CN108868730A - 超临界二氧化碳喷射压裂相态控制方法、装置及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超临界二氧化碳喷射压裂相态控制方法、装置及电子设备，该方法包括获取地层参数、完井参数及施工参数；建立二氧化碳的物性参数计算模型；建立二氧化碳的井筒压力计算模型；建立二氧化碳的井筒温度计算模型；基于上述地层参数、完井参数及施工参数，结合物性参数计算模型、井筒压力计算模型及井筒温度计算模型，计算不同施工参数下喷射点处二氧化碳的温度和压力，以优化施工参数。该方式通过综合应用传热学和流体力学，考虑喷嘴喷出的二氧化碳与环空二氧化碳在喷射点混合时的热交换现象建立相应的压力和温度计算模型，提高计算的准确度，从而更精确的优化施工参数。
Description
技术领域
本发明涉及油气田增产改造技术领域，尤其是涉及一种超临界二氧化碳喷射压裂相态控制方法、装置及电子设备。
背景技术
目前大规模水力压裂是页岩气、致密砂岩气等非常规油气资源开采的关键技术，但是我们页岩气主要分布于四川等水资源匮乏、交通相对不便的丘陵、山区迭代，难以开展频繁、多井次的大规模压裂。因此亟需在无水或者少水压裂方法上获得突破。超临界二氧化碳喷射压裂作为无水压裂的一种，因其具有许多独特的优势而受到广泛关注。而超临界二氧化碳喷射压裂的关键是准确预测喷射点处的二氧化碳温度和压力，从而通过人为调控使得二氧化碳处于超临界态。
超临界二氧化碳喷射压裂过程中井筒流体流动和传热过程可描述为：(1)二氧化碳同时从环空和连续油管注入，在二氧化碳从井口往井底流动过程中，二氧化碳不断被地层加热；(2)连续油管内的二氧化碳在喷射点从喷嘴喷出后与环空注入的二氧化碳混合，由于二氧化碳从喷嘴喷出后会发生较大的温度降，因此喷嘴喷出的低温二氧化碳和环空高温二氧化碳混合过程中会有热交换；(3)混合后的二氧化碳以高速流入地层。
目前关于超临界二氧化碳喷射压裂井筒温度和压力计算方法的报道很少，且对于多方面的影响考虑并不充分，计算准确度较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳喷射压裂相态控制方法、装置及电子设备，以通过综合应用传热学和流体力学，考虑喷嘴喷出的二氧化碳与环空二氧化碳在喷射点混合时的热交换现象建立相应的压力和温度计算模型，提高计算的准确度，从而更精确的优化施工参数。
第一方面，本发明实施例提供了一种超临界二氧化碳喷射压裂相态控制方法，包括：
获取地层参数、完井参数及施工参数；
建立二氧化碳的物性参数计算模型；
建立二氧化碳的井筒压力计算模型，所述井筒压力计算模型包括井筒内压力计算方程及二氧化碳流过喷嘴后的压力计算方程；
建立二氧化碳的井筒温度计算模型，所述井筒压力计算模型包括井筒内温度计算方程、二氧化碳流过喷嘴后的温度计算方程及温度混合方程；
基于所述地层参数、完井参数及施工参数，结合所述物性参数计算模型、所述井筒压力计算模型及所述井筒温度计算模型，计算不同施工参数下喷射点处二氧化碳的温度和压力，以优化所述施工参数。
第二方面，本发明实施例还提供一种超临界二氧化碳喷射压裂相态控制装置，包括：
参数获取模块，用于获取地层参数、完井参数及施工参数；
物性模型建立模块，用于建立二氧化碳的物性参数计算模型；
压力模型建立模块，用于建立二氧化碳的井筒压力计算模型，所述井筒压力计算模型包括井筒内压力计算方程及二氧化碳流过喷嘴后的压力计算方程；
计算模型建立模块，用于建立二氧化碳的井筒温度计算模型，所述井筒压力计算模型包括井筒内温度计算方程、二氧化碳流过喷嘴后的温度计算方程及温度混合方程；
参数优化模块，用于基于所述地层参数、完井参数及施工参数，结合所述物性参数计算模型、所述井筒压力计算模型及所述井筒温度计算模型，计算不同施工参数下喷射点处二氧化碳的温度和压力，以优化所述施工参数。
第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面所述的方法。
本发明实施例带来了以下有益效果：
