• Tidak ada hasil yang ditemukan

View of Исследование разностных схем метода крупных частиц применительно к задачам инерционной фильтрации

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2023

Membagikan "View of Исследование разностных схем метода крупных частиц применительно к задачам инерционной фильтрации"

Copied!
6
0
0

Teks penuh

(1)

Исследование разностных схем метода крупных частиц применительно к задачам инерционной фильтрации

Б.Ч. Чечейбаев

Кыргызская Республика, г. Бишкек, КНУ им. Ж. Баласагына

Аннотация

Рассматривается численная модель метода крупных частиц для расчета инерционных фильтрационных течений в пористой среде при использовании современной модели С.А.

Христиановича. Нелинейные свойства разностных схем метода крупных частиц исследуются с помощью метода дифференциальных приближений.

Одним из мощных методов современного вычислительно эксперимента является метод круп- ных частиц Давыдова [1, 2 и др.], с помощью которого успешно решаются сложные задачи механики сплошных и сыпучих сред. Традиционным уравнением подземной гидромеханики, характеризующим процесс фильтрации жидкости, является линейный закон А.Дарси и его обобщения для турбулентного режима. Как показала практика, совпадением данных опыта и численных расчетов, где в качестве динамического уравнения принимался закон А.Дарси, наблюдались только при медленных изменениях давления во времени. Фундаментальные ис- следования в области нефтегазовой подземной гидромеханики выполнены академиком С.А.

Христиановичем. Предложенная им модель фильтрации обобщает закон А.Дарси на случай учета сил инерции, больших градиентов пластового давления во времени, больших градиентов пористости [3 и др.]. Математическая модель фильтрации однородной жидкости в пласте при использовании модели С.А.Христиановича в пласте с переменной эффективной толщиной h(x, y) состоит из уравнения неразрывности, уравнения движения С.А.Христиановича и баро- тропных уравнений состояния для жидкости и пористой среды:

hdρmdt +div(ρmW h) = 0, ρdWdt2(∇P) +βP∇lnm) +µmλ W = 0, (1) ρ = ρ(P), m = m(P). где W = (u, ϑ) - вектор гидродинамической скорости жидкости, ρ- плотность, P- пластовое давление, m - пористость, β - безразмерная постоянная, величина которой зависит от физических параметров пористой среды. Величины ε2, λв уравнении С.А.

Христиановича связаны с коэффициентом проницаемости в модели А. Дарси следующим об- разом:

k=λ·ε2 (2)

Следуя работе [4], приведем алгоритм метода Давыдова для моделирования фильтрацион- ного течения жидкости в пласте при использовании модельного уравнения С.А. Христиановича.

Алгоритм метода Давыдова для расщепления системы (1) состоит из трех этапов.

1. Эйлеров этап.

На этом этапе для каждой расчетной ячейки (i, j) пренебрегаем всеми эффектами, свя- занными с ее перемещениями (отсутствует поток массы через границы ячейки). Тогда из уравнения неразрывности убирается конвективный член, а жидкость предполагается затормо- женной. Исходная система уравнений сводится, таким образом, к единственному соотношению- уравнению Христиановича. Второе уравнение системы (2) для пространственно-двумерного случая фильтрации имеет следующий вид:

ρdudt2(ddPxddmx) +µmλ u= 0, ρdt2(ddPyddmy) + µmλ ϑ= 0 (3)

(2)

Аппроксимируя (3) в момент времени tn , получим следующие разностные соотношения для ячейки (i, j) :

˜

uni,j =uni,j−∆t·(uni,j un

i+12,j−un

i1

2,j

∆x +ϑni,j un

i,j+12 −un

i,j1

2

∆y )−

−∆t

ρni,j2(Pi,jn un

i+12,j−Pn

i1

2,j

∆x +β(P m)ni,j

mn

i,j+12 −mn

i,j1

2

∆x ) + (µm

λ )ni,juni,j], ϑ˜ni,jni,j−∆t·(uni,j

ϑn

i+ 12,j

ϑn

i1 2,j

∆xni,j

ϑn

i,j+ 12

ϑn

i,j1

∆y 2)− (4)

−∆t

ρni,j2(Pi,jn un

i+12,j−Pin1

2,j

∆y +β(P m)ni,j

mn

i,j+12 −mni,j1

2

∆y ) + (µm

λ )ni,juni,j].

