基于滲流場的水合物實驗裝置測點布置

鄭如意李淑霞張孟琴郝永卯侯健

1.中國石油大學（華東）石油工程學院；2.河南科技大學林業職業學院

基于滲流場的水合物實驗裝置測點布置

鄭如意1李淑霞1張孟琴2郝永卯1侯健1

1.中國石油大學（華東）石油工程學院；2.河南科技大學林業職業學院

為了監測天然氣水合物生成及分解過程中物性參數的變化規律，需要在反應釜中安裝各種傳感器測點，而測點的引入會對反應釜中的流體流動產生影響。為了有效減少測點對反應釜產生的干擾，利用數值模擬方法對測點尺寸與測點最小間距之間的關系進行了定量研究。結果表明，傳感器測點的引入會對反應釜中的滲流場產生影響，測點尺寸越大、測點的間距越小，對滲流場的影響越大；對于尺寸為10 mm、9 mm、8 mm、7 mm和6 mm的測點，相應測點最小間距分別為60 mm、54 mm、48 mm、42 mm和36 mm時測點對反應釜流場的影響可以忽略不計。因此對反應釜進行傳感器測點排布時，測點的間距不得小于測點尺寸的6倍，研究結果對同類實驗反應釜中測點的合理布置具有重要參考價值。

水合物；傳感器測點；滲流場；數值模擬

二十一世紀油氣資源消耗量日益增長，人類面臨著日益嚴峻的能源危機和環境污染。與傳統能源相比，天然氣水合物（NGH）具有儲量豐富、分布廣泛、能量密度高、清潔環保等優點［1］。隨著對水合物理論研究、室內實驗以及現場試采的不斷進行［2］，天然氣水合物的商業性開采逐漸提上日程。和現場試采相比，室內實驗具有費用低、耗時短、易操作等優點。國內外已經研制出了各種各樣的天然水合物實驗裝置：美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）建立了三維海底模擬實驗系統［3］；加拿大DBR公司研制了JEFRI變體積高壓藍寶石全透明天然氣水合物實驗裝置［4］；中國天然氣水合物研究起步較晚，但在相關的科研院所和高校也逐步研制了相應的天然氣水合物模擬實驗裝置［5-8］；德國、日本等國的相關研究機構也都陸續研制了各種水合物實驗設備［9-10］。

天然氣水合物實驗系統主要由高壓系統、冷卻系統、測試系統及其他輔助設備組成［11］。其中測試系統是實驗儀器的關鍵，由各種傳感器和檢測儀器組成，可以監測反應過程中反應釜內溫度、壓力、電阻率、水合物飽和度等物性參數的變化。一般而言，傳感器測點分布越密集，越有利于全面了解反應釜中物性參數的變化情況，然而，引入過多的傳感器測點會對反應釜中滲流場帶來干擾，造成測量數據的不準確。

目前對于實驗儀器中傳感器的研究已經取得了一定的成果。Minamide等人利用遺傳算法RCGA和模擬退火SA對溫度傳感器的分布進行了研究，得到了可以對投影數據集進行優選的一種方法［12］；于百勝等人提出了一種利用參數選擇對傳感器的分布進行評估的方法，可以用來評估測點整體與局部的測量效果［13］；Neuhaus等人設計了一種用于測量高純度、高腐蝕性液體流量的流量傳感器［14］；李巧真等人設計開發了傳感器實驗裝置計算機控制系統，對各種傳感器進行標定和測試，由計算機對實驗數據進行實時采集和處理［15］；史治宇等人利用靈敏度分析方法提出了傳感器數目和位置的優化方法，可以用有限的傳感器測點獲取足夠的結構破損信息［16］；閆嘉鈺等人利用灰色綜合關聯度對傳感器的分布及數目進行優化，對數控機床關鍵點的溫度測點進行選取［17］。

總的來說，目前對于實驗裝置中傳感器的研究主要集中在傳感器的分布、數目以及傳感器的設計，而對于傳感器測點的存在對滲流場影響的研究仍然處于空白。因此，從傳感器測點引入對滲流場中流線的影響入手，利用數值模擬方法定量分析了水合物實驗中傳感器測點的尺寸與傳感器測點間最小間距的關系。

1 測點尺寸對滲流場的影響

Numerical simulation of the effect of measurement point dimension on seepage field

