СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ ФАЗ МНОГОФАЗНОГО/МНОГОКОМПОНЕНТНОГО ПОТОКА, ПРОХОДЯЩЕГО ЧЕРЕЗ ПОРИСТУЮ СРЕДУ
METHOD FOR SIMULATING MOVEMENT OF SEPARATE PHASES OF MULTIPHASE/MULTICOMPONENT FLOW PASSING THROUGH POROUS MEDIUM

Данная заявка испрашивает приоритет согласно 35 U.S.C. §119(е) предыдущей U.S. Provisional Patent Application No. 61/506,680, зарегистрирована 12 июля 2011, которая полностью включена в данный документ в виде ссылки.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способу оценки параметров потока многофазной/многокомпонентной текучей среды, проходящего через пористую среду, и оценки относительных проницаемостей на различных уровнях насыщения. Данные относительной проницаемости, расчет которых произведен настоящим способом, можно использовать, например, во многих областях, таких как моделирование нефтяного месторождения, оценка дебитов по нефти или газу, оценка извлекаемых запасов, разработка концепций добычи углеводородов, например с применением гидравлического разрыва пласта или “гидроразрыва”, биотехнологии, производство бумаги, пищевая промышленность, сельское хозяйство и других областях, относящихся к геологии и геофизике. Настоящее изобретение также относится к компьютеризованным системам и их компонентам для выполнения такого способа.
rn
rw
Относительная проницаемость используется для количественного определения многофазного потока, такого как поток нефти в присутствии воды и воды в присутствии нефти. В образце с двумя такими текучими средами, относительные проницаемости k и k, по определению даются уравнениями [9] и [10]:
n
w
w
w
где значки “n” и “w” относятся к несмачивающей текучей среде и смачивающей текучей среде, соответственно. Скорости Q и Q потока измеряются при фиксированном насыщении S. Относительную проницаемость обычно показывают на графике в зависимости от S.
Absolute
Относительная проницаемость зависит от большого числа факторов, не только от k, в том числе от смачиваемости системы текучих сред и минералов, межфазного поверхностного натяжения и разницы вязкости между текучими фазами, скоростей текучих сред, уровня насыщения текучей среды в порах, структуры и сообщаемости пор в пористом твердом материале и геометрии порового пространства. Другим важным фактором, который влияет на относительную проницаемость, является картина изменения во времени потоков, проходящих через пористую среду. Данные параметры могут изменяться в пространстве и времени, и в результате состояние и состав текучей среды изменяется во время добычи текучих сред.
В пористой среде капиллярное притяжение определяется адгезией между жидкостью, присутствующей в теле и самим телом, и когезионной силой в самой жидкости. Жидкость, которая смачивает твердую поверхность, имеет более высокую адгезию к конкретному твердому веществу, чем несмачивающая текучая среда. Текучая среда может смачивать одно твердое вещество и не смачивать другое твердое вещество. В потоке многофазной текучей среды смачиваемость является связанным свойством. Например, если сила адгезии первой текучей среды для пористой среды больше силы адгезии второй текучей среды для пористой среды, то первую текучую среду следует считать смачивающей, и вторую текучую среду следует считать несмачивающей.
x
Насыщение, S, является объемной долей полного порового объема в пористой среде, занятой материалом “X”. Уровень насыщения имеет величину между 0 и 1. Уровень насыщения равный 1 указывает, что все имеющееся поровое пространство в данной пористой среде заполнено рассматриваемой текучей средой. Относительные проницаемости являются функцией насыщения текучей средой. Когда насыщение конкретной фазы увеличивается, относительная проницаемость увеличивается. Динамика насыщения также имеет существенное воздействие на относительную проницаемость. Взаимосвязь относительной проницаемости и насыщения демонстрирует эффект гистерезиса между процессом дренирования (уменьшение смачивающей фазы) и вытеснение несмачивающей фазы смачивающей (уменьшение несмачивающей фазы). Считается, что большинство подземных пористых пластов горной породы вначале были заполнены водой, и углеводороды вошли в данные пористые пласты, вытесняя часть воды. Данную динамику следует воспроизводить или учитывать перед проведением любой оценки относительной проницаемости для установления реалистичных начальных условий. Графики для вытеснения несмачивающей фазы смачивающей и дренирования, на которых показана зависимость относительной проницаемости от насыщения, приведены на Фиг.1.
Когда пористая среда содержит в себе две или больше несмешивающихся текучих сред, локальный объем материала в любой конкретной поре может отличаться от общего или среднего уровня насыщения для пористого образца породы в целом. Например, одна текучая среда может сильно прилипать к поверхностям в данной поре, а другой материал может не иметь действующего контакта с твердым материалом. Геометрия локального порового пространства в данной пористой среде может значительно меняться, и данные изменения геометрии могут влиять на локальные уровни насыщения.
На практике относительную проницаемость можно оценивать с помощью физических лабораторных испытаний или численного моделирования.
Один из прежних физических лабораторных способов измерения относительной проницаемости описан в U.S. Patent Number 2,345,935 (Hassler). Способ включает в себя изоляцию всех кроме двух противоположных поверхностей на пористом образце породы. Текучая среда или текучие среды под давлением вводятся в одну открытую поверхность и продавливаются для прохода через образец с определенной скоростью потока. Давление текучей среды нагнетается насосами или аналогичным средством. Значения давления и скоростей потока являются входными данными для вычисления относительной проницаемости. Одним недостатком указанной методики является необходимость определения внутренних давлений смачивающей текучей среды в пористой среде. Данная проблема описана в материале W. Rose, "Some Problems in Applying Hassler Relative Permeability Method," 32 J. Petroleum Technology, 1161-63 (July, 1980). U.S. Patent Number 4,506,542 (Rose) описывает устройство и способ, не требующие измерения внутренних давлений для оценки относительной проницаемости.
n
w
n
w
w
n
w
n
w
w
Указанный способ (Hassler) является способом стационарного состояния, который можно использовать для вычисления относительной проницаемости в зависимости от насыщения для полного диапазона значений насыщения от 0 до 1. Для двухфазных систем несмешивающихся текучих сред образец породы можно вначале промыть одной текучей средой в течение достаточного времени, так что насыщение в образце породы выбранной текучей средой становится равным 1. Затем другую текучую среду или комбинации двух текучих сред продавливают через образец в течение достаточного времени для получения стационарного состояния двух скоростей Q и Qпотока. В данной точке отсчеты скорости потока и давления можно использовать для вычисления k, k для данной величины S и показать на графике. Соотношение смачивающей и несмачивающей текучих сред на впуске образца можно затем изменить. Данная новая комбинация смачивающей и несмачивающей текучих сред продавливается через образец в течение достаточного времени для получения стационарного состояния двух скоростей Q и Q потока. Другая пара значений относительной проницаемости k, k, соответствующих другой величине S, вычисляется и другая точка наносится на график. При повторении данной процедуры для различных комбинаций смачивающих и несмачивающих текучих сред можно построить график относительной проницаемости в зависимости от насыщения, показанный на Фиг.2.
Другие физические способы вычисления относительной проницаемости для стационарного состояния включают в себя Penn State Method (измерение относительной проницаемости пенсильванским методом) (Snell, R. W., Measurements of gas-phase saturation in a porous medium, J. Inst. Pet., 45 (428), 80, 1959; The Hafford method (Naar, J. et al., Three-phase imbibition relative permeability, Soc. Pet. Eng. J., 12, 254, 1961); Single-Sample Dynamic Method (Saraf, D. N. et al., Three-phase relative permeability measurement using a nuclear magnetic resonance technique for estimating fluid saturations, Soc. Pet. Eng. J., 9, 235, 1967); Stationary Fluid Method (Saraf, D. N. et al., Three-phase relative permeability measurement using a nuclear magnetic resonance technique for estimating fluid saturations, Soc. Pet. Eng. J., 9, 235, 1967); и Dispersed Feed Method (Saraf, D. N. et al., Three-phase relative permeability measurement using a nuclear magnetic resonance technique for estimating fluid saturations, Soc. Pet. Eng. J., 9, 235, 1967).
n
w
w
Другой способ, нестационарного состояния, также начинается с образца породы вначале насыщенного смачивающей текучей средой. Затем несмачивающая текучая среда продавливается через образец, доля извлеченной несмачивающей текучей среды и перепад давления на образце записываются и используются для вычисления различных комбинаций k, k при соответствующих значениях S.
Лабораторные способы могут страдать рядом недостатков, которые могут включать в себя одно или несколько из следующего:
1. Образец для испытаний находится в лаборатории в условиях, имеющихся на поверхности, а в пласте образец может находиться при температурах выше 100°C и давлении 100-700 бар (10-70 МПа). Когда образцы подаются на поверхность, многие свойства горной породы изменяются. Создание искусственных условий для воспроизведения условий на забое скважины является сложным, дорогостоящим и/или неточным.
2. Давления, требуемые для получения нужных скоростей потоков, могут являться чрезмерно высокими, обуславливая проблемы протечки и/или выход из строя оборудования.
3. Большой объем текучей среды должен перерабатываться для подведения образца к стационарному состоянию.
4. Испытания могут занимать много времени, продолжаясь до завершения неделями, месяцами или больше года.
5. Проведение измерений в плотных породах, таких как сланцы, может являться сложным или невозможным.
6. Установление начальных условий, таких как насыщение, смачиваемость и распределение текучих сред является сложным.
7. Установление смачиваемости в лаборатории является сложным, поскольку керны обычно очищают перед испытаниями и начальную смачиваемость нельзя точно воспроизвести.
8. В лаборатории является сложными и дорогими проведение испытаний с текучими средами коллектора в условиях коллектора. Смешивание газа и нефти при температурах и давлениях коллектора является сложным и возможно опасным.
В численном моделировании для вычисления относительной проницаемости обычно используют числовые способы, такие как моделирование сети пор или прямое моделирование многофазного/многокомпонентного потока в пористой среде.
Один такой общий способ вычисления относительной проницаемости описан в U.S. Patent No. 6,516,080 (Nur). Данный способ, как большинство числовых способов, основан на получении цифрового представления пористой среды, ниже в данном документе именуется "Образец" для которого требуется оценить относительную проницаемость. Цифровое представление обычно получают с помощью рентгеновского сканера компьютерной томографии (КТ), и затем доводят для компенсации ограничения в разрешении сканера. Данное представление наряду со свойствами текучей среды, свойствами горной породы, начальным насыщением, смачиваемостью, межфазным поверхностным натяжением и значениями вязкости используются для ввода данных в алгоритм решеточного метода Больцмана. Решеточный метод Больцмана является инструментом для моделирования потока, в частности в средах со сложной геометрией пор. См., например, Ladd, Numerical Simulations of Particulate Suspensions via discretized Boltzmann Equation, Part 1: Theoretical Foundation, J. Fluid Mech., v 271, 1994, pp. 285-309; Gunstensen et al., "Lattice Boltzmann Model of Immiscible Fluids, Phys. Rev. A., v. 43, no. 8, Apr. 15, 1991, pp. 4320-4327; Olsen et al., Two-fluid Flow in Sedimentary Rock: Simulation, Transport and Complexity, J. Fluid Mechanics, Vol. 341, 1997, pp. 343-370; and Gustensen et al., Lattice-Boltzmann Studies of Immiscible Two-Phase Flow Through Porous Media," J. of Geophysical Research, V. 98, No. B 4, Apr. 10, 1993, pp. 6431-6441). Решеточный метод Больцмана моделирует движение текучей среды, как столкновения воображаемых частиц, которые значительно крупнее реальных молекул текучей среды, но при этом такие частицы показывают почти аналогичное молекулам поведение в макроскопическом масштабе. Алгоритм, используемый в решеточном методе Больцмана, повторяет столкновения данных воображаемых частиц до получения стационарного состояния и дает распределение локальной массовой скорости потока.