где величины с дробными индексами относятся к границам ячейки и равны полусуммам зна- чений в смежных ячейках, например для горизонтальной составляющей скорости имеем

uni+1

2,j = uni,j+uni+1,j

2 .

Таким образом, на первом этапе, в предположении заторможенности поля плотности, по извест- ному на слоеt=tnраспределению гидродинамических величин вычисляются промежуточные значенияu,˜ ϑ˜для центров крупных частиц (эйлеровых ячеек).

2. Лагранжев этап.

На данном этапе вычисляются эффекты переноса, учитывающие обмен между ячейками при их перестройке на прежнюю эйлерову сетку. Здесь находятся потоки массы ∆Mn через границы эйлеровых ячеек за время∆t. При этом предполагается, что вся масса жидкости переносится только за счет нормальной к границе ячейки составляющей скорости. Уравнение неразрывности системы (1) в разностной форме можно записать следующим образом (в предположении, что поток жидкости через ячейку(i, j) направлен слева направо и снизу вверх):

(mhρ)n+1i,j ∆x∆y= (mhρ)ni,j∆x∆y+ ∆Min1

2,J−∆Mi+n 1

2,j+ 4∆Mi,jn1 2

−∆Mi,j+n 1 2

. (5)

Формулы для нахождения потока масс ∆Mn имеют, например, для правой границы (i+12, j) ячейки(i, j) следующий вид:

∆Mn

i+12,j =< ρn

i+12,j ><u˜n

i+12,j >< mn

i+12,j >< hn

i+12,j>∆y∆t (6)

Знак <> означает значения физических величин на границе ячейки. Выбор этих величин имеет важное значение, так как сильно влияет на устойчивость и точность вычислений.

3. Заключительный этап.

На данном этапе происходит перераспределение массы жидкости по эйлеровым ячейкам и определяются поля давления и плотности в новый момент времени. Используя разностный аналог уравнения неразрывности (1), получаем значение плотности для нового временного слояt=tn+1 :

ρn+1i,jni,j+

∆Mn

i1

2,j−∆Mn

i+12,j+ ∆Mn

i,j1

2

−∆Mn

i,j+12

∆x∆y(mh)ni,j (7)

Баротропное уравнение состояния ρ = ρ(P) позволяет вычислить новое значение давления в ячейке: Pi,jn+1 = P(ρn+1i,j ) , где P =P(ρ) - функция, обратная к ρ = ρ(P) . В конце заключи- тельного этапа вычислений полагаем uni,j = ˜uni,j, ϑni,j = ˜ϑni,j.

(3)

Вычислительный цикл, таким образом, закончен. В дальнейшем вся процедура (эйлеров, лагранжев и заключительный этапы метода Давыдова) повторяется по порядку следования этапов для следующего момента времени t=tn+2 и т.д. Одной из актуальных проблем совре- менного численного моделирования является исследование вопросов исследования нелинейных свойств разностных схем (аппроксимации, устойчивости, аппроксимационной вязкости, диспер- сии, бивязкости, бидисперсии и т.д.). Для исследования нелинейных разностных схем метода Давыдова успешно применяется мощный аппарат метода дифференциальных приближений, примененный и развитый автором метода численного моделирования Ю.М. Давыдовым. Ма- тематический аппарат метода дифференциальных приближений изложен в работе [5 и др.].

Дифференциальное приближение занимает промежуточное положение между исходным диф- ференциальным уравнением и аппроксимирующей его разностной схемой. Дифференциальное приближение имеет структуру дифференциального уравнения, но его коэффициенты зависят от параметров рассматриваемой схемы. Таким образом, нулевое дифференциальное приближе- ние сохраняет информацию об исходных уравнениях, а последующие члены разложения более высоких дифференциальных приближений зависят от свойств разностной схемы. Дифферен- циальная структура приближения облегчает аналитические исследования свойств разностной схемы (особенно вопросов устойчивости, образования диссипативного механизма и дисперсии).