Swinkels等人指出，能夠進行PVT處理的熱模擬器即可進行天然氣水合物開采的模擬，軟件CMG的熱采模塊STARS符合這樣的要求［18］。在CMGSTARS中加入水合物分解及生成反應的模塊，進而對水合物藏的開采過程進行模擬，Uddin等人利用該軟件進行了天然氣水合物藏開采的模擬［19］。

首先建立實驗室尺度下的天然氣水合物開采模擬實驗模型，模型平面尺寸600×600 mm，傳感器測點在模型平面均勻分布。為研究測點的存在是否會對滲流場產生影響，數值模擬中將傳感器測點所在的網格設置為不滲透的無效網格。假設模型中心一口井，水合物降壓分解。模擬計算過程中所用的主要參數見表1。

表1 模擬計算主要參數Table 1 Main parameters of simulation calculation

目前水合物實驗中的壓力傳感器測點尺寸一般采用2～5 mm， 溫度測點多采用鉑電阻，測點尺寸為3～8 mm， 電阻率測點一般是特制的，尺寸為10～20 mm［20-25］。下面研究中選取網格大小為6×6 mm，網格數為100×100， 測點間距為72 mm。為分析不同測點尺寸對滲流場中流線的影響，設計測點尺寸分別取6 mm、 12 mm和18 mm進行數值模擬計算，同時與沒有安裝傳感器測點的數值模擬結果進行對比。

圖1為不同測點尺寸下滲流場中的流線圖（圖中黑色實線為流線，白色色塊為測點的位置，測點間距為72 mm）， a、b、c、d為不同測點尺寸時模型中水合物降壓分解相同時間后的流線分布圖，其中a為無測點時的流線分布，b、c、d為測點尺寸分別6 mm、12 mm和18 mm時的流線分布。可以看出，測點尺寸為6 mm時對流線的影響基本可以忽略；當測點尺寸達到18 mm后，測點的存在對流線產生的干擾越來越大。因此，隨著測點尺寸的增大，測點的引入對滲流場的影響增大。

圖1 不同測點尺寸的流線分布Fig. 1 Flow line distribution of different measurement point dimensions

2 測點間距對滲流場的影響

Numerical simulation of the effect of pointto-point spacing on seepage field

為了研究傳感器間距對滲流場的影響，以傳感器測點尺寸6 mm為例，網格大小為6×6 mm， 網格數為100×100。分別設計了傳感器測點間距為60 mm、 48 mm、 36 mm和24 mm，通過數值模擬計算并對比，分析傳感器測點間距對滲流場的影響。

圖2為測點尺寸為6 mm時水合物降壓分解相同時間后不同傳感器測點間距模型中的流線分布圖，其中a、b、c、d分別為測點間距為60 mm、42 mm、36 mm和24 mm時的流線分布。可以看出，當傳感器尺寸相同時，不同的測點間距下流線的平滑程度也不同。隨著測點間距的減小，滲流場中流線受到的干擾增大。

3 測點尺寸與最小間距關系的數值模擬

Numerical simulation of the relationship between measurement point dimension and minimum spacing

圖2 不同傳感器測點間距下的流線分布Fig. 2 Flow line distribution of different point-to-point spacing

綜合分析前2部分的模擬結果可以發現，傳感器測點尺寸和間距對滲流場都有影響。初步分析認為：不同尺寸的傳感器應該對應有不同的最小間距，當傳感器間距大于最小間距時，認為傳感器測點的引入對滲流場的影響可以忽略不計。

根據前面對測點尺寸的分析，下面分別選取傳感器測點尺寸為10 mm、 9 mm、 8 mm、 7 mm以及6 mm，通過數值模擬計算，研究不同測點尺寸對滲流場產生影響最小時所需要的測點的最小間距。以測點尺寸為10 mm為例，模擬計算了測點間距分別為70 mm、 60 mm、 50 mm和40 mm不同情況下的流線分布。

