CN110069791B - 一种尺度修正的室内实验模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种尺度修正的室内实验模拟方法，属于油气开采配套的室内实验模拟研究领域。该方法利用小物模机理模型建立数值模型，得到数值模型的计算结果，然后利用大物模相似模型进行大物模相似实验得到实验结果，并将所述计算结果与所述实验结果进行比对拟合，获得尺度修正系数，最后利用尺度修正系数对数值模型进行改进。本发明通过将小物模精确测量和大物模相似模拟相结合的方法，发挥小物模和大物模各自的优势，同时克服了两者主要的短板，配合基础理论和尺度修正的研究方法，使室内研究与实际情况更加吻合，从而更准确的指导现场施工。

Description

一种尺度修正的室内实验模拟方法

技术领域

本发明属于油气开采配套的室内实验模拟研究领域，具体涉及一种尺度修正的室内实验模拟方法。

背景技术

室内物理模型实验模拟方法，是油气开发领域最为重要的科研手段之一，目前常用的实验模拟方法，按照实验设备的规模可以分为大尺寸物理模拟方法和小尺寸机理模拟方法，大尺寸物理模型是在简化实验条件、缩小现场尺寸的基础上，进行相似设计，直接模拟现场施工过程，观察记录实验结果及现象；小尺寸机理模型一般针对具体参数进行精细化模拟，在实验的基础上建立理论模型，通过数值方法间接模拟现场施工过程。大尺寸物模的优势是能够更准确的模拟现场施工情况，所得实验现象和结果更符合实际工程情况，缺点是模拟条件大量简化，测量数据精度差，操作复杂，需要多人协作，研制成本很高，后期维护困难等；小尺寸物模的优势在于实验设备规模小，研制成本低，测量精度高，研究成果更具普遍指导意义，操作简便，缺点是对现场情况进行了一定程度的物理抽象，不能很好的还原施工情形，实验结果一般不能直接用于指导现场施工，需要配合大量的基础理论研究。

现有支撑剂输送大型物模实验无法准确测量支撑剂粒径、运动速度等参数，而小尺寸实验模型虽然可以准确测量到支撑剂的运动参数，但模型受边界效应等因素影响，难以准确还原实际的施工过程。

综上所述，现有的实验模拟方法各有显著地优势，同时都有明显的短板，有必要进行方法的升级和改进，确保发挥优势，弥补不足。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种尺度修正的室内实验模拟方法，通过小物模精确测量和大物模相似模拟的组合方法，发挥小物模和大物模各自的优势，同时克服了两者主要的短板，配合基础理论和尺度修正的研究方法，以算法优化弥补尺度不足，使室内研究与实际情况更加吻合，从而更准确的指导现场施工。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种尺度修正的室内实验模拟方法，所述方法利用小物模机理模型建立数值模型，得到数值模型的计算结果，然后利用大物模相似模型进行大物模相似实验得到实验结果，并将所述计算结果与所述实验结果进行比对拟合，获得尺度修正系数，最后利用尺度修正系数对数值模型进行改进。

所述方法包括：

(1)建立小物模机理模型：从现场施工中提取基本的物理过程和关键的物理参数，建立小物模机理模型；

(2)建立大物模相似模型：基于相似理论，在室内建立大物模相似模型；

(3)利用所述小物模机理模型进行小物模机理实验，建立数值模型，得到数值模型的计算结果；

(4)利用所述大物模相似模型进行大物模相似实验得到实验结果，将所述计算结果与实验结果进行比对拟合，如果两者差异较大，则返回步骤(1)，如果两者差异较小，则利用尺度修正系数对数值模型进行改进。

所述步骤(1)的操作包括：

基于现场施工中提取到的实际裂缝形态、主裂缝和分支缝的组合方式，采用全透明有机树脂材料制作小物模机理模型。

所述步骤(2)的操作包括：

基于实际裂缝形态，采用几何相似、运动相似以及雷诺数相似原理确定大物模相似模型的尺寸。

所述步骤(2)的操作进一步包括：

在小物模机理模型、大物模相似模型的尺寸确定后，根据实验需要的缝内流速计算得到满足实验条件的泵排量参数，根据所述泵排量参数选用一个泵来同时满足小物模机理模型、大物模相似模型的需要。

