CN114925512B - 爆生气体返排方案的设计方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供爆生气体返排方案的设计方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：基于相界面追踪以及预先建立的目标砂岩单裂隙的多孔介质分析模型，构建目标砂岩单裂隙的气液两相流分析模型；基于控制变量法，对气液两相流分析模型中的裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角分析，在裂隙开度、驱替压差和裂隙壁面的接触角的各自预设初始范围内，确定裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自最佳取值范围；基于响应面法及裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围，构建目标砂岩单裂隙关于裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角的响应面函数，并确定目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案。本发明可提高铀资源的开采率。
Description
技术领域
本发明涉及铀矿开采技术领域，尤其涉及一种爆生气体返排方案的设计方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
我国的铀资源以低渗透砂岩型铀矿为主，此类铀矿具有低渗透、致密、埋藏较深的特点，常用原地浸出法进行开采，并结合储层改造，提高资源开采率。
目前常用的储层改造方式为液态CO2相变致裂法，其具有操作简单、爆破威力大、无污染等优点被广泛使用。液态CO2相变致裂属于物理致裂过程，通过化学加热液态CO2，使其压力剧增，高压液态CO2冲破定压剪切片迅速转化为气态，体积膨胀600多倍，瞬间释放的气体膨胀能使钻孔周边低渗透的致密砂岩致裂。
当液态CO2相变成气态CO2，气态CO2需要进行返排，返排的过程中会涉及到深部资源储层的气液两相流动的问题，气体通过储层裂隙向外排出，其返排效果会对铀资源的开采率有很大的影响。然而，由于气态CO2的返排会受到多种因素的影响，使得铀资源的开采率较低。而如何实现气态CO2的最佳返排方案，成为目前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种爆生气体返排方案的设计方法、装置、设备及存储介质，以解决目前铀资源的开采率较低的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种爆生气体返排方案的设计方法，包括：
基于相界面追踪以及预先建立的目标砂岩单裂隙的多孔介质分析模型，构建目标砂岩单裂隙的气液两相流分析模型；
基于控制变量法，对气液两相流分析模型中的裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角进行分析，在裂隙开度、驱替压差和裂隙壁面的接触角的各自预设初始范围内，确定裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围；
基于响应面法以及裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围，构建目标砂岩单裂隙关于裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角的响应面函数；
对响应面函数进行回归处理，确定目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案。
在一种可能的实现方式中，基于相界面追踪以及预先建立的目标砂岩单裂隙的多孔介质分析模型，构建目标砂岩单裂隙的气液两相流分析模型，包括：
对目标砂岩单裂隙进行计算机断层扫描、图像识别以及灰度处理，得到目标砂岩单裂隙的多孔介质分析模型；
对多孔介质分析模型进行相界面追踪，构建目标砂岩单裂隙的气液两相流分析模型。
在一种可能的实现方式中，目标砂岩单裂隙为采用霍普金森杆撞击目标砂岩的岩芯得到的。
在一种可能的实现方式中，基于控制变量法，对气液两相流分析模型中的裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角进行分析，在裂隙开度、驱替压差和裂隙壁面的接触角的各自预设初始范围内，确定裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围，包括：
基于气液两相分布图和爆生气体的返排速度的增长速度，在裂隙开度、驱替压差和裂隙壁面的接触角的各自预设初始范围内，确定裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围。
在一种可能的实现方式中，基于响应面法以及裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围，构建目标砂岩单裂隙关于裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角的响应面函数，包括：