Вычисление дифференциальных приближений разностных схем требует проведения сложных, громоздких математических выкладок [5]. Поэтому в целях автоматизации вычислений на ЭВМ в данной работе была использована система аналитических вычислений Reduce-3. Для вычисления на ЭВМ дифференциальных приближений разностных схем будем рассматривать выражения для потока масс через границы ячеек

∆Min1

2,j,∆Mi+n 1

2,j,∆Mi,jn1 2

,∆Mi,j+n 1 2

,

которые определяются следующим образом:

∆Mn

i+12,j =< ρn

i+12,j ><u˜n

i+12,j>< mn

i+12,j >< hn

i+12,j >∆y∆t, (8)

∆Min1

2,j =< ρni1

2,j ><u˜ni1

2,j>< mni1

2,j >< hni1

2,j >∆y∆t, (9)

∆Mi,jn1

2 =< ρni,j1 2

><ϑ˜ni,j1 2

>< mni,j1 2

>< hni,j1 2

>∆x∆t, (10)

∆Mi,j+n 1

2 =< ρni,j+1 2

><ϑ˜ni,j+1 2

>< mni,j+1 2

>< hni,j+1 2

>∆x∆t, (11)

Будем использовать формулы аппроксимации для промежуточных значений скоростей u˜ni,j, ϑ˜ni,j. Определяем поток массыMi−n 1

2,j. Рассмотрим произведение< ρni−1

2,j><u˜ni−1

2,j >на левой границе ячейки (i, j). Подставляя соответствующие выражения, получаем:

< ρni−1

2,J ><u˜ni−1

2,j>= 1 2ρni1

uni1,j+uni,j−∆t(uni1,j

uni,j−uni2,j 2∆x + +uni,juni+1,j−uni1,j

2∆x +ϑni1,jϑni1,j+1−ϑni1,j1

2∆y +ϑni,jϑni,l+1−ϑni−1,j 2∆y )

−1 2∆t

ε2(Pi,jn −Pi−n2,j

2∆x +Pi+1,jn −Pi−n1,j

2∆x +β((P m)ni1,j

mni,j−mni−2,j 2∆x + +(P

m)ni,j

mni+1,j−mni1,j

2∆x + (µm

λ )ni1,juni1,j+ (µm

λ )ni,juni,ji ) +1

2∆t∆x∗ (12)

(4)

ε2(Pi+1,jn −Pin1,j 2∆x + 1

β((P m)ni,j

mni+1,j−mni1,j

2∆x ) + (µm λ )ni,juni,j

Здесь ρi−1

ρ = ρ−ρx∆x+O(∆x2)

ρ = 1−ρx

ρ ∆x+O(∆x2).

Разностные формулы для произведения пористости среды на эффективную толщину пласта для потока жидкости, втекающей в ячейку (i, j) через границу (i− 12, j) в момент времени , определяется следующим выражением:

< mni1

2,j>< hni1

2,j >= 1

4(mni1,j+mni)(hni1,j+hni,j) (13) Отсюда, если учесть выражения (12) и (13), то согласно (9) можно определить поток массы жидкости, втекающей в ячейку (i, j) . Аналогичным образом, рассмотрим поток массы жид- кости, вытекающей из ячейки(i, j)через границу(i+12, j) в момент времениtn. Произведение плотности на промежуточное значение скорости жидкости, вытекающей из ячейки(i, j), имеет следующий вид:

< ρn

i+12,J ><u˜n

i+12,j>= 12ρni,j1n

uni+1,j+uni,j −∆t(uni+1,ju

n i+2,juni,j

2∆x + ϑni+1,jϑ

n

i+1,j+1ϑni+1,j−1

2∆y +uni,ju

n

i+1,juni+1,j

2∆xni,jϑ

n

i,j+1ϑni,j−1 2∆y )

o

12∆tε2(P

n

i+1,jPin−1,j

2∆x +

+P

n i+2,jPi,jn

2∆x +β((mP)ni,j

mni+1,jmni−1,j

2∆x +(mP)ni+1,j

mni+2,jmni,j

2∆x )) + (µmλ )ni,juni+1,ji + +12∆t∆xρρx ∗h

ε2(P

n i+2,jPi,jn

2∆x +β(Pm)ni+1,jm

n

i+2,jmni,j

2∆x ) + (µmλ )ni+1,juni+1,j i

. (14)

Здесь ρni,j

ρni+1,j = ρ

ρ+ρx∆x+O(∆x2) = 1−ρx

ρ ∆x+O(∆x2), (15)

< mni+1

2,j>< hni+1

2,j >= 1

4(mni,j+mni+1,j)(hni,j +hni+1,j).

