沉积物中天然气水合物分解过程中的气液固多相渗流机理研究

The phase change and multiphase flow during natural gas hydrate dissoication in sediment is a difficult issue for production technique of natural gas hydrate. And the multiphase flow with solid phase migration in sediment is a one of the most important problems for the safety of gas production from hydrate. In this project, the flow field, the temperature distribution, the pressure distribution, the hydrate distribution, the gas production, the water production, and the sand production during hydrate dissociation in sediment from the South China Sea are measured by experiments in an existing three-dimensional hydrate simulator and a smaller but improved three-dimensional hydrate simulator. Meanwhile, the morphology of sediment change during hydrate dissociation is investigated by opening the hydrate simulator and sampling. Furthermore, the principles of gas-liquid-solid multiphase flow in sediment during hydrate dissociation are studied. The models of multiphase flow in sediment during hydrate dissociation are built. Moreover, the models are verified and revised by comparing the results of three-dimensional hydrate dissociation experiments with the results of numerical simulation by using the revised THOUGH-HYDRATE which embeds the new model of gas- liquid-solid multiphase flow. Eventually, a theory for describing multiphase flow in sediment during hydrate dissociation is given. The results from this project are provided basic data and theoretical support for gas exploitation from hydrate reservoir in the South China Sea.

沉积物中天然气水合物分解时的复杂多相渗流问题是天然气水合物开采技术中的一个难点。并且水合物分解过程中的沉积物骨架在相变渗流影响下的变化规律是影响水合物开采安全性的关键问题。本项目利用实验室已有的三维天然气水合物模拟开采实验系统，配合一个新设计的较小型更灵活的反应釜，实验测定实际南海沉积物中水合物分解过程中的渗流场、温度场、压力场、水合物分布场以及产气、产水、产沙量等特性参数，并且通过开釜取样的方式研究水合物分解过程中沉积物固态骨架的形态学变化。进而研究水合物分解过程的气-固-液多相渗流规律，建立含固相迁移的水合物分解气固液相变渗流模型。通过沉积物中水合物三维分解相变渗流实验与嵌入了含固相迁移的相变渗流模型的THOUGH-HYDRATE数值模拟结果对比，验证并修正模型参数，建立描述水合物开采过程中的气液固相变渗流理论。本项目研究将为我国海洋NGH开采提供基础数据和理论支持。

沉积物中天然气水合物分解时的复杂多相渗流问题是天然气水合物开采技术中的一个难点。并且水合物分解过程中的沉积物骨架在相变渗流影响下的变化规律是影响水合物开采安全性的关键问题。本项目利用实验室已有的三维天然气水合物模拟开采实验系统，配合一个新设计的较小型更灵活的反应釜，实验测定实际南海沉积物中水合物分解过程中的渗流场、温度场、压力场、水合物分布场以及产气、产水、产沙量等特性参数。实验结果表明：（1）水平井分解水合物的效果优于垂直井。（2）当水合物饱和度大于32.4%时，注入的热量对水合物分解起着主导作用。（3）水合物注热温度通过最小熵增原理确定最优注热温度为38-39 C。（4）水合物矿藏压力降至四相点以下后会导致冰的生成，而冰生成所释放的潜热，有助于水合物的分解。所以，四相点以下水合物分解速率大大加快。建立了天然气水合物在多孔介质中分解过程的传热传质解析方程并获得解析解，利用体积为117.8 升的中试规模三维水合物开采模拟装置进行实验验证，实验结果与方程解出的解析解结果有较好的吻合。而在降压结合注热法的开采过程中，发现了降压与注热分解作用的双移动分解界面。并且在此过程中发现并证实了降压驱动力与注热驱动力在结合法中对水合物的分解的协同效应。通过将水合物分解相关传热传质多相流本构方程无量纲化，建立水合物开采相似理论方程，提出27个相似参数，并通过大中小三套不同尺寸的水合物开采实验装置，对相似准则进行修正。利用修正后的相似参数，将实验室结果放大到实际地藏尺寸中上，放大结果与日本南海水合物试开采结果吻合。并且通过开釜取样的方式研究水合物分解过程中沉积物固态骨架的形态学变化，首次发现了水合物分解会产生收缩多孔介质孔隙的“固结效应”。最后开展了珠江口盆地16站位开采天然气水合物的数值模拟研究，结果表明该站位开采潜力较大。本项目研究将为我国海洋天然气水合物开采提供基础数据和理论支持。