在本发明实施例提供的方法，包括获取地层参数、完井参数及施工参数；建立二氧化碳的物性参数计算模型；建立二氧化碳的井筒压力计算模型，该井筒压力计算模型包括井筒内压力计算方程及二氧化碳流过喷嘴后的压力计算方程；建立二氧化碳的井筒温度计算模型，该井筒压力计算模型包括井筒内温度计算方程、二氧化碳流过喷嘴后的温度计算方程及温度混合方程；基于上述地层参数、完井参数及施工参数，结合物性参数计算模型、井筒压力计算模型及井筒温度计算模型，计算不同施工参数下喷射点处二氧化碳的温度和压力，以优化施工参数。该方式通过综合应用传热学和流体力学，考虑喷嘴喷出的二氧化碳与环空二氧化碳在喷射点混合时的热交换现象建立相应的压力和温度计算模型，提高计算的准确度，从而更精确的优化施工参数。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种超临界二氧化碳喷射压裂相态控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种超临界二氧化碳喷射压裂相态控制方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的超临界二氧化碳喷射压裂井筒流动与传热示意图；
图4为不同连续油管注入速度下井筒温度分布图；
图5为不同连续油管注入速度下井筒压力分布图；
图6为本发明实施例提供的一种超临界二氧化碳喷射压裂相态控制装置的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前关于超临界二氧化碳喷射压裂井筒温度和压力计算方法的报道很少，且对于多方面的影响考虑并不充分，计算准确度较低，基于此，本发明实施例提供的一种超临界二氧化碳喷射压裂相态控制方法、装置及电子设备，以通过综合应用传热学和流体力学，考虑喷嘴喷出的二氧化碳与环空二氧化碳在喷射点混合时的热交换现象建立相应的压力和温度计算模型，提高计算的准确度，从而更精确的优化施工参数。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种超临界二氧化碳喷射压裂相态控制方法进行详细介绍。
实施例一：
图1示出了本发明实施例提供的一种超临界二氧化碳喷射压裂相态控制方法，包括：
步骤S101，获取地层参数、完井参数及施工参数。
在可能的实施例中，地层参数包括地温梯度、岩石导热系数、岩石比热容；完井参数包括井深、套管尺寸、连续油管尺寸、水泥环尺寸、井眼尺寸、套管导热系数、套管比热容、连续油管导热系数、连续油管比热容、水泥环导热系数、水泥环比热容；施工参数包括喷嘴直径、注入速度、注入温度、注入时间。
步骤S102，建立二氧化碳的物性参数计算模型。
步骤S103，建立二氧化碳的井筒压力计算模型，该井筒压力计算模型包括井筒内压力计算方程及二氧化碳流过喷嘴后的压力计算方程。
步骤S104，建立二氧化碳的井筒温度计算模型，该井筒压力计算模型包括井筒内温度计算方程、二氧化碳流过喷嘴后的温度计算方程及温度混合方程。
步骤S105，基于地层参数、完井参数及施工参数，结合物性参数计算模型、井筒压力计算模型及井筒温度计算模型，计算不同施工参数下喷射点处二氧化碳的温度和压力，以优化施工参数。
在可能的实施例中，将不同施工参数下的温度和压力进行对比分析，选择满足压力要求和温度要求的施工参数，作为优化后的施工参数。
上述方式通过综合应用传热学和流体力学，考虑喷嘴喷出的二氧化碳与环空二氧化碳在喷射点混合时的热交换现象建立相应的压力和温度计算模型，提高计算的准确度，从而更精确的优化施工参数，进而实现为二氧化碳的超临界状态进行有效的调控。
实施例二：
图2示出了本发明实施例提供的另一种超临界二氧化碳喷射压裂相态控制方法，包括：
步骤S201，获取地层参数、完井参数及施工参数。
在可能的实施例中，地层参数包括地温梯度、岩石导热系数、岩石比热容；完井参数包括井深、套管尺寸、连续油管尺寸、水泥环尺寸、井眼尺寸、套管导热系数、套管比热容、连续油管导热系数、连续油管比热容、水泥环导热系数、水泥环比热容；施工参数包括喷嘴直径、注入速度、注入温度、注入时间。
步骤S202，建立二氧化碳的物性参数计算模型。
在可能的实施例中，上述物性参数包括二氧化碳密度和二氧化碳比热容，便于在后续步骤中计算不同情况下的二氧化碳的压力和比热容。上述该物性参数计算模型包括：
