器尺寸相同时， 不同的测点间距下流线的平滑程度 也不同。随着测点间距的减小， 渗流场中流线受到 的干扰增大。 3测点尺寸与最小间距关系的数值模拟 Numerical simulation of the relationship between measurement point dimension and minimum spacing 综合分析前 2 部分的模拟结果可以发现， 传感 器测点尺寸和间距对渗流场都有影响。初步分析认 为：不同尺寸的传感器应该对应有不同的最小间 距， 当传感器间距大于最小间距时， 认为传感器测点 的引入对渗流场的影响可以忽略不计。 根据前面对测点尺寸的分析， 下面分别选取传 感器测点尺寸为 10 mm、 9 mm、 8 mm、 7 mm 以及 6 mm， 通过数值模拟计算， 研究不同测点尺寸对渗流 场产生影响最小时所需要的测点的最小间距。以测 点尺寸为 10 mm 为例， 模拟计算了测点间距分别为 70 mm、 60 mm、 50 mm 和 40 mm 不同情况下的流 线分布。 图 3 为测点尺寸 10 mm 时水合物降压分解相同 时间后不同传感器测点间距模型中的流线分布图， 其中 a、 b、 c、 d 分别对应测点间距为 70 mm、 60 mm、 50 mm 和 40 mm 时的流线分布。可以看出， 对于测 点尺寸为 10 mm 的模型， 当测点间距大于 60 mm 时 对流线影响基本可以忽略， 当测点间距小于 60 mm 后流线的不稳定性显著增强， 所以认为对于尺寸为 10 mm 的测点， 传感器间距不能小于 60 mm。同理 对于 9 mm、 8 mm、 7 mm 和 6 mm 的传感器， 通过数 值模拟计算分别得到传感器的最小间距为 54 mm、 48 mm、 42 mm 和 36 mm。将测点尺寸与相应测点 间最小间距绘制到坐标系并作线性拟合， 如图 4 所 示， 可以看出测点最小间距为测点大小的 6 倍。 需要指出的是， 该研究结果建立在井底压力为 4 MPa 的基础之上， 当井底压力较小时， 生产压差较 图 2不同传感器测点间距下的流线分布 Fig. 2 Flow line distribution of different point-to-point spacing 万方数据 110石油钻采工艺2017 年 1 月（第 39 卷） 第 1 期 大， 流体的流速越大， 同样会对渗流场产生影响， 所 以在实际的设计过程中， 要以所需要的最大生产压 差为基础进行设计。 y = 6x 35 40 45 50 55 60 678910 测点最小间距/mm 测点尺寸/mm 图 4测点大小与测点最小间距的关系曲线 Fig. 4 Relationship between measurement point dimension and minimum point-to-point spacing 4结论 Conclusions （1）利用 CMG-STARS 模块对反应釜中水合物 降压分解过程进行数值模拟计算， 当传感器测点间 距相同时， 测点尺寸越大， 对渗流场的影响越大；当 传感器测点的尺寸相同时， 测点间距越小， 对渗流场 的影响越大。 （2） 通过对测点尺寸与测点最小间距匹配关系的 数值模拟研究发现， 对于尺寸分别为 10 mm、 9 mm、 8 mm、 7 mm 和 6 mm 的测点， 对应的测点最小间距 分别为 60 mm、 54 mm、 48 mm、 42 mm 和 36 mm。因 此对反应釜进行测点排布时， 测点间距不小于测点 尺寸的 6 倍。 参考文献： References: 1 陈月明， 李淑霞， 郝永卯， 杜庆军 . 天然气水合物开采理 论与技术M. 青岛：中国石油大学出版社， 2011.