CN109243540B - 水合物分解气体释放速率的计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水合物分解气体释放速率的计算方法及装置,所述方法包含：根据水合物分解所需三阶段物理过程的本征动力学特征，建立水合物三阶段分解本征动力学模型；获取水合物分解初始时系统内水合物的量以及分解反应开始后的实时温度和压力数据；根据实时温度和压力数据，应用热力学相平衡理论，计算获得客体分子的热力学数据；根据所述水合物的量、所述实时温度和压力数据、所述客体分子的热力学数据与所述水合物三阶段分解本征动力学模型计算获得水合物分解气体释放速率。
Description
技术领域
本发明涉及水合物研究领域，尤指一种水合物分解气体释放速率的计算方法及装置。
背景技术
气体水合物是水与甲烷、乙烷、CO2等小分子气体在高压、低温条件下形成的非化学计量性的笼形晶体物质，又被称为笼形水合物。形成水合物的水分子被称为主体，主体水分子之间通过氢键相互连接，形成一些多面体的笼形空腔。形成水合物的其他组成分子被称为客体分子，尺寸合适的客体分子可填充在这些笼形空腔内，使其具有稳定性。空的水合物笼子像是一个高效的气体储存装置，将小分子的客体分子储存其中。每立方米的水合物最多可以储存180立方米的天然气。
天然气水合物储量巨大，被公认为21世纪重要的后续能源，其有机碳储量相当于全球已探明矿物燃料的两倍。2017年5月我国在南海神狐海域，通过降压技术成功地实现连续开采海底可燃冰(天然气水合物)60天。几乎同时，中国海洋石油集团有限公司在全球首次成功实施海洋非成岩可燃冰固态流化试采。目前可燃冰开采的主要方法包括：降压、热激法、注入化学药剂、CO2-CH4置换、固态流化及多法联用等技术。以上开采技术均是通过采取不同措施，使深海可燃冰满足分解条件，进而释放天然气的过程。因此准确预测不同条件下天然气水合物的分解速率及天然气释放速率就显得尤为关键。
其次，水合物与油气田的生产紧密相关。随着石油工业的发展，钻井、采油以及油气输送等领域向深海延伸。海底管道尤其是海底集输管道，通常为油气水多相混输管道。水合物在深水井筒和管道中生成、分解，极易造成管道的堵塞和破坏。水合物浆液输送技术逐渐被石油工业和国内外研究人员所关注。在多相输送的油气混输体系中，水合物会随着管道内压力和温度的变化而形成或分解。要准确的预测管道内的水合物的生成量，需要对水合物分解速率进行准确的计算。同时，水合物分解速率的准确预测也是水合物冻堵移除的重要理论基础。
另外，科学家利用水合物独特的物理化学性质也开发了一系列新技术，所开发的高新技术涉及水资源、环保、油气储运、气候等领域。其中典型的有水合物法淡化海水以补充淡水资源；水合物法储存、运输天然气；水合物法制冷等领域。而这些领域中，水合物的分解速率地准确预测是其工业化大范围应用的必备条件。
发明内容
本发明目的在于提供一种水合物分解气体释放速率的计算方法及装置，以实现水合物分解气体释放速率的预测，主要应用于可燃冰矿藏开发、油气输送管道内水合物冻堵和移除、水合物浆液风险控制法、天然气水合物储运技术及水合物分离等方向。
为达上述目的，本发明所提供的水合物分解气体释放速率的计算方法具体包含：根据水合物分解所需三阶段物理过程的本征动力学特征，建立水合物三阶段分解本征动力学模型；获取水合物分解初始时系统内水合物的量以及分解反应开始后的实时温度和压力数据；根据实时温度和压力数据，应用热力学相平衡理论，计算获得客体分子的热力学数据；根据所述水合物的量、所述实时温度和压力数据、所述客体分子的热力学数据与所述水合物三阶段分解本征动力学模型计算获得水合物分解气体释放速率。