二氧化碳密度计算式
二氧化碳比热容计算式为
其中：
其中，T为二氧化碳的温度，单位为K；P为二氧化碳的压力，单位为Pa；ρ为二氧化碳的密度，单位为kg/m3；δ为对比密度，无因次；τ为逆对比温度，无因次；ρc为临界密度，单位为kg/m3；Tc为临界温度，单位为kg/m3；cp为定压比热容，单位为J/(kg.K)；cv为定容比热容，单位为J/(kg.K)；Rc为气体常数，0.1889kJ/(kg K)；φo为理想部分亥姆赫兹自由能，无因次；φr为残余部分亥姆赫兹自由能，无因次； 均为实验测得的常数。
步骤S203，建立二氧化碳的井筒压力计算模型，该井筒压力计算模型包括井筒内压力计算方程及二氧化碳流过喷嘴后的压力计算方程。
具体地，上述井筒内压力计算方程包括井筒中连续油管内二氧化碳压力计算方程和井筒中环空内二氧化碳压力计算方程。
井筒中连续油管内二氧化碳压力计算方程：
井筒中环空内二氧化碳压力计算方程：
其中
其中，z为井筒的纵向深度，单位为m(米)；g为重力加速度，单位为m/s2；rti为连续油管内径，单位为m；rto为连续油管外径，单位为m；rci为套管内径，单位为m；pt为连续油管内二氧化碳的压力，单位为Pa；pa为环空中二氧化碳的压力，单位为Pa；ρt为连续油管内二氧化碳的密度，单位为kg/m3；ρa为环空中二氧化碳的密度，单位为kg/m3；vt为连续油管内二氧化碳的流速，单位为m/s；va为环空中二氧化碳的流速，单位为m/s；Re为雷诺数，无因次；Δt为连续油管粗糙度，单位为m；Δa为套管粗糙度单位为m。
具体地，二氧化碳流经喷嘴时，会产生压力降，为了计算二氧化碳从喷嘴喷出后的压力，需要通过以下隐式方程即二氧化碳流过喷嘴后的压力计算方程进行求解：
其中
其中，mt为连续油管内二氧化碳注入速度，单位为kg/s；A为喷嘴横截面积，单位为m2；pup为喷嘴上游二氧化碳压力，单位为Pa；pdown为喷嘴下游二氧化碳压力即二氧化碳流过喷嘴后的压力，单位为Pa；ρup为喷嘴上游二氧化碳密度，单位为kg/m3；ρdown为喷嘴下游二氧化碳密度即二氧化碳流过喷嘴后的密度，单位为kg/m3；k为二氧化碳等熵指数。
步骤S204，建立二氧化碳的井筒温度计算模型，该井筒压力计算模型包括井筒内温度计算方程、二氧化碳流过喷嘴后的温度计算方程及温度混合方程。
具体地，上述井筒内温度计算方程包括井筒中连续油管内二氧化碳温度计算方程和井筒中环空内二氧化碳温度计算方程。
(a)连续油管内二氧化碳温度计算方程
具体地，参见图3，连续油管内微元中二氧化碳CO2的热源包含四部分：微元上部流入的热量Qt(z)；微元下部流出的热量，Qt(z+dz)；从环空流入连续油管内的热量Qta；CO2与管壁摩擦产生的热量Qtf。由此可推导得到连续油管内的能量守恒方程：
Qt(z)-Qt(z+dz)+Qta+Qtf＝0 (13)
其中
Qt(z)＝mtCtpTt(z) (14)
Qt(z+dz)＝mtCtpTt(z+dz) (15)
Qta＝2πrtiUt(Ta-Tt)dz (16)
Qtf＝Δptfqtdz (17)
其中
将方程(14)～(17)带入方程(13)可得到连续油管内二氧化碳温度计算方程：
其中，Tt为连续油管内二氧化碳的温度，单位为K；Ta为环空中二氧化碳的温度，单位为K；rti为连续油管内径，单位为m；rto为连续油管外径，单位为m；Ctp为连续油管内二氧化碳比热容，单位为J/(kg.K)；Ut为连续油管总的导热系数，单位为W/(m2.K)；Δptf为连续油管内摩擦压力降，单位为Pa/m；qt为连续油管内二氧化碳体积流速，单位为m3/s；λt为连续油管导热系数，单位为W/(m2.K)；hti为连续油管内表面对流换热系数，单位为W/(m2.K)；hto为连续油管外表面对流换热系数，单位为W/(m2.K)。
二氧化碳流过喷嘴后的温度计算方程为：
其中，pup为喷嘴上游二氧化碳压力，单位为Pa；，pdown为喷嘴下游二氧化碳压力即二氧化碳流过喷嘴后的压力，单位为Pa；k为二氧化碳等熵指数，无因次；Tup为喷嘴上游二氧化碳温度，单位为K；Tdown为喷嘴下游二氧化碳温度即二氧化碳流过喷嘴后的温度，单位为K。
