Darcysův zákon pro vícefázový tok - Darcys law for multiphase flow - Wikipedia

Morris Muskat et al.[1][2] vyvinul řídící rovnice pro vícefázový tok (jeden vektor rovnice pro každou tekutinu fáze ) v porézní média jako zobecnění Darcyho rovnice (nebo Darcyho zákon ) pro průtok vody v porézním médiu. Porézní média jsou obvykle sedimentární horniny jako klastické horniny (většinou pískovec ) nebo uhličitanové horniny.

Nomenklatura
SymbolPopisJednotky SI
dolní index: fáze a, vektorová složka
vektorová složka směrové kontaktní plochy mezi dvěma buňkami mřížkym2
směrová kontaktní plocha mezi dvěma (obvykle sousedními) buňkami mřížkym2
jednotkový vektor podél 3. osy (z je zde připomenutí: 3 je směr z)1
gravitační zrychleníslečna2
gravitační zrychlení se směremslečna2
absolutní propustnost jako 3x3 tenzorm2
relativní permeabilita fáze a = w, o, gzlomek
směrová relativní propustnost (tj. 3x3 tenzor)zlomek
tlakPa
objemový tok (Darcyova rychlost) přes kontaktní plochu buňky mřížkyslečna
objemový průtok přes kontaktní plochu mřížkové buňkym3/ s
rychlost proudění pórů (tekutin)slečna
Darcy (tekutina) rychlost podél osy slečna
Darcy (tekutinová) rychlostslečna
spád operátorm−1
dynamický viskozitaPa s
Hmotnost hustotakg / m3
 kde a = w, o, g

Současné tekuté fáze jsou voda, ropa a plyn a jsou reprezentovány indexem a = w, o, g. Gravitační zrychlení se směrem je znázorněno jako nebo nebo . Všimněte si, že v ropném inženýrství je prostorový souřadný systém orientován na pravou ruku s osou z směřující dolů. Fyzikální vlastnost, která spojuje rovnice toku tří fluidních fází, je relativní propustnost každé kapalné fáze a tlaku. Tato vlastnost systému fluid-rock (tj. Systém voda-olej-plyn-rock) je hlavně funkcí tekutiny sytost a je s ním spojeno kapilární tlak a plynulý proces, z čehož vyplývá, že tomu podléhá hystereze účinek.

V roce 1940 M.C. Leverett[3] poukázal na to, že aby zahrnoval kapilární tlak vlivy v rovnici toku, tlak musí být fázově závislý. Poté se stane rovnice toku

 kde a = w, o, g

Leverett také poukázal na to, že kapilární tlak je významný hystereze účinky. To znamená, že kapilární tlak pro drenážní proces se liší od kapilárního tlaku vstřebávání proces se stejnými tekutými fázemi. Hystereze nemění tvar řídící rovnice toku, ale zvyšuje (obvykle zdvojnásobuje) počet konstitutivních rovnic pro vlastnosti zapojené do hystereze.

V letech 1951-1970 vstoupily komerční počítače na scénu vědeckých a technických výpočtů a modelových simulací. Počítačová simulace dynamického chování ropných ložisek se brzy stalo terčem ropného průmyslu, ale výpočetní výkon byl v té době velmi slabý.

Se slabým výpočetním výkonem byly modely zásobníků odpovídajícím způsobem hrubé, ale upscaling statické parametry byly poměrně jednoduché a částečně kompenzovány hrubostí. Otázka upscalingu křivek relativní permeability z horninových křivek odvozených v měřítku jádrové zástrčky (která se často označuje jako mikro měřítko) na buňky hrubých mřížek modelů rezervoárů (které se často nazývá makro měřítko) je mnohem obtížnější a je se stala důležitou oblastí výzkumu, která stále probíhá. Ale pokrok v upscalingu byl pomalý a až v letech 1990-2000 byla jasně prokázána směrová závislost relativní propustnosti a potřeba tenzorového vyjádření,[4][5] i když alespoň jedna schopná metoda[6] byl vyvinut již v roce 1975. Jedním z takových případů upscalingu je šikmá nádrž, kde se kromě horizontálního pohybu bude voda (a plyn) oddělovat vertikálně vzhledem k oleji. Svislá velikost buňky mřížky je také obvykle mnohem menší než horizontální velikost buňky mřížky, což vytváří malé a velké oblasti toku. To vše vyžaduje různé křivky relativní propustnosti pro směr x a z. Geologický heterogenity v nádržích jako laminas nebo křížové struktury propustnosti ve skále také způsobit směrové relativní permeability. To nám říká, že relativní propustnost by měla být v nejobecnějším případě představována tenzorem. Poté se stanou rovnice toku

