CN116882221B - 基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟方法及系统，涉及裂隙型热储技术领域，获取裂隙热储实际测量数据，划分模拟区域，分析模拟区域内裂隙几何特征以及统计分布规律，建立概率密度函数；批量构建三维多尺度离散裂隙网络，保存裂隙几何形态及其渗透性；根据概率密度函数以及三维多尺度离散裂隙网络构建裂隙型热储模型；将裂隙型热储模型进行网格化，根据水文地质条件和地热地质条件，确定裂隙型热储模型定解条件，并设置裂隙型热储模型参数，对裂隙型热储开采过程进行数值模拟计算，并保存计算结果。本公开可灵活设置随机模型的生成数量、改变模型参数，批量地模拟三维裂隙型热储采热过程。
Description
技术领域
本公开涉及裂隙型热储技术领域，具体涉及基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
地热能具有可再生性、稳定性和清洁性等多种优点，运用地热进行储能具有高储存容量和高储能效率的特点，能够有效解决能源供需不匹配等问题。裂隙广泛存在于岩石中，对地下水渗流和热量运移具有重要影响。裂隙型热储是一种复杂但具有重要应用价值的地热储层类型，对能源可持续开发利用和环境改善具有重要意义。为定量描述裂隙型储层中的热量传递过程，预测热储开采量，数值模拟逐渐成为一种重要的方法。
裂隙型热储数值模拟涉及多个关键步骤，比如：裂隙介质建模、模型网格化和多场耦合数值模拟等。这些步骤中涉及到一些复杂技术难题，尤其是对于更贴近于工程实际的三维模型，包括三维多尺度裂隙的几何表征（大小、形状、方向和空间分布）、井-裂隙-基岩系统的网格化、多场耦合数值模拟等。
发明人发现，在裂隙型热储模拟过程中，现有技术中还存在以下问题：
1)现有的软件大多局限于单一步骤，不同步骤之间缺少高效连接，存在工作程序繁琐复杂、耗时、裂隙几何特征难以在模型中精确表示等情况。
2）在现有的裂隙型热储数值模拟过程中，由于地下岩石介质和裂隙几何等观测数据的不完整性和观测误差，数值模拟结果常存在不确定性，需要批量重复进行模型参数更新—网格化—数值模拟过程，以便进行模拟数据拟合和模型参数识别。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟方法及系统，本公开结合随机模拟技术、相容性网格生成技术和多场耦合数值模拟技术模拟热储中的温度变化；灵活设置随机模型的生成数量、改变模型参数，批量地模拟三维裂隙型热储采热过程、更加方便地评估模型的不确定性和参数敏感性，降低地热开发利用过程中的风险。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟方法，包括：
获取裂隙热储实际测量数据，划分模拟区域，分析模拟区域内裂隙几何特征以及统计分布规律，建立概率密度函数；
批量构建三维多尺度离散裂隙网络，保存裂隙几何形态及其渗透性；
根据概率密度函数以及三维多尺度离散裂隙网络构建裂隙型热储模型；
将裂隙型热储模型进行网格化，根据水文地质条件和地热地质条件，确定裂隙型热储模型定解条件，并设置裂隙型热储模型参数，对裂隙型热储开采过程进行数值模拟计算，并保存计算结果。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟系统，包括：
数据获取模块，用于获取裂隙热储实际测量数据，划分模拟区域，分析模拟区域内裂隙几何特征以及统计分布规律，建立概率密度函数；
数据处理模块，用于批量构建三维多尺度离散裂隙网络，保存裂隙几何形态及其渗透性；
根据概率密度函数以及三维多尺度离散裂隙网络构建裂隙型热储模型；