在上述水合物分解气体释放速率的计算方法中，优选的，所述客体分子的相关热力学数据包含：客体分子的物性参数表、水合物生成曲线、三相平衡逸度和不同温度压力状态下的逸度。
在上述水合物分解气体释放速率的计算方法中，优选的，所述根据水合物分解所需三阶段物理过程的本征动力学特征，建立水合物三阶段分解本征动力学模型包含：根据水合物分解三阶段物理过程的本征动力学特征，包括及水合物分解过程的客体分子析出、水合物空晶格破裂以及客体分子向外扩散的三个阶段物理过程，建立水合物三阶段分解本征动力学模型。
在上述水合物分解气体释放速率的计算方法中，优选的，所述水合物三阶段分解本征动力学模型包含：
在上式中，
为水合物分解过程中客体分子的释放速率，其中下标g、W、D分别代表客体分子析出速率、水合物空晶格破裂速率以及客体分子向外传质扩散速率；A为固态水合物相和液相的界面面积；Ag为水合物相表面被客体分子所占据的表面积；β为水合物中气水摩尔数之比。
在上述水合物分解气体释放速率的计算方法中，优选的，所述客体分子析出速率通过以下公式计算获得：
在上式中，
为客体分子析出速率；Dg L为客体分子在水中的扩散系数；ag为客体分子临近液相层的厚度，Λg为客体分子向外扩散的平均自由路径距离；feq为体系实时温度对应平衡压力条件下客体分子的逸度；f为体系实时温度、压力条件下客体分子的逸度；χg为客体分子在固态水合物中的摩尔浓度。
在上述水合物分解气体释放速率的计算方法中，优选的，所述水合物空晶格破裂速率通过以下公式计算获得：
在上式中，
为水合物空晶格破裂速率；DW L为水分子在水中的自扩散系数；aW为水分子临近液相层的厚度，ΛW为水分子向临近液相扩散的平均自由路径距离；
为水分子由空晶格状态转化为液相分子状态的焓变；T为体系所处的温度；T*为体系所处的压力所对应的平衡温度；R为理想气体常数；
为水分子在固态水合物中的摩尔浓度。
在上述水合物分解气体释放速率的计算方法中，优选的，所述客体分子向外传质扩散速率通过以下公式计算获得：
在上式中，
为客体分子向外传质扩散速率；kL为客体分子向外的扩散传质系数；△c为客体分子在水合物边界层与外界的浓度差。
在上述水合物分解气体释放速率的计算方法中，优选的，所述固态水合物相和液相的界面面积通过水合物相的质量和水合物粒径分布计算获得。
在上述水合物分解气体释放速率的计算方法中，优选的，所述水合物相表面被客体分子所占据的表面积和所述水合物中气水摩尔数之比均通过相平衡计算获得。
本发明还提供一种水合物分解气体释放速率的计算装置，所述装置包含模型构件模块、采集模块、计算模块和预测模块；所述模型构件模块用于根据水合物分解所需三阶段物理过程的本征动力学特征，建立水合物三阶段分解本征动力学模型；所述采集模块用于获取水合物分解初始时系统内水合物的量以及分解反应开始后的实时温度和压力数据；所述计算模块用于根据实时温度和压力数据，应用热力学相平衡理论，计算获得客体分子的热力学数据；所述预测模块用于根据所述水合物的量、所述实时温度和压力数据、所述客体分子的热力学数据与所述水合物三阶段分解本征动力学模型计算获得水合物分解气体释放速率。
本发明的有益技术效果在于：利用该预测方法可实现对天然气水合物分解过程中客体分子释放速率的计算和预测；应用于可燃冰开发领域时，可对可燃冰开采产量进行预测，有助于促进可燃冰开采商业化进程。同时也有助于实现对混输管道水合物流动安全保障,也可作为深入开展水合物矿开采，应用水合物作为媒介储存与运输气体、净化与分离气体，以及应用水合物浆液输送气体等技术研究的基础。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为本发明所提供的水合物分解速率的计算方法的流程示意图；
图2至图6为本发明实施例所提供的实验条件下甲烷水合物分解过程中水合物内甲烷留存量模拟数据与实验数据比较示意图；