 kde a = w, o, g

Výše uvedený případ se odráží downdip vstřikování vody (nebo vstřikování plynu updip) nebo výroba tlakovým vyčerpáním. Pokud vstřikujete vodu updip (nebo plynový downdip) po určitou dobu, povede to k různým křivkám relativní propustnosti ve směrech x + a x-. Nejedná se o proces hystereze v tradičním smyslu a nelze jej představovat tradičním tenzorem. Může být reprezentován příkazem IF v softwarovém kódu a vyskytuje se v některých komerčních simulátorech rezervoárů. Proces (nebo spíše sled procesů) může být způsoben záložním plánem pro zotavení v terénu nebo může vstřikovaná tekutina proudit do jiného horninového útvaru nádrže kvůli neočekávané otevřené části chyba nebo a netěsnící cement za pouzdrem injekční jamky. Možnost relativní propustnosti se používá jen zřídka a my jen poznamenáváme, že nemění (analytický tvar) řídící rovnici, ale zvyšuje (obvykle zdvojnásobuje) počet konstitutivní rovnice pro příslušné vlastnosti.

Výše uvedená rovnice je vektorovou formou nejobecnější rovnice pro proudění tekutin v porézním médiu a poskytuje čtenáři dobrý přehled o použitých pojmech a množstvích. Než budete pokračovat a transformovat diferenciální rovnice do rozdílové rovnice, které mají být použity v počítačích, musíte napsat rovnici toku ve formě komponenty. Toková rovnice ve složkové formě (pomocí konvence součtu ) je

 kde a = w, o, g  kde = 1,2,3

Darcyho rychlost není rychlost částice tekutiny, ale objemový tok (často reprezentovaný symbolem) ) proudu tekutiny. Rychlost tekutiny v pórech (nebo krátká, ale nepřesně nazývána rychlost pórů) souvisí s Darcyho rychlostí vztahem

 kde a = w, o, g

Objemový tok je intenzivní množství, takže není dobré popisovat, kolik tekutiny za čas přijde. Upřednostňovanou proměnnou k pochopení tohoto je rozsáhlá veličina zvaná objemový průtok, která nám říká, kolik tekutiny vychází (nebo jde do) dané oblasti za čas, a souvisí s Darcyho rychlostí vztahem

 kde a = w, o, g

Všimli jsme si, že objemový průtok je skalární veličina a o směr se stará normální vektor povrchu (plochy) a objemový tok (Darcyho rychlost).

V modelu nádrže je geometrický objem rozdělen na buňky mřížky a oblast zájmu je nyní průsečíkem mezi dvěma sousedními buňkami. Pokud se jedná o skutečné sousední buňky, oblast je společným bočním povrchem a pokud chyba rozděluje tyto dvě buňky, je plocha průsečíku obvykle menší než celá boční plocha obou sousedních buněk. Verze vícefázové rovnice toku, než je diskretizována a použita v simulátorech nádrží, tedy existuje

 kde a = w, o, g

V rozšířené (komponentní) formě se stává

 kde a = w, o, g

(Počáteční) hydrostatický tlak v hloubce (nebo úrovni) z nad (nebo pod) referenční hloubkou z0 se počítá

