CN108226004B - 多孔介质流体渗流模拟装置及方法 - Google Patents

多孔介质流体渗流模拟装置及方法 Download PDF

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CN108226004B CN201711372605.3A CN201711372605A CN108226004B CN 108226004 B CN108226004 B CN 108226004B CN 201711372605 A CN201711372605 A CN 201711372605A CN 108226004 B CN108226004 B CN 108226004B
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Abstract

本申请实施例提供了一种多孔介质流体渗流模拟装置及方法，该装置包括：密封隔热容器，其内充满用于模拟待模拟多孔介质中流体的导热介质；热源，用于向所述导热介质提供热能；多个温度传感器，用于待所述热源的热量输出恒定，且多个温度传感器在相同采样时刻采集的温度数据呈线性关系时，采集所述密封隔热容器内不同位置处导热介质的温度数据；数据处理装置，用于根据所述温度数据以及预设的相似比例系数确定所述待模拟多孔介质的渗流参数；所述相似比例系数为传热参数与相似渗流参数间的比例系数。本申请实施例的结构简单、成本较低。

Description

多孔介质流体渗流模拟装置及方法
技术领域
本申请涉及油气勘探开发技术领域，尤其是涉及一种多孔介质流体渗流模拟装置及方法。
背景技术
渗流是泛指流体在任何多孔介质内的流动。流体在多孔介质中的渗流具有以下特点：流动阻力较大，流动速度一般较慢，流体的惯性力往往忽略不计。并且，多孔介质的孔隙结构的几何、拓扑等特性往往具有较大的复杂性和随机性。因此，对多孔介质中渗流特性进行研究，对于认识油气的形成和提高油气采收率具有重要意义。
目前，对于多孔介质中的流体渗流模拟多是基于压力场的渗流模拟，这种方式在构建模型时，需要利用等压板模拟流体压力面为等压面，使流体在这个等压面上的各点压力处处相等。而使用等压板等构造的实验模型的结构复杂。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种结构简单的多孔介质流体渗流模拟装置及方法。
为达到上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种多孔介质流体渗流模拟装置，包括：
密封隔热容器，其内充满用于模拟待模拟多孔介质中流体的导热介质；
热源，用于向所述导热介质提供热能；
多个温度传感器，用于待所述热源的热量输出恒定，且多个温度传感器在相同采样时刻采集的温度数据呈线性关系时，采集所述密封隔热容器内不同位置处导热介质的温度数据；
数据处理装置，用于根据所述温度数据以及预设的相似比例系数确定所述待模拟多孔介质的渗流参数；所述相似比例系数为传热参数与相似渗流参数间的比例系数。
优选的，所述相似比例系数包括：
温度场中任意一点的温度与待模拟多孔介质几何相似点的压力之间的第一相似比例系数Cp；
温度场中任意一点的导热量与待模拟多孔介质几何相似点的渗流量之间的第二相似比例系数Cq；
温度场中任意一点的热阻与待模拟多孔介质几何相似点的渗流阻力之间的第三相似比例系数Cr；
所述第一相似比例系数Cp、所述第二相似比例系数Cq和所述第三相似比例系数Cr之间的关系为：
Figure BDA0001514040350000021
优选的，所述根据所述温度数据以及预设的相似比例系数确定所述待模拟多孔介质的渗流参数，包括：
根据公式J＝CqQ确定所述待模拟多孔介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的渗流量Q；
其中，J为所述导热介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的导热量，且
Figure BDA0001514040350000022
λ为所述导热介质的热传导系数，A为所述导热介质的横截面积，T1为热源位置处的导热介质的温度值，T2为所述导热介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的温度值，L为任意一个温度传感器所对应的非热源位置至所述热源位置的传热距离。
优选的，所述根据所述相似比例系数和记录的温度数据，确定所述待模拟多孔介质的渗流参数，包括：
根据公式T＝CpP确定所述待模拟多孔介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的压力P；其中，T为所述导热介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的温度值。
优选的，所述数据处理装置还用于根据公式
Figure BDA0001514040350000023