Принимая во внимание разностные выражения (14) и (15), на основе формулы для вычисления потока жидкости (8) можем определить ∆Mn

i+12,j . Теперь рассмотрим поток жидкости через ячейку(i, j), направленный снизу вверх. Рассмотрим поток массы жидкости ∆Mn

i,j1

2

, втека- ющей в ячейку (i, j) через границу (i, j−12). По аналогии с рассмотренными выше случаями имеем:

< ρn

i,j1

2

><ϑ˜n

i,j1

2

>= 12ρni,j1n

ϑni,jni,j1 −∆t(uni,jϑ

n

i+1,jϑni−1,j

2∆xni,jϑ

n

i,j+1ϑni,j−1

2∆y +

+uni,j1

ϑni+1,j−1ϑni+1,j−1

2∆xni,j1

ϑni,jϑni,j−2 2∆y )

o

12∆t h

ε2(P

n i,jPi,jn−2

2∆y +P

n

i,j+1Pi,jn−1

2∆y +

+β((mP)ni,j1

mni,j−mni,j−2

2∆y + (mP)ni,jm

n

i,j+1−mni,j−1

2∆y + (µmλ )ni,j1ϑni,j1+(µmλ )ni,jϑni,ji

+ρy∆t∆y∗

ε2(Pi,j+1n −Pi,j−n 1

2∆y +β(P m)ni,j

mni,j+1−mni,j−1

2∆y ) + (µm λ )nϑni,j

, (16)

(5)

где

< ρni,j1

2

>=ρni,j1. < mni,j1

2

>< hni,j1

2

>= 1

4(mni,j+mni,j1)(hni,j+hni,j1) (17) Подставляя формулы (15), (17) в (10), можно вычислить поток массы жидкости, идущей снизу вверх и втекающей в ячейку (i, j) через границу (i, j−12). В случае потока, вытекающего из рассматриваемой ячейки (i, j) через границу (i, j+12) , имеем следующее:

< ρn

i,j+12 ><ϑ˜n

i,j+21 >= 12ρni,jn

ϑni,j+1ni,j −∆t(uni,j+1ϑ

n

i+1,j+1ϑni−1,j+1

2∆x +uni,jϑ

n

i+1,jϑni−1,j

2∆x +

ni,j+1ϑ

n i,j+2ϑni,j

2∆yni,jϑ

n

i,j+1ϑni,j−1

2∆y )

o−12∆th ε2(P

n i,j+1Pi,jn

2∆y +P

n

i,j+1Pi,jn−1

2∆y +

+β((mP)ni,j+1m

n

i,j+2mni,j

2∆y + (Pm)ni,j

mni,j+1mni,j−1

2∆y )) +(µmλ )ni,j+1ϑni,j+1+ (µmλ )ni,jϑni,ji + +12∆t∆yρy

h ε2(P

n i,j+2Pi,jn

2∆y +β(Pm)ni,j+1m

n

i,j+2mni,j

2∆y ) + (µmλ )ni,j+1ϑni,j+1i (18) где

< ρni,j+1 2

>=ρni,j < mni,j+1 2

>< hni,j+1 2

>= 1

4(mni,j+mni,j+1)(hni,j +hni,j+1) (19) Учитывая разностные соотношения (18) и (19), согласно (11) можно вычислить дифферен- циальные приближения для потока массы ∆Mn

i,j+12 . Таким образом, для вычисления потока массы жидкости через границы эйлеровых ячеек установлены соотношения∆Mi−n 1

2,j,∆Mn

i+12,j,

∆Mi,jn1

2

, ∆Mn

i,j+12. Для вычисления дифференциальных приближений разностных схем не- обходимо разложить в ряд Тейлора по сеточным параметрам ∆x,∆y,∆t гидродинамические величины P, ρ, u, ϑи параметры пласта m(x, y, t), h(x, y).Алгоритм символьного вычислитель- ного процесса при использовании мощной системы аналитических вычислений Reduce-3 вы- глядит следующим образом:

1) вначале указывается порядок дифференциального приближения с помощью оператора присваивания.

2) описываются процедуры, позволяющие разложить функции в ряд Тейлора по сеточным параметрам ∆x,∆y,∆t; здесь используются операторы цикла конструкции FOR . . . DO, FOR . . . PRODUCT, FOR . . . SUM и т.д.

3) в теле программы осуществляется обращение к процедурам и производится разложение необходимых функций в ряд Тейлора.