 kde a = w, o, g

Když jsou prováděny výpočty hydrostatického tlaku, obvykle se nepoužívá dolní index fáze, ale přepíná se vzorec / množství podle toho, jaká fáze je pozorována ve skutečné hloubce, ale pro přehlednost a konzistenci jsme sem zahrnuli dolní index fáze. Při provádění výpočtů hydrostatického tlaku však lze pro zvýšení přesnosti použít gravitační zrychlení, které se mění s hloubkou. Pokud taková vysoká přesnost není nutná, je gravitační zrychlení udržováno konstantní a je vyvolán vypočítaný tlak přetěžovací tlak. Taková vysoká přesnost není v simulacích rezervoáru nutná, takže gravitační zrychlení je v této diskusi považováno za konstantu. Počáteční tlak v modelu zásobníku se vypočítá pomocí vzorce pro (počáteční) přetěžovací tlak který je

 kde a = w, o, g

Abychom zjednodušili výrazy v závorkách rovnice toku, můžeme zavést tokový potenciál zvaný -potenciál, výrazný psi-potenciál, který je definován

 kde a = w, o, g

Skládá se ze dvou termínů, kterými jsou absolutní tlak a gravitační výška. Aby se ušetřil výpočetní čas, lze integrál nejprve vypočítat a uložit jako tabulku, která se použije při výpočtově levnějším vyhledání tabulky. Představení -potenciál to naznačuje

 kde a = w, o, g

Psi-potenciál se také často nazývá „vztažný tlak“, protože funkce představuje tlak v kterémkoli bodě nádrže po přenesení do vztažné roviny / hloubky z0. V praktické inženýrské práci je velmi užitečné přenést tlaky měřené v jamkách na nulovou hladinu nebo zmapovat rozložení nulových tlaků v nádrži. Tímto způsobem lze na první pohled vidět směr pohybu tekutiny v zásobníku, protože rozložení základního tlaku je ekvivalentní rozložení potenciálu. To objasní dva jednoduché příklady. Nádrž může sestávat z několika průtokových jednotek, které jsou odděleny těsnými břidlicovými vrstvami. Kapalina z jednoho zásobníku nebo průtokové jednotky může vstoupit do poruchy v jedné hloubce a opustit poruchu v jiné nádrži nebo průtokové jednotce v jiné hloubce. Podobně může tekutina vstoupit do produkční studny v jedné průtokové jednotce a opustit produkční studnu v jiné průtokové jednotce nebo zásobníku.

Nyní se stává vícefázová rovnice toku porézního média

 kde a = w, o, g

Tato vícefázová rovnice toku byla tradičně výchozím bodem pro softwarového programátora, když začal transformovat rovnici z diferenciální rovnice na diferenciální rovnici za účelem napsání programového kódu pro simulátor rezervoáru pro použití v ropném průmyslu. Neznámými závislými proměnnými byly tradičně tlak oleje (pro ropná pole) a objemová množství příslušných kapalin, lze však přepsat celkovou sadu modelových rovnic, které se mají vyřešit pro tlak oleje a množství nebo molární množství příslušných složek kapaliny.[7]

Výše uvedené rovnice jsou psány v jednotkách SI a předpokládáme, že všechny vlastnosti materiálu jsou definovány také v jednotkách SI. Výsledkem toho je, že výše uvedené verze rovnic nepotřebují žádné konstanty převodu jednotek. Ropný průmysl používá různé jednotky, z nichž nejméně dvě mají určitou prevalenci. Pokud chcete použít jiné jednotky než jednotky SI, musíte vytvořit správné převodní konstanty jednotek pro vícefázové rovnice toku.

