基于滲流場的水合物實(shí)驗(yàn)裝置測點(diǎn)布置

鄭如意李淑霞張孟琴郝永卯侯健

1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院；2.河南科技大學(xué)林業(yè)職業(yè)學(xué)院

基于滲流場的水合物實(shí)驗(yàn)裝置測點(diǎn)布置

鄭如意1李淑霞1張孟琴2郝永卯1侯健1

1.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院；2.河南科技大學(xué)林業(yè)職業(yè)學(xué)院

為了監(jiān)測天然氣水合物生成及分解過程中物性參數(shù)的變化規(guī)律，需要在反應(yīng)釜中安裝各種傳感器測點(diǎn)，而測點(diǎn)的引入會對反應(yīng)釜中的流體流動產(chǎn)生影響。為了有效減少測點(diǎn)對反應(yīng)釜產(chǎn)生的干擾，利用數(shù)值模擬方法對測點(diǎn)尺寸與測點(diǎn)最小間距之間的關(guān)系進(jìn)行了定量研究。結(jié)果表明，傳感器測點(diǎn)的引入會對反應(yīng)釜中的滲流場產(chǎn)生影響，測點(diǎn)尺寸越大、測點(diǎn)的間距越小，對滲流場的影響越大；對于尺寸為10 mm、9 mm、8 mm、7 mm和6 mm的測點(diǎn)，相應(yīng)測點(diǎn)最小間距分別為60 mm、54 mm、48 mm、42 mm和36 mm時測點(diǎn)對反應(yīng)釜流場的影響可以忽略不計(jì)。因此對反應(yīng)釜進(jìn)行傳感器測點(diǎn)排布時，測點(diǎn)的間距不得小于測點(diǎn)尺寸的6倍，研究結(jié)果對同類實(shí)驗(yàn)反應(yīng)釜中測點(diǎn)的合理布置具有重要參考價值。

水合物；傳感器測點(diǎn)；滲流場；數(shù)值模擬

二十一世紀(jì)油氣資源消耗量日益增長，人類面臨著日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境污染。與傳統(tǒng)能源相比，天然氣水合物（NGH）具有儲量豐富、分布廣泛、能量密度高、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［1］。隨著對水合物理論研究、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場試采的不斷進(jìn)行［2］，天然氣水合物的商業(yè)性開采逐漸提上日程。和現(xiàn)場試采相比，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)具有費(fèi)用低、耗時短、易操作等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外已經(jīng)研制出了各種各樣的天然水合物實(shí)驗(yàn)裝置：美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）建立了三維海底模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［3］；加拿大DBR公司研制了JEFRI變體積高壓藍(lán)寶石全透明天然氣水合物實(shí)驗(yàn)裝置［4］；中國天然氣水合物研究起步較晚，但在相關(guān)的科研院所和高校也逐步研制了相應(yīng)的天然氣水合物模擬實(shí)驗(yàn)裝置［5-8］；德國、日本等國的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也都陸續(xù)研制了各種水合物實(shí)驗(yàn)設(shè)備［9-10］。

天然氣水合物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由高壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、測試系統(tǒng)及其他輔助設(shè)備組成［11］。其中測試系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)儀器的關(guān)鍵，由各種傳感器和檢測儀器組成，可以監(jiān)測反應(yīng)過程中反應(yīng)釜內(nèi)溫度、壓力、電阻率、水合物飽和度等物性參數(shù)的變化。一般而言，傳感器測點(diǎn)分布越密集，越有利于全面了解反應(yīng)釜中物性參數(shù)的變化情況，然而，引入過多的傳感器測點(diǎn)會對反應(yīng)釜中滲流場帶來干擾，造成測量數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。

