一种数值模拟器的开发方法、装置、系统及存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种数值模拟器的开发方法、装置、系统及存储介质，所述开发方法包括：采用网格剖分软件，针对目标研究区域进行网格剖分，并输出网格信息文件，转化为目标研究区域的节点坐标信息矩阵和节点编号信息矩阵；根据推导的增量解析公式，计算开采过程中天然气水合物的压力、温度、三相饱和度分布，同时采用伽辽金有限元方法计算区域内的位移分布；运用增量解析公式时围绕网格顶点构造控制体积；不同物理场之间的解耦将以显式递归的形式进行。该方法在用增量方案求解渗流传热系统时，无需求解线性方程组，避免了大型系数矩阵的生成，能节省一定的内存。该方案在考虑天然气水合物沉积物的弹塑性特点时将有良好的适应性。积物的弹塑性特点时将有良好的适应性。积物的弹塑性特点时将有良好的适应性。

【技术实现步骤摘要】
一种数值模拟器的开发方法、装置、系统及存储介质


[0001]本专利技术涉及天然气水合物资源开采数值模拟
，尤其涉及一种数值模拟器的开发方法、装置、系统及存储介质。

技术介绍

[0002]天然气水合物(俗称可燃冰)是一种清洁高效能源，它分布范围广、储量巨大、能量密度高，是人类的未来能源。
[0003]天然气水合物(以下简称水合物)在开采过程中，涉及到多物理场、多相和多组分问题，各物理场的演化过程十分复杂，相关的实验研究和现场实验十分费时费力，并且很难完整地展示各物理场的演化过程。
[0004]数值模拟技术通过求解控制方程，能够完整展示整个时间域内各场参数的分布云图，方便进一步制定合理高效的开采方案。因此数值模拟技术是研究这一复杂演化过程十分经济高效的不可获缺的方法。
[0005]数值模拟技术针对待研究的问题进行数学建模，得到一组控制方程(通常是偏微分方程组)和代数方程，构成了微分代数系统，该系统能在一定假设的前提下，比较精确地描述各物理场的关于时间和空间的演化规律；待系统建立之后，需要将待研究的区域进行网格剖分，并且用数值方法计算网格上面各物理量的数值，进而得到各场参数的时空演化特征。
[0006]然而，已有相关的研究多是基于商业软件展开，研究者在求解线性方程组时容易生成大型系数矩阵，耗费一定内存，并且在考虑水合物沉积物的弹塑性特点时不具有很好的适应性。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供一种数值模拟器的开发方法、装置、系统及存储介质，以解决现有技术中针对水合物开采过程中面临的多物理场耦合的技术问题。
[0008]为解决上述问题，本专利技术的第一目的在于提供一种数值模拟器的开发方法，用于水合物沉积物的多物理场耦合，所述开发方法包括：
[0009]S
100
：采用网格剖分软件，针对目标研究区域进行网格剖分，并输出网格信息文件；
[0010]S
200
：导入网格信息文件，并且转化为所述目标研究区域的每个节点坐标信息矩阵和每个网格所包含节点编号的信息矩阵以及边界区域的网格编号和节点编号信息矩阵；
[0011]S
300
：根据水合物的温度场、渗流场、力学场和相变场的初始条件和边界条件，将温度、孔隙压力、位移、应力、水饱和度、气体饱和度、水合物饱和度和孔隙度进行初始化；
[0012]S
400
：以网格顶点为中心构造控制体，计算所述控制体的各个边界的通量，并进行累加，以得到每个控制体的通量差；
[0013]S
500
：将每个控制体的通量差代入增量公式中,根据当前时刻的各场参数，计算下一时刻每一个网格顶点的温度、孔隙气压力、孔隙水压力、气相饱和度、水相饱和度和水合
物饱和度的增量；
[0014]S
600
：针对所述含水合物沉积物多物理场耦合数学模型的力学控制方程，使用伽辽金有限元法求解纯弹性问题，使用增量变刚度法求解弹塑性问题；
[0015]S
700
：根据计算得到的体积应变、温度和孔隙压力，更新储层的孔隙度，并根据所述孔隙度更新绝对渗透率；
[0016]S
800
：判定计算结果是否满足稳定性条件，如果满足则继续循环计算，如果不满足，则降低时间步长，重新计算，直到满足稳定性条件为止，并以场图形式输出当前时刻的各物理场计算结果。
[0017]进一步的，在步骤S
400
中，所述计算所述控制体的各个边界的通量具体包括水通量和气体通量，其中：
[0018]水关于某一个截面的通量
[0019][0020]气体关于某一个截面的通量
[0021][0022]其中：λ
w
是水相的渗透率，λ
g
是气相的渗透率，P
wh
和P
gh
分别是根据有限元基函数和节点函数值组装而成的孔隙水压力和孔隙气压力，值组装而成的孔隙水压力和孔隙气压力，N
i
是有限元基函数，n是网格顶点的数量，v是该界面的单位法向量，dl代表当前截面的微分。
[0023]进一步的，在步骤S
500
中，所述孔隙气压力增量的具体表达式如下：
[0024][0025]所述孔隙水压力的增量的具体表达式如下：
[0026][0027]所述气相饱和度增量的具体表达式如下：
[0028][0029]所述水相饱和度增量的具体表达式如下：