Точность числовых способов вычисления относительной проницаемости, таких как способ упомянутого выше патента (Nur) зависит частично от точности образца. Образец составляют из дискретных элементов, называемых вокселами. Вокселы являются объемными пикселями. Цифровое представление трехмерного объекта можно разбивать на вокселы. В идеальном случае каждый воксел точно классифицируется либо как твердое вещество или пора. Выбор между твердым веществом или порой не всегда может быть четким вследствие разницы в разрешении сканирования и минимальном диаметре зерен в пористой среде. Если воксел классифицируют как твердое вещество, характер или состав твердого веществ также должен быть известен или определен для числового моделирования и выполнения оценки его физических свойств.
В дополнение, точность числовых способов вычисления относительной проницаемости также зависит от числа применяемых способов. Корректность данных способов может зависеть от того как работают с граничными условиями в алгоритме. Можно иметь граничные условия на впуске и выпуске, граничные условия на верхней, нижней, левой или правой стороне образца и граничные условия для внутренней части пористой среды. Последнее включает в себя воздействия на смачиваемость, в особенности, когда представлены относительно небольшие движения отдельных фаз в потоке одной или другой текучей среды. Граничные условия представляют весьма сложную проблему в числовых способах. Выбор граничных условий может значительно влиять на время, требуемое для вычисления, точность результатов и стабильность моделирования. Указанное особенно верно для моделирования применительно к несмешивающимся многофазным или многокомпонентным текучим средам. Сложности могут возникать вследствие того, что давление и распределение фаз и скоростей на впуске цифрового моделирования являются неизвестными и данные условия должны быть установлены так, что имитируют физические условия. Отсутствует стандартизированный однозначно определенный способ установления подходящих граничных условий, и многие авторы предлагают собственное решение. Выбранные граничные условия могут иметь первостепенную важность, поскольку могут значительно влиять на численную точность моделирования, а также его стабильность.
Числовые способы могут иметь преимущества над лабораторными способами, например, в одном или нескольких следующих аспектах.
1. Поскольку численное моделирование является виртуальным, оно не требует физического присутствия, например, скважинных текучих сред, находящихся в условиях забоя скважины. В варианте относительной проницаемости в нефтяных и газовых пластах, управление углеводородами при высоких температурах и давлениях, часто выше критической точки, является сложным и опасным.
2. Поскольку варианты численного моделирования могут сокращать используемое время, численное моделирование можно выполнить в течение часов или дней вместо недель, месяцев или большего времени. Вследствие указанного, больше изменений в составе и скоростях потока текучей среды можно обработать с использованием числовых способов, чем практически возможно в лабораторных испытаниях.
3. Численное моделирование имеет то преимущество, что свойства любого компонента можно точно вычислить в любом месте и в любое время.
Числовые способы также могут страдать некоторыми недостатками, включающими в себя одно или несколько из следующего:
1. Начальные и граничные условия сложно или невозможно оценить, результатом чего является невозможность в некоторых случаях точно вычислить относительные проницаемости или нестабильность в вычислении. Указанное особенно верно, когда движение отдельных фаз одного или нескольких компонентов является незначительным.
2. Распределение смачиваемости в пространстве и времени в пористой среде сложно оценить.
Изобретатели учитывают, что необходимо создание новых способов и систем для моделирования потока фракционной многофазной многокомпонентной текучей среды, проходящего через пористую среду, для обеспечения, например, улучшенных оценок и предварительных расчетов потенциальной продуктивности нефтяного месторождения или другого подземного коллектора, и/или способов, которые могут обеспечивать улучшенные с помощью моделирования оценки скорости многофазного, многокомпонентного потока текучей среды, проходящего через пористые среды других типов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Признаком настоящего изобретения является способ вычисления или оценки движения отдельных фаз многофазного многокомпонентного потока текучей среды, проходящего через пористую среду.
Дополнительным признаком настоящего изобретения является способ вычисления или оценки относительной проницаемости для движения отдельных фаз многофазного многокомпонентного потока текучей среды, проходящего через пористую среду.
Другим признаком настоящего изобретения является способ установления граничных условий для числовых способов, например, для вариантов моделирования расчетной гидродинамики, которые более точно представляют реальные условия и увеличивают скорость вычисления и его стабильность.
Еще одним признаком настоящего изобретения является способ регулирования впускных давлений для вычисления расчетной гидродинамики для получения заданных скоростей движения отдельных фаз через пористую среду.
Дополнительным признаком настоящего изобретения является способ вычисления или оценки многофазного многокомпонентного потока текучей среды, проходящего через пористую среду в условиях, где доля несмачивающей или смачивающей текучей среды является низкой.
Дополнительным признаком настоящего изобретения является способ вычисления или оценки относительной проницаемости в зависимости от насыщения для вытеснение несмачивающей фазы смачивающей и дренирования.
Дополнительным признаком настоящего изобретения является способ вычисления или оценки кривых относительной проницаемости в зависимости от насыщения, включающих в себя точки данных, где уровень насыщения является низким.
Дополнительным признаком настоящего изобретения является способ использования вычисленных или оцененных относительных проницаемостей для оценки подземного нефтяного коллектора или пористой среды другого типа.
Для получения данных и других преимуществ и согласно целям настоящего изобретения, показанным в вариантах осуществления и описанным в данном документе, настоящее изобретение относится отчасти к способу моделирования движения отдельных фаз смачивающих текучих сред и несмачивающих текучих сред через пористую среду, содержащему следующие этапы (a) создание трехмерного цифрового представления пористой среды ("Образец"), содержащего весь объем текучих сред, представляющих собой смачивающие текучие среды и несмачивающие текучие среды, (б) определение первой доли всего объема текучих сред, которая содержит смачивающие текучие среды, и второй доли всего объема текучих сред, которая содержит несмачивающие текучие среды, (в) определение значения скорости потока всего объема текучих сред, проходящих через Образец, (г) оценку свойств смачивающих текучих сред и несмачивающих текучих сред, (д) определение начальных условий для насыщения (Sw) смачивающих текучих сред, насыщения (Sn) несмачивающих текучих сред, впускного давления (Pw) смачивающих текучих сред и впускного давления (Pn) несмачивающих текучих сред, (е) установление условий на впускной поверхности Образца, где несмачивающие текучие среды и смачивающие текучие среды входят в поры образца в отдельных и отличающихся площадях, и (ж) вычисление давлений, насыщений и векторов скорости внутри Образца, (з) вычисление скоростей (Qn) потока несмачивающих текучих сред, проходящих через Образец, скоростей (Qw) потока смачивающих текучих сред, проходящих через Образец, и давлений на выпуске Образца, (и) повторение этапов а) - з) для заданного числа приращений времени t, и (к) периодическое регулирование впускных давлений Pn и Pw с использованием алгоритма регулирования с обратной связью, при этом, получают значения Qn и Qw квазистационарного состояния.
Настоящее изобретение также относится к системе вычисления или определения или оценки движения отдельных фаз многофазного многокомпонентного потока, проходящего через пористую среду, содержащей (a) сканер, выполненный с возможностью получения трехмерного цифрового изображения пористой среды, (б) компьютер содержащий по меньшей мере один процессор с функциональной возможностью исполнения компьютерной программы для группирования элементов в трехмерном цифровом изображении, как твердого вещества (зерно) и пор (полость), (в) компьютер, содержащий по меньшей мере один процессор с функциональной возможностью исполнения компьютерной программы для выполнения указанных вычислений, и (г) по меньшей мере одно устройство для отображения, печати или сохранения результатов вычислений.
Настоящее изобретение также относится к компьютерному программному продукту на машиночитаемом носителе, который когда выполняется на контроллере в компьютеризованном устройстве, создает способ выполнения одного или нескольких или всех указанных вычислений.
Настоящее изобретение также относится к применению указанного способа и/или системы для вычисления или оценки движения отдельных фаз многофазной/многокомпонентной текучей среды, проходящей через пористую среду подземного коллектора, такого как подземный нефтяной коллектор, и для вычисления или оценки относительных проницаемостей на различных уровнях насыщения, и использованию вычисленных или оцененных относительных проницаемостей для создания улучшенных оценок, и расчетов продуктивности подземного коллектора. Способы и системы настоящего изобретения также можно использовать для создания численно смоделированных оценок движения отдельных фаз многофазной/многокомпонентной текучей среды через пористые среды другого типа.
Следует понимать, что как приведенное выше общее описание, так и следующее подробное описание являются только примерами и в общем дают только дополнительное объяснение настоящего заявленного изобретения.
На прилагаемых чертежах, которые включены в заявку и составляют ее часть, показаны некоторые признаки настоящего изобретения, и вместе с описанием чертежи служат для объяснения принципов настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 показан график, представляющий эффект гистерезиса в относительной проницаемости при поглощении и дренировании.
На Фиг.2 показан график, представляющий относительную проницаемость для смачивающих и несмачивающих текучих сред при уровнях насыщения в диапазоне от 0 до 1.
На Фиг.3 показана схема, представляющая физические лабораторные способы, как стационарного состояния, так и нестационарного состояния, которые можно использовать для вычисления или оценки многофазного и многокомпонентного потока, проходящего через пористую среду.
На Фиг.4 показана блок-схема последовательности операций установки начальных условий для моделирования, согласно примеру настоящей заявки.
На Фиг.5a-5f показано несколько видов впускной поверхности образца с поровой площадью, разделенной на подплощади для смачивающих и несмачивающих текучих сред согласно примеру настоящей заявки.
На Фиг.6a и 6b показана деталь впускной поверхности образца с поровой площадью, разделенной на подплощади для смачивающих и несмачивающих текучих сред согласно примеру настоящей заявки.
На Фиг.7 показана блок-схема последовательности операций способа численного моделирования для вычисления или оценки свойств перемещения текучей среды, включающих в себя относительные проницаемости и насыщения пористой среды, согласно примеру настоящей заявки
На Фиг.8a и 8b показана схема управления для потока смачивающей и несмачивающей текучей среды, согласно примеру настоящей заявки.
На Фиг.9 показана система, которая интегрирует анализ изображения трехмерного (3D) сканирования пористой среды с применением метода расчетной гидродинамики к 3D цифровому представлению пористой среды согласно примеру настоящей заявки.
На Фиг.10 показана фотография образца карбонатной горной породы, который включает в себя колонку диаметром 4 мм, указанную квадратиком, который выпилен из образца и изображен КТ сканером, согласно примеру настоящей заявки.
На Фиг.11 показано сканированное изображение КТ сканера выбранной площади образца карбонатной горной породы, показанной на Фиг.10, согласно примеру настоящей заявки.
На Фиг.12 показан график зависимости относительной проницаемости от величин водонасыщения, определенных с использованием способа согласно примеру настоящей заявки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится в своей части к способу вычисления параметров многофазного/многокомпонентного потока с движением отдельных фаз, проходящего через пористую среду, с использованием трехмерного (3D) цифрового представления пористой среды, интегрированного с методом расчетной гидродинамики для вычисления скоростей потока, давлений, насыщений, векторов внутренней скорости и/или других параметров потока, которые могут обеспечивать улучшенное определение, например, более быстрое и/или точное определение, свойств пористой среды, связанных с перемещением текучей среды, например, вычисление или оценку относительной проницаемости в зависимости от насыщения для вытеснения несмачивающей фазы смачивающей и/или дренирования. Данные определения можно выполнять без дорогих и отнимающих время лабораторных испытаний физических образцов пористой среды. Способ может использовать уникальный способ моделирования ввода несмачивающих и смачивающих текучих сред в поры на впускной поверхности трехмерного цифрового представления пористой среды и применение управления процессом для получения квазистационарного состояния потока при низких впускных концентрациях несмачивающей текучей среды. В дополнение, способ настоящего изобретения уменьшает время, требуемое для выполнения гидродинамических вычислений. Полученные в результате значения скоростей потока несмачивающей текучей среды, смачивающей текучей среды, насыщения и другие параметры можно использовать для генерирования на графиках относительной проницаемости кривых вытеснение несмачивающей фазы смачивающей и дренирования. Возможность выполнения указанных определений характеристик переноса текучей среды в пористой среде может повышать точность технических решений для добычи в пористой среде. Компьютеризованные системы и компьютерные программы для выполнения способа также предложены.
