反应釜内天然气水合物降压分解过程数值模拟研究

摘要

随着传统化石能源的消耗和环境污染日益严重，寻找一种新型清洁能源成为人类关注的主题。天然气水合物是一种类冰的笼形结晶化合物，因其分布广储量大，高能量密度以及燃烧清洁等特点，天然气水合物被认为是一种潜在的具有广泛应用前景的新型清洁能源。我国海域和高原地区有丰富的天然气水合物资源，其储量完全可以支撑我国数百年的能源需求，因此研究多孔介质中天然气水合物的分解过程对于我国的天然气水合物开采具有重要意义。
　　综合考虑目前常用天然气水合物开采方法的可行性和经济性，降压开采法被认为是最有效并最具潜力的开采方法。本文采用TOUGH+HYDRATE数值模拟软件针对实验室尺度下圆柱形反应釜内天然气水合物降压分解过程进行了数值模拟研究，考察了井口压力（结冰和非结冰工况）、反应釜初始压力以及多孔介质导热系数对天然气水合物产气特性和分解机理的影响。分析了反应釜内天然气水合物分解过程中水合物分解释放气量、累积产气量、自由气量、剩余水合物量和产气速率等产气性能参数的变化规律。揭示了反应釜内压力、温度和水合物相饱和度等参数的空间分布特征随时间的变化和对比，以及温度和压力在不同轴向和径向测点随时间的演化规律。
　　计算结果表明，在水合物分解过程中，反应釜内剩余水合物量逐渐降低，水合物分解释放气量和井口累积产气量都逐渐增加，反应釜内自由气量和井口产气速率先快速增加后逐渐降低。反应釜内压力均匀分布，而温度呈梯度分布，降压井附近温度较低，边界处温度较高，水合物界面到边界的距离大于到降压井的距离。非结冰时井口压力越低，水合物分解越快，水合物分解释放气量和井口累积产气量越大。结冰时井口压力越低，反应釜内结冰量越大，井口压力为0.5MPa时，水合物快速分解使得温度迅速降低，储层显热被消耗，降压井周围大量结冰，抑制了水合物分解，导致水合物分解速度、累积产气量以及井口产气速率减小。另外，在水合物分解前期，由于水合物分解气量远大于井口产气量，反应釜内压力升高，降压井附近出现水合物二次生成，释放热量导致温度相应上升。初始压力越低，剩余水合物量下降速度越快，水合物分解释放气量、累积产气量以及井口产气速率越大。多孔介质导热系数越大，储层导热性能越好，使得反应釜内水合物分解变快，产气速率增加，但最终累积产气量相同。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景与意义

1．1．1天然气水合物概述

1．1．2天然气水合物的研究意义

1．2天然气水合物降压开采研究现状

1．2．1天然气水合物降压开采数值模型发展

1．2．2实际地质规模的天然气水合物开采研究

1．2．3实验室规模的天然气水合物开采研究

1．3本文主要研究内容

1．3．1研究目的

1．3．2研究内容

第2章天然气水合物降压分解过程计算模型的建立

2．1天然气水合物数值模拟软件概述

2．2物理模型

2．3数学模型

2．3．1基本假设和简化

2．3．2水合物降压分解的控制方程

2．4网格建立

2．4．1网格无关性检验

2．4．2网格划分

2．5计算条件设置

2．5．1物性参数

2．5．2边界条件与初始条件

2．6数学模型的验证

2．7本章小结

第3章井口压力对水合物分解过程的影响

3．1井口压力对水合物分解产气性能的影响

3．1．1水合物分解释放气量、累积产气量与自由气量的变化

3．1．2反应釜内剩余水合物含量与井口产气速率的变化

3．2水合物分解过程中参数空间分布规律

3．2．1压力和温度的空间分布

3．2．2水合物相、液相和气相饱和度的空间分布

3．3反应釜内压力和温度的变化

3．3．1反应釜内不同位置压力和温度的变化

3．3．2不同井口压力下反应釜内压力和温度的变化

3．4结冰对水合物分解产气性能的影响

3．4．1水合物分解释放气量、累积产气量与自由气量的变化

3．4．2反应釜内剩余水合物含量与井口产气速率的变化

3．4．3水合物分解过程中反应釜内冰含量变化

3．5结冰时水合物分解过程中参数空间分布规律

3．5．1不同时刻下水合物特征参数的空间分布

3．5．2不同井口压力下水合物特征参数空间分布的对比

3．6结冰时反应釜内压力和温度的变化

3．6．1反应釜内不同位置压力和温度的变化

3．6．2不同井口压力下反应釜内压力和温度的变化

3．7本章小结

第4章初始压力对水合物分解过程的影响

4．1初始压力对水合物分解产气性能的影响

4．1．1水合物分解释放气量、累积产气量与自由气量的变化

4．1．2反应釜内剩余水合物含量与井口产气速率的变化

4．2水合物分解过程中特征参数空间分布规律

4．2．1不同时刻下水合物特征参数的空间分布

4．2．2不同初始压力下水合物特征参数空间分布的对比

4．3反应釜内压力和温度的变化

4．3．1反应釜内不同位置压力和温度的变化

4．3．2不同初始压力下反应釜内压力和温度的变化

4．4本章小结

第5章导热系数对水合物分解过程的影响

5．1导热系数对水合物分解产气性能的影响

5．1．1水合物分解释放气量、累积产气量与自由气量的变化

5．1．2反应釜内剩余水合物含量与井口产气速率的变化

5．2水合物分解过程中特征参数空间分布规律

5．2．1不同时刻下水合物特征参数的空间分布

5．2．2不同多孔介质导热系数下水合物特征参数空间分布的对比

5．3反应釜内压力和温度的变化

5．3．1反应釜内不同位置压力和温度的变化

5．3．2不同多孔介质导热系数下反应釜内压力和温度的变化

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