CN113982589B - 一种富油煤原位开采的温度控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种富油煤原位开采的温度控制方法及系统，包括以下步骤：建立富油煤原位开采的热分析地质模型；向热分析地质模型注入流体通过管道出口流出；对原位开采热分析地质模型进行计算流体力学热仿真分析，建立煤层加热模型；由动态矩阵控制算法基于所获得的煤层加热模型计算得到控制信号输入。首先根据富油煤原位开采情况及地质特征进行简化构造热分析地质模型；然后基于富油煤热分析地质模型进行有限元热分析，由获得的控制对象阶跃响应数据建立富油煤层对象的加热模型；最后由加热模型依据动态矩阵控制算法计算得到模型控制信号输入，使煤层温度达到参考温度。将煤层实时温度作为反馈量计算输入控制信号，有助于提高注入流体热量利用率。
Description
技术领域
本发明涉及富油煤资源开发领域，具体是涉及一种富油煤原位开采的温度控制方法及系统。
背景技术
目前对富油煤的开发利用主要采用地面干馏技术，尽管地面干馏技术工艺相对成熟，但是也存在许多难以解决的问题制约地面干馏技术的发展，例如开采运输煤矿的成本高、碳排放量大、干馏过程中会排放废气污水、废渣处理等。
富油煤原位开采技术是通过直接给地下煤炭储层升温的方式，使其在地下进行裂解，产生焦油、煤气等，再通过技术手段由生产井采出，后续进行分离提纯等操作，原位开采技术减少大量土地面积占用问题，减少碳排放量，合理高效地利用富油煤资源，有利于实现我国制定的碳达峰、碳中和目标。
现有的原位加热开采技术大多应用在油页岩的开发领域当中，还没有应用在富油煤开采的案例，停留在理论研究阶段，现有原位加热开采温度控制采用开环控制的方法，控制注入流体温度，存在加热效率低、对流传热慢，温度分布不均匀等问题，导致注入热能没有得到充分利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种富油煤原位开采的温度控制方法及系统，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明有以下技术效果：
一种富油煤原位开采的温度控制方法，包括以下步骤：
建立富油煤原位开采的热分析地质模型；
向热分析地质模型注入流体通过管道出口流出；
对原位开采热分析地质模型进行计算流体力学热仿真分析，建立煤层加热模型；
由动态矩阵控制算法基于所获得的煤层加热模型计算得到控制信号输入。
进一步的，热分析地质模型包括实际开采过程中因压裂形成的裂隙缝；热分析地质模型中部为待加热开采的富油煤层，上部为覆盖的泥岩，下部为泥岩。
进一步的，热分析地质模型中包含竖直的注热井，生产井和监测井。
进一步的，流体通过注热井管道进入煤层，煤层的加热方法为流体对流加热。
进一步的，热分析地质模型裂缝为随机生成的纵横交错的相互连通圆柱形流体通道，缝隙连通注热井和生产井。
进一步的，注入井中的流体为高温高压空气、氮气、水蒸气和促进煤热解的化学物质。
进一步的，建立煤层加热模型步骤为：
(1)给热分析地质模型入口输入一个阶跃控制信号，仿真记录得到富油煤层监测点的阶跃响应曲线；
(2)根据阶跃响应曲线过渡过程时间选取合适的采样周期Ts，从初始时刻开始到响应曲线进入稳态值记录阶跃响应曲线上每个采样时刻对应的阶跃响应数据si，得到系统阶跃响应序列：
S＝[s1 s2 K sN]T
其中，T为矩阵转置符号，N为截断步长；
(3)由线性系统的齐次性与叠加行可得煤层加热响应模型为：
Y(k)＝MssY(k-1)+SΔu(k-1)
其中，Δu(k-1)为k-1时刻加入的控制增量，
进一步的，动态矩阵控制算法将煤层加热模型作为系统预测模型，并进行滚动优化和反馈矫正得到系统最优控制信号输入，使得控制对象跟踪参考输入。
进一步的，一种富油煤原位开采的温度控制系统，包括：
热分析地质模型建立模块，用于建立富油煤原位开采的热分析地质模型；
流体注入模块，用于向热分析地质模型注入流体通过管道出口流出；
煤层加热模型建立模块，用于对原位开采热分析地质模型进行计算流体力学热仿真分析，建立煤层加热模型；
计算模块，用于由动态矩阵控制算法基于所获得的煤层加热模型计算得到控制信号输入。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明建立热分析地质模型过程中，流体通过管道注入，并由特定出口进入煤层，与煤层进行对流加热；在煤层当中考虑为提高流体渗透率进行压裂产生的缝隙，使用随机生成的纵横交错的相互连通圆柱形流体通道进行合理简化；
本发明在控制方法上，将煤层加热的实时温度作为反馈信号计算系统控制输入实现闭环控制，提高流体热能利用率。
附图说明
附图1是本发明的注热井、生产井和监测井的布井位置俯视图；
附图2是本发明的热分析地质模型正视剖面图；
附图3是本发明的流体经过管道进入煤层裂缝隙流通示意图；
附图4是本发明的加热煤层控制目标点温度响应曲线；
附图中所示均未按照实际比例尺寸做图，图中标记符号说明：
1-注热井,2-注热井管道,3-生产井,4-监测井,5-煤层上层泥岩,6-加热煤层,7-煤层下层泥岩,8-压裂缝隙