所述步骤(3)的操作包括：

利用小物模机理模型进行小物模机理实验：采用高速摄像系统，对支撑剂的转向运动过程进行测量，得到关键参数，所述关键参数包括转向流速、支撑剂粒径；

建立转向排量模型：Q_计算＝f(dp,w,H,h,ρ)，其中，dp是支撑剂直径，w是缝宽，H是缝高，h是砂堤高度，ρ是压裂液和支撑剂密度；利用转向排量模型计算得到转向排量的计算结果Q_计算；

基于所述转向排量模型，建立输砂模型来模拟输砂过程：

其中，(u_w)_eq是阻力速度，单位是m/s；ρ_f是超临界CO₂的密度，单位是Kg/m³；d_p是支撑剂直径，单位是m；μ是超临界CO₂的粘度，单位是Pa·s；v_p是支撑剂的干扰沉降速度，单位是m/s；w是裂缝缝宽，单位是m；ρ_SC是携砂液混合密度，单位是Kg/m³；H_eq为沙堤平衡高度，单位是m；u_eq是平衡流速，单位是m/s；Q为压裂液排量，单位是m³/s；H为裂缝高度，单位是m；U、Z、K等均为过程参数，无物理意义；t是时间，单位是s；

利用输砂模型计算得到输砂模型的计算结果。

所述步骤(4)的操作包括：利用大物模相似模型测得转向排量Q_实测，并与步骤(3)得到的转向排量的计算结果Q_计算进行比对拟合，如果大物模相似实验测得的转向排量Q_实测均小于转向排量的计算结果Q_计算，则根据比对拟合的结果找到尺度修正参数α，然后利用尺度修正参数α对转向排量模型进行进：

其中，H_大物模为大物模相似模型的缝高，H_小物模为小物模机理模型的缝高。

所述步骤(4)的操作进一步包括：

利用大物模相似模型测得输砂过程的实验数据，将输砂模型的计算结果与输砂过程的实验数据进行比对拟合，如果计算结果与实验数据吻合，则判定输砂模型是准确的，如果不吻合，则根据比对拟合的结果找到尺度修正参数α，然后利用尺度修正参数α对输砂模型进行改进。

所述比对拟合的操作包括：

将数值模型的计算结果作为横坐标，将利用大物模相似模型测得的实验数据作为纵坐标，绘制曲线，拟合两者的数学关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对现有实验模拟方法存在的问题，提出了一种尺度修正的室内实验模拟新方法，通过将小物模精确测量和大物模相似模拟相结合的方法，发挥小物模和大物模各自的优势，同时克服了两者主要的短板，配合基础理论和尺度修正的研究方法，使室内研究与实际情况更加吻合，从而更准确的指导现场施工。

附图说明

图1本发明方法的步骤框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明提出了一种尺度修正的室内实验模拟新方法，通过将小物模精确测量和大物模相似模拟相结合的方法，发挥小物模和大物模各自的优势，同时克服了两者主要的短板，配合基础理论和尺度修正的研究方法，以算法优化弥补尺度不足，使室内研究与实际情况更加吻合，从而更准确的指导现场施工。

具体流程和步骤如下：

(1)小物模机理模型的抽象

从现场工程问题中提取基本的物理过程和关键的物理参数，例如，压裂过程的支撑剂输送、钻井过程的岩屑运移等，可以抽象为固液两相流动的基本物理过程，进一步的，针对固相颗粒在液相携带过程中的沉降、堆积、起动、跟随等运动过程，设计小物模机理模型，用于颗粒速度、分层输送厚度等关键参数的准确测量。

