多孔介质内天然气水合物分解与二次生成机理研究

Hydrate reformation is a major restriction for the safe and efficient natural gas hydrate exploitation. The purpose of this project is to interpret the characters of heat and mass transfer, and the mechanism of gas hydrate reformation during natural gas hydrate dissociation. We intend to develop a tracking experimental platform and a numerical simulation method for the measurement and calculation of hydrate reservoir temperature, pressure and permeability characteristics during natural gas hydrate dissociation. To establish the dynamic balance equation between endothermic hydrate decomposition, heat transfer and exothermic hydrate reformation, we will measure and reveal the influence of endothermic hydrate dissociation on temperature distribution in sediment. The change rule of pressure, sediment frame and permeability characteristics also needs to be interpreted, and finally we will conclude the influence of aerated liquid seepage on gas hydrate dissociation and reformation. The retroaction of gas hydrate reformation on sediment frame, permeability characteristics and pressure distribution in the sediment layer are also analyzed to interpret the interaction of heat and mass transfer with hydrate reformation during the seepage process. We also plan to establish the heat and mass transfer equation for natural gas hydrate dissociation process in sediment, which includes phase change (hydrate dissociation and reformation) and multiple-phase seepage. The hydrate reformation model for natural gas hydrate exploitation process is coupling of hydrate phase equilibrium, hydrate formation induction time and hydrate growth dynamics model. It will provide some basic data and fundamental for natural gas hydrate exploitation.

天然气水合物二次生成是制约其安全、高效开采的重大课题。本项目以解明天然气水合物分解过程沉积层内热质传递特性和水合物二次生成机理为目标，开发水合物分解沉积层温度、压力和渗透特性跟踪测试平台和数值模拟方法，测试水合物分解吸热过程对沉积层温度分布的影响，建立沉积层内水合物分解吸热、介质传热、水合物二次生成放热之间的动态平衡方程；解明分解过程沉积层压力、骨架结构和渗透特性变化规律，确定混气液体渗流对天然气水合物分解与二次生成的影响机理；分析水合物二次生成对沉积层内骨架结构、渗流特性和压力分布的反作用，解明渗流过程热质传递与水合物二次生成的相互影响机制；开发天然气水合物开采沉积层内含相变（水合物分解与二次生成）和多相渗流过程的热质平衡与传递方程，以经典水合物热力学和动力学理论为基础，建立耦合相平衡、生成诱导时间和生长动力学的开采沉积层内天然气水合物二次生成预测模型，为天然气水合物开采提供理论支持。

天然气水合物是一种资源储量大、能量密度高的清洁能源，实现其高效安全开采对于保障国家能源安全具有重要意义。本项目围绕天然气水合物开采过程分解与二次生成机理展开，重点研究了天然气水合物分解及二次生成过程沉积层内传热特性、沉积层压力及渗透特性对天然气水合物分解与二次生成的影响、开采过程中沉积层内天然气水合物二次生成诱导时间特性以及沉积层内天然气水合物二次生成预测模型。开发了水合物分解沉积层温度、压力和渗透特性跟踪测试平台和数值模拟方法，发现了气体运移对孔隙内气-水传质的强化作用，探究了气体运移速率、气体压力、孔隙水饱和度和残余水合物对二次生成特性的影响机制，发现了上述因素对水合物二次生成饱和度具有初期残余水合物主导、后期压力控制的分阶段影响的特征；利用数值模拟方法，研究了气体运移条件水合物生成与二次生成特性，揭示了气体运移速率、气体压力、孔隙水饱和度和残余水合物对水合物生成与二次生成的影响规律。发现了水合物成核诱导时间的不完全随机性，获得多孔介质中甲烷水合物成核诱导时间的对数正态分布规律，提出了诱导时间分布规律与温度、孔隙粒径、初始水饱和度和“记忆效应”等因素的定量分析方法，揭示了不同因素对于水合物成核诱导时间分布的影响机制；引入甲烷水合物成核诱导时间对数正态分布的期望值，改进Kashchiev诱导时间计算模型，修正了模型中与甲烷水合物非均质性成核有效扩散系数相关的动力学参数、以及与有效表面能相关的热力学参数，实现了多孔介质内甲烷水合物生成与二次生成过程中诱导期-生成期全过程的预测。本项目的研究成果为天然气水合物安全、高效开发调控提供了重要支撑。