确定所述待模拟多孔介质的渗流率κ；
其中，Rh为所述导热介质的热阻，A为所述导热介质的横截面积，L为任意一个温度传感器所对应的非热源位置至所述热源位置的传热距离，μ为所述待模拟多孔介质的流体粘度。
优选的，所述密封隔热容器包括金属圆筒，所述热源设置于所述金属圆筒的一端，所述金属圆筒的另一端设有密封端盖。
优选的，所述金属圆筒的外表面包覆有隔热层，所述密封端盖的材质为绝热材料。
优选的，所述金属圆筒的表面设有防护层。
优选的，所述热源包括恒功率电热源。
优选的，所述导热介质包括粉砂。
优选的，所述多个温度传感器安装于所述密封隔热容器上，且沿所述密封隔热容器的轴向均匀分布；每个温度传感器的探头向内伸入至所述密封隔热容器的轴线位置。
另一方面，本申请实施例还提供了一种利用上述多孔介质流体渗流模拟装置的多孔介质流体渗流模拟方法，包括以下步骤：
确定相似比例系数；
控制热源对位于密封隔热容器内的用于模拟待模拟多孔介质中流体的导热介质进行加热；
待所述热源的热量输出恒定，且多个温度传感器在相同采样时刻采集的温度数据呈线性关系时，获取每个温度传感器在相同采样时刻采集的温度数据；
根据所述相似比例系数和所述温度数据确定所述待模拟多孔介质的渗流参数；所述相似比例系数为传热参数与相似渗流参数间的比例系数。
优选的，所述相似比例系数包括：
温度场中任意一点的温度与待模拟多孔介质几何相似点的压力之间的第一相似比例系数Cp；
温度场中任意一点的导热量与待模拟多孔介质几何相似点的渗流量之间的第二相似比例系数Cq；
温度场中任意一点的热阻与待模拟多孔介质几何相似点的渗流阻力之间的第三相似比例系数Cr；
所述第一相似比例系数Cp、所述第二相似比例系数Cq和所述第三相似比例系数Cr之间的关系为：
Figure BDA0001514040350000031
优选的，所述根据所述相似比例系数和所述温度数据确定所述待模拟多孔介质的渗流参数，包括：
根据公式J＝CqQ确定所述待模拟多孔介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的渗流量Q；
其中，J为所述导热介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的导热量，且
Figure BDA0001514040350000041
λ为所述导热介质的热传导系数，A所述导热介质的横截面积，T1为热源位置处的导热介质的温度值，T2为所述导热介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的温度值，L为任意一个温度传感器所对应的非热源位置至所述热源位置的传热距离。
优选的，根据所述相似比例系数和所述温度数据确定所述待模拟多孔介质的渗流参数，包括：
根据公式T＝CpP确定所述待模拟多孔介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的压力P；其中，T为所述导热介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的温度值。
优选的，所述方法还包括：
根据公式
Figure BDA0001514040350000042
确定所述待模拟多孔介质的渗流率κ；
其中，Rh为所述导热介质的热阻，A为所述导热介质的横截面积，L为任意一个温度传感器所对应的非热源位置至所述热源位置的传热距离，μ为所述待模拟多孔介质的流体粘度。
由以上本申请实施例提供的技术方案可见，本申请实施例的多孔介质流体渗流模拟装置是基于传热和渗流的相似原理而构建，因而不再需要基于等压板构建的复杂结构模型，从而简化了多孔介质流体渗流模拟装置的结构。此外，除了可根据相似原理，模拟流体在多孔介质中的渗流规律及运动状态外，本申请实施例还可以用于计算传热材料的热传导系数。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本申请一实施方式中多孔介质流体渗流模拟装置的结构示意图；
图2为本申请一实施方式中多孔介质流体渗流模拟装置的结构剖视图；
图3为本申请一实施方式中多个温度传感器在相同采样时刻采集的温度数据间的线性关系示意图；
图4为本申请一实施方式中多孔介质流体渗流模拟方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本领域技术人员悉知，流体在多孔介质中的渗流符合达西定律，即渗流量与压力差和截面积成正比，与多孔介质的渗透率成正比，而与流体粘度和渗流传热距离成反比。而在实现本申请的过程中，本申请的发明人发现：在热力学领域也有与达西定律相似的公式，即傅里叶热传导定律。根据傅里叶热传导定律，在导热过程中，导热量与温度差和截面积成正比，与传热材料的热传导系数成正比，与传热距离成反比。
由此可见，描述传热的物理量和描述渗流的物理量属于同一类方程，即二者的性质相同。因此，在相似的几何条件和边界条件下，二者可具有相似的解。有鉴于此，可以利用传热的方法模拟流体在多孔介质中的渗流。
