基于渗流场的水合物实验装置测点布置

郑如意李淑霞张孟琴郝永卯侯健

1.中国石油大学（华东）石油工程学院；2.河南科技大学林业职业学院

基于渗流场的水合物实验装置测点布置

郑如意1李淑霞1张孟琴2郝永卯1侯健1

1.中国石油大学（华东）石油工程学院；2.河南科技大学林业职业学院

为了监测天然气水合物生成及分解过程中物性参数的变化规律，需要在反应釜中安装各种传感器测点，而测点的引入会对反应釜中的流体流动产生影响。为了有效减少测点对反应釜产生的干扰，利用数值模拟方法对测点尺寸与测点最小间距之间的关系进行了定量研究。结果表明，传感器测点的引入会对反应釜中的渗流场产生影响，测点尺寸越大、测点的间距越小，对渗流场的影响越大；对于尺寸为10 mm、9 mm、8 mm、7 mm和6 mm的测点，相应测点最小间距分别为60 mm、54 mm、48 mm、42 mm和36 mm时测点对反应釜流场的影响可以忽略不计。因此对反应釜进行传感器测点排布时，测点的间距不得小于测点尺寸的6倍，研究结果对同类实验反应釜中测点的合理布置具有重要参考价值。

水合物；传感器测点；渗流场；数值模拟

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CMGSTARS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600×600 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

目前水合物实验中的压力传感器测点尺寸一般采用2～5 mm， 温度测点多采用铂电阻，测点尺寸为3～8 mm， 电阻率测点一般是特制的，尺寸为10～20 mm［20-25］。下面研究中选取网格大小为6×6 mm，网格数为100×100， 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 pointto-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6×6 mm， 网格数为100×100。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

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

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。

图3 不同传感器测点间距下的流线分布Fig. 3 Flow line distribution of different point-to-point spacing

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。

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。

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（修改稿收到日期 2016-11-12）

〔编辑 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

郑如意，李淑霞，张孟琴，郝永卯，侯健.基于渗流场的水合物实验装置测点布置［J］ .石油钻采工艺，2017，39（1）：107-111.

TE312

A

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0107 – 05

10.13639/j.odpt.2017.01.021

:ZHENG Ruyi, LI Shuxia, ZHANG Mengqin, HAO Yongmao, HOU Jian. Arrangement of measurement points of hydrate experiment devices based on seepage field［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 107-111.

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）。

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：zhengruyi1991@gmail.com

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：lishuxia@upc. edu.cn