圖3為測點尺寸10 mm時水合物降壓分解相同時間后不同傳感器測點間距模型中的流線分布圖，其中a、b、c、d分別對應測點間距為70 mm、 60 mm、50 mm和40 mm時的流線分布。可以看出，對于測點尺寸為10 mm的模型，當測點間距大于60 mm時對流線影響基本可以忽略，當測點間距小于60 mm后流線的不穩定性顯著增強，所以認為對于尺寸為10 mm的測點，傳感器間距不能小于60 mm。同理對于9 mm、8 mm、7 mm和6 mm的傳感器，通過數值模擬計算分別得到傳感器的最小間距為54 mm、48 mm、42 mm和36 mm。將測點尺寸與相應測點間最小間距繪制到坐標系并作線性擬合，如圖4所示，可以看出測點最小間距為測點大小的6倍。

圖3 不同傳感器測點間距下的流線分布Fig. 3 Flow line distribution of different point-to-point spacing

需要指出的是，該研究結果建立在井底壓力為4 MPa的基礎之上，當井底壓力較小時，生產壓差較大，流體的流速越大，同樣會對滲流場產生影響，所以在實際的設計過程中，要以所需要的最大生產壓差為基礎進行設計。

圖4 測點大小與測點最小間距的關系曲線Fig. 4 Relationship between measurement point dimension and minimum point-to-point spacing

4 結論

Conclusions

（1）利用CMG-STARS模塊對反應釜中水合物降壓分解過程進行數值模擬計算， 當傳感器測點間距相同時，測點尺寸越大，對滲流場的影響越大；當傳感器測點的尺寸相同時，測點間距越小，對滲流場的影響越大。

（2）通過對測點尺寸與測點最小間距匹配關系的數值模擬研究發現，對于尺寸分別為10 mm、9 mm、8 mm、7 mm和6 mm的測點，對應的測點最小間距分別為60 mm、54 mm、48 mm、42 mm和36 mm。因此對反應釜進行測點排布時，測點間距不小于測點尺寸的6倍。

References:

［1］ 陳月明，李淑霞，郝永卯，杜慶軍. 天然氣水合物開采理論與技術［M］. 青島：中國石油大學出版社，2011. CHEN Yueming, LI Shuxia, HAO Yongmao, DU Qingjun. Theory and technology of natural gas hydrates development ［M］. Qingdao: China University of Petroleum Press, 2011.

［2］ 郭小哲，王福升，趙志輝，胡廣文，王金禮. 準噶爾盆地氣井天然氣水合物生成實驗研究與分析［ J］. 石油鉆采工藝，2013，35（5）：118-120. GUO Xiaozhe, WANG Fusheng, ZHAO Zhihui, HU Guangwen, WANG Jinli. Experimental study and analysis on hydrate generation for gas wells in Junggar Basin ［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2013,35（5）:118-120.

［3］ PHELPS T J, PETERS D J, MARSHALL S L, WEST O R, LIANG L, BLENCOE J G, ALEXIADES V, JACOBS G K, NANEY M T, HECK J L. A new experimental facility for investigating the formation and properties of gas hydrates under simulated seafloor conditions ［J］. Review of Scientific Instruments, 2001, 72（2）:1514-1521.

［4］ 寧伏龍，蔣國盛，張凌，吳翔，竇斌，張家銘. 天然氣水合物實驗裝置及其發展趨勢［J］. 海洋石油，2008，28（2）：68-72. NING Fulong, JIANG Guosheng, ZHANG Ling, WU Xiang, DOU Bin, ZHANG Jiaming. Development of experimental equipments for gas hydrate research ［J］. Offshore Oil, 2008, 28（2）: 68-72.

［5］ 孫長宇，陳光進，郭天民，林萬臣，陳江. 甲烷水合物分解動力學［J］. 化工學報，2002，53（9）：899-903. SUN Changyu, CHEN Guangjin, GUO Tianmin, LIN Wanchen, CHEN Jiang. Kinetics of methane hydrate decomposition ［J］. Journal of Chemical Industry and Engineering （China）, 2002, 53（9）: 899-903.

［6］ LI S, ZHENG R, XU X, CHEN Y. Dissociation of methane hydrate by hot brine ［J］. Petroleum Science & Technology, 2015, 33（6）: 671-677.

［7］ WANG Y, FENG J C, LI X S, ZHANG Y, LI G. Large scale experimental evaluation to methane hydrate dissociation below quadruple point in sandy sediment ［J］. Applied Energy, 2016, 162（1）:372-381.