(b)环空内二氧化碳温度计算方程
从图3可知，环空内微元中CO2的热源包含五部分：微元上部流入的热量Qa(z)；微元下部流出的热量Qa(z+dz)；向连续油管流出的热Qta；CO2与管壁摩擦产生的热量Qaf；地层向环空流入的热量QF。由此可推导得到环空内的能量守恒方程：
Qa(z)-Qa(z+dz)-Qta+Qaf+QF＝0 (21)
其中
Qa(z)＝maCapTa(z) (22)
Qa(z+dz)＝maCapTa(z+dz) (23)
Qaf＝Δpafqadz (24)
方程(22)～(25)带入方程(21)可得井筒中环空内二氧化碳温度计算方程为：
其中
其中，rco为套管外径，单位为m；ma为环空内二氧化碳质量注入速度，单位为kg/s；Ta为环空中二氧化碳的温度，单位为K；Tt为连续油管内二氧化碳的温度，单位为K；hci为环空内表面对流换热系数，单位为W/(m2.K)；qa为环空内二氧化碳体积流速，单位为m3/s；Δpaf为环空内摩擦压力降，单位为Pa/m；Cap为环空内二氧化碳比热容，单位为J/(kg.K)；λcas为套管导热系数，单位为W/(m.K)；λcem为水泥环导热系数，单位为W/(m.K)；λe为地层导热系数，单位为W/(m.K)；Tei为地层初始温度，单位为K；rwb为井眼半径，单位为m；t为时间，单位为s(秒)；ρe为地层密度，单位为kg/m3；Ce为地层比热容。单位为J/(kg.K)。
(c)温度混合方程
连续油管内的二氧化碳在喷射点从喷嘴喷出后会与环空二氧化碳混合，由于从喷嘴喷出的二氧化碳和环空二氧化碳之间存在温度差异。因此在混合过程中会存在热交换。
根据对流换热理论可知，从喷嘴喷出的低温二氧化碳在混合过程中吸收的热量为：
Qabsorb＝mtCtd(Tmix-Tdown) (31)
同理，混合过程中，环空高温二氧化碳释放的热量为：
Qrelease＝maCad(Tad-Tmix) (32)
因为在混合过程中，Qabsorb＝Qreleas，因此可得到温度混合方程，混合后二氧化碳的温度为：
其中，Tmix为热交换后的二氧化碳温度，单位为K；Tad为环空内喷嘴下游二氧化碳温度，单位为K；Cad为环空二氧化碳在喷射点处的比热容，单位为J/(kg.K)；Ctd为从喷嘴喷出后二氧化碳的比热容，单位为J/(kg.K)。
步骤S205，对井筒内压力计算方程和井筒内压力计算方程进行离散，得到数值离散模型。
通过对上述井筒内压力计算方程和井筒内压力计算方程进行离散和迭代，以对上述步骤S203和步骤S204建立的模型进行求解。
(A)具体地，上述数值离散模型包括连续油管内二氧化碳压力计算离散方程和迭代方程，及环空内二氧化碳压力计算离散方程和迭代方程。
通过对上述方程(7)进行离散，得到连续油管内二氧化碳压力计算离散方程为：
连续油管内二氧化碳压力计算迭代方程为：
通过对上述方程(8)进行离散，得到环空内二氧化碳压力计算离散方程为：
环空内二氧化碳压力计算迭代方程为：
其中，下标t表示连续油管，下标a表示环空，下标j表示第j个节点，上标n表示第n个迭代步；如：pa,j为环空内第j个节点的二氧化碳压力；pt,j为连续油管内第j个节点的二氧化碳压力；ρa,j为环空内第j个节点的二氧化碳密度；ρt,j为连续油管内第j个节点的二氧化碳密度；为第n个迭代步时环空内第j个节点的二氧化碳密度；为第n个迭代步时连续油管内第j个节点的二氧化碳密度；为第n个迭代步时环空内第j个节点的二氧化碳压力；为第n个迭代步时连续油管内第j个节点的二氧化碳压力；va,j为环空内第j个节点的二氧化碳流速；vt,j为连续油管内第j个节点的二氧化碳流速；第n个迭代步时环空内第j个节点的二氧化碳流速；第n个迭代步时连续油管内第j个节点的二氧化碳流速。
(B)上述数值离散模型包括连续油管内二氧化碳温度计算离散方程和迭代方程，及环空内二氧化碳温度计算离散方程和迭代方程。
通过对上述方程(19)进行离散，得到连续油管内二氧化碳温度计算离散方程为：
连续油管内二氧化碳温度计算迭代方程为：
通过对上述方程(26)进行离散，得到环空内二氧化碳温度计算离散方程为：
环空内二氧化碳温度计算迭代方程为：