数值模拟模块，用于将裂隙型热储模型进行网格化，根据水文地质条件和地热地质条件，确定裂隙型热储模型定解条件，并设置裂隙型热储模型参数，对裂隙型热储开采过程进行数值模拟计算，并保存计算结果。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开提供了一种基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟方法，运用统计模拟方法，批量生成三维多尺度裂隙离散裂隙网络，保存裂隙几何形态及其渗透率等信息；根据热储基岩空间分布，开采井、注入井和观测井的空间位置，以及三维多尺度离散裂隙网络，构建裂隙型热储模型，运用网格剖分技术，生成裂隙型热储模型网格；根据水文地质条件和地热地质条件，确定模型定解条件，设置模型参数；数值模拟裂隙热储开采过程，解决面对三维裂隙型热储数值模拟时，存在多尺度裂隙难以精确表征、裂隙网格化处理困难、工作程序复杂繁琐和计算缓慢的问题；
本公开有效结合随机模拟技术、相容性网格生成技术和多场耦合数值模拟技术，可快速、准确地模拟热储中的温度变化。此外，本公开可灵活设置随机模型的生成数量、改变模型参数，批量地模拟三维裂隙型热储采热过程、更加方便地评估模型的不确定性和参数敏感性，降低地热开发利用过程中的风险。因此与现有技术相比，本公开提供的三维裂隙型热储建模-网格化-模拟一体化方法具有准确高效、灵活且成本较低的优点。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例提供的一种三维裂隙型热储建模—网格化—模拟一体化方法的流程图；
图2为本公开实施例提供的三维多尺度离散裂隙网络示意图；
图3为图2基础上建立的裂隙型热储模型网格系统示意图；
图4为图3所示的裂隙型热储模型网格基础上，开采温度场数值模拟结果；
图5为图3所示的裂隙型热储模型网格基础上，达西流速场数值模拟结果；
图6为在随机生成30个三维多尺度离散裂隙网络基础上建立的裂隙型热储模型中，生产井温度随时间变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例1
本公开的一种实施例中提供了一种基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟方法，包括：
步骤一：获取裂隙热储实际测量数据，划分模拟区域，分析模拟区域内裂隙几何特征以及统计分布规律，建立概率密度函数；
步骤二：批量构建三维多尺度离散裂隙网络，保存裂隙几何形态及其渗透性；
步骤三：根据概率密度函数以及三维多尺度离散裂隙网络构建裂隙型热储模型；
步骤四：将裂隙型热储模型进行网格化，根据水文地质条件和地热地质条件，确定裂隙型热储模型定解条件，并设置裂隙型热储模型参数，对裂隙型热储开采过程进行数值模拟计算，并保存计算结果。
作为一种实施例，本公开提供了一种基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟方法，包括：
步骤1：获取裂隙热储实际测量数据，划分模拟区域，分析模拟区域内裂隙几何特征以及统计分布规律，建立概率密度函数；
具体的，根据裂隙热储实测数据资料，构建模型区域，模拟区域内裂隙可分为人工（压裂）裂隙和天然（构造）裂隙；裂隙几何特征包括裂隙形状、长度、角度、密度和宽度等；概率密度函数包括：幂率分布、正态分布、Fisher分布和均匀分布等。
所述分析模拟区域内裂隙几何特征以及统计分布规律，建立概率密度函数，包括：
裂隙长度是指单一裂隙平面延展长度，角度是指单一裂隙平面与水平方向之间的夹角，宽度是指单一裂隙横截面宽度。密度是指单位体积内所有裂隙的数量。统计分布规律是指在一定区域的地质体范围内，针对所有裂隙，它们长度、角度、宽度的均值、方差、偏斜度、峰态、以及分布形状等方面。
建立概率密度函数的步骤包括：
数据收集和整理：（1）测量收集裂隙几何特征数据，如裂隙长度、宽度、角度等，确保数据集的准确性和完整性。（2）对数据异常值、缺失值进行预处理，确保数据的可靠性。（3）绘制直方图观察数据的分布形状。（4）结合实际地质条件，对裂隙的不同几何特征，分别选择合适的概率分布作为裂隙数据的模型，比如正态分布、指数分布、幂律分布、Fisher分布和均匀分布等等。（5）采用最大似然估计、最小二乘法、贝叶斯估计等方法，对概率分布进行参数估计，找到最佳拟合参数。（6）根据概率分布和得到的参数，建立裂隙数据的概率密度函数，描述裂隙几何特征在不同取值上的概率密度，以便用于后续进行进行随机抽样。