基于上述相似原理，本申请一实施方式提供了一种多孔介质流体渗流模拟装置，其可以包括密封隔热容器、热源、多个温度传感器和数据处理装置。其中，密封隔热容器内充满用于模拟待模拟多孔介质中流体的导热介质。热源可以用于向所述导热介质提供热能。多个温度传感器可用于待所述热源的热量输出恒定，且多个温度传感器在相同采样时刻采集的温度数据呈线性关系(例如图3所示)时，采集所述密封隔热容器内不同位置处导热介质的温度数据。数据处理装置可用于根据所述温度数据以及预设的相似比例系数确定所述待模拟多孔介质的渗流参数。
本申请一实施方式中，所述相似比例系数为传热参数与相似渗流参数间的比例系数。根据上述相似原理，所述相似比例系数例如可以包括：
温度场中任意一点的温度与待模拟多孔介质几何相似点的压力之间的第一相似比例系数Cp，用公式可表示为T＝CpP。其中，T为温度场中任意一点的温度，P为待模拟多孔介质几何相似点的压力。
温度场中任意一点的导热量与待模拟多孔介质几何相似点的渗流量之间的第二相似比例系数Cq；用公式可表示为J＝CqQ。其中，J为温度场中任意一点的导热量，Q为待模拟多孔介质几何相似点的渗流量。
温度场中任意一点的热阻与待模拟多孔介质几何相似点的渗流阻力之间的第三相似比例系数Cr；用公式可表示为
Figure BDA0001514040350000061
其中，Rh为温度场中任意一点的热阻，Rw为待模拟多孔介质的渗流阻力，A为待模拟多孔介质的横截面积，L为传热距离，μ为待模拟多孔介质的流体粘度。
将上述三个公式联立可得：
Figure BDA0001514040350000062
因此，要使得传热过程与渗流过程相似，Cp、Cq和Cr之间的关系应满足：
Figure BDA0001514040350000063
本申请一实施方式中，在待模拟多孔介质以及多孔介质流体渗流模拟装置的导热介质已确定的情况下，Cp、Cq和Cr具体可以预先通过试验多孔介质流体渗流模拟装置，并根据公式T＝CpP，J＝CqQ和
Figure BDA0001514040350000064
确定。在试验和计算过程中，Cp、Cq和Cr的值可以根据需要不断调整，当Cp、Cq和Cr之间的关系应满足
Figure BDA0001514040350000065
时，表明该温度测试试验可以模拟流体在上述待模拟多孔介质中的渗流，达到了模拟相似性。因此，可将此时的Cp、Cq和Cr的值作为定值以用于后续渗流模拟。例如在渗流量Q＝12cm3/s，渗流截面积A＝28.26cm2，待模拟多孔介质长度L＝30cm，压力差Δp＝6atm，渗流阻力Rw＝0.53mPa·s/(μm2·cm)时，依据上述相似原理，并根据公式根据公式T＝CpP，J＝CqQ和
Figure BDA0001514040350000066
可以确定满足
Figure BDA0001514040350000067
条件的Cp＝6.25、Cq＝0.025、Cr＝250。
本申请一实施方式中，所述根据所述温度数据以及预设的相似比例系数确定所述待模拟多孔介质的渗流参数可以包括：
根据公式J＝CqQ确定所述待模拟多孔介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的渗流量Q；其中，J为所述导热介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的导热量，且
Figure BDA0001514040350000068
λ为所述导热介质的热传导系数，A为所述导热介质的横截面积，T1为热源位置处的导热介质的温度值，T2为所述导热介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的温度值，L为任意一个温度传感器所对应的非热源位置至所述热源位置的传热距离。本申请一实施方式中，所述导热介质的热传导系数可预先通过公式
Figure BDA0001514040350000071
计算得到。例如热源功率为0.3J/s(即导热量为0.3J/s)，导热介质的横截面积为28.26cm2，传热距离为30cm，T1＝60℃，T2＝20℃。则根据公式
Figure BDA0001514040350000072
可以计算出所述导热介质的热传导系数λ为0.008J/cm·s·℃。后续在实际进行渗流模拟时，λ即为定值：0.008J/cm·s·℃。
本申请另一实施方式中，所述根据所述温度数据以及预设的相似比例系数确定所述待模拟多孔介质的渗流参数还可以包括：
根据公式T＝CpP确定所述待模拟多孔介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的压力P；其中，T为所述导热介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的温度值。
本申请另一实施方式中，所述数据处理装置还用于根据公式
Figure BDA0001514040350000073
确定所述待模拟多孔介质的渗流率κ；
