海洋软土地层水合物开采多相渗流计算模型

张鹏伟; 周洋鑫; 郜文哲; 刘保国

doi:10.11779/CJGE2022S1015

海洋软土地层水合物开采多相渗流计算模型 English Version

北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室, 北京 100044

基金项目:

中央高校基本科研业务费基础研究项目 2022JBMC060

清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室开放基金项目 sklhse-2021-D-03

国家自然基金面上项目 51979144

详细信息

作者简介:
张鹏伟(1990—)，男，工学博士，主要从事多孔介质渗流与多场耦合、能源岩土工程等方面的教学、科研工作。E-mail: zpw12@tsinghua.org.cn

通讯作者:
刘保国, E-mail: bgliu@bjtu.edu.cn

中图分类号: TU43;TE312
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出版历程
- 收稿日期: 2022-09-21
- 网络出版日期: 2023-02-06
- 刊出日期: 2022-11-30

Multiphase flow computational model for extraction of gas hydrates in marine soft soils

Key Laboratory of Urban Underground Engineering of Ministry of Education, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China

摘要

摘要: 天然气水合物是一种储量巨大的非常规清洁能源，其安全、高效开采对于保障我国能源安全意义重大。降压法是目前水合物开采中使用最广、最具前景的一种开采方式。本文针对水合物降压开采中动态多相渗流过程开展理论及数值模拟研究。考虑水合物分解与多相渗流之间的动态耦合，建立了耦合水合物动力学分解与多孔介质非饱和渗流的数学模型，并基于COMSOL多物理场耦合有限元软件进行数值实现。模型通过与Masuda水合物分解试验进行对比验证了有效性。基于数学模型对水合物开采的关键影响因素开展敏感性分析，分析结果表明：水合物饱和度降低速率随储层渗透率、降压幅度的增加而加快。
- 天然气水合物 /
- 降压法 /
- 多相渗流 /
- 相变 /
- 能源岩土工程
Abstract: The gas hydrate is a type of unconventional clean energy with substantial reserves. The successful and safely extraction of gas hydrates is of great significance in guaranteeing the energy safety of China. At present the depressurization method is a kind of the most widely used and promising extraction means for the gas hydrates. The problems of multiphase flow in the reservoir caused by hydrate phase transition are studied theoretically and numerically. Firstly, a mathematical model for coupling the kinetic decomposition of the gas hydrates and the multiphase flow in porous media is established. The proposed model is numerically implemented by the software COMSOL Multiphysics, and its effectiveness is validated through the Masuda's experiments. Then, the sensitivity analysis for the key factors which have impact on the extraction of the gas hydrates is conducted. The results show that the gas production rate increases with the increase of the permeability and pressure drop amplitude.
- gas hydrate /
- depressurization method /
- multiphase flow /
- phase transition /
- energy geotechnics

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图 1 Masuda试验装置示意图和数值模型网格剖分图

Figure 1. Schematic diagram of test device and mesh generation diagram of numerical model

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图 2 水合物分解过程中累产气量变化曲线

Figure 2. Curves of cumulative gas production of gas hydrate decomposition

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图 3 水合物分解过程中压力变化曲线

Figure 3. Curves of pressure change of gas hydrate decomposition

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图 4 不同初始渗透率下的敏感性分析

Figure 4. Sensitivity analysis under different initial permeabilities

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图 5 不同井筒降压大小条件下敏感性分析

Figure 5. Sensitivity analysis under different wellbore depressurization conditions

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表 1 数值模型参数表

Table 1 Parameters of numerical model

物性参数	取值	单位
初始水合物饱和度	0.443	—
初始水饱和度	0.351	—
储层孔隙度	0.182	—
储层绝对渗透率	96.7	mD
初始孔隙压力	3.75	MPa
降压边界压力	2.84	MPa
水合物地层温度	275.45	K
水的密度ρ_w	1000	kg/m³
甲烷天然气密度ρ_g	0.684	kg/m³
水合物密度ρ_h	917	kg/m³
水合物摩尔质量M_h	0.124	kg/mol
甲烷天然气摩尔质量M_g	0.016	kg/mol
水摩尔质量M_w	0.018	kg/mol
气相动力黏度μ_g	1.84×10 ^-5	Pa·s
液相动力黏度μ_w	1.01×10^-5	Pa·s
液相残余饱和度S_wr	0.1	—
气相残余饱和度S_gr	0.05	—
VG模型参数m	0.45	—
初始毛细管力 ${p_{{\text{c0}}}}$	1	kPa

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表 2 敏感性分析参数表

Table 2 Parameters for sensitivity analysis

编号	影响因素	取值	单位
1	初始渗透率	40，60，80，100	mD
2	井筒降压大小	1.5，2.0，2.5，2.84	MPa

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参考文献(13)

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