Способ настоящего изобретения можно использовать для вычисления скорости многофазного потока несмешивающихся текучих сред, проходящего через пористую среду, как схематично показано на Фиг.3. Для данного изобретения термин “многофазный” относится к нескольким фазам элемента такого состава, как жидкость и пар и нескольким составам в смеси, например, нефти и воды. Текучие среды делятся на категории смачивающих текучих сред и несмачивающих текучих сред. Смачивающие текучие среды являются такими текучими средами, которые в общем покрывают или прилипают к внутренней поверхности пор в пористой среде. Смачиваемость является склонностью одной текучей среды к распределению на или прилипанию к твердой поверхности в присутствии других несмешивающихся текучих сред. Смачиваемость определяется краевым углом между текучей средой и твердой фазой. В одном примере настоящего изобретения описана система, содержащая одну смачивающую текучую среду и одну несмачивающую текучую среду. Вместе с тем, способы, описанные в данном документе, можно применять в системах, содержащих несколько смачивающих и/или несмачивающих текучих сред. Пористая среда, в которой способы, описанные в данном документе, можно применять, не обязательно ограничена. Пористая среда может содержать, например, горные породы; грунты; цеолиты; биологические ткани, такие как кости, дерево, пробку и аналогичные материалы; цементы; керамику; спрессованные твердые частицы, такие как песок, глина, горная порода, керамика, неорганические соединения, органические соединения, металлы и аналогичные материалы; синтетические материалы, такие как полимеры; и другие аналогичные материалы.
В следующих описаниях заключенные в круглые скобки позиции (1)-(13) относятся к блокам с соответствующими номерами, показанным на Фиг.4, заключенная в круглые скобки позиция (14) относится к блокам с соответствующими номерами, показанным на Фиг.4 и 7, и заключенные в круглые скобки позиции (15)-(34) относятся к блокам с соответствующими номерами, показанным на Фиг.7. Как показано на Фиг.4, физический образец из пористой среды можно сканировать, блок (5) с помощью устройства, способного создать трехмерное (3D) цифровое представление пористой структуры образца. Источник образца, в примере образца горная порода, не имеет конкретного ограничения. Образцы горной породы, например, могут являться боковыми кернами ствола, кернами сплошного отбора, выбуренной породой, образцами выходов породы на поверхность в карьере или образцами из других источников, которые могу давать подходящие образцы для анализа с использованием способов согласно настоящему изобретению. Для данной цели можно использовать такие устройства, как рентгеновский компьютерный томограф (КТ), где образец облучается рентгеновскими лучами конкретной частоты. Частота определяет разрешение сканирования. Примеры подходящих рентгеновских компьютерных томографов (КТ) для выполнения изображений, применимых в способах настоящего изобретения включают в себя, 3D томографические микроскопы рентгеновского излучения, например MicroXCT-200 и Ultra XRM-L200 CT, производства Xradia, Inc. (Concord, California USA). Для очень мелкозернистых пористых сред, таких как сланцы, сканирование можно выполнять сканирующим электронным микроскопом. Программное обеспечение, поставляющееся со сканирующим устройством, томографически реконструирует 3D объем в упорядоченной группе вокселов.
В процессе сегментирования, блок (6) индивидуальные Вокселы классифицируются либо как твердое вещество или пора. Может создаваться трехмерное цифровое представление Образца (пористая среда), например, которое содержит несколько заданных плоскостей вокселов, при этом каждый из вокселов может представлять пору (воксел поры) или твердое вещество (воксел зерна). В пористой среде могут находиться материалы нескольких классов. Процесс сегментирования является необходимым вследствие разницы в разрешении сканера и диаметров зерен и пор в пористой среде. Ряд способов для сегментирования 3D полутонового представления можно использовать для данной цели. Один такой способ, например, описан в U.S. Patent No. 6,516,080 (Nur), включен в данный документ полностью в виде ссылки. Другое полутоновое представление и процесс сегментирования, которые можно приспособить для использования в настоящих способах, описаны в U.S. Patent Application Publication No. 2010/0128932 A1, включено в данный документ полностью в виде ссылки. Любой способ, дающий возможность получения цифрового 3D представления пористой среды может являться удовлетворительным для настоящего изобретения. После сегментирования изображения, блок (6), каждую пору на впускной поверхности можно разделить на равные и изолированные центральные и кольцевые площади (зоны), блок (7), и образец вначале заливаются смачивающей текучей средой, блок (8), как описано с дополнительными подробностями ниже при рассмотрении других соответствующих Фигур в данном документе.
Начальные настройки, блок (14) показаны на Фиг.4. В настоящем изобретении применяемый способ расчетной гидродинамики может являться решеточным методом Больцмана или другими способами. Несколько индексов можно использовать в способе для управления действиями, выполняемыми в моделировании. Параметр y является индексом для числа комбинаций смачивающих/несмачивающих текучих сред, вводимых в моделирование. Вначале индекс y устанавливается равным 1, что указывает на первую композицию для моделирования, блок (1). Параметр t является индексом для числа временных шагов в моделировании. Параметр t устанавливается равным 1, блок (2). Параметр q является индексом для числа временных шагов, на которых должно иметь место регулирование с обратной связью, и q вначале устанавливается равным 1, блок (3). Параметр tmax, блок (4) является значением максимального числа временных шагов, подлежащих выполнению для каждой комбинации смачивающей и несмачивающей текучих сред, проходящих через моделирование. Свойства текучей среды требуются для вычисления скоростей потоков текучей среды и для вычисления относительной проницаемости, блок (10). Свойства смачивающих текучих сред и несмачивающих текучих сред, которые можно использовать в вычислениях, могут содержать, например, вязкость, краевой угол, межфазное натяжение и другие физические или химические свойства. Устанавливаются значения вязкости µw смачивающей текучей среды, вязкости µn несмачивающей текучей среды, межфазного натяжения σ и краевого угла. Как также показано на Фиг.4, вводятся начальное значение давления Pw, передаваемого на смачивающую текучую среду, и давления Pn, передаваемого на несмачивающую текучую среду, блок (9). Также вначале устанавливаются значения для доли Fn несмачивающей текучей среды и доли Fw смачивающей текучей среды, которые входят во впускную поверхность образца, блок (11). Пользователь вводит общую требуемую скорость QT потока, обычно измеряемую в метрах в секунду или футах в день (0,3 м/д) или любых других требуемых единицах, продавливаемого через образец, блок (13), и определяет, блок (12) начальные значения вычисленных скоростей Qwt и Qnt потока смачивающих и несмачивающих текучих сред, соответственно.
Как показано на Фиг.3, Образец (60) находится под действием граничного условия стенки, представленной толстыми черными линиями (61), так что многофазная текучая среда может продавливаться через образец с помощью градиента (62) давления. Образец может содержать впускную поверхность и выпускную поверхность, при этом впускная и выпускная поверхности являются параллельными друг другу, и три или больше поверхностей ортогональных впускной поверхности и выпускной поверхности, при этом три или больше ортогональных поверхностей являются непроницаемыми для потока смачивающих текучих сред и несмачивающих текучих сред. Поскольку смачивающая текучая среда и несмачивающая текучая среда, входящие в образец, могут находиться под разными давлениями, условие периферического обратного потока может возникать на впуске, где некоторое количество текучей среды может выходить из образца. В варианте, где возникает условие обратного потока, можно использовать буферную зону или область (63) на впуске образца для исключения периферического обратного потока. Буферная зона или область может менять вычисления по меньшей мере для 1 или 2, или 3, или больше слоев вокселов, которые формируют образец, начиная от впускной поверхности. Например, впускная поверхность может содержать буферную зону параллельную впускной поверхности, содержащую одну плоскость вокселов, 2 плоскости вокселов, 3 плоскости вокселов или больше. Образец используется в вычислениях расчетной гидродинамики для оценки скоростей потока смачивающей и несмачивающей текучей среды, проходящей через образец, и вычисления относительной проницаемости пористой среды для конкретных насыщений во внутренней части образца.
Как показано на Фиг.7, когда начальные настройки установлены, блок (17), так как описано для настроек, блок (14), показанных на Фиг. 4, моделирование можно начинать с помощью вычисления скоростей потока смачивающих и несмачивающих текучих сред, давлений, уровней насыщения, векторов скорости и других свойств для всех точек, расположенных в Образце, с использованием вычислений расчетной гидродинамики, блок (16). Вычисления расчетной гидродинамики повторяются для дискретного числа временных интервалов t (15). На конкретных временных интервалах, показанных как t=M(q), блок (21), значения параметров потока смачивающей и несмачивающей текучей среды сохраняют (22), и вычисляют и сохраняют средневзвешенные значения расхода потока для смачивающих и несмачивающих текучих сред, блок (18). Средневзвешенные значения параметров потока текучей среды сравнивают с требуемыми или заданными значениями параметров потока смачивающей текучей среды и несмачивающей текучей среды для получения отклонения, блок (19), которое затем используют для вычисления новых значений давления смачивающей текучей среды и давления несмачивающей текучей среды на впускной поверхности Образца, блок (20). До достижения tmax (24), индекс продвигается к точке следующего времени, в которой должны выполнять вычисления управления с обратной связью, блок (23), и новые давления для смачивающей текучей среды и несмачивающей текучей среды на впуске вводятся в вычисления расчетной гидродинамики, блок (25). Например, выполняется проверка достижения в моделировании квазистационарного состояния, например, с помощью проверки достижения заданного максимального числа tmax приращений времени, блок (24), или другими способами, указанными в данном документе. Если tmax достигнуто, вычисленные средневзвешенные значения скорости потока смачивающих и несмачивающих текучих сред, а также другие свойства, такие как насыщение текучей средой можно сохранять в данной точке, блок (32) и использовать для вычисления других свойств, представляющих интерес, таких как относительная проницаемость, блок (33). Данное моделирование может, если необходимо, продолжаться для ряда дополнительных композиций смачивающих и несмачивающих текучих сред, подлежащих продавливанию через Образец, блок (30), (31). Новые значения для доли Fw смачивающей текучей среды, и доли Fn несмачивающей текучей среды, которые входят во впускную поверхность образца, можно выбрать, блок (29) и вычислить, блок (28) новые заданные параметры потока для смачивающей текучей среды и несмачивающей текучей среды. Когда доля смачивающей текучей среды и несмачивающей текучей среды изменяется, доля впускной поровой площади, используемой для смачивающей и несмачивающей текучей среды, может изменяться, блок (27). Доля впускной поровой площади для смачивающей текучей среды и несмачивающей текучей среды является функцией доли несмачивающей текучей среды, входящей во впускную поверхность образца. В общем, доля площади для несмачивающей фракции текучей среды должна уменьшаться, когда доля несмачивающей текучей среды, входящей во впускную поверхность образца, меньше около 10% по объему, или меньше около 20% по объему, или меньше 30% по объему. В варианте, где несколько комбинаций смачивающих и несмачивающих текучих сред продавливаются через образец, кривые относительной проницаемости в зависимости от насыщения можно построить на графике, блок (34).