步骤2：批量构建三维多尺度离散裂隙网络，保存裂隙几何形态及其渗透性；
具体的，裂隙几何形态可通过多边形空间节点、圆形半径和圆心坐标、裂隙面倾向和倾角等参数进行保存；裂隙密度可通过单位长度内裂隙的数目（P10）、单位面积内的裂隙累计长度（P21）、单位体积内的裂隙累计面积（P32）等进行量化、保存；裂隙渗透性可根据裂隙宽度进行计算、保存；批量生成的离散裂隙网络数据保存到文件，按照生成顺序进行文件命名，比如生成100个模型，文件名为：DFN_1、DFN_2、DFN_3...DFN_100。
进一步的，运用统计模拟方法，批量生成三维多尺度裂隙离散裂隙网络，包括：利用蒙特卡洛方法，生成多个多尺度离散裂隙网络，裂隙用多边形表示，分别将每个三维多尺度离散裂隙网络中的裂隙几何和渗透性等信息保存到文本文件。
蒙特卡洛方法生成三维裂隙网络的步骤主要包括：
（1）确定三维离散裂隙网络生成区域形状和大小。
（2）进行蒙特卡洛法来生成离散裂隙网络。具体实施方法为：
a. 对于每个裂隙，随机选择一个空间点作为裂隙位置。
b. 根据裂隙几何特征及其概率密度函数，依次在裂隙位置附近生成裂隙的形状、大小和角度等。
c. 将生成的裂隙添加到裂隙网络中。
d. 重复步骤a-c，直到裂隙数量达到设定的裂隙密度值。
（3）输出离散裂隙网络：离散裂隙网络生成后，将结果输出为离散点坐标等，以表示裂隙空间位置、大小和延展方向。
步骤3：根据概率密度函数以及三维多尺度离散裂隙网络构建裂隙型热储模型；
具体的，获取热储基岩的空间分布，开采井、注入井和观测井的空间位置，根据热储基岩的空间分布，开采井、注入井和观测井的空间位置以及三维多尺度离散裂隙网络，构建裂隙型热储模型。包括：
热储模型是将一种针对地热系统的地质概念模型。主要步骤包括：（1）根据地质资料，建立热储地质概念模型，包括模型形状大小、基岩地层分布、构造等。（2）根据裂隙几何特征的实测资料分析，建立离散裂隙网络，添加到热储地质概念模型中。（3）搜集地热井的空间位置等数据资料，将地热井添加到热储地质概念模型中。
步骤4：将裂隙型热储模型进行网格化；
其中，裂隙用三角形进行网格剖分，基岩用四面体进行网格剖分，地热井运用线段（一维网格）或节点表示，相邻不同的网格类型在接触边界处相容。
进行网格化的步骤包括：
（1）收集和整理基岩的几何形状和属性、离散裂隙网络、地热井地热井位置等数据。
（2）使用Delaunay三角剖分算法或其他方法，将所有裂隙面统一划分为三角形网格。
（3）在离散裂隙网络划分的基础上，使用网格自动剖分软件，将基岩划分为一系列四面体网格。
（4）使用一维线或零维点表示地热井，具体可根据实际情况在裂隙或基岩剖分的网格中添加相应的点或线。
（5）对网格进行平滑、细化或粗化等操作，以满足后续模拟的精度和效率要求。
步骤5：根据水文地质条件和地热地质条件，确定数学模型和定解条件，设置模型参数。
步骤5中，数学模型包括稳定流模型和非稳定流动模型，单相流和多相流模型等，定解条件包括边界条件和初始条件，裂隙型热储模型参数包括热储模型参数、地热流体参数以及数值模拟参数。
其中，热储模型参数包括基岩和裂隙的孔隙度、渗透率、热导率以及比热容，地热流体参数包括流体密度、动力粘度和热导率，数值模拟参数包括线性方程组的求解方法、模拟时间以及步长。
（1）进行水文地质和地热地质调查，收集模拟区域内地下水、热量流入和流出的信息，确定边界条件，对地下水位和温度监测数据和历史记录的分析，确定初始条件。
（2）通过查阅文献资料、野外地质调查、岩心采样和实验室测试等手段，获取热储模型参数和地热流体参数等数据。
（3）根据地热流体参数和地下水位、温度的动态监测数据，建立数学模型。
（4）根据模型的空间和时间尺度、网格数量、热储水头和温度的动态变化特征，选取合适的线性方程组的求解方法、模拟时间以及步长，以保证模拟的精度和效率。