4) вычисляются дифференциальные приближения потоков массы ∆Min1

2,j, ∆Mn

i+12,j,

∆Mi,jn1

2

, ∆Mn

i,j+12. Приведем гиперболическую форму первого дифференциального прибли- жения разностных схем метода Давыдова для течений жидкости в горизонтальном пласте в рамках модели фильтрации С.А. Христиановича.

h∂ρm∂t +div(ρmhw) = 12(muρx)xh∆x+12h∆y(mϑρy)y+12∆x(muρxh)x+∆y2 (mϑρyh)y+ +βε2∆t(P hmx)x+βε2∆t(P hmy)y2∆t(Pxhm)x2∆t(Pyhm)y+

+∆t(hρmuux)x+ ∆t(hρmϑϑy)y+µλ∆t(m2hu)x+ µλ∆t(m2hϑ)y+

+∆t(ρuyhmϑ) + ∆t(ρumϑxh)y12∆t∆xβε2ρρx(P hmx)xε22∆t∆xρρx(PXhm)X

+12∆t∆xβε2ρρY(P hmY)Y12∆t∆yρρy(Pyhm)y12∆t∆xµλρρx(hum2)x12∆t∆yρρy(hm2ϑ)y. Здесь толщина пласта является функцией h(x, y) . В случае h = const гиперболическая форма первого дифференциального приближения уравнения неразрывности имеет следующий

(6)

вид:

h∂ρm∂t +hdiv(ρmw) = ∆x2 (muρx)x+∆y2 (mϑρy)y2β∆t(P mx)x+

2(mPx)x∆t+βε2∆t(P my)y2∆t(Pym)y+ ∆t(uuxmρ)x+ ∆t(ϑϑymρ)y+ +µλ∆t(m2u)x+∆tλ µ(m2ϑ)y + ∆t(ϑuymρ)x+ ∆t(uϑxmρ)y12βε2∆t∆xρρx(mXP)X

12∆t∆xε2ρρx(Pxm)x12βε2∆t∆yρρy(myP)y12ε2∆t∆xρρy(mPy)y12∆t∆x(uuxx)x

1

2∆t∆y(ϑϑyy)y12∆t∆x(uyϑmρx)x− −12∆t∆x(uϑxy)y12∆t∆yµλρρy(m2ϑ)y.

Далее, используя гиперболическую форму первого дифференциального приближения, мож- но получить параболическую форму первого дифференциального приближения и найти эле- менты матриц аппроксимационных вязкости и дисперсии. Составленная и прошедшая тест программа на языке аналитических вычислений Reduce-3 позволяет найти получить диффе- ренциальные приближения метода Давыдова n-го порядка.

Список литературы

[1] Давыдов Ю.М. Крупных частиц метод. В кн.: Математический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1988. - С. 303-304.

[2] Yuri M. Davydov. Large-Particle Method. - In.: Encyclopaedia of Mathematics, vol. 5. - Dor- drecht/Boston/London: Kluwer academic publishers, 1990, p.p. 358-360.

[3] Христианович С.А. Избранные работы. Речная гидравлика. Теория фильтрации.

Аэродинамика и газовая динамика. Горное дело. Теория пластичности. Энергетика. - М.:

Наука - МФТИ, 1998. - 336 с.

[4] Давыдов Ю.М., Чечейбаев А.Б. Моделирование фильтрационных течений в пласте методом крупных частиц при различных моделях фильтрации. / В кн.: Математическое моделирование систем и процессов. Сб. научных трудов. - Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 2000. - С. 66-78.

[5] Давыдов Ю.М., Чечейбаев Б., Котельников В.А. и др.Исследование актуальных проблем механики и машиностроения. /Под ред. Ю.М. Давыдова, в 5-ти томах. - М.: Национальная Академия прикладных наук РФ, 1995. - 1658 с.

[6] Чечейбаев А.Б. Дифференциальные приближения второго порядка разностных схем метода Давыдова для расчета фильтрационных течений. / В кн.: Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса. -М.: Мин-во общего и профессионального образования РФ, РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина 2001. - С. 65.

Referensi

Dokumen terkait

Суть предлагаемого метода решения задач оптимальной фильтрации состоит в том, что для объекта управления описываемого уравнением 1 найти необходимое и доста- точное условия

Гнойно-воспалительные про- цессы челюстно-лицевой области по сравне- нию с гнойно-воспалительными процессами другой локализации имеют существенные от- личия, которые определяются прежде