В качестве примера, в настоящем изобретении моделируется двухфазный поток, проходящий через пористую среду. На Фиг.5a-5f показано шесть изображений, соответственно, впускной поверхности Образца. На Фиг.5a поры на впускной поверхности заполнены несмачивающей текучей средой, показанной более темным тоном 52. Если несмачивающая текучая среда или двухфазная текучая среда затем продавливается через образец, распределение смачивающей и несмачивающей текучей среды на впускной поверхности является критичным для моделирования расчетной гидродинамики, дающего представительный результат и также критичным для получения квазистационарного состояния потока, проходящего через образец. Одним из впускных условий, требуемых для моделирования расчетной гидродинамики, является площадь пор на впускной поверхности, отведенная для потока смачивающей текучей среды, и площадь пор на впускной поверхности, отведенная для потока несмачивающей текучей среды, и распределение площадей для потока смачивающей текучей среды и потока несмачивающей текучей среды. В настоящем изобретении площадь для смачивающей текучей среды на впуске вначале распределяется на внутренней поверхности пор, как один слой вокселов в цифровом Образце, как показано белыми площадями 53 на Фиг.5b-5f. Процент площади смачивающей текучей среды можно увеличивать с помощью послойного добавления вокселов. На Фиг.5a-5f показано увеличение площади для смачивающей текучей среды до около 50%, что показано на Фиг.5f.
Впускная поверхность (70) Образца показана на Фиг.6a и 6b. Несмачивающие текучие среды и смачивающие текучие среды могут входить в Образец через поры на впускной поверхности Образца. Изображение слева соответствует Образцу, показанному на Фиг.5a, и изображение справа соответствует Образцу, показанному на Фиг.5f. На Фиг.6a слева показана пористая горная порода, в которой поры заполнены несмачивающей текучей средой, показанной более темным тоном. Зерна или твердая горная порода (76) показаны промежуточным тоном. Поверхность образца имеет поры (71), через которые двухфазная текучая среда входит в Образец. Каждая поровая площадь разделена на подплощади. Одна площадь (73) представляет кольцевую площадь Aw, через которую проходит смачивающая текучая среда. Вторая площадь An (72) представляет центральную площадь, через которую проходит несмачивающая текучая среда. Поскольку изображение является цифровым, создание площади Aw выполняется с помощью выбора вокселов смежных с зернами и назначения их площадью для смачивающей текучей среды. Указанное является точным представлением реального положения вещей, поскольку смачивающая текучая среда притягивается к твердым поверхностям в горной породе. Вокселы расположены слоями, начиная с вокселов, самых близких к границам зерен. Остальные вокселы (72) обозначаются An. Указанное также является точным представлением реального положения вещей, поскольку несмачивающая текучая среда является несмешивающейся со смачивающей текучей средой, и поверхностное натяжение и капиллярное давление должно выдавливать несмачивающую текучую среду во внутреннее пространство пор и в направлении от твердой поверхности. Обращаем внимание на площадь (75) поверхности Образца. Указанное является примером трехмерного характера данного разделения. Впускная поверхность образца является цифровым шлифом пористой среды. Сразу за впускной поверхностью расположена другая плоскость. На месте (75) плоскость за впускной поверхностью является твердой или горной породой на площади (75) так, что площадь на данном месте становится действительно площадью для впуска потока смачивающей текучей среды. Данная площадь (75) создается точно таким же способом с помощью послойного расположения вокселов, обозначенных как Aw на границе зерен, но в данном случае граница зерен расположена в направлении перпендикулярном впускной поверхности Образца. Две площади An и Aw разделены границей (74) так, что две текучих среды разъединяются. Две площади (72) и (73) вначале устанавливаются приблизительно равными друг другу. В данном случае доля площади An центрального участка пор на впускной поверхности, и доля площади Aw кольцевого участка пор на впускной поверхности, приблизительно равны. Таким образом, в данном начальном случае, An составляет около 0,5 и Aw составляет около 0,5. Соотношение данных двух площадей можно регулировать для введения поправки на условие, когда расход несмачивающей текучей среды составляет меньше около 50% по объему общего расхода через образец или меньше около 10% по объему общего расхода через образец или меньше около 1% по объему общего расхода через образец. В варианте где одна фаза нагнетается в Образец, площадь An устанавливается равной 1 в варианте несмачивающей текучей среды, и площадь Aw устанавливается равной 1 в варианте смачивающей текучей среды. Изобретатели обнаружили, что установка и регулирование соотношения An к Aw дает в результате сходимость вычислений расчетной гидродинамики, используемых для вычисления скоростей отдельных фаз на различных уровнях насыщения.
Образец вначале заполняется либо смачивающей или несмачивающей текучей средой для общего насыщения Образца. В качестве одного не обязательного варианта, образец вначале заполняется смачивающей текучей средой, блок (8) (как показано на Фиг.4). Указанное создает начальное внутреннее граничное условие для моделирования.
Как указано, пользователь вводит суммарную требуемую скорость QT потока, обычно измеренную в метрах в секунду или футах (0,3 м) в день или любых других требуемых единицах, подлежащего продавливанию через Образец, блок (13). Входная суммарная скорость потока может основываться на требовании технического специалиста, выполняющего моделирование, обычно геолога или инженера по эксплуатации промысла. Входная скорость потока может по существу являться суммарной скоростью потока из скважины или требуемой скоростью потока из скважины, например.
В каждой из двух текучих сред, смачивающей и несмачивающей, нагнетаются различные давления. Как указано, вводятся, блок (9), начальное значение для давления Pw, подаваемого в смачивающую текучую среду, и давления Pn, подаваемого в несмачивающую текучую среду. Закон Дарси можно использовать, например, для выполнения начальной оценки давления следующим уравнением [11]:
где
i
P = начальное значение для давления требуемой фазы, смачивающей или несмачивающей,
µ = вязкость требуемой фазы,
L = длина Образца в направлении потока,
Q = требуемая скорость потока требуемой фазы,
abs
k = абсолютная проницаемость Образца,
A = площадь впускной поверхности Образца,
C = константа.
Моделирование сходится быстрее, когда начальные значения Pw и Pn ниже, чем конечное значение. Поэтому значения константы C, могут составлять около 20 или около 30, или около 40, или около 50, или значение может быть больше.
В настоящем изобретении несмачивающая текучая среда может продавливаться через поры на впускной поверхности Образца для вытеснения смачивающей текучей среды (8). Альтернативно, если Образец был вначале насыщен несмачивающей текучей средой, то смачивающая текучая среда может вначале продавливаться через поры на поверхности Образца. Когда, если необходимо, смачивающая текучая среда не продавливается через Образец, доля центральной площади An пор может быть установлена равной 1. Когда используются данные условия, имеется только однофазный поток на впуске Образца. Вместе с тем, поскольку Образец вначале заполняется смачивающей текучей средой, имеется двухфазный поток во внутреннем пространстве Образца и на выпуске Образца после периода времени переходного режима. В необязательном варианте начальное насыщение Образца является полным насыщением Sw=1,0 смачивающей текучей средой и полным насыщением Sn=1,0 несмачивающей текучей средой. В другом необязательном варианте начальное насыщение Образца может являться конечным насыщением условий предыдущего моделирования.
<mrow><mi>Q</mi><mi>w</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>V</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∫</mo><mi>v</mi></munder><mrow><mi>Q</mi><mi>w</mi><mo>,</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><mi>Q</mi><mi>n</mi><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>V</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∫</mo><mi>v</mi></munder><mrow><mi>Q</mi><mi>n</mi><mo>,</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
Вычисления расчетной гидродинамики можно исполнять в дискретных приращениях, как показано на Фиг.5(a)-(е). Каждое приращение увязывается с временем t приращения, где t может выражаться, например, в секундах, миллисекундах или других единицах времени. Для каждого времени приращения вычисляются ключевые параметры потока, проходящего через Образец, блок (16). Ключевые параметры могут включать в себя, например, интегрированную скорость потока смачивающей текучей среды в объеме V образца, в заданное время t,
интегрированную скорость потока несмачивающей текучей среды в объеме V образца, в заданное время t,
и внутренние давления, векторы скорости для каждой фазы и насыщения для каждого воксела в Образце в заданное время t. Индикатор t временного шага увеличивают на 1 каждый раз при вычислении, блок (15), ключевых параметров. Скорости движения отдельных фаз в многофазном потоке можно определить на основе вычислений, в которых применяют указанные выше уравнения, таких как применяющиеся для определения Qwt и Qnt, при этом объем (V) образца может являться полным объемом исходного образца или альтернативно долей полного объема исходного образца. Долю объема можно выбрать, например, близкой к впуску для минимизации задержки времени при контроле.
Периодически проверяется число пройденных временных шагов для установления необходимости выполнения вычислений для регулирования с обратной связью, блок (21) (см. Фиг.7). Вычисления для регулирования с обратной связью выполняются периодически на основе перечня заданных прошедших полных приращений времени, блок (21), где M(q) последовательность q временных шагов, на которых выполняется регулирование. Корректируют впускные давления Pw и Pn, для получения заданных скоростей QwT и QnT потока, блок (20). Корректировки выполняются, например, по алгоритму регулирования с обратной связью. Корректировки могут являться периодическими регулировками впускных давлений с уставкой на проведение, например, один раз на каждые 10 временных приращений, или один раз на каждые 100 временных приращений, или один раз на каждые 500 временных приращений, или один раз на каждые 1000 временных приращений, или один раз на каждые 10000 временных приращений или больше. Уникальным отличием настоящего изобретения является применение алгоритма регулирования с обратной связью в алгоритме расчетной гидродинамики для двухфазного потока текучей среды, проходящего через пористую среду, для установления параметров движения отдельных фаз потока текучей среды. Общее число корректировок может находиться в диапазоне, например, от около 100 до 50, или от около 10 до 1000, или любом другом диапазоне, требуемом для получения квазистационарного состояния потока. В необязательном варианте число временных приращений для последовательных периодических регулировок впускного давления может быть различным. Например, периодическая регулировка впускных давлений может проходить чаще в первой половине общего времени моделирования, чем во второй половине. Больше корректировок можно выполнять на раннем этапе в моделировании, чем на более позднем, поскольку отклонения в QwT и QnT в общем больше на раннем этапе моделирования. Число корректировок регулирования с обратной связью в первой половине времени моделирования может, например, в около 10, или около 15, или около 20 или больше раз превышать число корректировок во второй половине времени моделирования. Число корректировок может непрерывно меняться в процессе моделирования, например, с выполнением большего числа корректировок на раннем этапе моделирования в сравнении более поздним этапом моделирования.
Qwt и Qnt являются вычисленными скоростями потоков смачивающей и несмачивающей текучих сред, соответственно, на временном интервале t. Для каждого приращения времени, в котором выполняют корректировки регулирования с обратной связью, значения Qwt и Qnt сохраняются, блок (22), и вычисляется скользящее время или средневзвешенное время сохраненных значений расхода QW потока смачивающей текучей среды во время t и расхода QN потока несмачивающей текучей среды во время t, блок (18). Средневзвешенное значение, такое как используется для QW, QN или QT, может являться, без ограничения этим, арифметическим средневзвешенным значением, геометрическим средневзвешенным значением или гармоническим средневзвешенным значением. Скользящее среднее, такое как используется для QW, QN или QT, может являться, без ограничения этим, простым скользящим средним или экспоненциально взвешенным скользящим средним.