其中，下标t表示连续油管，下标a表示环空，下标j表示第j个节点，上标n表示第n个迭代步，具体解释可参见方程(34)至(37)。
方程(35)、(37)、(39)、(41)需要反复迭代计算，直到满足以下方程(42)所示的收敛条件：
其中，为连续油管内压力收敛容差，为环空内压力收敛容差，为连续油管内温度收敛容差，为环空内温度收敛容差。
步骤S206，基于地层参数、完井参数及施工参数，结合物性参数计算模型、数值离散模型，计算不同施工参数下井筒内自上至下最后一个节点处的二氧化碳的温度和压力。
具体地，施工参数(喷嘴直径、注入速度、注入温度、注入时间)分为多组。
将地层参数(地温梯度、岩石导热系数、岩石比热容)和完井参数(井深、套管尺寸、连续油管尺寸、水泥环尺寸、井眼尺寸、套管导热系数、套管比热容、连续油管导热系数、连续油管比热容、水泥环导热系数、水泥环比热容)步骤S205所建立的数值离散模型；
从多组施工参数中，选取的一组施工参数输入步骤S205所建立的数值离散模型，计算井筒内自上至下最后一个节点处的二氧化碳的温度和压力。
其中，井筒内自上至下最后一个节点处的二氧化碳的温度包括：环空最后一个节点的二氧化碳温度(tad)、连续油管内最后一个节点的氧化碳温度，环空最后一个节点的二氧化碳温度；连续油管内最后一个节点的氧化碳压力。
步骤S207，根据最后一个节点处的二氧化碳的温度和压力，二氧化碳流过喷嘴后的压力计算方程、二氧化碳流过喷嘴后的温度计算方程及温度混合方程，计算不同施工参数下喷射点处二氧化碳的温度和压力，以优化所述施工参数。
具体地，将上述得到的连续油管内最后一个节点的氧化碳压力代入方程(11)中的参数喷嘴上游的二氧化碳压力pup，求得喷嘴下游二氧化碳压力即二氧化碳流过喷嘴后的压力pdown，也就是喷射点处二氧化碳温度压力。
然后将连续油管内最后一个节点的氧化碳温度代入方程(20)中的参数喷嘴上游二氧化碳温度Tup，通过该方程(20)计算得到喷嘴下游二氧化碳温度即二氧化碳流过喷嘴后的温度Tdown。
最后将环空最后一个节点的二氧化碳温度代入方程(33)中的参数环空内喷嘴下游二氧化碳温度，通过该方程(33)计算得到热交换后的二氧化碳温度Tmix，即喷射点处二氧化碳温度。
选取不同的施工参数，参照步骤S206及步骤S207进行计算，得到不同参数下的喷射点处二氧化碳温度。将不同施工参数下的温度和压力进行对比分析，选择满足压力要求和温度要求的施工参数，作为优化后的施工参数。
下面结合井对本发明实施例做进一步的详细说明，但不构成对发明的任何限制。其中计算参数见表1。
表1
在可能的实施例中，环空注入速度为200kg/min，连续油管内注入速度分别为300kg/min，400kg/min，500kg/min。将上述参数带入步骤S205建立的数值离散模型，迭代求解喷射点处二氧化碳温度和压力，计算结果如图4和图5所示。图4中，a1线型表示连续油管内二氧化碳温度(连续油管内注入速度＝300Kg/min)；a2线型表示连续油管内二氧化碳温度(连续油管内注入速度＝400Kg/min)；a3线型表示连续油管内二氧化碳温度(连续油管内注入速度＝500Kg/min)；a4线型表示环空中二氧化碳温度(连续油管内注入速度＝300Kg/min)；a5线型表示环空中二氧化碳温度(连续油管内注入速度＝400Kg/min)；a6线型表示环空中二氧化碳温度(连续油管内注入速度＝500Kg/min)；a7线型表示临界温度。图5中，b1线型表示连续油管内二氧化碳压力(连续油管内注入速度＝300Kg/min)；b2线型表示连续油管内二氧化碳压力(连续油管内注入速度＝400Kg/min)；b3线型表示连续油管内二氧化碳压力(连续油管内注入速度＝500Kg/min)；b4线型表示环空中二氧化碳压力(连续油管内注入速度＝300Kg/min)；b5线型表示环空中二氧化碳压力(连续油管内注入速度＝400Kg/min)；b6线型表示环空中二氧化碳压力(连续油管内注入速度＝500Kg/min)。
从图4可知，在三个不同的连续油管内注入速度中，喷射点处二氧化碳温度分别为307.42K，301.02K，293.07K。从图5可知，在三个不同的连续油管内注入速度中，喷射点处二氧化碳压力分别为49.61MPa，49.43MPa，49.14MPa。由此可知，由于温度要求，在该条件下，只有当连续油管内注入速度为300kg/min时，二氧化碳才能以超临界态进入地层，才满足施工要求。