其中，Rh为所述导热介质的热阻，A为所述导热介质的横截面积，L为任意一个温度传感器所对应的非热源位置至所述热源位置的传热距离，μ为所述待模拟多孔介质的流体粘度。本申请一实施方式中，在上述预先计算出所述导热介质的热传导系数λ为0.008J/cm·s·℃的基础上，根据热传导系数λ与热阻之间的关系，还可预先计算出所述导热介质的热阻Rh为132.7s·℃/J。后续在实际进行渗流模拟时，Rh即为定值：132.7s·℃/J。
在本申请另一实施方式中，根据需要还可以模拟当所述待模拟多孔介质的渗流量增大时，所述待模拟多孔介质两端压力差的变化情况。
在本申请另一实施方式中，根据需要还以模拟当所述待模拟多孔介质的流度增大时，所述待模拟多孔介质两端压力差的变化情况。其中，流度是指多孔介质的渗透率与流体粘度的比值。
参考图1所示，在一实施方式中，所述密封隔热容器可以包括金属圆筒3，所述热源2设置于所述金属圆筒3的一端，所述金属圆筒3的另一端设有密封端盖4。当然，为了防止或减少金属圆筒3与外界发生热交换。所述金属圆筒3的外表面可包覆有隔热层(图中未画出)，所述密封端盖4等的材质可以为绝热材料。
在一实施方式中，所述金属圆筒3的表面还可以设有防护层，以防止所述金属圆筒3被腐蚀或氧化。所述多个温度传感器5安装于所述密封隔热容器的金属圆筒3上，且沿所述密封隔热容器的金属圆筒3的轴向均匀分布，及使得各个温度传感器间的温差为定值，以便于降低实计算的复杂度；每个温度传感器5的探头向内伸入至所述密封隔热容器的金属圆筒3的轴线位置，以免受外界或所述金属圆筒3内的温度影响。数据处理装置7可通过通过数据传输线6获取各个温度传感器5所采集的温度数据。
在一实施方式中，所述热源2可以为恒功率电热源，例如恒功率的电加热管等；所述恒功率电热源通过电源线1外接电源。其中，所述恒功率电热源即在该电热源在单位时间内输出的热量为定值。
参考图4所示，采用上述多孔介质流体渗流模拟装置的多孔介质流体渗流模拟方法，可以包括以下步骤：
S401、确定相似比例系数。
S402、控制热源对位于密封隔热容器内的用于模拟待模拟多孔介质中流体的导热介质进行加热。
S403、待所述热源的热量输出恒定，且多个温度传感器在相同采样时刻采集的温度数据呈线性关系时，获取每个温度传感器在相同采样时刻采集的温度数据。
S404、根据所述相似比例系数和所述温度数据确定所述待模拟多孔介质的渗流参数；所述相似比例系数为传热参数与相似渗流参数间的比例系数。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于装置实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的装置或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种装置或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的装置或者方法中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (14)

1.一种多孔介质流体渗流模拟装置，其特征在于，包括：
密封隔热容器，其内充满用于模拟待模拟多孔介质中流体的导热介质；
热源，用于向所述导热介质提供热能；
多个温度传感器，用于待所述热源的热量输出恒定，且多个温度传感器在相同采样时刻采集的温度数据呈线性关系时，采集所述密封隔热容器内不同位置处导热介质的温度数据；
数据处理装置，用于根据所述温度数据以及预设的相似比例系数确定所述待模拟多孔介质的渗流参数；所述相似比例系数为传热参数与相似渗流参数间的比例系数；其中，所述相似比例系数包括：
温度场中任意一点的温度与待模拟多孔介质几何相似点的压力之间的第一相似比例系数Cp；
温度场中任意一点的导热量与待模拟多孔介质几何相似点的渗流量之间的第二相似比例系数Cq；
温度场中任意一点的热阻与待模拟多孔介质几何相似点的渗流阻力之间的第三相似比例系数Cr；
所述第一相似比例系数Cp、所述第二相似比例系数Cq和所述第三相似比例系数Cr之间的关系为：
Figure FDA0002382184860000011
2.如权利要求1所述的多孔介质流体渗流模拟装置，其特征在于，所述根据所述温度数据以及预设的相似比例系数确定所述待模拟多孔介质的渗流参数，包括：
根据公式J＝CqQ确定所述待模拟多孔介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的渗流量Q；
其中，J为所述导热介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的导热量，且
Figure FDA0002382184860000012
λ为所述导热介质的热传导系数，A为所述导热介质的横截面积，T1为热源位置处的导热介质的温度值，T2为所述导热介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的温度值，L为任意一个温度传感器所对应的非热源位置至所述热源位置的传热距离。