［8］ LI X S, WANG Y, DUAN L P, LI G, ZHANG Y, HUANG N S, CHEN D F. Experimental investigation into methane hydrate decomposition during three-dimensional thermal huff and puff ［J］. Energy & Fuels, 2011, 25（4）:79-83.

［9］ SCHICKS J M, SPANGENBERG E, GIESE R, STEINHAUER B, KLUMP J, LUZI M. New approachesfor the production of hydrocarbons from hydrate bearing sediments ［J］. Energies, 2011, 4（1）: 151-172.

［10］ SAKAMOTO Y, KOMAI T, KAWABE Y, TENMA N, YAMAGUCHI T. Gas hydrate extraction from marine sediments by heat stimulation method［C］//The Fourteenth International Offshore and Polar Engineering Conference, 23-28 May, 2004, Toulon, France.

［11］ 宋永臣，楊明軍，劉瑜. 天然氣水合物生成與分解實驗檢測技術進展［J］. 天然氣工業，2008，28（8）：111-113. SONG Yongchen, YANG Mingjun, LIU Yu. Process on the experimental detection technology of gas hydrate formation and decomposition ［J］. Natural Gas Industry, 2008, 28（8）: 111-113.

［12］ MINAMIDE A, WAKATSUKI N, MIZUTANI K. Optimal transducer arrangement for temperature distribution measurement in arbitrary convex-shaped space by acoustic computerized tomography ［J］. Japanese Journal of Applied Physics, 2010, 49（7）: 07HC07-07HC07-5.

［13］ 于百勝，黃文虎. 模型故障診斷中測點優選的一種評估方法 ［J］. 哈爾濱工業大學學報，1998，30（1）：6-10. YU Baisheng, HUANG Wenhu. A method of evaluation of optimum measuring points in model-based diagnosis［J］. Journal of Harbin Institute of Technology, 1998, 30（1）: 6-10.

［14］ NEUHAUS M, LOOSER H, BURTSCHER H, SCHRAG D, HAHN J, SCHOEB R. Flow meter for high-purity and aggressive liquids［J］. Sensors and Actuators, 2007, 134（2）: 303-309.

［15］ 李巧真，李剛，徐天室. 傳感器實驗裝置計算機控制系統［J］. 實驗技術與管理，2011，28（6）：57-60. LI Qiaozhen, LI Gang, XU Tianshi. Computer control system of experiment set of sensors ［J］. Experimental Technology and Management, 2011, 28（6）: 57-60.

［16］ 史治宇. 基于有限多個測點信息的結構破損診斷研究［J］. 振動工程學報，2002，15（2）：203-206. SHI Zhiyu. Structural damage detection from limited sensor information ［J］. Journal of Vibration Engineering, 2002, 15（2）: 203-206.

［17］ 閆嘉鈺，張宏韜，劉國良，楊建國. 基于灰色綜合關聯度的數控機床熱誤差測點優化新方法及應用［J］. 四川大學學報（工程科學版），2008，40（2）：160-164. YAN Jiayu, ZHANG Hongtao, LIU Guoliang, YANG Jianguo. Application of a new optimizing method for the measuring points of CNC machine thermal error based on grey synthetic degree of association［J］. Journal of Sichuan University （Engineering Science Edition）, 2008, 40（2）: 160-164.

［18］ SWINKELS W J A M, DRENTH R J J. Thermal reservoir simulation model of production from naturally occurring gas hydrate accumulations［J］. SPE Reservoir Evaluation & Engineering, 2013, 3（6）: 559-566.

［19］ UDDIN M, COOMBE D A, LAW D H S, WILLIAM D G. Numerical studies of gas hydrate formation and decomposition in a geological reservoir［J］. Journal of Energy Resources Technology, 2008, 130（3）: 032501-1-14.

［20］ 傘海生，宋子軍，王翔，趙燕立，余煜璽. 適用于惡劣環境的MEMS壓阻式壓力傳感器［J］. 光學精密工程，2012，20（3）：550-555. SAN Haisheng, SONG Zijun, WANG Xiang, ZHAO Yanli, YU Yuxi. Piezoresistive pressure sensors for harsh environment ［J］. Optics and Precision Engineering, 2012, 20（3）: 550-555.

［21］ 郭冰，王沖. 壓力傳感器的現狀與發展［J］. 中國儀器儀表，2009（5）：72-75. GUO Bing, WANG Chong. Current status and development of pressure sensor ［J］. Technical Exploration, 2009（5）: 72-75.

