基于孔隙网络模型的天然气水合物分解特性模拟研究

天然气水合物具有储量巨大，燃烧清洁且能量密度高的优点，是一种新的可替代能源，在自然界中主要储藏在海底沉积层及永久冻土带，复杂的地质环境给水合物的开采造成了严重的困难。水合物的开采是一个复杂的过程，影响因素众多，而分解过程中气、水两相流动将极大的影响水合物的分解过程，准确确定多孔介质中水合物饱和度与渗透率之间的关系，对于正确的进行天然气水合物开采评价无疑具有重要的借鉴意义。本研究拟通过采用微观的数值模拟研究方法，探寻采用孔隙网络模型和渗流力学理论来模拟多孔介质中的天然气水合物分解过程，对天然气水合物分解过程中的气、水两相流动及对水合物的分解过程的影响进行研究，考察在不同的孔隙率，不同的水合物饱和度条件、不同的孔隙结构以及水合物在孔隙中不同的位置生成时气、水两相相对渗透率的变化，研究水合物分解过程中水合物分解动力学、热量传递以及多相流动控制机理，为水合物开采方法及开采技术的确定提供理论支持。

天然气水合物作为一种储量巨大、燃烧清洁且能量密度高的可替代能源，在自然界中主要储藏在海底沉积层及永久冻土带，复杂的地质环境给水合物的开采造成了严重的困难。水合物的开采是一个复杂的过程，影响因素众多，而分解过程中气、水两相流动将极大的影响水合物的分解过程，本研究通过采用数值模拟与实验相结合的研究方法，从微观角度出发探寻采用孔隙网络模型和渗流力学理论来模拟多孔介质中的天然气水合物分解过程，得出以下研究结论：. 通过采用通入过量气体提高水转化率的定容合成天然气水合物实验方法，较大程度上避免了在测量过程中水合物的生成和分解，利用天然气测量了恒温恒压恒流条件下含不同水合物饱和度时多孔介质的绝对渗透率，通过与当前通用模型的比较，发现与Masuda渗透率模型拟合较好。. 建立了三维立方体孔隙网络模型，研究了孔径分布对水合物相平衡的影响，采用达西定律作为研究的理论基础，结合流体力学研究方法，模拟了水合物在多孔介质中不同位置生成时导致的渗透率变化，研究结果标明，水合物在孔隙中心生成时与实验数据吻合较好；模拟研究了四种不同ξ（喉道直径分布平均方差）值时含水合物多孔介质绝对渗透率变化，Sh（水合物饱和度）<0.4时，随着ξ的增大，渗透率下降较快；而当Sh>0.4后，ξ变化对渗透率影响较小。. 同时研究了不同的孔隙率，不同的水合物饱和度条件以及水合物在孔隙中不同的位置生成时气、水两相相对渗透率的变化，当水合物在孔隙壁面生成时，两相相对渗透率下降较慢，而水合物在孔隙中心生成时，渗透率下降较快，且在壁面生成时的两相渗透率等渗点高于中心生成时，同时发现水合物无论在中心还是在壁面生成，气、液两相渗透率都不随孔隙率及水合物饱和度的变化而变化。. 对微观尺度下多孔介质中天然气水合物分解特性进行了影响因素敏感性分析，结果表明，水合物分解速度常数、多孔介质孔隙率、初始温度、出口压力、初始饱和度等均会影响多孔介质中天然气水合物分解速率，而多孔介质孔隙分布对分解速率影响不大。. 本课题通过实验和数值模拟相结合研究了多孔介质中水合物饱和度与渗透率之间的关系及水合物分解特性，对于正确的进行天然气水合物开采评价具有重要的借鉴意义，为水合物开采方法及开采技术的确定提供理论支持。