3.如权利要求1所述的多孔介质流体渗流模拟装置，其特征在于，所述根据所述相似比例系数和记录的温度数据，确定所述待模拟多孔介质的渗流参数，包括：
根据公式T＝CpP确定所述待模拟多孔介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的压力P；其中，T为所述导热介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的温度值。
4.如权利要求1所述的多孔介质流体渗流模拟装置，其特征在于，所述数据处理装置还用于根据公式
Figure FDA0002382184860000021
确定所述待模拟多孔介质的渗流率κ；
其中，Rh为所述导热介质的热阻，A为所述导热介质的横截面积，L为任意一个温度传感器所对应的非热源位置至所述热源位置的传热距离，μ为所述待模拟多孔介质的流体粘度。
5.如权利要求1所述的多孔介质流体渗流模拟装置，其特征在于，所述密封隔热容器包括金属圆筒，所述热源设置于所述金属圆筒的一端，所述金属圆筒的另一端设有密封端盖。
6.如权利要求5所述的多孔介质流体渗流模拟装置，其特征在于，所述金属圆筒的外表面包覆有隔热层，所述密封端盖的材质为绝热材料。
7.如权利要求5所述的多孔介质流体渗流模拟装置，其特征在于，所述金属圆筒的表面设有防护层。
8.如权利要求1所述的多孔介质流体渗流模拟装置，其特征在于，所述热源包括恒功率电热源。
9.如权利要求1所述的多孔介质流体渗流模拟装置，其特征在于，所述导热介质包括粉砂。
10.如权利要求1所述的多孔介质流体渗流模拟装置，其特征在于，所述多个温度传感器安装于所述密封隔热容器上，且沿所述密封隔热容器的轴向均匀分布；每个温度传感器的探头向内伸入至所述密封隔热容器的轴线位置。
11.一种利用权利要求1所述多孔介质流体渗流模拟装置的多孔介质流体渗流模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定相似比例系数；
控制热源对位于密封隔热容器内的用于模拟待模拟多孔介质中流体的导热介质进行加热；
待所述热源的热量输出恒定，且多个温度传感器在相同采样时刻采集的温度数据呈线性关系时，获取每个温度传感器在相同采样时刻采集的温度数据；
根据所述相似比例系数和所述温度数据确定所述待模拟多孔介质的渗流参数；所述相似比例系数为传热参数与相似渗流参数间的比例系数；其中，所述相似比例系数包括：
温度场中任意一点的温度与待模拟多孔介质几何相似点的压力之间的第一相似比例系数Cp；
温度场中任意一点的导热量与待模拟多孔介质几何相似点的渗流量之间的第二相似比例系数Cq；
温度场中任意一点的热阻与待模拟多孔介质几何相似点的渗流阻力之间的第三相似比例系数Cr；
所述第一相似比例系数Cp、所述第二相似比例系数Cq和所述第三相似比例系数Cr之间的关系为：
Figure FDA0002382184860000031
12.如权利要求11所述的多孔介质流体渗流模拟方法，其特征在于，所述根据所述相似比例系数和所述温度数据确定所述待模拟多孔介质的渗流参数，包括：
根据公式J＝CqQ确定所述待模拟多孔介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的渗流量Q；
其中，J为所述导热介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的导热量，且
Figure FDA0002382184860000032
λ为所述导热介质的热传导系数，A所述导热介质的横截面积，T1为热源位置处的导热介质的温度值，T2为所述导热介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的温度值，L为任意一个温度传感器所对应的非热源位置至所述热源位置的传热距离。
13.如权利要求11所述的多孔介质流体渗流模拟方法，其特征在于，根据所述相似比例系数和所述温度数据确定所述待模拟多孔介质的渗流参数，包括：
根据公式T＝CpP确定所述待模拟多孔介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的压力P；其中，T为所述导热介质在任意一个温度传感器所对应的非热源位置处的温度值。
14.如权利要求11所述的多孔介质流体渗流模拟方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据公式
Figure FDA0002382184860000041
确定所述待模拟多孔介质的渗流率κ；
其中，Rh为所述导热介质的热阻，A为所述导热介质的横截面积，L为任意一个温度传感器所对应的非热源位置至所述热源位置的传热距离，μ为所述待模拟多孔介质的流体粘度。
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