Převod jednotek

Výše uvedené rovnice jsou psány v SI jednotky (krátký SI) potlačující, že jednotka D (milá) pro absolutní propustnost je definován v jednotkách jiných než SI. Proto neexistují žádné konstanty související s jednotkami. Ropný průmysl nepoužívá jednotky SI. Místo toho používají speciální verzi jednotek SI, kterou budeme nazývat Aplikované jednotky SI, nebo používají jinou sadu jednotek s názvem Polní jednotky, která pochází z USA a Velké Británie. Teplota není v rovnicích zahrnuta, takže můžeme použít metoda faktorového štítku (také nazývaná metoda unit-factor), která říká, že pokud máme proměnnou / parametr s jednotkou H, vynásobíme tuto proměnnou / parametr konverzní konstantou C a pak proměnná získá jednotku G, kterou chceme. To znamená, že použijeme transformaci H * C = G a non-SI účinek definice propustnosti je zahrnut do konverzního faktoru C pro propustnost. Transformace H * C = G platí pro každou prostorovou dimenzi, takže se soustředíme na hlavní pojmy, zanedbáme znaménka a poté doplníme závorku gravitačním členem. Před zahájením převodu si všimneme, že jak původní (jednofázová) rovnice toku Darcyho, tak zobecněná (nebo rozšířená) vícefázová rovnice toku Muskat et al. využívají rychlost nádrže (objemový tok), objemovou rychlost a hustoty. Jednotky těchto veličin dostávají předponu r (nebo R), aby se odlišily od svých protějšků za standardních povrchových podmínek, které dostanou předponu s (nebo S). To je zvláště důležité, když převádíme rovnice na polní jednotky. Důvodem pro zacházení do zdánlivě jednoduchého tématu převodu jednotek je, že mnoho lidí dělá chyby při převodu jednotek.

Nyní jsme připraveni zahájit práci na převodu. Nejprve vezmeme tokovou verzi rovnice a přepíšeme ji jako

 kde a = w, o, g

Chceme umístit složený převodní faktor společně s parametrem propustnosti. Zde si všimneme, že naše rovnice je zapsána v jednotkách SI a že skupina proměnných / parametrů (dále zkráceně nazývaných parametry) na pravé straně tvoří bezrozměrnou skupinu. Nyní převádíme každý parametr a shromažďujeme tyto převody do jedné převodní konstanty. Nyní si všimneme, že náš seznam s převodními konstantami (C) přechází z aplikované jednotky na jednotky SI, což je u těchto převodních seznamů velmi běžné. Proto předpokládáme, že naše parametry jsou zadány v aplikovaných jednotkách a převedeme je (zpět) na jednotky SI.

 kde a = w, o, g

Všimněte si, že jsme odstranili relativní propustnost, což je bezrozměrný parametr. Tento složený převodní faktor se nazývá Darcyho konstanta pro rovnici formulovanou tokem, a je tomu tak

Protože naše skupina parametrů je bezrozměrná v základních jednotkách SI, nemusíme zahrnout jednotky SI do jednotek pro náš složený převodní faktor, jak vidíte v druhé tabulce. Dále vezmeme rychlostní verzi rovnice a přepíšeme ji jako

 kde a = w, o, g

Nyní převádíme každý parametr a shromažďujeme tyto převody do jedné převodní konstanty.

 kde a = w, o, g

Všimněte si, že jsme odstranili relativní propustnost, což je bezrozměrný parametr. Tento složený převodní faktor se nazývá Darcyho konstanta pro rovnici formulovanou tokem, a je tomu tak

Tlakový gradient a gravitační člen jsou identické pro tok a rychlostní rovnice, a proto budou diskutovány pouze jednou. Úkolem zde je mít gravitační člen, který je konzistentní s aplikovanými jednotkami („H-jednotky“) pro tlakový gradient. Musíme tedy umístit náš přepočítací faktor společně s parametry gravitace. „Závorku“ napíšeme v jednotkách SI jako

 kde a = w, o, g

a přepsat jako

 kde a = w, o, g

Nyní převádíme každý parametr a shromažďujeme tyto převody do jedné převodní konstanty. Nejprve si všimneme, že naše rovnice je zapsána v jednotkách SI a že skupina parametrů na pravé straně tvoří bezrozměrnou skupinu. Předpokládáme tedy, že naše parametry jsou zadány v aplikovaných jednotkách a převedeme je (zpět) na jednotky SI.

 kde a = w, o, g

To dává složený převodní faktor pro konzistenci-převod jako

Protože naše skupina parametrů je bezrozměrná v jednotkách SI, nemusíme zahrnout jednotky SI do jednotek pro náš složený převodní faktor, jak vidíte v druhé tabulce.