目前對于實(shí)驗(yàn)儀器中傳感器的研究已經(jīng)取得了一定的成果。Minamide等人利用遺傳算法RCGA和模擬退火SA對溫度傳感器的分布進(jìn)行了研究，得到了可以對投影數(shù)據(jù)集進(jìn)行優(yōu)選的一種方法［12］；于百勝等人提出了一種利用參數(shù)選擇對傳感器的分布進(jìn)行評估的方法，可以用來評估測點(diǎn)整體與局部的測量效果［13］；Neuhaus等人設(shè)計(jì)了一種用于測量高純度、高腐蝕性液體流量的流量傳感器［14］；李巧真等人設(shè)計(jì)開發(fā)了傳感器實(shí)驗(yàn)裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，對各種傳感器進(jìn)行標(biāo)定和測試，由計(jì)算機(jī)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集和處理［15］；史治宇等人利用靈敏度分析方法提出了傳感器數(shù)目和位置的優(yōu)化方法，可以用有限的傳感器測點(diǎn)獲取足夠的結(jié)構(gòu)破損信息［16］；閆嘉鈺等人利用灰色綜合關(guān)聯(lián)度對傳感器的分布及數(shù)目進(jìn)行優(yōu)化，對數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵點(diǎn)的溫度測點(diǎn)進(jìn)行選?。?7］。

總的來說，目前對于實(shí)驗(yàn)裝置中傳感器的研究主要集中在傳感器的分布、數(shù)目以及傳感器的設(shè)計(jì)，而對于傳感器測點(diǎn)的存在對滲流場影響的研究仍然處于空白。因此，從傳感器測點(diǎn)引入對滲流場中流線的影響入手，利用數(shù)值模擬方法定量分析了水合物實(shí)驗(yàn)中傳感器測點(diǎn)的尺寸與傳感器測點(diǎn)間最小間距的關(guān)系。

1 測點(diǎn)尺寸對滲流場的影響

Numerical simulation of the effect of measurement point dimension on seepage field

Swinkels等人指出，能夠進(jìn)行PVT處理的熱模擬器即可進(jìn)行天然氣水合物開采的模擬，軟件CMG的熱采模塊STARS符合這樣的要求［18］。在CMGSTARS中加入水合物分解及生成反應(yīng)的模塊，進(jìn)而對水合物藏的開采過程進(jìn)行模擬，Uddin等人利用該軟件進(jìn)行了天然氣水合物藏開采的模擬［19］。

首先建立實(shí)驗(yàn)室尺度下的天然氣水合物開采模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模型平面尺?00×600 mm，傳感器測點(diǎn)在模型平面均勻分布。為研究測點(diǎn)的存在是否會對滲流場產(chǎn)生影響，數(shù)值模擬中將傳感器測點(diǎn)所在的網(wǎng)格設(shè)置為不滲透的無效網(wǎng)格。假設(shè)模型中心一口井，水合物降壓分解。模擬計(jì)算過程中所用的主要參數(shù)見表1。

表1 模擬計(jì)算主要參數(shù)Table 1 Main parameters of simulation calculation

目前水合物實(shí)驗(yàn)中的壓力傳感器測點(diǎn)尺寸一般采用2～5 mm， 溫度測點(diǎn)多采用鉑電阻，測點(diǎn)尺寸為3～8 mm， 電阻率測點(diǎn)一般是特制的，尺寸為10～20 mm［20-25］。下面研究中選取網(wǎng)格大小為6×6 mm，網(wǎng)格數(shù)為100×100， 測點(diǎn)間距為72 mm。為分析不同測點(diǎn)尺寸對滲流場中流線的影響，設(shè)計(jì)測點(diǎn)尺寸分別取6 mm、 12 mm和18 mm進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，同時與沒有安裝傳感器測點(diǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比。

