多孔介质含天然气水合物多相流动LBM模拟

摘要

天然气水合物作为新世纪最重要的清洁能源之一，因其热值高、储量丰富，受到全世界广泛关注和研究。自然界中天然气水合物主要存在于永久冻土带沉积层或海底沉积物中，储存地质条件复杂，对其进行合理安全开采成为众多研究人员关注的热点。水合物藏开采是涉及传热、传质和动力学反应的复杂过程，影响因素众多，其中含水合物沉积物中的气、液、固多相流动规律直接影响了传热和传质方式以及效率，也是选择水合物开采方案和确定开采效率的基础。因此研究天然气水合物在沉积层中多相流动机理问题，对于天然气水合物的开采而言有着很重要的现实意义。 基于介观方法进行数值模拟，在matlab中用四参数生长法重构二维多孔介质，同时在生成的多孔介质中加入水合物，采用LBM即格子Boltzmann方法（lattice Boltzmann method）中的D2Q9模型与Shan-Chen模型分别模拟甲烷气体单相流与气液两相流动，研究了多孔介质中甲烷单相流、含水合物单相流、气液两相流以及含水合物气液两相流四种情况，可以得到不同参数下气液相对渗透率的变化规律。结论如下： （1）单相流动时，当多孔介质的孔隙率逐渐增大时，甲烷气体的流体渗透率也随之增大，说明多孔介质连通性对甲烷气体的流动有一定的影响。并且孔隙率越大，流通性越好。基于此结论联系实际，我们可以通过改善地层沉积物的孔隙率提高天然气水合物的开采量，如通过注孔增大地层沉积物的孔隙率等。 （2）含水合物单相流动时，设定不同的水合物饱和度，对甲烷气体的渗透率进行计算得到随着水合物饱和度的改变甲烷相对渗透率变化曲线。通过变化曲线可以得知，当多孔介质孔隙率不变时，甲烷相对渗透率随甲烷饱和度的增加呈指数递减，水合物对甲烷相对渗透率的影响较大。分析原因是水合物生成于孔隙中心，使得流动通道变得相对狭窄，甲烷气体的流速减小、相渗透率降低，从而改变了甲烷绝对渗透率。并且多孔介质孔隙率的变化不影响甲烷相对渗透率随水合物饱和度变化曲线，分析原因是孔隙率增大或减小时，加水合物与不加水合物时甲烷的绝对渗透率同增同减，且变化程度接近，因此甲烷相对渗透率的比值几乎不发生变化，所以孔隙率的改变并不影响甲烷相对渗透率曲线偏移。 （3）含水合物气液两相流动时，孔隙由水合物、甲烷和水占据。水合物饱和度不变，通过改变甲烷饱和度可以气液相对渗透率随甲烷饱和度变化曲线，同时，改变水合物饱和度可以得到水合物饱和度对气液相对渗透率的影响。甲烷饱和度较低时，水相对渗透率几乎不变，随着甲烷饱和度的增大，水相对渗透率降低的速度较快，同时甲烷相对渗透率在增大。还可以得到，改变水合物饱和度会使得气、液相对渗透率曲线发生偏移，水合物饱和度越高，气、液相对渗透率曲线偏移程度越大。分析原因是当甲烷饱和度不变时，水合物饱和度增加使得流动通道变得更为狭窄复杂，气液流速相对减小，水合物饱和度和气液两相流动对相渗透率值的影响叠加，使得气液相渗透率值的变化程度高于单相流动时绝对渗透率值的变化程度，得到的气、液相对渗透率的比值会减小，从而使得气、液相对渗透率随甲烷饱和度变化的曲线发生偏移，水合物饱和度越大，偏移程度越大。

目录

第一个书签之前

摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1多孔介质重构研究进展

1.2.2多孔介质多相流动研究进展

1.2.3含水合物多孔介质多相流动研究进展

1.3研究主要内容及技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

第二章 多孔介质的重建方法

2.1多孔介质模型及渗透性

2.1.1多孔介质特性

2.1.2传统多孔介质重构模型

2.1.3多孔介质的渗透性

2.2四参数随机生长法QSGS

2.2.1四参数生长法原理

2.2.2四参数生长法步骤

2.2.3四参数生长法程序流程图

2.3各参数对重构多孔介质的影响

2.3.1孔隙率对重构多孔介质的影响

2.3.2初始生长概率对重构多孔介质的影响

2.3.3方向生长概率对重构多孔介质的影响

2.4在重构多孔介质模型中放置水合物

2.5本章小结

第三章 二维多孔介质含水合物单相流模拟

3.1格子Boltzmann方法简介

3.1.1格子Boltzmann方法的发展

3.1.2格子Boltzmann方法原理与基本模型

3.1.3格子Boltzmann方法程序实现

3.1.4格子Boltzmann方法特点

3.2格子Boltzmann方法常用边界条件

3.2.1周期性边界处理格式

3.2.2 反弹边界处理格式

3.2.3对称边界处理格式

3.2.4反弹与镜面反射混合格式

3.2.5压力边界处理格式

3.3多孔介质流体渗透率计算模型

3.3.1渗透率计算公式

3.3.2参考量单位转换

3.4不含水合物单相流模拟

3.4.1甲烷气体单相流模拟

3.4.2不同孔隙率对渗透率的影响

3.5含水合物单相流模拟

3.6本章总结

第四章 二维多孔介质含水合物气液两相流模拟

4.1多相多组分LBM模型

4.1.1颜色模型

4.1.2自由能模型

4.1.3Shan-Chen模型

4.2气液两相流动模拟

4.3含水合物两相流动模拟

4.3.1含水合物气液两相流模拟

4.3.2甲烷饱和度对相对渗透率的影响

4.4本章总结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文