基于最优化原理的热流体循环数学模型求解方法

井筒热流体循环采油工艺的数学模型是一种具有半隐式边界条件的非线性常微分方程组边值问题,采用打靶法或共轭函数法求解时会出现数值不稳定和结果失真,基于二分原理的隐式条件显示化方法计算时又较为费时,应用有限差分方程迭代求解时虽然节省时间但精度较低.为提高运算速度和改善结果精度,依据方程组的边界条件提出一种以待求初值为设计变量,由结果误差构造目标函数并求其最小值的直接最优化算法.通过几个典型算例对本文方法和文献已有解法进行了考核,分析比较了不同方法的计算精度和CPU运算时间,结果表明本文方法是高效准确的.     

稠油热采井井筒温度模型研究及应用

在稠油开采过程中,准确地预测井筒温度是选择合适的采油工艺,防止稠油结蜡增黏的基础。采用对流-扩散模型计算油管与抽油杆之间的环空内的流体传热,建立了稠油井井筒加热温度场的二维非稳态数学模型;并使用控制容积法实现模型的数值求解,模拟结果和现场实测井筒温度吻合度较好。通过模型计算,分析了电加热生产和热流体循环加热过程中影响井筒温度的诸多因素。结果表明加热流体的入口温度和流量对井筒温度场影响最明显、热流体的掺入深度存在最优范围、空心杆循环热流体的加热方法优于套管掺液,对提高稠油油井采油效率具有指导意义。     

用接触分热阻讨论接触热阻问题

为预测接触热阻,引入了接触分热阻概念,把接触热阻视为两个接触物体之间接触分热阻的串联,通过建立单热流通道上接触分热阻的截锥体模型及热流通道上的温度分布方程,研究了接触热阻中的三维传热现象。对该模型进行数值求解后得到截锥体接触模型上的温度分布情况,继而通过大量的数值计算,拟合出了一个求解单热流通道上接触分热阻的计算式。研究结果,在较大的范围内该式的计算值同数值解法的结果较为吻合,如果以这样单热流通道作为接触面上的当量单热流通道,则可以预测整个接触面上的接触热阻。     

一类热流耦合模型边界条件的反演计算方法

提出一种裂隙岩体中热流耦合模型边界条件的反演计算方法。基于单裂隙热流耦合模型,利用部分温度观测数据,反演计算出岩体和流体接触边界上的温度、温度梯度和对流换热系数。首先,利用分离变量法将热传导边值问题转化成第一类Fredholm积分方程,然后,基于正则化方法求解积分方程,得到岩体和流体接触边界上的温度和温度梯度,再得到局部换热系数,再利用梯度下降法求解一类无约束优化问题,得到总体对流换热系数,最后,对热流耦合方程进行数值计算。结果表明,提出的计算方法能克服反演问题的不适定性,具有较高的精度和较好的稳定性。     

井筒热流体循环的数学模型及其解析解

井筒热流体循环是适用于开采高凝固点、高粘度原油的一种实用技术。它的数学模型是具有半隐式边界条件的常微分非线性方程组。通常使用的打靶法和共轭函数法不太适合于求解该方程组。在研究中,我们得到了其解析解,并讨论了参数处理和程序设计等应用中遇到的问题。本方法可用于油田开发方案设计和将低温核供热堆应用于油田的可行性研究。     

热流体循环方程组的数值解法

适用于开采特高凝固点油藏的井筒热流体循环工艺数学模型是一种半隐式边界条件的常微分方程组边值问题,称为热流体循环方程组。本文根据这种方程组的特点提出了一种简便易行的数值解法,将二维搜索初值的逐点求解转化为一维搜索,并合理地处理方程中的参数。经实测检验,计算结果符合工程实际。数值方法及其通用程序已用于油田研究高凝油井的产油规律。     

空心抽油杆内密闭热水循环降黏技术

为了提高机采稠油井产出液的温度,降低井筒热量损失,提出采用空心杆内加隔热管的密闭热流体循环降黏工艺,该工艺充分利用循环热水携带的热最以及油套环空的隔热性能,使产出液在井筒中维持较高的温度,起到"保温"效果.基于这一井筒降黏原理,建立该降黏_工艺井筒中各流体流动和换热的数学模型,并进行求解,同时分析产液量、隔热管隔热性能、原油黏度、循环热水量等因素对降黏效果的影响.结果表明,循环降黏工艺能有效维持产出液温度,井筒降黏效果好,且运行成本低,循环热水用量少,节能降耗优势明显.     

相变平板可变热容热阻简化模型研究

针对相变平板的传热问题建立了一种可变热容热阻简化模型,对相变平板凝固、熔化过程的传热特性进行了模拟分析.以相变平板传热数值模型的计算结果为参考,进一步将简化模型计算结果与相变平板传热数值模型的求解结果进行对比分析,结果表明:在凝固或熔化过程中平板温度变化及热流变化与数值计算结果基本一致,其平均温度误差小于0.5℃,热流相对误差小于10%;相变平板可变热容热阻简化模型准确性很好,其计算效率远高于数值模型,在同一台计算机上简化模型的计算时长仅为数值模型的1%左右.     

基于同伦方法的跳跃式再入轨迹优化

采用间接法,以总气动热载荷最小为优化目标,对Apollo型飞行器的月球返回再入轨迹进行优化,同时考虑关于热流密度的二阶状态变量约束. 为了克服基于解决多点边值问题的打靶算法的收敛域小,难以猜测初值以及需预先知道约束结构的难点,提出一种结合自动判断约束结构和初始化对应打靶方程技术的同伦方法. 将一个较简单的无状态约束最优控制问题逐渐过渡到需解决有约束的最优控制问题以完成轨迹优化求解. 数值算例表明,使用该同伦方法可以有效地满足月球返回飞行器最优初始再入段的状态变量约束.      

同井注水采油工艺数值模拟及参数优化

为掌握分层注水采油井井筒内流体温度分布规律,以井底油温和井口注水温度作为边界条件建立了井筒内流体温度计算模型,以注入流量或温度最低为目标,以产液温度不低于防蜡温度为约束条件,建立了工艺参数优化模型,编写了相应的计算程序。对某采注井进行了模拟,结果表明,对于给定注水工况,产液井口温度随产液量增加而降低;随注水温度升高或注水量增加而上升。对于给定注入水温,优化所得最小注水量下产液沿程温度均不低于防蜡温度,对于给定注入流量,亦满足上述结论。结果保证了工艺参数在避免结蜡的前提下大大降低注水加热成本,对稠油经济开采具有重要指导意义。