以爆生气体的体积分数为响应值，以裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角为因素，在裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围内，确定响应面函数。
在一种可能的实现方式中，对响应面函数进行回归处理，确定目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案之前，还包括：
对响应面函数进行方差分析，确定响应面函数的可靠性，以及裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角对爆生气体的体积分数的影响的主次顺序。
在一种可能的实现方式中，对响应面函数进行回归处理，确定目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案，包括：
基于响应面函数的拟合曲线图，裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角对爆生气体的体积分数的影响的主次顺序，确定目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案。
第二方面，本发明实施例提供了一种爆生气体返排方案的设计装置，包括：
构建模型模块，用于基于相界面追踪以及预先建立的目标砂岩单裂隙的多孔介质分析模型，构建目标砂岩单裂隙的气液两相流分析模型；
确定范围模块，用于基于控制变量法，对气液两相流分析模型中的裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角进行分析，在裂隙开度、驱替压差和裂隙壁面的接触角的各自预设初始范围内，确定裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围；
构建函数模块，用于基于响应面法以及裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围，构建目标砂岩单裂隙关于裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角的响应面函数；
确定方案模块，用于对响应面函数进行回归处理，确定目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案。
第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述方法的步骤。
本发明实施例提供一种爆生气体返排方案的设计方法、装置、设备及存储介质，首先，基于相界面追踪以及预先建立的目标砂岩单裂隙的多孔介质分析模型，构建目标砂岩单裂隙的气液两相流分析模型。然后，基于控制变量法，对气液两相流分析模型中的裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角进行分析，在裂隙开度、驱替压差和裂隙壁面的接触角的各自预设初始范围内，确定裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围。接着，基于响应面法以及裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围，构建目标砂岩单裂隙关于裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角的响应面函数。最后，对响应面函数进行回归处理，确定目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案。从而，通过采用控制变量法和响应面法对预先构建的目标砂岩单裂隙的气液两相流分析模型进行分析，确定了目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案，有利于提高铀资源的开采率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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发明的一些实施例，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。
图1是本发明实施例提供的一种爆生气体返排方案的设计方法的实现流程图；
图2是本发明实施例提供的气液两相流分析模型的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的不同驱替压差作用下气液两相分布图；
图4是本发明实施例提供的不同驱替压差作用下水的体积随时间变化曲线；
图5是本发明实施例提供的同一时刻不同驱替压差作用下的返排结果示意图；
图6是本发明实施例提供的不同裂隙开度下的气液两相分布图；
图7是本发明实施例提供的不同裂隙开度下中轴线处压力梯度曲线；
图8是本发明实施例提供的不同裂隙开度下水相体积、气体排出所需时间示意图；