在物理过程抽象以及关键参数提取的过程中，可参考现有、对工程问题具有描述意义的理论、数值模型、方程算法等，从而更准确、全面的抽象物理过程并选取关键参数。

(2)大物模相似模型的建立

基于相似理论，在室内建立物理相似模型，模拟现场施工过程。相似理论可参考几何相似、运动相似、雷诺数相似等，通过相似计算，确定物理模型的尺寸，并配套相应的模块，尽可能模拟实际的温度、压力、泵速等条件，例如，在建立输砂模拟实验装置时，根据现场压裂时形成的裂缝尺寸、泵注排量、支撑剂类型等参数，通过相似计算，确保室内模拟的支撑剂运动与现场实际的支撑剂输送过程相似，从而确定室内需要研制的模拟裂缝的尺寸，并确定相应的泵类型、功率，混砂罐体积等配套设备，从而搭建起室内大物模相似模型。

需要注意的是，大物模相似模型的尺寸需要综合考虑加工难度、经济成本以及操作便利性等因素确定，其中，建议设备操作不超过三个人为宜，由于和小物模机理模型配合使用，大物模相似模型可以进一步降低模型尺寸，节省研制成本，可参考单一大物模的成本，再减去小物模的成本，得到配套大物模的成本，并进行相应的尺寸缩减，从而实现总体成本的控制。

(3)小物模机理实验及数值模拟的建立

应用小物模开展机理实验，基于实验结果，获取关键参数的计算方法，基于关键参数算法，建立数值模型，该数模可对实际施工过程进行模拟，并根据模拟结果，调整和优化施工参数，同时，该数模也可对大物模的模拟结果进行预测，基于数模计算结果和大物模实验结果的对比分析，对数模算法进行校正和改进，提高数模计算精度，从而更好指导现场施工。

(4)大物模相似实验及数值模型的改进

应用大物模开展相似实验，记录实验现象及实验结果，并与数值模型计算结果进行对比，分析两者差异，若差异较小，可考虑引入尺度修正系数，对模型进行改进，若差异较大，则需重新检查建模方法，考虑增加辅助方程，或者新的建模方法，重新建立模型，以大物模实验结果为准，完成对数值模型的改进。

值得注意的是，由小物模升级到大物模所引入的尺度修正系数，同样适用于大物模到工程实际情况的尺度升级，修正系数是通过计算公式得到，计算公式由不同尺度模型的结果拟合得到，修正系数的计算公式中包含不同尺度的关键参数，例如长、宽、高等关键几何参数，代入小物模和大物模的关键几何参数，得到的是由小物模升级到大物模所引入的尺度修正系数，代入大物模和实际工程的几何参数，得到的是由大物模升级到实际工况引入的修正系数，该修正系数的引入有助于提高实际工程情况的模拟计算结果，这也是该项发明的核心之一。

如图1所示，利用尺度修正的室内实验模拟方法实现复杂裂缝内的支撑剂输送模拟实验的方法如下：

(1)小物模机理模型的抽象

基于实际裂缝形态、主裂缝和分支缝的组合方式，建立小物模机理模型，设计尺寸为50cm长，20cm高，5mm宽的小物模，由于小物模加工难度低，因此，采用全透明有机树脂材料制作，实现全裂缝的透明观察，从而能够准确地捕捉和记录实验现象，小物模主要用于测试支撑剂由主裂缝向分支裂缝转向所需要的最小排量参数。

(2)大物模相似模型的建立

基于实际裂缝形态，采用几何相似、运动相似以及雷诺数相似原理确定大物模尺寸，例如实际裂缝尺寸选取：长100m，高30米，宽15mm时，将实际裂缝尺寸带入几何相似、运动相似以及雷诺数相似这三种数学方法，计算得到大物模尺寸为长3m，高1m，宽10mm，在配套泵、混砂罐等关键功能模块时，综合考虑了小物模的需求(两套实验装置的尺寸定下来后，根据实验需要的缝内流速等参数可以计算满足实验条件所需要的泵排量参数，如，大设备运转需要泵排量不小于1m³/h，小设备运转需要0.2m³/h，取两者交集，选用一方的泵，满足两套设备的需要)，实现了大物模和小物模共用一套循环平台，从而显著降低了研制成本。