[0030][0031]所述水合物饱和度增量的具体表达式如下：
[0032][0033]式中：和
[0034]其中：代表水通量的散度，代表气体通量的散度， S
g
代表气相饱和度，S
w
代表水相饱和度，S
h
代表水合物饱和度，S
e
代表有效水饱和度，K
g
代表气相的刚度，K
w
代表水相的刚度，K
h
代表水合物的刚度， P
g
是气相孔隙压力，P
w
是水相孔隙压力，n是孔隙度，ε
v
是体积应变，d
t
是时间步长，M
g
是气相的摩尔质量，M
w
是水相的摩尔质量，M
h
是水合物的摩尔质量，N
h
是水和数，ρ
g
是气相密度，ρ
w
是水相密度，ρ
h
是水合物密度，β
g
是气相热膨胀系数，β
w
是水相热膨胀系数，β
h
是水合物热膨胀系数，β
s
是沉积物颗粒热膨胀系数，R是水合物分解的摩尔数，T是温度，P
c
是毛细管压力， dP
g
是孔隙气压力，dP
w
是孔隙水压力，dS
g
是气体饱和度，dS
w
是水饱和度，dS
h
是水合物饱和度的增量；
[0035]所述水通量的散度由式(8)计算得到：
[0036][0037]所述气体通量的散度由式(9)计算得到：
[0038][0039]式中：i代表控制体积的边界，ρ
w
代表水的密度，ρ
g
代表气体密度；q
w
代表水相的渗流速度，q
g
代表气相的渗流速度，A是当前控制体的面积，代表控制体，CV代表控制体的边界，v是控制体边界的外法线单位向量，dl代表控制体边界的微分。
[0040]进一步的，在步骤S
500
中，所述计算下一时刻每一个网格顶点的温度的增量的计算表达式为：
[0041][0042]其中：dT是温度的增量,c
T
是各相比热的加权平均值，c
g
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种数值模拟器的开发方法，用于水合物沉积物的多物理场耦合计算，其特征在于，包括：S
100
：采用网格剖分软件，针对目标研究区域进行网格剖分，并输出网格信息文件；S
200
：导入网格信息文件，并且转化为所述目标研究区域的每个节点坐标信息矩阵和每个网格所包含节点编号的信息矩阵以及边界区域的网格编号和节点编号信息矩阵；S
300
：根据水合物的温度场、渗流场、力学场和相变场的初始条件和边界条件，将温度、孔隙压力、位移、应力、水饱和度、气体饱和度、水合物饱和度和孔隙度进行初始化；S
400
：以网格顶点为中心构造控制体，计算所述控制体的各个边界的通量，并进行累加，以得到每个控制体的通量差；S
500
：将每个控制体的通量差代入增量公式中,根据当前时刻的各场参数，计算下一时刻每一个网格顶点的温度、孔隙气压力、孔隙水压力、气相饱和度、水相饱和度和水合物饱和度的增量；S
600
：针对含水合物沉积物多物理场耦合数学模型的力学控制方程，使用伽辽金有限元法求解纯弹性问题，使用增量变刚度法求解弹塑性问题；S
700
：根据计算得到的体积应变、温度和孔隙压力，更新储层的孔隙度，并根据所述孔隙度更新绝对渗透率；S
800
：判定计算结果是否满足稳定性条件，如果满足则继续循环计算，如果不满足，则降低时间步长，重新计算，直到满足稳定性条件为止，并以场图形式输出当前时刻的各物理场计算结果。2.根据权利要求1所述的数值模拟器的开发方法，其特征在于，在步骤S
400
中，所述计算所述控制体的各个边界的通量具体包括水通量和气体通量，其中：水关于某一个截面的通量气体关于某一个截面的通量其中：λ
w
是水相的渗透率，λ
g
是气相的渗透率，P
wh
和P
gh
分别是根据有限元基函数和节点函数值组装而成的孔隙水压力和孔隙气压力，函数值组装而成的孔隙水压力和孔隙气压力，N
i
是有限元基函数，n是网格顶点的数量，v是该界面的单位法向量，dl代表当前截面的微分。3.根据权利要求2所述的数值模拟器的开发方法，其特征在于，在步骤S
500
中，所述孔隙气压力增量的具体表达式如下：
所述孔隙水压力的增量的具体表达式如下：所述气相饱和度增量的具体表达式如下：
所述水相饱和度增量的具体表达式如下：所述水合物饱和度增量的具体表达式如下：式中：和
其中：代表水通量的散度，代表气体通量的散度，S
g
代表气相饱和度，S
w
代表水相饱和度，S
h
代表水合物饱和度，S
e
代表有效水饱和度，K
g
代表气相的刚度，K
w
代表水相的刚度，K
h
代表水合物的刚度，P
g
是气相孔隙压力，P
w
是水相孔隙压力，n是孔隙度，ε
v
是体积应变，d
t
是时间步长，M
g
是气相的摩尔质量，M
w
是水相的摩尔质量，M
h
是水合物的摩尔质量，N
h
是水和数，ρ
g
是气相密度，ρ
w
是水相密度，ρ
h
是水合物密度，β
g
是气相热膨胀系数，β
w
是水相热膨胀系数，β
h
是天然气水合物热膨胀系数...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓东，宁伏龙，雷刚，孙嘉鑫，程万，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：