综上所述，由于目前关于超临界二氧化碳喷射压裂井筒温度和压力计算方法的报道很少，且现有研究都未考虑连续油管、套管、水泥环热阻对传热的影响，以及未考虑流体摩擦生热，忽略了喷嘴喷出的二氧化碳与环空二氧化碳在喷射点混合时的热交换现象。而本发明通过综合应用传热学和流体力学相关学科知识，考虑连续油管、套管、水泥环热阻对传热的影响，以及考虑流体摩擦生热，建立了超临界二氧化碳喷射压裂井筒温度和压力计算模型，提高了计算的准确度，从而更精确的优化施工参数，进而实现为二氧化碳的超临界状态进行有效的调控。
实施例三：
针对于上述实施例一中的超临界二氧化碳喷射压裂相态控制方法，参见图6，该超临界二氧化碳喷射压裂相态控制装置包括：
参数获取模块11，用于获取地层参数、完井参数及施工参数；
在可能的实施例中，地层参数包括地温梯度、岩石导热系数、岩石比热容；完井参数包括井深、套管尺寸、连续油管尺寸、水泥环尺寸、井眼尺寸、套管导热系数、套管比热容、连续油管导热系数、连续油管比热容、水泥环导热系数、水泥环比热容；施工参数包括喷嘴直径、注入速度、注入温度、注入时间。
物性模型建立模块12，用于建立二氧化碳的物性参数计算模型；
压力模型建立模块13，用于建立二氧化碳的井筒压力计算模型，该井筒压力计算模型包括井筒内压力计算方程及二氧化碳流过喷嘴后的压力计算方程；
计算模型建立模块14，用于建立二氧化碳的井筒温度计算模型，该井筒压力计算模型包括井筒内温度计算方程、二氧化碳流过喷嘴后的温度计算方程及温度混合方程；
参数优化模块15，用于基于上述地层参数、完井参数及施工参数，结合上述物性参数计算模型、上述井筒压力计算模型及上述井筒温度计算模型，计算不同施工参数下喷射点处二氧化碳的温度和压力，以优化施工参数。
上述方式通过综合应用传热学和流体力学，考虑喷嘴喷出的二氧化碳与环空二氧化碳在喷射点混合时的热交换现象建立相应的压力和温度计算模型，提高计算的准确度，从而更精确的优化施工参数，进而实现为二氧化碳的超临界状态进行有效的调控。
实施例四：
参见图7，本发明实施例还提供一种电子设备100，包括：处理器40，存储器41，总线42和通信接口43，所述处理器40、通信接口43和存储器41通过总线42连接；处理器40用于执行存储器41中存储的可执行模块，例如计算机程序。
其中，存储器41可能包含高速随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，也可能还包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口43(可以是有线或者无线)实现该***网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。
总线42可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图7中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
其中，存储器41用于存储程序，所述处理器40在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本发明实施例任一实施例揭示的流过程定义的装置所执行的方法可以应用于处理器40中，或者由处理器40实现。
处理器40可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器40中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器40可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器41，处理器40读取存储器41中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