图7为本发明所提供的水合物分解速率的计算装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
请参考图1所示，本发明所提供的水合物分解气体释放速率的计算方法具体包含：S101根据水合物分解所需三阶段物理过程的本征动力学特征，建立水合物三阶段分解本征动力学模型；S102获取水合物分解初始时系统内水合物的量以及分解反应开始后的实时温度和压力数据；S103根据实时温度和压力数据，应用热力学相平衡理论，计算获得客体分子的热力学数据；S104根据所述水合物的量、所述实时温度和压力数据、所述客体分子的热力学数据与所述水合物三阶段分解本征动力学模型计算获得水合物分解气体释放速率。其中，所述客体分子的相关热力学数据包含：客体分子的物性参数表、水合物生成曲线、三相平衡逸度和不同温度压力状态下的逸度。因此，通过该水合物分解气体释放速率的计算方法可实现对水合物分解过程中水合物分解速率、客体分子(如甲烷、乙烷、氢气、四氢呋喃等)释放速率的预测，对深海可燃冰矿藏开发、油气输送管道内水合物冻堵和移除、水合物浆液风险控制法、天然气水合物储运技术及水合物分离等方面的研究和工业推广应用，具有重要的意义。在上述实施例中步骤S101还包含：根据水合物分解所需三阶段物理过程的本征动力学特征，包括水合物分解过程的客体分子析出、水合物空晶格破裂以及客体分子向外扩散的三个阶段物理过程，建立水合物三阶段分解本征动力学模型。其中，所述固态水合物相和液相的界面面积通过水合物相的质量和水合物粒径分布计算获得；所述水合物相表面被客体分子所占据的表面积和所述水合物中气水摩尔数之比均通过相平衡计算获得；具体拟合方法为现有技术中常用拟合技术，本发明在此就不再一一介绍。
在实际工作中，上述实施例主要采取的技术方案是通过基于水合物相平衡理论、动力学理论及水合物分解所需三阶段物理过程的本征动力学特征，建立的水合物三阶段分解动力学机理模型来求解水合物分解气体释放速率；具体流程如下：1、首先依据水合物分解所需三阶段物理过程的本征动力学特征，包括水合物分解过程的客体分子析出、水合物空晶格破裂以及客体分子向外扩散的三个阶段物理过程，建立水合物三阶段分解本征动力学模型，并利用相关实验数据对其相应参数数值进行拟合；2、获取水合物分解初始时系统内水合物的量以及分解反应开始后的实时温度、压力数据；3、根据实时温度和压力数据，基于成熟的热力学相平衡理论，计算客体分子的物性参数表、水合物生成曲线、三相平衡逸度和不同温度压力状态下的逸度；4、利用以上确定的各参数结合之前所建立的水合物三阶段分解本征动力学模型进行计算，得到水合物分解气体释放速率。具体的，所述建立水合物三阶段分解本征动力学模型主要是依据水合物分解所需三阶段物理过程的本征动力学特征，包括水合物分解过程的客体分子析出、水合物空晶格破裂以及客体分子向外扩散的三个阶段物理过程，建立水合物三阶段分解本征动力学模型(见式1)，并利用相关实验数据对其相应参数数值进行拟合；
在上式中，
为水合物分解过程中客体分子的释放速率，其中下标g、W、D分别代表客体分子析出速率、水合物空晶格破裂的反应速率以及客体分子向外传质扩散速率；A为固态水合物相和液相的界面面积；Ag为水合物相表面被客体分子所占据的表面积；β为水合物中气水摩尔数之比。
对于客体分子从水分子笼形结构析出的过程，采用(式2)计算该过程的客体分子析出速率。
其中，
为客体分子析出速率；Dg L(为客体分子在水中的扩散系数；ag为临近液相层的厚度，Λg为客体分子向外扩散的平均自由路径距离；feq为该温度对应平衡压力条件下客体分子的逸度；f为该温度、压力条件下客体分子的逸度；
为客体分子在固态水合物中的摩尔浓度。