圖1為不同測點(diǎn)尺寸下滲流場中的流線圖（圖中黑色實(shí)線為流線，白色色塊為測點(diǎn)的位置，測點(diǎn)間距為72 mm）， a、b、c、d為不同測點(diǎn)尺寸時模型中水合物降壓分解相同時間后的流線分布圖，其中a為無測點(diǎn)時的流線分布，b、c、d為測點(diǎn)尺寸分別6 mm、12 mm和18 mm時的流線分布?？梢钥闯?，測點(diǎn)尺寸為6 mm時對流線的影響基本可以忽略；當(dāng)測點(diǎn)尺寸達(dá)到18 mm后，測點(diǎn)的存在對流線產(chǎn)生的干擾越來越大。因此，隨著測點(diǎn)尺寸的增大，測點(diǎn)的引入對滲流場的影響增大。

圖1 不同測點(diǎn)尺寸的流線分布Fig. 1 Flow line distribution of different measurement point dimensions

2 測點(diǎn)間距對滲流場的影響

Numerical simulation of the effect of pointto-point spacing on seepage field

為了研究傳感器間距對滲流場的影響，以傳感器測點(diǎn)尺寸6 mm為例，網(wǎng)格大小為6×6 mm， 網(wǎng)格數(shù)為100×100。分別設(shè)計(jì)了傳感器測點(diǎn)間距為60 mm、 48 mm、 36 mm和24 mm，通過數(shù)值模擬計(jì)算并對比，分析傳感器測點(diǎn)間距對滲流場的影響。

圖2為測點(diǎn)尺寸為6 mm時水合物降壓分解相同時間后不同傳感器測點(diǎn)間距模型中的流線分布圖，其中a、b、c、d分別為測點(diǎn)間距為60 mm、42 mm、36 mm和24 mm時的流線分布。可以看出，當(dāng)傳感器尺寸相同時，不同的測點(diǎn)間距下流線的平滑程度也不同。隨著測點(diǎn)間距的減小，滲流場中流線受到的干擾增大。

3 測點(diǎn)尺寸與最小間距關(guān)系的數(shù)值模擬

Numerical simulation of the relationship between measurement point dimension and minimum spacing

圖2 不同傳感器測點(diǎn)間距下的流線分布Fig. 2 Flow line distribution of different point-to-point spacing

綜合分析前2部分的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，傳感器測點(diǎn)尺寸和間距對滲流場都有影響。初步分析認(rèn)為：不同尺寸的傳感器應(yīng)該對應(yīng)有不同的最小間距，當(dāng)傳感器間距大于最小間距時，認(rèn)為傳感器測點(diǎn)的引入對滲流場的影響可以忽略不計(jì)。

根據(jù)前面對測點(diǎn)尺寸的分析，下面分別選取傳感器測點(diǎn)尺寸為10 mm、 9 mm、 8 mm、 7 mm以及6 mm，通過數(shù)值模擬計(jì)算，研究不同測點(diǎn)尺寸對滲流場產(chǎn)生影響最小時所需要的測點(diǎn)的最小間距。以測點(diǎn)尺寸為10 mm為例，模擬計(jì)算了測點(diǎn)間距分別為70 mm、 60 mm、 50 mm和40 mm不同情況下的流線分布。

圖3為測點(diǎn)尺寸10 mm時水合物降壓分解相同時間后不同傳感器測點(diǎn)間距模型中的流線分布圖，其中a、b、c、d分別對應(yīng)測點(diǎn)間距為70 mm、 60 mm、50 mm和40 mm時的流線分布?？梢钥闯觯瑢τ跍y點(diǎn)尺寸為10 mm的模型，當(dāng)測點(diǎn)間距大于60 mm時對流線影響基本可以忽略，當(dāng)測點(diǎn)間距小于60 mm后流線的不穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，所以認(rèn)為對于尺寸為10 mm的測點(diǎn)，傳感器間距不能小于60 mm。同理對于9 mm、8 mm、7 mm和6 mm的傳感器，通過數(shù)值模擬計(jì)算分別得到傳感器的最小間距為54 mm、48 mm、42 mm和36 mm。將測點(diǎn)尺寸與相應(yīng)測點(diǎn)間最小間距繪制到坐標(biāo)系并作線性擬合，如圖4所示，可以看出測點(diǎn)最小間距為測點(diǎn)大小的6倍。