本发明实施例提供的超临界二氧化碳喷射压裂相态控制装置及电子设备，与上述实施例提供的超临界二氧化碳喷射压裂相态控制方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
本发明实施例所提供的进行超临界二氧化碳喷射压裂相态控制方法的计算机程序产品，包括存储了处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置及电子设备的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种超临界二氧化碳喷射压裂相态控制方法，其特征在于，包括：
获取地层参数、完井参数及施工参数；
建立二氧化碳的物性参数计算模型；
建立二氧化碳的井筒压力计算模型，所述井筒压力计算模型包括井筒内压力计算方程及二氧化碳流过喷嘴后的压力计算方程；
建立二氧化碳的井筒温度计算模型，所述井筒压力计算模型包括井筒内温度计算方程、二氧化碳流过喷嘴后的温度计算方程及温度混合方程；
基于所述地层参数、完井参数及施工参数，结合所述物性参数计算模型、所述井筒压力计算模型及所述井筒温度计算模型，计算不同施工参数下喷射点处二氧化碳的温度和压力，以优化所述施工参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述地层参数、完井参数及施工参数，结合所述物性参数计算模型、所述井筒压力计算模型及所述井筒温度计算模型，计算不同施工参数下喷射点处二氧化碳的温度和压力，以优化所述施工参数包括：
对所述井筒内压力计算方程和井筒内压力计算方程进行离散，得到数值离散模型；
基于所述地层参数、完井参数及施工参数，结合所述物性参数计算模型、所述数值离散模型，计算不同施工参数下所述井筒内自上至下最后一个节点处的二氧化碳的温度和压力；
根据所述最后一个节点处的二氧化碳的温度和压力，所述二氧化碳流过喷嘴后的压力计算方程、所述二氧化碳流过喷嘴后的温度计算方程及温度混合方程，计算不同施工参数下喷射点处二氧化碳的温度和压力，以优化所述施工参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述地层参数包括地温梯度、岩石导热系数、岩石比热容；
所述完井参数包括井深、套管尺寸、连续油管尺寸、水泥环尺寸、井眼尺寸、套管导热系数、套管比热容、连续油管导热系数、连续油管比热容、水泥环导热系数、水泥环比热容；
所述施工参数包括喷嘴直径、注入速度、注入温度、注入时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳的物性参数计算模型包括：
二氧化碳密度计算式
二氧化碳比热容计算式为
其中：
其中，T为二氧化碳的温度，P为二氧化碳的压力，ρ为二氧化碳的密度，δ为对比密度，τ为逆对比温度，ρc为临界密度，Tc为临界温度，cp为定压比热容，cv为定容比热容，Rc为气体常数，φo为理想部分亥姆赫兹自由能，φr为残余部分亥姆赫兹自由能，di、ni、ti、ci、αi、εi、βi、γi、Ci、bi、Di均为常数。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳的井筒压力计算模型包括：
井筒中连续油管内二氧化碳压力计算方程：
井筒中环空内二氧化碳压力计算方程：
其中
其中，z为井筒的纵向深度，g为重力加速度，rti为连续油管内径，rto为连续油管外径，rci为套管内径，pt为连续油管内二氧化碳的压力，pa为环空中二氧化碳的压力，ρt为连续油管内二氧化碳的密度，ρa为环空中二氧化碳的密度，vt为连续油管内二氧化碳的流速，va为环空中二氧化碳的流速，Re为雷诺数，Δt为连续油管粗糙度，Δa为套管粗糙度；
二氧化碳流过喷嘴后的压力计算方程：
其中
其中，mt为连续油管内二氧化碳注入速度，A为喷嘴横截面积，pup为喷嘴上游二氧化碳压力，pdown为喷嘴下游二氧化碳压力即二氧化碳流过喷嘴后的压力，ρup为喷嘴上游二氧化碳密度，ρdown为喷嘴下游二氧化碳密度即二氧化碳流过喷嘴后的密度，k为二氧化碳等熵指数，cp为定压比热容，cv为定容比热容。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述数值离散模型包括连续油管内二氧化碳压力计算离散方程和迭代方程，及环空内二氧化碳压力计算离散方程和迭代方程；