对于水分子笼形结构破裂的过程，采用(式3)计算该过程的水合物空晶格破裂速率。
其中，
为水合物空晶格破裂速率；DW L为水分子在水中的自扩散系数；aW为临近液相层的厚度，ΛW为水分子向临近液相扩散的平均自由路径距离；
为水分子由空晶格状态转化为液相分子状态的焓变；T为体系所处的温度；T*为体系所处的压力所对应的平衡温度；R为理想气体常数，取8.314；
为水分子在固态水合物中的摩尔浓度。
对于客体分子向外传质扩散速率，采用(式4)计算该过程的客体分子向外传质扩散速率。
其中，
为客体分子向外传质扩散速率；kL为客体分子向外的扩散传质系数；△c为客体分子在水合物边界层与外界的浓度差。
在以上计算所需的参数中，水合物相与液相的界面面积，根据水合物相的质量和水合物粒径分布计算得到；体系所处的温度和压力，通过相关仪器仪表测量得到；客体分子在水中的扩散系数、该温度对应平衡压力条件下客体分子的逸度、该温度压力条件下客体分子的逸度、客体分子在固态水合物中的摩尔浓度、水分子在水中的自扩散系数、水分子由空晶格状态转化为液相分子状态的焓变、体系所处的压力所对应的平衡温度、水分子在固态水合物中的摩尔浓度等参数，均可通过水合物相平衡理论计算得到。
最后即可利用以上确定的各参数结合之间所建立的水合物分解本征动力学方程进行计算，得到天然气水合物分解气体释放速率。
请结合下表1参考图2至图6所示，利用本发明所提供的水合物分解速率的计算方法，以甲烷水合物分解过程中水合物内甲烷留存量为例进行模拟计算获得模拟数据；将该模拟数据与实际实验数据做比较来进一步验证本发明所提供的水合物分解速率的计算方法的准确性。由图2至图6可看出，该模型误差较小，最大偏差低于5％，可满足工程需求。
表1
请参考图7所示，本发明还提供一种水合物分解速率的计算装置，所述装置包含模型构件模块701、采集模块702、计算模块703和预测模块704；所述模型构件模块701用于根据水合物分解所需三阶段物理过程的本征动力学特征，建立水合物三阶段分解本征动力学模型；所述实验模块702用于获取水合物分解初始时系统内水合物的量以及分解反应开始后的实时温度和压力数据；所述采集模块703用于根据实时温度和压力数据，应用热力学相平衡理论，计算获得客体分子的相关热力学数据；所述计算模块704用于根据所述水合物的量、所述实时温度和压力数据、所述客体分子的热力学数据与所述水合物三阶段分解本征动力学模型计算获得水合物分解气体释放速率。
本发明的有益技术效果在于：利用该预测方法可实现对天然气水合物分解过程中客体分子释放速率的计算和预测；应用于可燃冰开发领域时，可对可燃冰开采产量进行预测，有助于促进可燃冰开采商业化进程。同时也有助于实现对混输管道水合物流动安全保障,也可作为深入开展水合物矿开采，应用水合物作为媒介储存与运输气体、净化与分离气体，以及应用水合物浆液输送气体等技术研究的基础。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种水合物分解气体释放速率的计算方法，其特征在于，所述方法包含：
根据水合物分解所需三阶段物理过程的本征动力学特征，建立水合物三阶段分解本征动力学模型；
获取水合物分解初始时系统内水合物的量以及分解反应开始后的实时温度和压力数据；
根据实时温度和压力数据，应用热力学相平衡理论，计算获得客体分子的热力学数据；
根据所述水合物的量、所述实时温度和压力数据、所述客体分子的热力学数据与所述水合物三阶段分解本征动力学方程计算获得水合物分解气体释放速率；
所述根据水合物分解所需三阶段物理过程的本征动力学特征，建立水合物三阶段分解本征动力学模型包含：根据水合物分解三阶段物理过程的本征动力学特征，包括水合物分解过程的客体分子析出、水合物空晶格破裂以及客体分子向外扩散的三个阶段物理过程，建立水合物三阶段分解本征动力学模型；