图9是本发明实施例提供的不同裂隙壁面的接触角下的气液两相分布图；
图10是本发明实施例提供的不同裂隙壁面的接触角下气体体积随时间变化曲线；
图11是本发明实施例提供的响应面函数的拟合曲线图；
图12是本发明实施例提供的一种爆生气体返排方案的设计装置的示意图；
图13是本发明实施例提供的电子设备的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
正如背景技术中所介绍的，我国的铀资源以低渗透砂岩型铀矿为主，此类铀矿具有较低的渗透率，给开采铀资源带来了很大的困扰。通过采用液态CO2相变致裂法，瞬间释放的气体膨胀能使钻孔周边低渗透的致密砂岩致裂，改变致密砂岩的空隙结构。岩体空隙主要以裂隙为主，裂隙可以使液体流通，而岩块则会阻挡液体流出。
当液态CO2相变成气态CO2，气态CO2需要进行返排，气体通过储层裂隙向外排出，气体排出的越多在裂隙中的体积就会越少，裂隙就不易产生气锁现象和锚索效应，即可提高铀矿的渗透率，进而可以提高铀资源的开采率。然而，如何才能得到最佳的CO2返排方案，提高铀资源的开采率，成为目前亟需解决的技术问题。
为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种爆生气体返排方案的设计方法、装置、设备及存储介质。下面首先对本发明实施例所提供的爆生气体返排方案的设计方法进行介绍。
爆生气体返排方案的设计方法的执行主体，可以是爆生气体返排方案的设计装置，该爆生气体返排方案的设计装置可以是具有处理器和存储器的电子设备，例如移动电子设备或者非移动电子设备。本发明实施例不作具体限定。
参见图1，其示出了本发明实施例提供的爆生气体返排方案的设计方法的实现流程图，详述如下：
步骤S110、基于相界面追踪以及预先建立的目标砂岩单裂隙的多孔介质分析模型，构建目标砂岩单裂隙的气液两相流分析模型。
其中，为了使得构建的模型能够更加真实地反映目标砂岩的微观结构特征，本申请中的目标砂岩单裂隙为采用霍普金森杆撞击目标砂岩的岩芯得到的。具体的，本申请中撞击速度设为12m/s，从而使目标砂岩产生单裂隙。其中，单裂隙长度为78mm，宽度为50mm，裂隙开度最大值为3.5mm，最小值为0.7mm。
在一些实施例中，可以对目标砂岩单裂隙进行计算机断层扫描、图像识别以及灰度处理，得到目标砂岩单裂隙的多孔介质分析模型。具体的，通过对目标砂岩单裂隙进行计算机断层扫描识别孔隙网络，得到三维立体图，然后进行图像识别以及灰度处理，实现裂纹的量化分析。最后，将含裂纹的基质模型导入软件中，即可得到目标砂岩单裂隙的多孔介质分析模型。
对多孔介质分析模型进行相界面追踪，构建目标砂岩单裂隙的气液两相流分析模型。具体的，在多孔介质分析模型的基础上，基于相界面追踪技术，建立深部资源储层裂隙的气液两相流分析模型。通过气相与液相的时空位置形态变化，来进行两相流动分析。
如图2所示的气液两相流分析模型。图2中，模型左侧面为水相入口，右侧面为流体出口。为了减少水相界面启动压力的影响，气液两相流分析模型在初始条件下为气液共存状态。在施加驱替压差时，从左侧施加压力。需要说明的是，由于围岩内部裂隙具有无序性，其朝向具有很大的随机性，因此可以忽略重力的影响。由于深部围岩处于平衡状态，因此，对壁设定固定载荷边界代表深部地层边界。
步骤S120、基于控制变量法，对气液两相流分析模型中的裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角进行分析，在裂隙开度、驱替压差和裂隙壁面的接触角的各自预设初始范围内，确定裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围。
由于影响爆生气体反排的因素有很多，液态CO2致裂的关键在于产生的 CO2气体能够激活天然裂隙，完成从地层汇入井筒、再由井筒从地面排出的过程。致裂后气体充斥在裂隙内部，同时和地下水混合在一起。因此，CO2返排率的高低与铀矿产能有着密切的联系。由于深部围岩的接触角、裂隙开度以及驱替压力等因素对CO2的返排效果有显著影响，但是当给定的裂隙开度、驱替压差和裂隙壁面的接触角的范围较大时，需要研究的数据较多；范围较小时，又无法准确的反应CO2的返排规律。因此，需要确定裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围。
在一些实施例中，可以基于气液两相分布图和爆生气体的返排速度的增长速度，在裂隙开度、驱替压差和裂隙壁面的接触角的各自预设初始范围内，确定裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围。
以下基于裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角的范围，进行详细的描述。
本申请中驱替压差以1MPa为初始值，并逐级递增至4MPa。
裂隙开度对裂隙内气液两相流动规律有着显著的影响。根据计算机断层扫描结果，裂隙开度的范围参照霍普金森撞击实验产生单裂隙开度范围，取值为 0.7mm-3.5mm。
裂隙壁面的接触角也是影响裂隙内气液两相渗流的一个重要因素。参考深部储层岩石力学参数，选取20°-35°范围的接触角，考察接触角对CO2气体返排效果的影响。