(3)小物模实验及数值模型的建立

开展小物模机理实验，采用高速摄像系统，对支撑剂的转向运动过程进行G了精准测量，得到了转向流速、支撑剂粒径等关键参数，建立了转向排量模型：Q_计算＝f(dp,w,H,h,ρ)，其中，dp是支撑剂直径，w是缝宽，H是缝高，h是砂堤高度，ρ是压裂液和支撑剂密度，并基于转向排量，建立了输砂模型，模拟输砂过程：

其中，(u_w)_eq是阻力速度，单位是m/s；ρ_f是超临界CO₂的密度，单位是Kg/m³；d_p是支撑剂直径，单位是m；μ是超临界CO₂的粘度，单位是Pa·s；v_p是支撑剂的干扰沉降速度，单位是m/s；w是裂缝缝宽，单位是m；ρ_SC是携砂液混合密度，单位是Kg/m³；H_eq为沙堤平衡高度，单位是m；u_eq是平衡流速，单位是m/s；Q为压裂液排量，单位是m³/s；H为裂缝高度，单位是m；U、Z、K等均为过程参数，无物理意义；t是时间，单位是s。

(4)大物模相似实验及数值模型的改进

开展大物模相似实验，在大尺度模型中，测量转向排量，并与转向排量模型的预测结果进行对比分析，通过一组转向排量的实验数据的比对拟合(例如可以采用将计算排量作为横坐标，实验数据作为纵坐标，绘制曲线，拟合两者的数学关系。)，发现大尺度物模实验测得的转向排量数值均小于模型计算结果，且具有一定规律，因此，引进尺度修正参数α，对转向排量模型进行了改进：

改进后的计算结果与大物模实验结果吻合。

进一步的，将输砂模型计算结果与大物模实验结果进行了对比，主要是支撑剂堆积高度、平衡时间等结果的对比，结果吻合，从而验证了输砂模型的准确性。如果不吻合的情况参照上述对排量数据的处理方法(即进行比对拟合找到修正参数，由研究人员根据实际情况，选择数学方法进行处理。对输砂模型进行修正是利用尺度修正参数对输砂模型中的参数进行改进进而改进输砂模型，对参数进行改进的公式与公式(1)相同，只是参数由排量换成相应的参数即可。

进一步的，在进行实际工程计算时，将尺度修正系数进一步应用，提高实际工程计算精度。根据室内研究算法Q_计算＝f(dp,w,H,h,ρ)，计算关键参数Q，再根据尺度修正算法

进一步修正Q的计算结果，在修正的Q基础上，建立新的支撑剂输送模型，从而进一步提高了工程计算的精度。

本发明涉及一种尺度修正的室内实验模拟新方法，属于石油开采配套的室内实验模拟研究领域。本发明提出的尺度修正实验模拟新方法，针对小物模和大物模实验方法存在的测量精度低、研制成本高、不能准确的还原实际施工情况等问题，通过将小物模和大物模实验方法相结合的方法，发挥小物模的测量精度优势和大物模的相似模拟优势，同时克服了两者主要的短板，配合基础理论和尺度修正的研究方法，以算法优化弥补尺度不足，因此，更好的控制研制成本，使室内研究与实际情况更加吻合，从而更准确的指导现场施工。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (8)

1.一种尺度修正的室内实验模拟方法，其特征在于：所述方法利用小物模机理模型建立数值模型，得到数值模型的计算结果，然后利用大物模相似模型进行大物模相似实验得到实验结果，并将所述计算结果与所述实验结果进行比对拟合，获得尺度修正系数，最后利用尺度修正系数对数值模型进行改进；

所述方法包括：

(1)建立小物模机理模型：从现场施工中提取基本的物理过程和关键的物理参数，建立小物模机理模型；

(2)建立大物模相似模型：基于相似理论，在室内建立大物模相似模型；

(3)利用所述小物模机理模型进行小物模机理实验，建立数值模型，得到数值模型的计算结果；

(4)利用所述大物模相似模型进行大物模相似实验得到实验结果，将所述计算结果与实验结果进行比对拟合，如果两者差异较大，则返回步骤(1)，如果两者差异较小，则利用尺度修正系数对数值模型进行改进。