圖3 不同傳感器測點(diǎn)間距下的流線分布Fig. 3 Flow line distribution of different point-to-point spacing

需要指出的是，該研究結(jié)果建立在井底壓力為4 MPa的基礎(chǔ)之上，當(dāng)井底壓力較小時，生產(chǎn)壓差較大，流體的流速越大，同樣會對滲流場產(chǎn)生影響，所以在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，要以所需要的最大生產(chǎn)壓差為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 測點(diǎn)大小與測點(diǎn)最小間距的關(guān)系曲線Fig. 4 Relationship between measurement point dimension and minimum point-to-point spacing

4 結(jié)論

Conclusions

（1）利用CMG-STARS模塊對反應(yīng)釜中水合物降壓分解過程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算， 當(dāng)傳感器測點(diǎn)間距相同時，測點(diǎn)尺寸越大，對滲流場的影響越大；當(dāng)傳感器測點(diǎn)的尺寸相同時，測點(diǎn)間距越小，對滲流場的影響越大。

（2）通過對測點(diǎn)尺寸與測點(diǎn)最小間距匹配關(guān)系的數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，對于尺寸分別為10 mm、9 mm、8 mm、7 mm和6 mm的測點(diǎn)，對應(yīng)的測點(diǎn)最小間距分別為60 mm、54 mm、48 mm、42 mm和36 mm。因此對反應(yīng)釜進(jìn)行測點(diǎn)排布時，測點(diǎn)間距不小于測點(diǎn)尺寸的6倍。

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（修改稿收到日期 2016-11-12）

〔編輯 李春燕〕

Arrangement of measurement points of hydrate experiment devices based on seepage field

ZHENG Ruyi1, LI Shuxia1, ZHANG Mengqin2, HAO Yongmao1, HOU Jian1

1. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China; 2. Forestry College, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471002, Henan, China

In order to monitor the change laws of physical property parameters in process of formation and decomposition of natural gas hydrate, it is necessary to install various sensor measurement points in reactors. However, the introduction of sensor measurement points influences the flowing situations of fluids in reactors. In order to alleviate the disturbance, the relationship between measurement point dimension and minimum point-to-point spacing was analyzed quantitatively by means of numerical simulation. It is indicated that the seepage field in reactors are affected by the introduction of sensor measurement points. The larger the measurement points are and the shorter the point-to-point spacing is, the more the seepage field is affected. The minimum point-to-point spacing corresponding to the point dimension of 10 mm, 9 mm, 8 mm, 7 mm and 6 mm is 60 mm, 54 mm, 48 mm, 42 mm and 36 mm, respectively. Therefore, the point-to-point spacing shall not be shorter than 6 times the measurement point dimension when sensor measurement points are arranged in reactors. The research results are of instructive significance to the deployment of measurement points in reactors.

hydrate; measurement point of sensor; seepage field; numerical simulation

鄭如意，李淑霞，張孟琴，郝永卯，侯健.基于滲流場的水合物實(shí)驗(yàn)裝置測點(diǎn)布置［J］ .石油鉆采工藝，2017，39（1）：107-111.

TE312

A

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國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“天然氣水合物藏注熱開采可行性研究”（編號：51274227）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金課題“油氣藏滲流力學(xué)與提高采收率”（編號：15CX08004A）。

鄭如意（1991-），中國石油大學(xué)（華東）油氣田開發(fā)專業(yè)碩士研究生，現(xiàn)從事天然氣水合物開采理論的研究工作。通訊地址：（266580）山東青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)中國石油大學(xué)（華東）工科B633室。E-mail：zhengruyi1991@gmail.com

李淑霞（1970-），中國石油大學(xué)（華東）油氣田開發(fā)專業(yè)教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)從事油藏工程及天然氣水合物開采機(jī)理方面的研究和教學(xué)工作。通訊地址：（266580）山東青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)中國石油大學(xué)（華東）工科B625室。E-mail：lishuxia@upc. edu.cn