采用控制变量法，设置21种分析工况，分别对驱替压差、裂隙开度和裂隙壁面的接触角这三种因素进行分析，以研究不同因素下多孔介质分析模型的气水返排规律。分析工况参数如表1所示。
表1
基于控制变量法，根据单因素对气体返排的影响，分别分析裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角对CO2气体返排效果的影响。
首先，是驱替压差对CO2气体返排的影响，分析此因素时设置裂隙开度为 1mm、裂隙壁面接触角为20°。选取7组不同的驱替压差，左侧面为水相入口，右侧面为出口，即入口和出口之间的初始压力差值。对致密砂岩进行CO2驱替模拟，探究不同驱替压差对CO2驱替的影响，在此范围内选取最佳驱替效率的水相压力。
如图3所示的时间为0.0036s驱替压差从1MPa-4 MPa气液两相分布图，驱替压差从1MPa-4 MPa，水相在驱替压差的作用下在左侧面进入裂隙并向前推进将气体挤出，图中左侧颜色偏黑的代表水相，从气液两相分布示意图可以看出：驱替压差越大、CO2所占体积越小，气相的排出速度越大，并且在1.5MPa 之前气相变化明显，2MPa之后气相仍在不停减小，但其减小速率不断降低。
图4表征了不同驱替压差作用下水的体积变化趋势图，其CO2返排速率用斜率表示。从图4中可以看出，驱替压差在1MPa时水体积浸入裂隙速率最小，并且随着压力增大速率逐渐增大，到4MPa时速度到达峰值。在同一时间不同驱替压差下，水的体积差值在不断减小，图中线条的斜率代表水浸入速度，驱替压差从1-4MPa增长，斜率数值在不断增大的同时，其增长速率不断减小。
如图5所示的同一时刻不同驱替压差作用下返排结果，模拟过程中监测到气液两相流分析模型的右侧面即出口处渗流速度的平均值，速度均值随着入口处驱替压差的增加也随之呈一次函数递增，同时裂隙中压力峰值及水相的体积分数也呈现增加的走向。入口压力不断增大，水相流速也随之增大，可以明显的看出驱替压差对气体返排的影响可以分为三个区间，第一区间：1.5MPa之前，流速曲线的斜率比较陡，气体返排速率较大。因为初始状态裂隙内部只含有气体压力较小，水相在压力作用下进入裂隙并压缩推动CO2排出，其水相初始动力远远大于气压，水快速浸入孔隙内部占夺空间并驱替大量气体排出。第二区间：在驱替压差达到1.5MPa-3 MPa之后，速度曲线斜率最陡，返排量差值最大。水相界面已经接触到出口位置，并且水体积大于气体体积量，水头压力使水相充满裂隙内大部分区域，水相压力梯度的增大，气-液两相动态变化的过程中，水的体积逐步占裂隙大部分空间。在这一过程中气-液两相发生渗流运动，产生渗透体积力从而影响裂隙内部应力变化，故这一阶段为非线性渗流阶段。第三区间:在3MPa之后，出口处速度增加速度变缓，水相体积分数增加缓慢。液体逐渐占满出口，水相界面在裂隙上部和下部包围中间的CO2气体并将气相挤压出去，水相的驱替压力已经大于气体反作用、界面张力，并且随着动态演化过程，孔隙完全被水充满时，裂隙内部应力达到平衡状态。出口处最大流速随着驱替压差的增大仍然在逐渐增大，孔隙内部的渗流变成孔隙流，这时可以认为线性渗流阶段。
其次，裂隙开度即裂隙面的开张度，对于光滑平板构成的裂隙，裂隙开度是指两壁之间的法向相对距离。天然的裂隙表面通常是粗糙不平，通常把开度分为平均开度、力学开度(机械开度)和等效水力开度3种。分别用0.7mm、1mm、 1.5mm、2mm、2.5mm、3mm来进行对比分析不同平均开度下对驱替效果的影响，分析此因素时设置驱替压差为1MPa、裂隙壁面的接触角为20°。模拟结果见下图6所示。
图6中显示的是时间为0.0036s、裂隙开度在0.7mm-3.5mm范围内气液两相分布图，水相在1MPa驱替压差作用下在左侧面进入裂隙并向前推进将气体挤出，图中左侧颜色较深的代表水相。裂隙开度越大CO2气体排出平均速度越快，完全驱替所用时间越短，液体流动速度越大。2.5mm之前气液相界面变化不甚明显，2.5mm之后界面变化明显，表明裂隙开度在2.5mm之后气体排出速率增大明显。图7显示的是时间为0.0036s时，不同开度下中轴线处的压力梯度曲线，横坐标代表裂隙的长度即弧长。
裂隙在0.005s中轴线处压力曲线图可以看出2.5mm时中轴线整体压力最大，并且在2.5mm之前随着裂隙开度增加，压力呈递增状态。在2.5mm之后随着裂隙开度的增加，压力随之减小。水相动力不变，阻力变小，所以时间缩短。
从图8可以看出，随着裂隙开度增加，裂隙的体积也随之增加，气体排出总量如柱状图递增，完全驱替时间逐步减小。裂隙开度从0.7mm-1mm之间气体排出时间出现较大变化，在裂隙非常窄的状态下，界面张力的作用力也随之增强，水进入孔隙内部困难，此时阻力大于驱替压差。裂隙开度在1-2.5mm之间时，随着裂隙开度的增大，摩擦壁的作用力和水的启动压力梯度减小，水相进入裂隙中其平均速度不断加大，CO2完全驱替所用时间呈一次函数递减。在模型尺度达到2.5mm之后，完全驱替时间不再改变，驱替压差不变，裂隙内部空间越来越大和充斥的液体越来越多，液体之间的滑动加快了水的流动，使之阻力减小，CO2排出平均速度越来越快，同时裂隙属性的渗透率大。