<mi>π</mi>
<mi>π</mi>
<mi>π</mi>
<mi>π</mi>
<mi>π</mi>
<mi>π</mi>
<mi>π</mi>
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>p</mi></msub><mo>*</mo><mi>E</mi><mi>w</mi><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>I</mi></msub><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><mi>E</mi><mi>w</mi><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>D</mi></msub></mrow></mrow></mstyle><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>E</mi><mi>w</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mi>π</mi>
<mi>π</mi>
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>p</mi></msub><mo>*</mo><mi>E</mi><mi>n</mi><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>I</mi></msub><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><mi>E</mi><mi>n</mi><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>D</mi></msub></mrow></mrow></mstyle><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>E</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
p
I
D
p
I
D
Как показано на Фиг.7, блок (20), новые значения для Pn и Pw вычисляют с использованием алгоритма регулирования с обратной связью. В необязательном варианте алгоритм регулирования с обратной связью может содержать отдельный алгоритм регулирования с обратной связью для установления впускного давления для смачивающей текучей среды и отдельный алгоритм регулирования с обратной связью для установления впускного давления для несмачивающей текучей среды, где впускное давление для смачивающей текучей среды и впускное давление для несмачивающей текучей среды устанавливается независимо. Алгоритм регулирования с обратной связью может содержать, например, один алгоритм регулирования с обратной связью для установления впускного давления для как для смачивающей, так и для несмачивающей текучих сред, где впускное давление для смачивающей текучей среды и впускное давление для несмачивающей текучей среды равны. В настоящем изобретении можно использовать алгоритм регулирования с отрицательной обратной связью, в котором отклонения Ew и En, блок (19), вычисляют с помощью вычитания фактического значения QW и QN из заданного значения QwT и QnT. В настоящем изобретении можно использовать два алгоритма пропорционального интегрально-дифференциального (ПИД) управления, один для регулирования скорости потока смачивающей фракции текучей среды и другой для регулирования скорости потока несмачивающей фракции текучей среды. В варианте ПИД управления интеграл и производная отклонений Ew и En вычисляются на каждом временном шаге t способом, обеспечивающим определение выходных данных
w и
n ПИД контроллера. Выходные данные ПИД управления используются для определения изменения давления от его начального значения, блок (9), так что для каждой фазы (смачивающей и несмачивающей в варианте двойного регулирования) новое давление Pw=Pi+Pi*
w, и Pn=Pi+Pi*
n, где Pi*
изменение давления каждый раз при активировании контроллера. Значение начального давления устанавливает масштаб как давления, так и его изменения. Например, контур ПИД управления может содержать входное отклонение Ew и выходное новое впускное давление, Pw, при этом Pw=Pi+Pi*
w, Pi = начальная давление, установленное в начале моделирования,
w=f(Ew), так что
, K = константа пропорционального регулирования, K = константа интегрального регулирования, и K = константа дифференциального регулирования. Где контур ПИД управления содержит входное отклонение En и выдает новое впускное давление Pn, Pn=Pi+Pi*
n, Pi = начальное давление, установленное в начале моделирования, и
n=f(En) так что
, где K, K, и K представляют собой те же указанные константы. Можно альтернативно применять другие алгоритмы управления, такие как адаптивное управление, иерархическое управление, интеллектуальное управление, оптимальное управление, робастное управление, нейронно-сетевое управление, управление с нечеткой логикой или стохастическое управление.
На Фиг.8a, давление смачивающей текучей среды поднимается в цифровом виде с помощью цифрового представления устройства (50) для увеличения давления, и давление несмачивающей текучей среды поднимается в цифровом виде с помощью цифрового представления устройства (51) для увеличения давления. Обе текучие среды таким образом продавливаются через образец (52).
На Фиг.8a, давление Pw смачивающей текучей среды и давление Pn несмачивающей текучей среды, являются различными в большинстве случаев. Поскольку имеется данная разность давлений, в моделировании можно вычислять параметры обратного потока для смачивающей или несмачивающей текучей среды. Обратный поток является обстоятельством, в котором текучая среда выходит из Образца вследствие разности приложенных давлений смачивающей и несмачивающей текучих сред. Обратный поток является побочным эффектом разности давлений на впуске и не возникает в физическом испытании. Поэтому для компенсации данного фактора изобретатели создали уникальную методику, по которой создается буферная зона на впуске (53), где текучие среды не могут проходить обратно. Буферную зону составляют ряд плоскостей вокселов на впуске, при этом число плоскостей вокселов может составлять, например, 1 или 2, или 3, или больше. Для гарантии отсутствия обратного потока в буферной зоне межфазное натяжение между смачивающей и несмачивающей текучей средой устанавливается на ноль, и вязкости смачивающей и несмачивающей текучих сред сильно увеличиваются. Например, межфазное натяжение между смачивающей текучей средой и несмачивающей текучей средой может устанавливаться на ноль для всех вычислений в буферной зоне. Вязкости могут увеличиваться в около 10 раз, или около 20 раз, или около 30 раз, или около 40 раз, или около 50 раз или больше. Другие методики для решения проблемы обратного потока можно также разработать и использовать.
Интегрированную или вычисленную скорость Qwt потока смачивающей текучей среды в объеме Образца, и интегрированную или вычисленную скорость Qnt потока несмачивающей текучей среды в объеме Образца измеряют и вычисляют средне(взвешенную) скорость QW потока смачивающей текучей среды и средне(взвешенную) скорость QN потока несмачивающей текучей среды. Вычисляется отклонение Ew=QwT-QW между QW и заданной скоростью потока смачивающей текучей среды, и вычисляется отклонение En=QnT-QN между QN и заданной скоростью потока несмачивающей текучей среды. Отклонения Ew и En вводятся в два отдельных алгоритма управления для регулирования впускных давлений Pw и Pn. Применение двух отдельных алгоритмов управления, одного для смачивающей текучей среды и другого для несмачивающей текучей среды, дает в результате варианты моделирования, лучше отражающие фактические распределения смачивающей и несмачивающей текучих сред в образце в реальных условиях работы.
Альтернативная схема регулирования показана на Фиг.8b, где используется один контроллер. В данном случае давление смачивающей и несмачивающей текучей среды на впуске всегда является одинаковым. Давление смачивающей текучей среды поднимается в цифровом виде с помощью цифрового представления устройства (55) для увеличения давления, и давление несмачивающей текучей среды поднимается в цифровом виде с помощью цифрового представления устройства (56) для увеличения давления. Обе текучие среды таким образом продавливаются через Образец (57).
На Фиг.8b, давление Pw смачивающей текучей среды и давление Pn несмачивающей текучей среды, являются одинаковыми. Отсутствует обратный поток, когда отсутствует разность давления между смачивающей и несмачивающей текучей средой. Вместе с тем, для обеспечения отсутствия вычисленного перемешивания смачивающей и несмачивающей текучих сред на впуске буферная зона на впуске (58) может создаваться аналогично случаю, где используются два отдельных контроллера. Как указывается, буферную зону можно выполнять, например, из некоторого числа плоскостей вокселов на впуске, где число плоскостей вокселов может составлять 1 или 2, или 3, или больше. Для гарантии отсутствия перемешивания в буферной зоне межфазное натяжение между смачивающей и несмачивающей текучей среды может устанавливаться на ноль. Не требуется изменения вязкостей в варианте одного контроллера, поскольку отсутствует разность давления для создания обратного потока.
<mi>π</mi>
<mi>π</mi>
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>p</mi></msub><mo>*</mo><mi>E</mi><mi>c</mi><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>I</mi></msub><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><mi>E</mi><mi>c</mi><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>D</mi></msub></mrow></mrow></mstyle><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>E</mi><mi>c</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
p
I
D
Измеряют интегрированную скорость Qct потока объединенной смачивающей и несмачивающей текучих сред в объеме образца и вычисляют средневзвешенное значение скорости QC потока объединенной смачивающей и несмачивающей текучих сред. Вычисляется отклонение Ec=QT-QC между QC и общей заданной скоростью QT потока, проходящего через Образец. Отклонение Ec, вводится в один отдельный алгоритм управления для регулирования впускного давления. Например, контур ПИД управления может содержать ввод отклонения Ec и выдачу нового впускного давления, Pc, где Pc=Pi+Pi*
c, Pi = начальное давление, установленное в начале моделирования, и
c=f(Ec) так что
, где K, K и K представляют одни и те же указанные константы.
При использовании одного контроллера получают результаты моделирования, хуже представляющие реальные условия работы, чем при использовании двух отдельных контроллеров. Вместе с тем, варианты моделирования с использованием одного контроллера являются менее сложными, работают быстрее и могут давать результаты, являющиеся достаточно представительными во многих случаях. Один контроллер моделирования можно также использовать для начальных аппроксимаций скоростей движения отдельных фаз в многофазных/многокомпонентных потоках, проходящих через пористую среду. Контур ПИД управления, например, можно использовать в определении по меньшей мере одного или нескольких или всех Ew, En и Ec.
d
p
i
d
p
i
d
В варианте алгоритма ПИД управления можно иметь три настройки контроллера: коэффициент (Kp) передачи пропорционального контроллера, коэффициент (Ki) передачи интегрального контроллера, и коэффициент (K) передачи дифференциального контроллера. Контуры обратной связи ПИД управления настраиваются регулированием селективных значений для K, K и K для получения требуемой реакции на управляющее воздействие. Значения K, K и K можно выбирать с помощью любого известного способа настройки, такого как ручная настройка, способы Ziegler-Nichols, Cohen-Coon и др.
1
2
Как указано выше, моделирование проходит за достаточное число tmax приращений времени, блок (24), для получения квазистационарного состояния. Число используемых приращений времени, (tmax) может иметь заданное значение или не заданное значение, то есть с запуском при переходе предписанного статистического порога некоторыми результатами вычислений. Число приращений времени можно установить опытным путем или с помощью способов количественной статистики. Квазистационарное состояние означает, что вычисленные значения Qn, Qw, Pn, Pw и/или насыщение не изменяются на величину больше заданного значения за фиксированное число временных шагов. Например, в квазистационарном состоянии, изменение значений параметра между идущими подряд приращениями t времени или другим выбранным числом приращений, t, например для QN, QW, Pw, Pn, насыщения, или других параметров, не превышает величину заданного значения или порогового значения. В качестве указанного необязательного варианта, tmax, блок (24), может являться заданным числом. В необязательном варианте заданное число приращений времени t можно устанавливать достаточно большим для получения квазистационарного состояния. В настоящем изобретении обнаружено, например, что устанавливая tmax достаточно большим числом можно получить квазистационарное состояние. Величина tmax, требуемая для этого, может зависеть от характеристик пористой среды и свойств текучих среды, проходящих через пористую среду. Число приращений времени может, например, устанавливаться величиной 10000 или больше, или величиной 100000 или больше, или величиной 1000000 или больше, или другими величинами. В общем, структуры, в которых поры меньше и соотношения вязкости между текучими средами выше, могут требовать более высоких значений tmax. В другом необязательном варианте, число временных приращений для tmax может являться значением, которое зависит от некоторых вычисленных результатов, укладывающихся в некоторые числовые пределы (Vt) отклонения. Заданное количество или значение числового предела (Vt) отклонения можно устанавливать с любым требуемым значением. Например, значение числового предела (Vt) отклонения может являться процентной разницей для двух или больше идущих подряд вычисленных значений для выбранных параметров. Когда вычисляется предел (Vt) отклонения, необходимый для соблюдения, t становится tmax (24) в данной итерации, и в способе переходят к этапу 23. В необязательном варианте значение предела (Vt) отклонения, которое можно использовать для определения достижения условий квазистационарного состояния, в итерации согласно настоящему способу может иметь значение около ±10%, или около ±7%, или около ±5%, или около ±3%, или около ±1%, или около ±0,5%, или другие значения. Например, если выбирается предел отклонения ±5% и применяется ко всем параметрам, представляющим интерес, например, Qn, Qw, Pw, Pn, Sw, Sn и т.д. в способе моделирования, и каждый параметр имеет первое нормализованное значение 100 при t и второе нормализованное значение в диапазоне 95-105 при t, то должны следовать ±5% порогу для установления условий квазистационарного состояния, и в способе переходят к этапу 32, показанному на Фиг.7. В другом необязательном варианте модель может быть выполнена с возможностью проверки достижения выбранного порога несколькими идущими подряд итерациями перед переходом к этапу 32, показанному на Фиг.7. Движение отдельных фаз многофазной многокомпонентной текучей среды через пористую среду в общем естественно изменяется со временем и обычно не достигает истинного или абсолютного стационарного состояния. Тем не менее, установлено, что определение свойств в квазистационарном состоянии в настоящих способах является полезным и предпочтительным для эффективной и точной оценки свойств перемещения текучей среды, полезных для оценки пористой среды. Как указано выше, достижение квазистационарного состояния можно определить в настоящих способах, например, с помощью наблюдения, благодаря опыту персонала, проводящего моделирование, или количественными способами, в которых проверяют дисперсию, скользящие средние или другие оценки QN, QW, Pw, Pn, насыщение или другие параметры.