步骤6：对裂隙型热储开采过程进行数值模拟计算，并保存计算结果。
模拟过程包括：（1）整理前述步骤获得的模型网格数据、模型边界条件和初始条件数据、模型参数数据，数学模型等，（2）在数值模拟软件中输入上述数据或设置相关参数，（3）按照设定的时间步长，开始进行迭代计算，求解线性方程组、获得热储模型在不同时刻的水头和温度的分布。
包括模拟完成后，将模型网格节点处的温度、水头、地下水流速（达西流速）和开采井温度、水头等信息，以特定格式保存，用作后续可视化分析和计算工作的输入文件，比如vtk、tec等格式文本文件。
下面以根据三维实测多尺度裂隙数据为例，对本公开方法进行进一步阐述。
步骤1）：设置模型区域为长方体，在x,y,z方向上长度分别为1000 m，1000m和500m，模型中包含一条人工裂隙和2组天然裂隙。天然裂隙长度范围100 -1000m，服从幂律分布；裂隙角度服从Fisher分布；裂隙密度P32=0.04m2/m3；裂隙宽度随裂隙长度线性变化；
步骤2）：运用蒙特卡洛方法，生成30个多尺度离散裂隙网络，裂隙用多边形表示，分别将每个离散裂隙网络中的裂隙几何和渗透性等信息保存到文本文件，图2为随机生成的1个多尺度离散裂隙网络；
步骤3）：模型中包含一种基岩、一口开采井和一口注入井，确定井的空间位置，然后将裂隙型热储模型进行网格化。基岩用三维网格（四面体）剖分，裂隙用二维网格（三角形）剖分，开采井和注入井均用点表示，图3为二维裂隙和三维基岩相容性网格系统；
步骤4）：设定模型初始水头和温度，设定模型边界水头和温度。根据实测资料，设定基岩和裂隙的孔隙度、渗透率、热导率、比热容、流体密度、动力粘度、线性方程组求解方法、模拟时间、步长等；
步骤5）：裂隙型热储采热数值计算，模拟时间长度为60年。模拟完成后，保存30个裂隙型热储模型开采井的温度数据，图4为开采60年时温度场分布，图5为开采60年时达西流速场分布，图6为30裂隙型热储模型中，生产井温度随时间变化。
图1表示裂隙型热储模拟流程。图2为三维多尺度离散裂隙网络示意图，不同颜色的多边形，表示不同的裂隙。图3为图2基础上建立的裂隙型热储模型网格系统示意图；二维面表示三角形裂隙网格，三维体表示基岩四面体网格。
图4为图3所示的裂隙型热储模型网格基础上，开采温度场数值模拟结果；不同多边形表示不同的裂隙，模型颜色深浅表示温度高低。图5为图3所示的裂隙型热储模型网格基础上，达西流速场数值模拟结果；不同多边形表示不同的裂隙，模型颜色深浅表示达西流速高低。图6为在随机生成30个三维多尺度离散裂隙网络基础上建立的裂隙型热储模型中，生产井温度随时间变化曲线。每一条曲线表示在某个随机生成的离散裂隙模型下，生产井的温度随开采时间逐渐降低的过程。批量生成30个离散裂隙模型，因此有三十条曲线。
实施例2
本公开的一种实施例中提供了一种基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟系统，包括：
数据获取模块，用于获取裂隙热储实际测量数据，划分模拟区域，分析模拟区域内裂隙几何特征以及统计分布规律，建立概率密度函数；
数据处理模块，用于批量构建三维多尺度离散裂隙网络，保存裂隙几何形态及其渗透性；
根据概率密度函数以及三维多尺度离散裂隙网络构建裂隙型热储模型；
数值模拟模块，用于将裂隙型热储模型进行网格化，根据水文地质条件和地热地质条件，确定裂隙型热储模型定解条件，并设置裂隙型热储模型参数，对裂隙型热储开采过程进行数值模拟计算，并保存计算结果。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。
Claims (8)
1.基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟方法，其特征在于，包括：
获取裂隙热储实际测量数据，划分模拟区域，分析模拟区域内裂隙几何特征以及统计分布规律，建立概率密度函数；
批量构建三维多尺度离散裂隙网络，保存裂隙几何形态及其渗透性；
根据概率密度函数以及三维多尺度离散裂隙网络构建裂隙型热储模型；