最后，是裂隙壁面的接触角对CO2气体返排的影响，分析此因素时设置驱替压差为1MPa、裂隙开度为1mm。选取7组不同接触角的致密砂岩岩芯对 CO2气体进行驱替，接触角分别为20°、22.5°、25°、27.5°、30°、32.5°、35°，分别使用上述数据作为岩芯的物理性质来评价界面张力对气体返排效果的影响。数值分析过程中，不考虑重力对渗流的影响，温度设置在35℃，模拟结果如图 9所示。
图9表述时间为0.0036s、接触角在20°-35°范围内的气液两相分布图，水相在1MPa驱替压差作用下从左侧面进入裂隙并向前推进将气体挤出，图中左侧颜色较深的代表水相。不同接触角下残余气体分布状态，随着接触角增加，岩石的亲水性显著增加，岩芯的渗透性先升高后降低，在同一时间下，接触角 20°排出气体排量最小，30°时返排量最大，表明在25°之前随着接触角的增大气体排出速率也随之增大，25°之后气体排出速率不断减小。图10表示的是不同接触角对气体返排的影响。
界面张力降低能够使毛细管力降低，从而降低了液体进出多孔介质的流动阻力，使气相更易于从孔隙中被水相替出，从而增大了驱替CO2的速率，而当接触角到达27.5°时，作为驱替动力的毛细管力过低，此时驱替压差作用主导动力在一定程度下抑制了毛细管力主导的逆向渗吸，渗吸效果减弱，从而使采收率出现一定程度的下降现象。在0.006s时水相界面接触到出口，水和水之间的水膜降低了壁的黏附力，水相速度增加，故排量增加。
基于上述实验，可确定裂隙开度的最佳取值范围为1mm-3mm，驱替压差的最佳取值范围为1MPa-4MPa-，裂隙壁面的接触角的最佳取值范围为20°-30°。
步骤S130、基于响应面法以及裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围，构建目标砂岩单裂隙关于裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角的响应面函数。
通过上面步骤以及得到了裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围后，即可根据得到的最佳取值范围，进行多因素相互作用、分析各因素对CO2气体体积分数的影响程度，并且分析不同因素之间交互组合得到的影响效果。
响应面法是用多项式函数来近似隐式极限状态函数。通过合理地选取试验点和迭代策略，来保证多项式函数能够在失效概率上收敛于真实的隐式极限状态函数的失效概率。通过统计学的方法来设计实验，用最少的模拟试验次数实现实验的目的，多元二次回归方程来拟合多因素和响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析求得最佳实验参数范围，具有经济、省时、高效的特点。在气液两相流问题中前人多集中研究在单因素影响上。因此考虑驱替压差、裂隙壁面的接触角和裂隙开度的多因素耦合相互作用对CO2返排量的影响。
在一些实施例中，以爆生气体的体积分数为响应值，以裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角为因素，在裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围内，确定响应面函数。
此处，仍然基于上面确定的裂隙开度的最佳取值范围为1mm-3mm，驱替压差的最佳取值范围为1MPa-4MPa，裂隙壁面的接触角的最佳取值范围为 20°-30°，进行响应面优化。此处利用Box-Behnken试验设计与分析进行3因素 3水平响应面优化，实验方案如下表2所示。
表2
得到的响应面函数为：
Y＝1.90-8.80X1-6.97X2-0.81X3+4.71X1X2
-0.18X1X3+1.48X2X3+6.15X1 2+3.36X2 2+1.23X3 2；
其中，Y为气体体积分数，X1为驱替压差、X2为裂隙开度和X3为裂隙壁面的接触角。
在一些实施例中，为了确定响应面函数的可靠性，可以对响应面函数进行方差分析，确定响应面函数的可靠性，以及裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角对爆生气体的体积分数的影响的主次顺序。
具体的，拟合得到的方程需要用R2来确定拟合方程的有效性。R2在0到1 之间取值，取值越趋向于1，说明响应面函数拟合得越合理。对上述响应面函数的回归方程进行方差分析，结果如表4所示：
表4
从表4中可以看出，构建的响应面函数的P＜0.0001，显著；失拟项即评估响应面函数的可靠性指标P＞0.05，表明响应面函数的不显著且具有较高可靠性；调整决定系数R2＝0.9896，表明CO2气体体积分数变化有98.96％来源于驱替压力、裂隙开度及裂隙壁面的接触角。信噪比(signal-to-noise，S/N)＝45.946>4，也从另一个方面表明响应面函数是可靠的。经方差分析，3个因素对CO2气体体积分数影响的主次顺序为X1＞X3＞X2，即驱替压差＞裂隙开度＞接触角。
步骤S140、对响应面函数进行回归处理，确定目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案。