［22］ 蔣莊德，田邊，趙玉龍，趙立波. 特種微機電系統壓力傳感器［J］. 機械工程學報，2013，49（6）：187-197. JIANG Zhuangde, TIAN Bian, ZHAO Yulong, ZHAO Libo. Special micro-electro-mechanical systems pressure sensor ［J］. Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49（6）: 187-197.

［23］ 張鵬，王如竹. 特殊低溫溫度傳感器：超導溫度傳感器和高精度溫度傳感器［J］. 低溫物理學報，2002，24（3）：224-229. ZHANG Peng, WANG Ruzhu. Particular low temperature sensors: superconductor temperature sensor and high resolution temperature sensor ［J］. Chinese Journal of Low Temperature Physics, 2002, 24（3）: 224-229.

［24］ 陳昭陽，郝紅偉，李路明. 可用于載人航天溫度監測的石英溫度傳感器的設計［J］. 航天醫學與醫學工程，2007，20（3）：170-173. CHEN Zhaoyang, HAO Hongwei, LI Luming. Design of a novel quartz temperature sensor used for temperature monitoring in manned space flight ［J］. Space Medicine and Medical Engineering, 2007, 20（3）: 170-173.

［25］ 錢華芳. 數控機床溫度傳感器優化布置及新型測溫系統的研究［D］. 杭州：浙江大學，2006. QIAN Huafang. Research on sensor placement optimization and new temperature measurement system of CNC machine tools［D］. Hangzhou: Zhejiang University, 2006.

（修改稿收到日期 2016-11-12）

〔編輯 李春燕〕

Arrangement of measurement points of hydrate experiment devices based on seepage field

ZHENG Ruyi1, LI Shuxia1, ZHANG Mengqin2, HAO Yongmao1, HOU Jian1

1. College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, Shandong, China; 2. Forestry College, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471002, Henan, China

In order to monitor the change laws of physical property parameters in process of formation and decomposition of natural gas hydrate, it is necessary to install various sensor measurement points in reactors. However, the introduction of sensor measurement points influences the flowing situations of fluids in reactors. In order to alleviate the disturbance, the relationship between measurement point dimension and minimum point-to-point spacing was analyzed quantitatively by means of numerical simulation. It is indicated that the seepage field in reactors are affected by the introduction of sensor measurement points. The larger the measurement points are and the shorter the point-to-point spacing is, the more the seepage field is affected. The minimum point-to-point spacing corresponding to the point dimension of 10 mm, 9 mm, 8 mm, 7 mm and 6 mm is 60 mm, 54 mm, 48 mm, 42 mm and 36 mm, respectively. Therefore, the point-to-point spacing shall not be shorter than 6 times the measurement point dimension when sensor measurement points are arranged in reactors. The research results are of instructive significance to the deployment of measurement points in reactors.

hydrate; measurement point of sensor; seepage field; numerical simulation

鄭如意，李淑霞，張孟琴，郝永卯，侯健.基于滲流場的水合物實驗裝置測點布置［J］ .石油鉆采工藝，2017，39（1）：107-111.

TE312

A

1000 – 7393（ 2017 ） 01 – 0107 – 05

10.13639/j.odpt.2017.01.021

:ZHENG Ruyi, LI Shuxia, ZHANG Mengqin, HAO Yongmao, HOU Jian. Arrangement of measurement points of hydrate experiment devices based on seepage field［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(1): 107-111.

國家自然科學基金項目“天然氣水合物藏注熱開采可行性研究”（編號：51274227）；中央高校基本科研業務費專項資金課題“油氣藏滲流力學與提高采收率”（編號：15CX08004A）。

鄭如意（1991-），中國石油大學（華東）油氣田開發專業碩士研究生，現從事天然氣水合物開采理論的研究工作。通訊地址：（266580）山東青島經濟技術開發區中國石油大學（華東）工科B633室。E-mail：zhengruyi1991@gmail.com

李淑霞（1970-），中國石油大學（華東）油氣田開發專業教授，博士生導師，現從事油藏工程及天然氣水合物開采機理方面的研究和教學工作。通訊地址：（266580）山東青島經濟技術開發區中國石油大學（華東）工科B625室。E-mail：lishuxia@upc. edu.cn