连续油管内二氧化碳压力计算离散方程为：
连续油管内二氧化碳压力计算迭代方程为：
环空内二氧化碳压力计算离散方程为：
环空内二氧化碳压力计算迭代方程为：
其中，下标t表示连续油管，下标a表示环空，下标j表示第j个节点，上标n表示第n个迭代步；
所述连续油管内二氧化碳压力计算离散方程和所述环空内二氧化碳压力计算迭代方程需要满足以下条件：
其中，为连续油管内压力收敛容差，为环空内压力收敛容差。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳的井筒温度计算模型包括：
井筒中连续油管内二氧化碳温度计算方程为：
其中
其中，mt为连续油管内二氧化碳注入速度，Tt为连续油管内二氧化碳的温度，Ta为环空中二氧化碳的温度，rti为连续油管内径，rto为连续油管外径，Ctp为连续油管内二氧化碳比热容，Ut为连续油管总的导热系数，Δptf为连续油管内摩擦压力降，qt为连续油管内二氧化碳体积流速，λt为连续油管导热系数，hti为连续油管内表面对流换热系数，hto为连续油管外表面对流换热系数；
二氧化碳流过喷嘴后的温度计算方程为：
其中，pup为喷嘴上游二氧化碳压力，pdown为喷嘴下游二氧化碳压力即二氧化碳流过喷嘴后的压力，k为二氧化碳等熵指数，Tup为喷嘴上游二氧化碳温度，Tdown为喷嘴下游二氧化碳温度即二氧化碳流过喷嘴后的温度；
井筒中环空内二氧化碳温度计算方程为：
其中
其中，rci为套管内径，rco为套管外径，ma为环空内二氧化碳质量注入速度，Ta为环空中二氧化碳的温度，Tt为连续油管内二氧化碳的温度，hci为环空内表面对流换热系数，rti为连续油管内径，qa为环空内二氧化碳体积流速，Δpaf为环空内摩擦压力降，Cap为环空内二氧化碳比热容，λcas为套管导热系数，λcem为水泥环导热系数，λe为地层导热系数，Tei为地层初始温度，rwb为井眼半径，t为时间，ρe为地层密度，Ce为地层比热容；
温度混合方程为：
其中，Tmix为热交换后的二氧化碳温度，Tad为环空内喷嘴下游二氧化碳温度，Cad为环空二氧化碳在喷射点处的比热容，Ctd为从喷嘴喷出后二氧化碳的比热容。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数值离散模型包括连续油管内二氧化碳温度计算离散方程和迭代方程，及环空内二氧化碳温度计算离散方程和迭代方程；
连续油管内二氧化碳温度计算离散方程为：
连续油管内二氧化碳温度计算迭代方程为：
环空内二氧化碳温度计算离散方程为：
环空内二氧化碳温度计算迭代方程为：
其中，下标t表示连续油管，下标a表示环空，下标j表示第j个节点，上标n表示第n个迭代步；
所述连续油管内二氧化碳温度计算离散方程和所述环空内二氧化碳温度计算迭代方程需要满足以下条件：
其中，为连续油管内温度收敛容差，为环空内温度收敛容差。
9.一种超临界二氧化碳喷射压裂相态控制装置，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于获取地层参数、完井参数及施工参数；
物性模型建立模块，用于建立二氧化碳的物性参数计算模型；
压力模型建立模块，用于建立二氧化碳的井筒压力计算模型，所述井筒压力计算模型包括井筒内压力计算方程及二氧化碳流过喷嘴后的压力计算方程；
计算模型建立模块，用于建立二氧化碳的井筒温度计算模型，所述井筒压力计算模型包括井筒内温度计算方程、二氧化碳流过喷嘴后的温度计算方程及温度混合方程；
参数优化模块，用于基于所述地层参数、完井参数及施工参数，结合所述物性参数计算模型、所述井筒压力计算模型及所述井筒温度计算模型，计算不同施工参数下喷射点处二氧化碳的温度和压力，以优化所述施工参数。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至8任一项所述的方法。
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