在得到响应面函数后，基于响应面函数的拟合曲线图，裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角对爆生气体的体积分数的影响的主次顺序，即可确定目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案。
从图11响应面函数的拟合曲线图中可以看出，当裂隙壁面的接触角固定时，随着驱替压差增大，裂隙内部气相的体积分数都是呈现逐渐减小并且曲线越来越缓和的趋势，裂隙开度增大，气相的体积分数出现先降低后增大的走向，驱替压差曲线的斜率远大于裂隙开度变化的曲线，驱替压差在2.5-3.5MPa和裂隙开度在2-2.5mm范围内比较合适；等高线呈闭合的椭圆形且响应面呈凹形，表明驱替压差和裂隙开度交互作用较强且有最小值。
当裂隙开度固定时，随着驱替压差和裂隙壁面的接触角增大，气相的体积分数先降低后增大，驱替压差曲线的斜率远大于接触角变化的曲线，驱替压差在2.5-3.5MPa和岩芯接触角在20°-25°范围内比较合适。同理当驱替压差固定时，裂隙开度在2-2.5mm和岩芯接触角在20°-25°范围内比较合适，并且等高线都呈闭合的椭圆形且响应面呈凹形，表明他们之间交互作用较强且图像具有最低点。表5中示出了不同工况下气体排出速率汇总表：
表5
最终，基于响应面函数的拟合曲线图，裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角对爆生气体的体积分数的影响的主次顺序，确定了最佳气体返排参数为驱替压力2.985MPa、裂隙开度2.269mm、裂隙壁面的接触角21.08°，此时CO2气体体积分数预测值为0，气体完全排出。为了便于实际操作，在此最优条件下，裂隙内CO2气体完全排出，与响应面函数预测值较一致，进一步验证了响应面函数的可靠性。
本申请中通过采用CO2气体排出速率为评价指标，基于实测裂隙网络模型，建立多孔介质分析模型，并采用相界面追踪技术，模拟裂隙内相变气体返排过程中水气界面形态和位置的时空变化规律。从而得到了多孔介质分析模型中的水驱替CO2模拟表明，CO2排出速率最初随驱替压差增加而提高。驱替压差达到3MPa时，CO2排出率的增长速率达到峰值。随着裂隙开度的增加，裂隙的体积也随之增加，气体排出速率逐步递增同时排出气体的增长速率呈先增大后减小的规律。裂隙开度在2.25mm时达到排出速率的增长速率峰值，随着裂隙开度的增加，气体完全排出时间稳定在0.006s。此外，对于不同裂隙壁面的接触角，残余气体的形态不同。不同接触角下残余气体分布状态，随着接触角增加，岩石的亲水性显著增加，岩芯的渗透性先升高后降低。在同一时间下，接触角20°排出气体排量最小，30°时返排量最大，表明在25°之前随着接触角的增大气体排出速率也随之增大，25°之后气体排出速率不断减小。
最后，通过响应面法对多影响因素分析可知，驱替压差对CO2气体返排影响更为显著，并基于响应面函数的拟合曲线图，裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角对爆生气体的体积分数的影响的主次顺序，确定目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
基于上述实施例提供的爆生气体返排方案的设计方法，相应地，本发明还提供了应用于该爆生气体返排方案的设计方法的爆生气体返排方案的设计装置的具体实现方式。请参见以下实施例。
如图12所示，提供了一种爆生气体返排方案的设计装置1200，该装置包括：
构建模型模块1210，用于基于相界面追踪以及预先建立的目标砂岩单裂隙的多孔介质分析模型，构建目标砂岩单裂隙的气液两相流分析模型；
确定范围模块1220，用于基于控制变量法，对气液两相流分析模型中的裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角进行分析，在裂隙开度、驱替压差和裂隙壁面的接触角的各自预设初始范围内，确定裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围；
构建函数模块1230，用于基于响应面法以及裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围，构建目标砂岩单裂隙关于裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角的响应面函数；
确定方案模块1240，用于对响应面函数进行回归处理，确定目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案。
在一些实施例中，构建模型模块1210，具体用于对目标砂岩单裂隙进行计算机断层扫描、图像识别以及灰度处理，得到目标砂岩单裂隙的多孔介质分析模型；
对多孔介质分析模型进行相界面追踪，构建目标砂岩单裂隙的气液两相流分析模型。
在一些实施例中，目标砂岩单裂隙为采用霍普金森杆撞击目标砂岩的岩芯得到的。
在一些实施例中，确定范围模块1220，具体用于基于气液两相分布图和爆生气体的返排速度的增长速度，在裂隙开度、驱替压差和裂隙壁面的接触角的各自预设初始范围内，确定裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围。