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行更加详细的说明。
一种富油煤原位开采的温度最优控制方法，包括：
建立富油煤原位开采的热分析地质模型；
所述热分析地质模型包括实际开采过程中因压裂形成的裂隙缝；
向所述热分析地质模型注入流体通过管道特定出口流出；
对所述原位开采热分析地质模型进行计算流体力学热仿真分析，建立煤层加热模型；
由动态矩阵控制算法基于所获得的煤层加热模型计算得到控制信号输入。
通过三维建模软件构造热分析地质模型。图1表示出了加热井、生产井和监测井的布井位置示意图，监测井位于加热井与生产井之间，加热井中包含流体进入煤层的管道。如图2所示，地质模型中，中间为待加热开采的煤层，煤层的上层与下层覆盖有厚度不同的泥岩，泥岩层与富油煤层是不同的地层，当加热煤层到达一定温度时，煤层会裂解产生油气，泥岩层加热不会产生油气，没有利用价值。在开采过程中，为了增加煤层的渗透能力，同时减小流体的阻力，会在煤层进行水力压裂等，使煤层中间产生大量类似于树状的微小缝隙，图3示意了建模过程中使用直径不同的管道表示缝隙，也即流体从管道进入煤层后的流通区域，优选的，缝隙仅存在于富油煤层当中对煤层进行加热，在加热过程中，热量会以缝隙为圆心向煤层四周扩散。
在实施案例中，使用仿真软件进行有限元流体热分析。在煤层的入口注入500℃到800℃之间的热流体，流体流经管道由出口位置进入煤层，在缝隙之间流通，与煤块进行对流换热，煤块受热，温度逐渐升高，当达到热解温度时开始产生油气，由流体携带至开采井采出。在生产中，会在监测井位置使用传感器监测煤层不同点位温度、压力、流量的变化，在本实施案例中监测富油煤层得到如图4所示的温度响应曲线。
基于有限元分析得到的温度响应曲线，选取合适的采样周期获取系统阶跃响应序列建立富油煤层加热模型，采用动态矩阵控制计算煤层入口流体参数，使控制对象达到参考输入温度。
本发明方法首先根据富油煤原位开采情况及地质特征进行简化构造热分析地质模型；然后基于富油煤热分析地质模型进行有限元热分析，由获得的控制对象阶跃响应数据建立富油煤层对象的加热模型；最后由加热模型依据动态矩阵控制算法计算得到模型控制信号输入，使煤层温度达到参考温度。本发明的有益效果是引入动态矩阵控制算法用于富油煤原位开采，将煤层实时温度作为反馈量计算输入控制信号，有助于提高注入流体热量利用率。
Claims (8)
1.一种富油煤原位开采的温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立富油煤原位开采的热分析地质模型；
向热分析地质模型注入流体通过管道出口流出；
对原位开采热分析地质模型进行计算流体力学热仿真分析，建立煤层加热模型；
由动态矩阵控制算法基于所获得的煤层加热模型计算得到控制信号输入；
建 立煤层加热模型步骤为：
(1)给热分析地质模型入口输入一个阶跃控制信号，仿真记录得到富油煤层监测点的阶跃响应曲线；
(2)根据阶跃响应曲线过渡过程时间选取合适的采样周期Ts，从初始时刻开始到响应曲线进入稳态值记录阶跃响应曲线上每个采样时刻对应的阶跃响应数据si，得到系统阶跃响应序列：
S＝[s1 s2…sN]T
其中，T为矩阵转置符号，N为截断步长；
(3)由线性系统的齐次性与叠加行可得煤层加热响应模型为：
Y(k)＝MssY(k-1)+SΔu(k-1)
其中，Δu(k-1)为k-1时刻加入的控制增量，
2.根据权利要求1所述的一种富油煤原位开采的温度控制方法，其特征在于，热分析地质模型包括实际开采过程中因压裂形成的裂隙缝；热分析地质模型中部为待加热开采的富油煤层，上部为覆盖的泥岩，下部为泥岩。
3.根据权利要求1所述的一种富油煤原位开采的温度控制方法，其特征在于，热分析地质模型中包含竖直的注热井，生产井和监测井。
4.根据权利要求3所述的一种富油煤原位开采的温度控制方法，其特征在于，流体通过注热井管道进入煤层，煤层的加热方法为流体对流加热。
5.根据权利要求3所述的一种富油煤原位开采的温度控制方法，其特征在于，热分析地质模型裂缝为随机生成的纵横交错的相互连通圆柱形流体通道，缝隙连通注热井和生产井。
6.根据权利要求1所述的一种富油煤原位开采的温度控制方法，其特征在于，注入井中的流体为高温高压空气、氮气、水蒸气和促进煤热解的化学物质。
7.根据权利要求1所述的一种富油煤原位开采的温度控制方法，其特征在于，动态矩阵控制算法将煤层加热模型作为系统预测模型，并进行滚动优化和反馈矫正得到系统最优控制信号输入，使得控制对象跟踪参考输入。
8.一种富油煤原位开采的温度控制系统，其特征在于，基于权利要求1至7任意一项所述的控制方法，包括：
热分析地质模型建立模块，用于建立富油煤原位开采的热分析地质模型；
流体注入模块，用于向热分析地质模型注入流体通过管道出口流出；
煤层加热模型建立模块，用于对原位开采热分析地质模型进行计算流体力学热仿真分析，建立煤层加热模型；
计算模块，用于由动态矩阵控制算法基于所获得的煤层加热模型计算得到控制信号输入。
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