Как показано на Фиг.7, если значение tmax не достигнуто, блок (24), то индекс для управляющего воздействия увеличивается на 1, q=q+1, блок (23), и новые значения для Pn и Pw, вычисленные в алгоритме регулирования с обратной связью, вводятся для вычисления расчетной гидродинамики, блок (25). Этапы (15), (16) и (17) повторяются до проведения по графику другого управляющего воздействия, блок (21).
Когда значение tmax достигнуто, блок (24), конечные значения QN, QW и Sw сохраняют, блок (32). Относительную проницаемость можно вычислять в данной точке по QN, QW, Sw и данным текучей среды и свойствам горной породы. Относительная проницаемость в данной точке может являться относительной проницаемостью вытеснения несмачивающей фазы смачивающей при несокращаемом насыщении Sw смачивающей текучей средой, Swirr. Данное является результатом способа, которым проводится моделирование, начинающегося с заполнения Образца смачивающей текучей средой, которую затем замещают несмачивающей текучей средой. Вследствие поверхностного натяжения и смачиваемости, всю смачивающую текучую среду обычно нельзя промыть, и остающаяся смачивающая текучая среда является несокращаемой смачивающей текучей средой для Образца и текучих сред в моделировании. В необязательном варианте способ вычисления относительной проницаемости смачивающей и несмачивающей текучих сред, проходящих через пористую среду, может содержать: (a) определение ряда пар несмачивающих текучих сред и смачивающих текучих сред, причем каждая пара подлежит продавливанию через Образец, такой как описан в данном документе; (б) установление начального насыщения Образца; (в) продавливание каждой пары несмачивающих и смачивающих текучих сред через Образец, такой как описан в данном документе; (г) запись вычисленных значений QN, QW и насыщения Sw смачивающей текучей средой для каждой пары смачивающих и несмачивающих текучих сред; (д) вычисление значений относительной проницаемости kw смачивающей текучей среды; вычисление значений относительной проницаемости kn несмачивающей текучей среды; и вычисление значений водонасыщения Sw, и (е) построение графика значений kw и kn в зависимости от Sw. Начальное насыщение Образца может являться, например, полным насыщением Sw=1,0 смачивающей текучей средой, полным насыщением Sn=1,0 несмачивающей текучей средой, или любым другим насыщением. В другом необязательном варианте начальное насыщение Образца может являться условием конечного насыщения предыдущего моделирования.
Следом за начальными временными шагами, где несмачивающая текучая среда продавливается через Образец, несколько комбинаций смачивающих и несмачивающих текучих сред продавливаются через Образец, как описано выше и показано в блоках (15), (16), (21), (22), (18), (19), (20), (24), (23) и (25) на Фиг.7. Индекс q для регулирования с обратной связью, переустанавливается на 1, блок (26). Для выполнения моделирования с новой комбинацией смачивающей и несмачивающей текучей среды новые значения для доли Fw смачивающей текучей среды и доли Fn несмачивающей текучей среды, можно выбрать из заданного перечня комбинаций текучей среды, блок (29). Число пар значений для Fn и Fw может, например, составлять 10 или 20, или больше.
Можно использовать любую комбинацию Fn и Fw, где их сумма равна 1 (т.е. Fn+Fw=1). Сумма Fn и Fw представляет 100% текучей среды (несмачивающей текучей среды и смачивающей текучей среды), которая входит во впускную поверхность образца. Пары значений, Fw и Fn, сохраненные в перечне B(y) в необязательном варианте, могут являться следующими:
а)[0,8, 0,2]; [0,6, 0,4]; [0,4, 0,6]; [0,2, 0,8]; [0, 1]; [0,2, 0,8]; [0,4, 0,6]; [0,6, 0,4]; [0,8, 0,2]; [1, 0], или
б)[0,9, 0,1]; [0,85, 0,15]; [0,8, 0,2]; [0,75, 0,25]; [0,7, 0,3]; [0,6, 0,4]; [0,5, 0,5]; [0,4, 0,6]; [0,3, 0,7]; [0,25, 0,75]; [0,2, 0,8]; [0,85, 0,15]; [0,1, 0,9]; [0, 1];
[0,1,0,9]; [0,15, 0,85]; [0,2, 0,8]; [0,25, 0,75]; [0,3, 0,7]; [0,4, 0,6]; [0,5, 0,5]; [0,6, 0,4]; [0,7, 0,3]; [0,75, 0,25]; [0,8, 0,2]; [0,85, 0,15]; [0,9, 0,1]; [1, 0], или
в) другие комбинации.
В необязательном варианте, соотношение (R) вязкостей фазы низкой вязкости и фазы высокой вязкости смачивающих и несмачивающих текучих сред можно использовать для масштабирования пар значений, Fn и Fw, и полученные в результате их масштабированные значения, Fn′ и Fw′, можно сохранять в перечне B(y), в замещение значений Fn и Fw. Вязкость (µw) смачивающей текучей среды может быть высокой или низкой. Вязкость (µn) несмачивающей текучей среды также может быть высокой или низкой. Соотношение (R) может представлять собой µw/µn или µn/µw, в зависимости от того вязкость какой среды ниже и какой выше. То есть более низкую вязкость (µw) смачивающей текучей среды и вязкость (µn) несмачивающей текучей среды можно использовать как числитель в соотношении, и другую вязкость использовать как знаменатель. Например, в случае если вязкость смачивающей текучей среды является высокой, и вязкость несмачивающей текучей среды является низкой, соотношение (R) должно представлять собой вязкость несмачивающей текучей среды/вязкость смачивающей текучей среды (µn/µw). В случае если вязкость смачивающей текучей среды является низкой, и вязкость несмачивающей текучей среды является высокой, соотношение (R) должно представлять собой вязкость смачивающей текучей среды/вязкость несмачивающей текучей среды (µw/µn). Например, для пар (Fn′, Fw′) Fn′ можно вычислять, как значение (Fn×R), и Fw′ вычисляется как значение (1-(Fn×R), где R является указанным соотношением вязкостей фазы низкой вязкости/фазы высокой вязкости. Любая комбинация Fn′ и Fw′ имеет сумму равную 1. Сумма Fn′ и Fw′ представляет 100% текучей среды (несмачивающей текучей среды и смачивающей текучей среды), которая входит во впускную поверхность образца. Пример пар значений Fn′ и Fw′, вычисленных и сохраненных в перечне B(y), например, может являться следующим:
а) [R, 0]; [(0,9*R), (1-0,9*R)]; [(0,8*R), (1-0,8*R)].
Пары значений для Fw и Fn, указанные выше, охватывают моделирование кривых вытеснения несмачивающей фазы смачивающей и дренирования, показанное на Фиг.5(a)-(е). В необязательном варианте, пары несмачивающей и смачивающей текучей среды могут содержать заданный ряд значений, в котором Fn уменьшается шагами до нуля и затем увеличивается до 1,0. Настоящее изобретение является уникальным в своей возможности моделирования и цифрового вычисления кривых вытеснения несмачивающей фазы смачивающей и дренирования с высоким уровнем точности вследствие отчасти впускных граничных условий, устанавливающих отдельные площади для смачивающих и несмачивающих текучих сред на впуске и уникальный подход к управлению процессом, делающий схождение вычислений робастным и практичным по критерию времени, требуемому для вычисления.
Доли площадей An, Aw впускных пор для несмачивающей текучей среды и смачивающей текучей среды, соответственно, можно регулировать для каждой комбинации смачивающей и несмачивающей текучей среды. Доли площадей, которые приблизительно равны 0,5 и Aw, приблизительно равная 0,5, являются приемлемыми для многих комбинаций Fn и Fw. Вместе с тем для низких значений Fn, может требовать уменьшения доли площади An и соответственно увеличения доли площади Aw. Доли площадей An+Aw составляют в сумме 1,0. An может требовать уменьшения, когда движение отдельных фаз становится слишком медленным относительно имеющейся площади для полного заполнения имеющейся центральной площади пор. Указанное может давать в результате нестабильность и захват и высвобождение больших пузырей несмачивающей текучей среды в моделировании, что не обеспечивает требуемой скорости потока. В необязательном варианте поры на впускной поверхности могут содержать отдельные и резко выраженные площади, образованные с помощью размещения вокселов пор, непосредственно примыкающими к вокселу зерен для потока смачивающих текучих сред, (Aw) и выделения остальных вокселов пор для потока несмачивающих текучих сред, (An). Aw можно увеличивать, например, с помощью дополнительного размещения вокселов пор смежно с Aw для потока смачивающих текучих сред, (Aw) и выделения остальных вокселов пор для потока несмачивающих текучих сред, (An). В необязательном варианте можно создавать Aw и An, для которых доля (сумма вокселов в An)/(сумма вокселов в An) + (сумма вокселов в Aw) составляет приблизительно 0,5 или меньше. В необязательном варианте доля площади An пор на впускной поверхности, выделенная для нагнетания несмачивающей текучей среды, уменьшается, когда Fn меньше около 0,2, или когда Fn меньше около 0,1, при этом An уменьшается до около 0,4 или меньше, или около 0,3 или меньше, или около 0,2 или меньше, или около 0,1 или меньше, или других значений. Регулирование долей площадей An и Aw является уникальным отличием настоящего изобретения, которое делает возможным в вариантах моделирования достижение квазистационарного состояния и получение практически применимых результатов.
Заданные скорости потока для нового движения отдельных фаз в потоках можно вычислить, блок (28), следующим образом:
a) QwT=QT*Fw
б) QnT=QT*Fn.
После обработки данных всех комбинаций движения отдельных фаз потоков смачивающих и несмачивающих текучих сред и вычисления скоростей потока, давлений и насыщений, можно вычислить относительные проницаемости вытеснения несмачивающей фазы смачивающей и дренирования для водонасыщений, соответствующих каждой паре движения отдельных фаз в потоке, блок (33). Относительные проницаемости и насыщения можно показать на графике, блок (34), показанном на Фиг.1.