在一些实施例中，构建函数模块1230，具体用于以爆生气体的体积分数为响应值，以裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角为因素，在裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围内，确定响应面函数。
在一些实施例中，确定方案模块1240，还用于对响应面函数进行方差分析，确定响应面函数的可靠性，以及裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角对爆生气体的体积分数的影响的主次顺序。
在一些实施例中，确定方案模块1240，具体用于基于响应面函数的拟合曲线图，裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角对爆生气体的体积分数的影响的主次顺序，确定目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案。
图13是本发明实施例提供的电子设备的示意图。如图13所示，该实施例的电子设备13包括：处理器130、存储器131以及存储在所述存储器131中并可在所述处理器130上运行的计算机程序132。所述处理器130执行所述计算机程序132时实现上述各个爆生气体返排方案的设计方法实施例中的步骤，例如图3所示的步骤310至步骤330。或者，所述处理器30执行所述计算机程序 32时实现上述各装置实施例中各模块的功能，例如图12所示模块1210至1240 的功能。
示例性的，所述计算机程序132可以被分割成一个或多个模块，所述一个或者多个模块被存储在所述存储器131中，并由所述处理器130执行，以完成本发明。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序132在所述电子设备13中的执行过程。例如，所述计算机程序132可以被分割成图12所示的模块1210至1240。
所述电子设备13可包括，但不仅限于，处理器130、存储器131。本领域技术人员可以理解，图13仅仅是电子设备13的示例，并不构成对电子设备13 的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述电子设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器130可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器131可以是所述电子设备13的内部存储单元，例如电子设备 13的硬盘或内存。所述存储器131也可以是所述电子设备13的外部存储设备，例如所述电子设备13上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card， SMC)，安全数字(Secure Digital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器131还可以既包括所述电子设备13的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器131用于存储所述计算机程序以及所述电子设备所需的其他程序和数据。所述存储器131还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/电子设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/电子设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个爆生气体返排方案的设计方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种爆生气体返排方案的设计方法，其特征在于，包括：
基于相界面追踪以及预先建立的目标砂岩单裂隙的多孔介质分析模型，构建所述目标砂岩单裂隙的气液两相流分析模型；
基于控制变量法，对所述气液两相流分析模型中的裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角进行分析，在所述裂隙开度、所述驱替压差和所述裂隙壁面的接触角的各自预设初始范围内，确定所述裂隙开度、所述驱替压差以及所述裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围；
基于响应面法以及所述裂隙开度、所述驱替压差以及所述裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围，构建所述目标砂岩单裂隙关于所述裂隙开度、所述驱替压差以及所述裂隙壁面的接触角的响应面函数；
对所述响应面函数进行回归处理，确定所述目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案。