将裂隙型热储模型进行网格化，根据水文地质条件和地热地质条件，确定裂隙型热储模型定解条件，并设置裂隙型热储模型参数，对裂隙型热储开采过程进行数值模拟计算，并保存计算结果；
批量构建三维多尺度离散裂隙网络包括：运用蒙特卡洛批量构建三维多尺度裂隙离散裂隙网络，并按照生成的顺序进行文件命名并保存；
保存裂隙几何形态及其渗透性包括：裂隙几何形态通过多边形空间节点、圆形半径、圆心坐标、裂隙面倾向和倾角参数进行保存；裂隙密度通过单位长度内裂隙的数目、单位面积内的裂隙累计长度、单位体积内的裂隙累计面积进行量化、保存；裂隙渗透性根据裂隙宽度进行计算、保存；
概率密度函数包括幂率分布、正态分布、Fisher分布和均匀分布等。
2.如权利要求1所述的基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟方法，其特征在于，模拟区域内的裂隙分为人工裂隙和天然裂隙，裂隙几何特征包括长度、角度、密度和宽度。
3.如权利要求1所述的基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟方法，其特征在于，将裂隙型热储模型进行网格化，包括：根据热储基岩的空间分布，开采井、注入井和观测井的空间位置，以及三维多尺度离散裂隙网络，构建裂隙型热储模型，运用网格剖分技术，生成裂隙型热储模型网格系统。
4.如权利要求3所述的基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟方法，其特征在于，裂隙用三角形进行网格剖分，基岩用四面体进行网格剖分，地热井运用线段或节点表示，相邻不同的网格类型在接触边界处相容。
5.如权利要求1所述的基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟方法，其特征在于，定解条件包括边界条件和初始条件，裂隙型热储模型参数包括热储模型参数、地热流体参数以及数值模拟参数。
6.如权利要求5所述的基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟方法，其特征在于，所述热储模型参数包括基岩和裂隙的孔隙度、渗透率、热导率以及比热容，地热流体参数包括流体密度、动力粘度和热导率，数值模拟参数包括线性方程组的求解方法、模拟时间以及步长。
7.如权利要求1所述的基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟方法，其特征在于，数值模拟完成后，将网格节点处的温度、水头、地下水流速、开采井温度以及水头信息，以特定格式保存，用作后续可视化分析和计算工作的输入文件。
8.基于三维裂隙型热储模型的地热开采数值模拟系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取裂隙热储实际测量数据，划分模拟区域，分析模拟区域内裂隙几何特征以及统计分布规律，建立概率密度函数；
数据处理模块，用于批量构建三维多尺度离散裂隙网络，保存裂隙几何形态及其渗透性；
根据概率密度函数以及三维多尺度离散裂隙网络构建裂隙型热储模型；
数值模拟模块，用于将裂隙型热储模型进行网格化，根据水文地质条件和地热地质条件，确定裂隙型热储模型定解条件，并设置裂隙型热储模型参数，对裂隙型热储开采过程进行数值模拟计算，并保存计算结果；
批量构建三维多尺度离散裂隙网络包括：运用蒙特卡洛批量构建三维多尺度裂隙离散裂隙网络，并按照生成的顺序进行文件命名并保存；
保存裂隙几何形态及其渗透性包括：裂隙几何形态通过多边形空间节点、圆形半径、圆心坐标、裂隙面倾向和倾角参数进行保存；裂隙密度通过单位长度内裂隙的数目、单位面积内的裂隙累计长度、单位体积内的裂隙累计面积进行量化、保存；裂隙渗透性根据裂隙宽度进行计算、保存；
概率密度函数包括幂率分布、正态分布、Fisher分布和均匀分布等。
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