To platí pro analytické rovnice, ale když programátor transformuje rovnici toku do rovnice konečných rozdílů a dále do numerického algoritmu, dychtí minimalizovat počet výpočetních operací. Zde je příklad se dvěma konstantami, které lze fúzí redukovat na jednu

Pomocí průmyslových jednotek se stane toková verze rovnice toku ve vektorové podobě

 kde a = w, o, g

a v podobě komponenty se stává

 kde a = w, o, g  kde = 1,2,3

S využitím průmyslových jednotek se stane rychlostní verze rovnice toku ve vektorové podobě

 kde a = w, o, g

a ve formě komponenty se stává

 kde a = w, o, g

Konverze jednotek je poměrně vzácná činnost, dokonce i pro technické profesionály, ale to je také důvod, proč lidé zapomínají, jak to udělat správně.

Viz také

Reference

  1. ^ Muskat M. a Meres M.W. 1936. Tok heterogenních tekutin porézními médii. Článek publikovaný v J. Appl. Phys. 1936, 7, s. 346–363. https://dx.doi.org/10.1063/1.1745403
  2. ^ Muskat M. a Wyckoff R.D. a Botset H.G. a Meres M.W. 1937. Tok směsí plyn-kapalina přes písky. Publikováno v Transakcích AIME 1937, 123, str. 69–96. ID dokumentu SPE je SPE-937069-G. https://dx.doi.org/10.2118/937069-G
  3. ^ Leverett M.C. 1941. Kapilární chování v porézních pevných látkách. Příspěvek prezentovaný na setkání v Tulse v AIME v říjnu 1940. Publikováno v Transaction of the AIME 1941, 142, str. 159–172. ID dokumentu SPE je SPE-941152-G. https://dx.doi.org/10.2118/941152-G
  4. ^ Pickup G.E a Sorbie K.S. 1996. Škálování dvoufázového toku v porézních médiích pomocí tenzorů fázové propustnosti. Papír SPE-28586 poprvé představen na výroční technické konferenci a výstavě SPE konané v New Orleans v USA ve dnech 25. – 28. Září 1994. Papír SPE-28586-PA publikovaný v SPEJ v prosinci 1996. https://dx.doi.org/10.2118/28586-PA
  5. ^ Kumar A.T.A. a Jerauld G.R. 1996. Dopady škálování na průtok kapaliny z měřítka bloku do mřížky v rezervoáru. Papír SPE / DOE 35452 prezentovaný na 10. sympoziu SPE / DOE 1996 o zlepšené těžbě ropy, které se konalo ve městě Tulsa, Oklahoma, USA, 21. – 24. Dubna 1996. Papír SPE-35452-MS publikovaný společností SPE 1996. https://dx.doi.org/10.2118/35452-MS
  6. ^ Kyte J.R. a Berry D.W. 1975. Nové pseudo funkce pro řízení numerické disperze. Papír SPE 5105 poprvé představen na 49. výročním podzimním setkání SPE-AIME, které se konalo v Houstonu 6. – 9. Října 1974. Papír SPE-5105-PA publikoval SPEJ srpen 1975, str. 269-275. https://dx.doi.org/10.2118/5105-PA
  7. ^ Mladý L.C. a Stephenson R.E. 1983. Všeobecný kompoziční přístup pro simulaci nádrže. Papír SPE 10516 poprvé představen na sympoziu SPE Reservoir Symposium, které se konalo v New Orleans 31. ledna - 3. února 1982. Papír SPE-10516-PA poprvé publikoval SPEJ říjen 1983, sv. 23, č. 05, str. 727-742; Transakce AIME 275; nyní ResearchGate; https://www.researchgate.net/publication/244956766 a tím https://dx.doi.org/10.2118/10516-PA