2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述基于相界面追踪以及预先建立的目标砂岩单裂隙的多孔介质分析模型，构建所述目标砂岩单裂隙的气液两相流分析模型，包括：
对所述目标砂岩单裂隙进行计算机断层扫描、图像识别以及灰度处理，得到所述目标砂岩单裂隙的多孔介质分析模型；
对所述多孔介质分析模型进行相界面追踪，构建所述目标砂岩单裂隙的气液两相流分析模型。
3.如权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述目标砂岩单裂隙为采用霍普金森杆撞击所述目标砂岩的岩芯得到的。
4.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述基于控制变量法，对所述气液两相流分析模型中的裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角进行分析，在所述裂隙开度、所述驱替压差和所述裂隙壁面的接触角的各自预设初始范围内，确定所述裂隙开度、所述驱替压差以及所述裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围，包括：
基于气液两相分布图和所述爆生气体的返排速度的增长速度，在所述裂隙开度、所述驱替压差和所述裂隙壁面的接触角的各自预设初始范围内，确定所述裂隙开度、所述驱替压差以及所述裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围。
5.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述基于响应面法以及所述裂隙开度、所述驱替压差以及所述裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围，构建所述目标砂岩单裂隙关于所述裂隙开度、所述驱替压差以及所述裂隙壁面的接触角的响应面函数，包括：
以所述爆生气体的体积分数为响应值，以所述裂隙开度、所述驱替压差以及所述裂隙壁面的接触角为因素，在所述裂隙开度、所述驱替压差以及所述裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围内，确定所述响应面函数。
6.如权利要求5所述的设计方法，其特征在于，所述对所述响应面函数进行回归处理，确定所述目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案之前，还包括：
对所述响应面函数进行方差分析，确定所述响应面函数的可靠性，以及所述裂隙开度、所述驱替压差以及所述裂隙壁面的接触角对所述爆生气体的体积分数的影响的主次顺序。
7.如权利要求6所述的设计方法，其特征在于，所述对所述响应面函数进行回归处理，确定所述目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案，包括：
基于所述响应面函数的拟合曲线图，所述裂隙开度、所述驱替压差以及所述裂隙壁面的接触角对所述爆生气体的体积分数的影响的主次顺序，确定所述目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案。
8.一种爆生气体返排方案的设计装置，其特征在于，包括：
构建模型模块，用于基于相界面追踪以及预先建立的目标砂岩单裂隙的多孔介质分析模型，构建所述目标砂岩单裂隙的气液两相流分析模型；
确定范围模块，用于基于控制变量法，对所述气液两相流分析模型中的裂隙开度、驱替压差以及裂隙壁面的接触角进行分析，在所述裂隙开度、所述驱替压差和所述裂隙壁面的接触角的各自预设初始范围内，确定所述裂隙开度、所述驱替压差以及所述裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围；
构建函数模块，用于基于响应面法以及所述裂隙开度、所述驱替压差以及所述裂隙壁面的接触角各自的最佳取值范围，构建所述目标砂岩单裂隙关于所述裂隙开度、所述驱替压差以及所述裂隙壁面的接触角的响应面函数；
确定方案模块，用于对所述响应面函数进行回归处理，确定所述目标砂岩单裂隙的爆生气体的最佳返排方案。
9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于调用并运行所述存储器中存储的计算机程序，执行如权利要求1至7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述方法的步骤。
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| CN113338875A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-09-03 | 中国科学院武汉岩土力学研究所 | 一种利用二氧化碳-水溶液增加非固结砂岩储层渗透性的方法 |
| CN113779764A (zh) * | 2021-08-12 | 2021-12-10 | 中国石油大学(北京) | 页岩气藏压裂裂缝网络参数的定量评价方法和装置 |
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