На Фиг.9 показана система 100, которую можно адаптировать для выполнения настоящих способов. Как показано в данном примере, трехмерные (3D) изображения образцов пористой среды, полученных из источника 101, создаются сканером 102. Сканер может представлять собой, например, компьютерный томографический (КТ) сканер, сканирующий электронный микроскоп, сканирующий электронный микроскоп со сфокусированным ионным лучом или аналогичное устройство, выполненное с возможностью получения трехмерного цифрового изображения пористой среды. Выходное 3D изображение сканера, блок 103, может передаваться в компьютер, блок 104, имеющий программы УП для осуществления анализа 3D изображения и анализа указанных данных расчетной гидродинамики и моделирования, для генерирования выходных данных/результатов моделирования образца, которые можно передавать на одно или несколько устройств 105, таких как дисплей, принтер, запоминающее устройство, или их комбинации. Компьютерные программы, используемые для анализа 3D изображения и вычислений расчетной гидродинамики и имитационного моделирования, можно сохранять как программный продукт, по меньшей мере на одном компьютерном запоминающем устройстве 104B (например жесткий диск, флэш-ПЗУ, компакт-диск, магнитная лента, магнитный диск, или другой носитель), связанном по меньшей мере с одним процессором 104A (например, ЦП), который выполнен с возможностью запуска программ, или можно сохранять на внешнем компьютерном запоминающем устройстве (не показано), которое является доступным для компьютерного процессора. Компьютер 104 может включать в себя по меньшей мере одно запоминающее устройство 104C сохранения программ, входных данных и выходных данных, и других результатов работы программ, или их комбинаций. Для создания выходного изображения, устройство 105 может являться, например, экранным монитором, ЭЛТ, или другим средством визуализации (не показано). Компьютер 104 может включать в себя один или несколько системных компьютеров, которые можно реализовать в виде одного персонального компьютера или сети компьютеров. Вместе с тем специалисту в данной области техники должно быть ясно, что варианты реализации различных методик, описанных в данном документе, можно на практике осуществлять в различных конфигурациях компьютерных систем, включающих в себя серверы протокола передачи гипертекста (HTTP), портативные устройства, мультипроцессорные системы, бытовую электронику на базе микропроцессоров или программируемую, сеть ПК, миникомпьютеры, центральные компьютеры и т.п. Блоки системы 100, включающей в себя сканер 102, компьютер 104, и выходной дисплей и/или внешнее запоминающее устройство 105, могут соединяться друг с другом для осуществления связи (например, передачи данных и т.д.), любым средством связи, например проводами, радио связью, телефонной связью, связью через интернет или другим средством связи.
Настоящее изобретение включает в себя следующие аспекты/варианты осуществления/признаки в любом порядке и/или в любых комбинациях:
1. Настоящее изобретение относится к способу моделирования движения отдельных фаз смачивающих текучих сред и несмачивающих текучих сред через пористую среду, содержащему следующие этапы:
а) создание трехмерного цифрового представления пористой среды (Образца) содержащего весь объем текучих сред, представляющих собой смачивающие текучие среды и несмачивающие текучие среды,
б) определение первой доли всего объема текучих сред, которая содержит смачивающие текучие среды, и второй доли всего объема текучих, которая содержит несмачивающие текучие среды,
в) определение значения скорости потока всего объема текучих сред, проходящих через Образец,
г) оценка свойств смачивающих текучих сред и несмачивающих текучих сред,
д) определение начальных условий для насыщения (Sw) смачивающих текучих сред, насыщения (Sn) несмачивающих текучих сред, впускного давления (Pw) смачивающих текучих сред и впускного давления (Pn) несмачивающих текучих сред,
е) установление условий на впускной поверхности Образца, где несмачивающие текучие среды и смачивающие текучие среды входят в поры образца в отдельных и отличающихся площадях, и
ж) вычисление давлений, насыщений и векторов скорости внутри Образца,
з) вычисление скоростей (Qn) потока несмачивающих текучих сред, проходящих через Образец, скоростей (Qw) потока смачивающих текучих сред, проходящих через Образец, и давлений на выпуске Образца,
и) повторение этапов а)-з) для заданного числа t приращений времени, и
к) периодическое регулирование впускных давлений Pn и Pw с использованием алгоритма регулирования с обратной связью, где получают значения Qn и Qw квазистационарного состояния.
2. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где пористая среда является горной породой, грунтом, цеолитом, биологической тканью, деревом, пробкой, цементом, керамикой, песком, глиной, неорганическим составом, органическим составом или металлом.
3. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где Образец содержит несколько упорядоченных плоскостей вокселов, при этом каждый из вокселов представляет пору (воксел поры) или твердое вещество (воксел зерна).
4. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где свойства смачивающих текучих сред содержат вязкость, краевой угол, межфазное натяжение, другие физические или химические свойства или любые их комбинации.
5. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где свойства несмачивающих текучих сред содержат вязкость, краевой угол, межфазное натяжение, другие физические или химические свойства или любые их комбинации.
6. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где Образец содержит (a) впускную поверхность и выпускную поверхность, при этом впускная поверхность и выпускная поверхность параллельны друг другу, и (б) три или больше поверхностей ортогональны впускной поверхности и выпускной поверхности, при этом три или больше ортогональных поверхностей являются непроницаемыми для потока смачивающих текучих сред и несмачивающих текучих сред.
7. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где впускная поверхность дополнительно содержит буферную зону параллельную впускной поверхности, содержащую по меньшей мере одну плоскость вокселов.
8. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где межфазное натяжение между смачивающей текучей средой и несмачивающей текучей средой устанавливается на ноль для всех вычислений в буферной зоне.
9. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где межфазное натяжение между смачивающей текучей средой и несмачивающей текучей средой устанавливается на ноль, и вязкости смачивающей текучей среды и несмачивающей текучей среды увеличиваются по меньшей мере около в 10 раз для всех вычислений в буферной зоне.
10. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где несмачивающие текучие среды и смачивающие текучие среды входят в Образец через поры на впускной поверхности образца.
11. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где поры на впускной поверхности содержат отдельные и отличающиеся площади, образованные с помощью размещения вокселов пор непосредственно примыкающими к вокселам зерен для потока смачивающих текучих сред, (Aw), и остальные вокселы пор размещаются для потока несмачивающих текучих сред (An).
12. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где Aw увеличивается с помощью дополнительного размещения вокселов пор, примыкающих к Aw, для потока смачивающих текучих сред (Aw) и остальные Вокселы пор размещаются для потока несмачивающих текучих сред, (An).
13. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где (сумма вокселов в An)/(сумма вокселов в An) + (сумма вокселов в Aw) составляет приблизительно 0,5 или меньше.
14. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где вычисление содержит расчетную гидродинамику.
15. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где расчетная гидродинамика содержит решеточный метод Больцмана.
16. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где приращение времени t может составлять секунды, миллисекунды или выражаться в других единицах времени.
17. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где число временных приращений составляет 10000 или больше.
18. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где алгоритм регулирования с обратной связью содержит отдельный алгоритм регулирования с обратной связью для установления впускного давления для смачивающей текучей среды и отдельный алгоритм регулирования с обратной связью для установления впускного давления для несмачивающей текучей среды, при этом впускное давление для смачивающей текучей среды и впускное давление для несмачивающей текучей среды устанавливаются независимо.
19. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где алгоритм регулирования с обратной связью содержит один алгоритм регулирования с обратной связью для установления впускного давления как для смачивающей, так и для несмачивающей текучей среды, при этом впускное давление для смачивающей текучей среды и впускное давление для несмачивающей текучей среды являются равными.
20. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где алгоритм регулирования с обратной связью содержит контур пропорционально-интегрально-дифференциального управления, адаптивное управление, иерархическое управление, интеллектуальное управление, оптимальное управление, робастное управление, нейронно-сетевое управление, управление с нечеткой логикой или стохастическое управление.
21. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где алгоритм регулирования с обратной связью является алгоритмом регулирования с отрицательной обратной связью.
22. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где алгоритм регулирования с обратной связью содержит контур пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) управления.
23. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где контур ПИД управления содержит входное отклонение Ew и выдает новое впускное давление Pw, где
<mi>π</mi>
Pw=Pi+Pi*
w
Pi = начальное давление, установленное в начале моделирования
<mi>π</mi>
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>p</mi></msub><mo>*</mo><mi>E</mi><mi>w</mi><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>I</mi></msub><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><mi>E</mi><mi>w</mi><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>D</mi></msub></mrow></mrow></mstyle><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>E</mi><mi>w</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
w=f(Ew), например
p
K = константа пропорционального регулирования,
I
K = константа интегрального регулирования,
D
K = константа дифференциального регулирования,
Ew=QwT-QW, и
QwT=QT*Fw,
QT = заданная суммарная скорость потока, проходящего через Образец,
Fw = доля смачивающей текучей среды, которая входит во впускную поверхность Образца,
QW = среднее значение Qwt, и
Qwt = вычисленная скорость потока смачивающей текучей среды и интервал времени t.
24. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где QW содержит арифметическое средневзвешенное значение, геометрическое средневзвешенное значение, гармоническое средневзвешенное значение, простое скользящее среднее, экспоненциально взвешенное скользящее среднее или полученное другим способом среднее ряда чисел.
25. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где контур ПИД управления содержит входное отклонение En и выдает новое впускное давление Pn, где
<mi>π</mi>
Pn=Pi+Pi*
n
Pi = начальное давление, установленное в начале моделирования
<mi>π</mi>
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>p</mi></msub><mo>*</mo><mi>E</mi><mi>n</mi><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>I</mi></msub><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><mi>E</mi><mi>n</mi><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>D</mi></msub></mrow></mrow></mstyle><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>E</mi><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
n=f(En), например
p
K = константа пропорционального регулирования,
I
K = константа интегрального регулирования,
D
K = константа дифференциального регулирования,
En=QnT-QN, и
QnT=QT*Fn,
QT = заданная суммарная скорость потока, проходящего через Образец,
Fn = доля несмачивающей текучей среды, которая входит во впускную поверхность Образца,
QN = среднее значение Qnt, и
Qnt = вычисленная скорость потока несмачивающей текучей среды и интервал времени t.
26. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где QN содержит арифметическое средневзвешенное значение, геометрическое средневзвешенное значение, гармоническое средневзвешенное значение, простое скользящее среднее, экспоненциально взвешенное скользящее среднее или полученное другим способом среднее ряда чисел.
27. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где контур ПИД управления содержит входное отклонение Ec и выдает новое впускное давление Pc, где
<mi>π</mi>
Pc=Pi+Pi*
c
Pi = начальное давление, установленное в начале моделирования
<mi>π</mi>
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>p</mi></msub><mo>*</mo><mi>E</mi><mi>c</mi><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>I</mi></msub><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><mi>E</mi><mi>c</mi><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mi>D</mi></msub></mrow></mrow></mstyle><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>E</mi><mi>c</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac></mrow>
с=f(Ec), например
p
K = константа пропорционального регулирования,
I
K = константа интегрального регулирования,
D
K = константа дифференциального регулирования,
Ec=QT-QC, и
QT = заданная суммарная скорость потока, проходящего через Образец,
QC = среднее значение Qwt+Qnt,
Qnt = вычисленная скорость потока несмачивающей текучей среды и интервал времени t, и
Qwt = вычисленная скорость потока смачивающей текучей среды и интервал времени t.
28. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где QT содержит арифметическое средневзвешенное значение, геометрическое средневзвешенное значение, гармоническое средневзвешенное значение, простое скользящее среднее, экспоненциально взвешенное скользящее среднее или полученное другим способом среднее ряда чисел.
29. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где периодическое регулирование впускных давлений происходит через каждые около 10 или больше приращений времени.
30. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где число приращений времени для последовательных периодических регулировок впускного давления является различным.
31. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где периодическое регулирование впускных давлений проводится чаще в первой половине общего времени моделирования, чем во второй половине моделирования.
32. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где периодическое регулирование впускных давлений в первой половине общего времени моделирования проводится по меньшей мере в 10 раз чаще, чем во второй половине.
33. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где квазистационарное состояние является состоянием, где вычисленные значения Qn, Qw, Pn, Pw и/или насыщение изменяются не больше заданного значения.
34. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где предопределенное число приращений времени t, устанавливается достаточно большим для получения квазистационарного состояния.
35. Способ вычисления относительной проницаемости смачивающих и несмачивающих текучих сред, проходящих через пористую среду, содержащий
a) определение ряда пар несмачивающих текучих сред и смачивающих текучих сред, причем, каждая пара подлежит продавливанию через Образец,
б) установление начального насыщения Образца,
в) продавливание каждой пары несмачивающих и смачивающих текучих сред через Образец,
г) запись вычисленных значений QN, QW и насыщения Sw смачивающей текучей средой для каждой пары смачивающих и несмачивающих текучих сред,
д) вычисление значений относительной проницаемости kw смачивающей текучей среды; вычисление значений относительной проницаемости kn несмачивающей текучей среды; и вычисление значений водонасыщения Sw, и
е) построение графика значений kw и kn в зависимости от Sw.
36. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где пористая среда является горной породой, грунтом, цеолитом, биологической тканью, деревом, пробкой, цементом, керамикой, песком, глиной, горной породой, неорганическим составом, органическим составом или металлом.
37. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где пара несмачивающей и смачивающей текучей среды содержит состав с долями (Fn, Fw) несмачивающей текучей среды и дробной величины смачивающей текучей среды.
38. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где пара несмачивающей и смачивающей текучей среды содержит множество пар долей (Fn, Fw), при этом любая комбинация долей Fn и Fw в сумме равна 1.
39. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где пара несмачивающей и смачивающей текучей среды содержит множество пар (Fn′, Fw′), где Fn′ вычисляется, как (Fn×R) и Fw′ вычисляется, как (1-(Fn×R)), где R является соотношением вязкостей фазы низкой вязкости и фазы высокой вязкости смачивающих и несмачивающих текучих среды, и любая комбинация Fn′ и Fw′ в сумме равна 1.
40. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где пары несмачивающей и смачивающей текучей среды содержат упорядоченный ряд значений, в котором Fn уменьшается ступенчато до нуля и затем увеличивается до 1,0.
41. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где начальное насыщение Образца является полным насыщением смачивающей текучей средой, Sw=1,0 и полным насыщением несмачивающей текучей средой, Sn=1,0.
42. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где начальное насыщение Образца является конечным насыщением условий предыдущего моделирования.
43. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где доля площади An пор на впускной поверхности, отведенная для нагнетания несмачивающей текучей среды уменьшается, когда Fn меньше около 0,2.
44. Способ по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где An уменьшена до около 0,4 или меньше.
45. Система вычисления скорости отдельных фаз многофазного многокомпонентного потока, проходящего через пористую среду, содержащая:
a) сканер, выполненный с возможностью получения трехмерного цифрового изображения пористой среды,
б) компьютер, содержащий по меньшей мере один процессор с функциональной возможностью исполнения компьютерной программы, способной сгруппировать элементы в трехмерном цифровом изображении как массив (зерно) и пора (полость),
в) компьютер (по п.б или отличающийся), содержащий по меньшей мере один процессор с функциональной возможностью исполнения компьютерной программы для выполнения вычислений, при этом вычисления содержат (I) создание трехмерного цифрового представления пористой среды (Образец), содержащего весь объем текучих сред, представляющих собой смачивающие текучие среды и несмачивающие текучие среды, (II) определение первой доли всего объема текучих сред, которая содержит смачивающие текучие среды, и определение второй доли всего объема текучих сред, которая содержит несмачивающие текучие среды, (III) определение значения скорости потока всего объема текучих сред, проходящих через Образец, (IV) оценка свойств смачивающих текучих сред и несмачивающих текучих сред, (V) определение начальных условий для насыщения (Sw) смачивающих текучих сред, насыщения (Sn) несмачивающих текучих сред, впускного давления (Pw) смачивающих текучих сред и впускного давления (Pn) несмачивающих текучих сред, (VI) установление условий на впускной поверхности Образца, где несмачивающие текучие среды и смачивающие текучие среды входят в поры образца в отдельных и отличающихся площадях, и (VII) вычисление давлений, насыщений и векторов скорости внутри Образца пористой среды, (VIII) вычисление скоростей (Qn) потока несмачивающих текучих сред, проходящих через Образец, скоростей (Qw) потока смачивающих текучих сред, проходящих через Образец и давлений на выпуске Образца, (IX) повторение этапов (I)-(VIII) для заданного числа приращений времени t, и (Х) периодическое регулирование впускных давлений Pn и Pw с использованием алгоритма регулирования с обратной связью, где достигаются значения Qn и Qw квазистационарного состояния, и
г) по меньшей мере одно устройство для отображения, печати или сохранения результатов вычислений.
46. Система по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где сканер представляет собой компьютерный томографический (КТ) сканер, сканирующий электронный микроскоп, сканирующий электронный микроскоп со сфокусированным ионным лучом или аналогичное устройство, выполненное с возможностью получения трехмерного цифрового изображения пористой среды.
47. Система по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту, где устройство содержит запоминающее устройство для сохранения с возможностью осуществления выборки результатов вычислений.
48. Компьютерный программный продукт на машиночитаемом носителе который, когда выполняется на контроллере в компьютеризованном устройстве, создает способ выполнения вычислений по любому предыдущему или следующему варианту осуществления/признаку/аспекту. Данная компьютерная программа может находиться на не промежуточном носителе данных, и/или машиночитаемый носитель данных может исключать сигналы.
Настоящее изобретение может включать в себя любые комбинации различных признаков или вариантов осуществления, приведенных выше и/или ниже в предложениях и/или абзацах. Любая комбинация раскрытых в данном документе признаков считается частью настоящего изобретения, и ограничения для сочетающихся признаков отсутствуют.
Настоящее изобретение дополнительно разъясняется следующими примерами, которые являются исключительно примерами.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
Образец карбонатной горной породы был выбран для анализа с использованием способа, представляющего настоящее изобретение. Пробку образца взвесили (125,299 г), физически измерили диаметр и длину и сфотографировали. Пробку разметили для ориентации и поместили в печь для сушки и взвесили вновь (124,447 г).
Изображения пробки получили на MicroXCT-200 производства компании Xradia при разрешении 0,5x, приблизительно 40 микрон (мкм) на воксел. Пробку отсканировали с помощью Ceretom Dual Energy X-Ray CT Scanner производства компании Neurologica для определения объемной плотности и атомного числа. Было выбрано место подвыборки, показавшей характерное атомное число. Площади с высокими атомными числами исключались.
Использовали лазер для вырезания колонки 4 мм диаметра из образца карбонатной горной породы (см. квадратную область, показанную на Фиг.10). Квадратная область на Фиг.10 является площадью образца карбонатной горной породы, выбранной для дополнительного анализа. Изображение выбранного субобразца формировалось на сканере MicroXCT-200 с разрешением 40x, приблизительно 500 нанометров на воксел. Полученное в результате сканированное изображение выбранного субобразца показано на Фиг.11.
Изображение было регенерировано и обрезано до куба 500×500×500 вокселов для сегментирования. Изображение сегментирвали способом, описанным в данном документе, и оценили абсолютную проницаемость, пластовый коэффициент и упругость с использованием способов, описанных в литературе. Проницаемость в направлении z составляла 22 мД и пористость составляла 0,21.
Сегментированное изображение было обрезано до куба 200×200×260 вокселов, с сохранением приблизительно той же абсолютной проницаемости и пористости в направлении потока. Таким образом сегментированное изображение, используемое для оценки относительной проницаемости с применением способа настоящего изобретения, имеет размер 200×200 узлов решетки в направлении Х и Y и 260 узлов решетки в направлении параллельном приложенному градиенту давления. Две текучих среды, используемые в данном примере, являются рассолом и нефтью со следующими свойствами:
динамическая вязкость Рассола при 21°C и стандартном давлении 1,664 сП, и
динамическая вязкость Нефти при 21°C и стандартном давлении 7,71 сП.
Следующие начальные условия были установлены для моделирования:
скорость потока (Дарси) в стационарном состоянии составляет 255 фут/день (78 м/день),
межфазное натяжение между двумя текучими средами составляет 35 дин/см,
краевой угол составляет 45 градусов, так что вода считается смачивающей текучей средой, и каждый временной шаг в моделировании соответствует 0,1 микросекунде.
При t=0, сегментированное изображение заполняется 100% нефтью и водой, нагнетаемыми с различными скоростями потока внутри сегментированного изображения. При t=0, впускная площадь на 100% предназначена для смачивающей фазы, воды в данном случае, по существу выполняется первичное заполнение водой (100% водонагнетание).
После начального заполнения текучей средой впускную плоскость разделяли на две площади (площадь, близкую к твердому веществу для нагнетания смачивающей текучей среды и центральную площадь пор для несмачивающей текучей среды), при этом 67% площади отводилось для смачивающей текучей среды. Данная площадь смачивающей текучей среды, составляющая 67%, поддерживалась для потоков отдельных фаз нефти, составлявших 30%, 50%, 70% и 80% по объему. Для потоков отдельных фаз нефти составлявших (90%, 93%, 96%), площадь смачивающей текучей среды на впуске увеличивалась до 82% всей площади на впуске. 1,5 миллионов временных шагов были использованы для этапа начального заполнения водой. 1 миллион временных шагов использовали для последующих водонагнетаний.
Первая корректировка с помощью контура управления с обратной связью выполнялась после 50 временных шагов. Вторая корректировка с помощью контура управления с обратной связью выполнена после 5000 временных шагов. Управление с обратной связью выполнялась через каждую 1000 временных шагов от значения 5001 до значения 150000 временных шагов, и через каждые 10000 временных шагов от значения 150001 до либо 1,5 миллионов временных шагов (для первого заполнения водой) или до 1 миллиона временных шагов для следующих нагнетаний движения отдельных фаз. Каждый раз, когда движение отдельных фаз изменяли на впуске, частота действия контроллера с обратной связью увеличивалась каждый раз на 1000 временных шагов до завершения 150000 последующих временных шагов.
Константа C в начальном давлении была установлена на 25, с начальным давлением 1,8 КПа. Пропорциональная, интегральная и дифференциальная константа в ПИД контроллере были установлены на 10000, 5000 (1/временных шагов) и 1000 (временных шагов) соответственно. Ширина экспоненциального окна среднего времени была такой, что 33% нового значения и 66% предыдущего значения суммировались. Поверхностное натяжение в буферной впускной области было установлено на ноль. Длина буфера была установлена на 15 ячеек решетки.
Значения оценки относительной проницаемости и водонасыщения, установленные для данных критериев с использованием способа настоящего изобретения показаны на Фиг.12.
Заявители специально включили полностью ссылки в данное описание. Дополнительно, когда количество, концентрация, или другая величина или параметр дается как диапазон, предпочтительный диапазон или перечень верхних предпочтительных значений и нижних предпочтительных значений, указанное следует понимать, как конкретное раскрытие всех диапазонов, образованных любой парой любого верхнего предела диапазона или предпочтительного значения и любого нижнего предела диапазона или предпочтительного значения, без учета отдельного раскрытия диапазонов. В случае, если диапазон числовых значений указан в данном документе, если иное не оговорено, диапазон в общем включает в себя свои концевые точки и все целые и дробные числа в диапазоне. Объем изобретения в общем не ограничен конкретными значениями, указанными при определении диапазона.
Другие варианты осуществления настоящего изобретения должны быть ясны специалисту в данной области техники при учете настоящего описания и практическом применении настоящего изобретения, раскрытого в данном документе. Настоящее описание и примеры должны рассматриваться только как примеры, при этом действительный объем и сущность изобретения определяется пунктами следующей формулы изобретения и их эквивалентами.