所述水合物三阶段分解本征动力学模型包含：
在上式中，
为水合物分解过程中客体分子的释放速率，其中下标g、W、D分别代表客体分子析出速率、水合物空晶格破裂速率以及客体分子向外传质扩散速率；A为固态水合物相和液相的界面面积；Ag为水合物相表面被客体分子所占据的表面积；β为水合物中气水摩尔数之比。
2.根据权利要求1所述的水合物分解气体释放速率的计算方法,其特征在于，所述客体分子的相关热力学数据包含：客体分子的物性参数表、水合物生成曲线、三相平衡逸度和不同温度压力状态下的逸度。
3.根据权利要求1所述的水合物分解气体释放速率的计算方法,其特征在于，所述客体分子析出速率通过以下公式计算获得：
在上式中，
为客体分子析出速率；Dg L为客体分子在水中的扩散系数；ag为客体分子临近液相层的厚度，Λg为客体分子向外扩散的平均自由路径距离；feq为体系实时温度对应平衡压力条件下客体分子的逸度；f为体系实时温度、压力条件下客体分子的逸度；χg为客体分子在固态水合物中的摩尔浓度。
4.根据权利要求1所述的水合物分解气体释放速率的计算方法,其特征在于，所述水合物空晶格破裂速率通过以下公式计算获得：
在上式中，
为水合物空晶格破裂速率；
为水分子在水中的自扩散系数；aW为水分子临近液相层的厚度，ΛW为水分子向临近液相扩散的平均自由路径距离；
为水分子由空晶格状态转化为液相分子状态的焓变；T为体系所处的温度；T*为体系所处的压力所对应的平衡温度；R为理想气体常数；χW为水分子在固态水合物中的摩尔浓度。
5.根据权利要求1所述的水合物分解气体释放速率的计算方法,其特征在于，所述客体分子向外传质扩散速率通过以下公式计算获得：
在上式中，
为客体分子向外传质扩散速率；kL为客体分子向外的扩散传质系数；△c为客体分子在水合物边界层与外界的浓度差。
6.根据权利要求1所述的水合物分解气体释放速率的计算方法,其特征在于，所述固态水合物相和液相的界面面积通过水合物相的质量和水合物粒径分布计算获得。
7.根据权利要求1所述的水合物分解气体释放速率的计算方法,其特征在于，所述水合物相表面被客体分子所占据的表面积和所述水合物中气水摩尔数之比均通过相平衡计算获得。
8.一种水合物分解气体释放速率的计算装置，其特征在于，所述装置包含模型构件模块、采集模块、计算模块、和预测模块；
所述模型构件模块用于根据水合物分解所需三阶段物理过程的本征动力学特征，建立水合物三阶段分解本征动力学模型；所述根据水合物分解所需三阶段物理过程的本征动力学特征，建立水合物三阶段分解本征动力学模型包含：根据水合物分解三阶段物理过程的本征动力学特征，包括水合物分解过程的客体分子析出、水合物空晶格破裂以及客体分子向外扩散的三个阶段物理过程，建立水合物三阶段分解本征动力学模型；
所述采集模块用于获取水合物分解初始时系统内水合物的量以及分解反应开始后的实时温度和压力数据；
所述计算模块用于根据实时温度和压力数据，应用热力学相平衡理论，计算获得客体分子的热力学数据；
所述预测模块用于根据所述水合物的量、所述实时温度和压力数据、所述客体分子的热力学数据与所述水合物三阶段分解本征动力学模型计算获得水合物分解气体释放速率；
所述水合物三阶段分解本征动力学模型包含：
在上式中，
为水合物分解过程中客体分子的释放速率，其中下标g、W、D分别代表客体分子析出速率、水合物空晶格破裂速率以及客体分子向外传质扩散速率；A为固态水合物相和液相的界面面积；Ag为水合物相表面被客体分子所占据的表面积；β为水合物中气水摩尔数之比。
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