2.根据权利要求1所述的尺度修正的室内实验模拟方法，其特征在于：所述步骤(1)的操作包括：

基于现场施工中提取到的实际裂缝形态、主裂缝和分支缝的组合方式，采用全透明有机树脂材料制作小物模机理模型。

3.根据权利要求1所述的尺度修正的室内实验模拟方法，其特征在于：所述步骤(2)的操作包括：

基于实际裂缝形态，采用几何相似、运动相似以及雷诺数相似原理确定大物模相似模型的尺寸。

4.根据权利要求3所述的尺度修正的室内实验模拟方法，其特征在于：所述步骤(2)的操作进一步包括：

在小物模机理模型、大物模相似模型的尺寸确定后，根据实验需要的缝内流速计算得到满足实验条件的泵排量参数，根据所述泵排量参数选用一个泵来同时满足小物模机理模型、大物模相似模型的需要。

5.根据权利要求1所述的尺度修正的室内实验模拟方法，其特征在于：所述步骤(3)的操作包括：

利用小物模机理模型进行小物模机理实验：采用高速摄像系统，对支撑剂的转向运动过程进行测量，得到关键参数，所述关键参数包括转向流速、支撑剂粒径；

建立转向排量模型：Q_计算＝f(dp，w，H，h，ρ)，其中，h是砂堤高度，单位是m，ρ是压裂液和支撑剂密度，单位是Kg/m³；利用转向排量模型计算得到转向排量的计算结果Q_计算；

基于所述转向排量模型，建立输砂模型来模拟输砂过程：

其中，(u_w)_eq是阻力速度，单位是m/s；ρ_f是超临界CO₂的密度，单位是Kg/m³；dp是支撑剂直径，单位是m；μ是超临界CO₂的粘度，单位是Pa·s；v_p是支撑剂的干扰沉降速度，单位是m/s；w是裂缝缝宽，单位是m；ρ_SC是携砂液混合密度，单位是Kg/m³；H_eq为沙堤平衡高度，单位是m；u_eq是平衡流速，单位是m/s；Q为压裂液排量，单位是m³/s；H为裂缝高度，单位是m；U、Z、K等均为过程参数，无物理意义；t是时间，单位是s；H₁是过流断面高度，单位是m；ρ_s是支撑剂密度，单位是Kg/m³，S是加砂浓度，单位是百分数，无量纲；

利用输砂模型计算得到输砂模型的计算结果。

6.根据权利要求1所述的尺度修正的室内实验模拟方法，其特征在于：所述步骤(4)的操作包括：利用大物模相似模型测得转向排量Q_实测，并与步骤(3)得到的转向排量的计算结果Q_计算进行比对拟合，如果大物模相似实验测得的转向排量Q_实测均小于转向排量的计算结果Q_计算，则根据比对拟合的结果找到尺度修正系数α，然后利用尺度修正系数α对转向排量模型进行改进：

其中，H_大物模为大物模相似模型的缝高，H_小物模为小物模机理模型的缝高。

7.根据权利要求6所述的尺度修正的室内实验模拟方法，其特征在于：所述步骤(4)的操作进一步包括：

利用大物模相似模型测得输砂过程的实验数据，将输砂模型的计算结果与输砂过程的实验数据进行比对拟合，如果计算结果与实验数据吻合，则判定输砂模型是准确的，如果不吻合，则根据比对拟合的结果找到尺度修正系数α，然后利用尺度修正系数α对输砂模型进行改进。

8.根据权利要求6或7所述的尺度修正的室内实验模拟方法，其特征在于：所述比对拟合的操作包括：

将数值模型的计算结果作为横坐标，将利用大物模相似模型测得的实验数据作为纵坐标，绘制曲线，拟合两者的数学关系。

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