CN115273994A - 一种天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，包括：构建岩芯几何模型并进行网格划分；构建天然气水合物的分解化学动力学模型和输运多相渗流模型；采用C语言分别将分解化学动力学模型和输运多相渗流模型实现编译，并以质量和能量源项的形式嵌入Fluent软件；对岩芯内天然气水合物、水、气三相初始分布进行反演，得到天然气水合物初始分布规律；基于天然气水合物初始分布规律，利用Fluent软件，对不同开采条件下的天然气水合物岩芯分解和输运物性进行预测。该预测方法填补了现有岩芯天然气水合物岩芯分解和输运预测方法空白。

Description

一种天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法
技术领域
本发明涉及天然气水合物开采技术领域，尤其涉及一种天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法。
背景技术
天然气水合物即可燃冰，是由以甲烷为主的气体在高压低温条件下吸附在冰的晶格骨架中形成的结晶物质，具有资源储量大、能量密度高、污染小的优点，是目前全球能源领域的研究热点。
由于天然气水合物在常温常压下将分解成水和气体，给天然岩芯钻取、保存和室内实验造成了很大的挑战。数值模拟可以为未来水合物储层物性参数预测和开发方案优化提供一种经济、高效的研究手段，然而现有的水合物生成—分解模拟专门软件较少，且多为商业软件。天然气水合物的开采过程是一个复杂的相变、动边界、化学动力学、多相流体渗流相互耦合的多孔介质传热传质问题。现有的模拟方法中，部分假定水合物分解后的气体完全溶解于水中；部分方法采用有限差分计算的方法，在计算流体力学方面的模拟精度往往低于有限元或有限体积法。
因此，现有对天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，旨在填补天然气水合物岩芯分解和输运物性预测方法的空白。
一种天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其中，包括：
构建岩芯几何模型并对所述岩芯几何模型进行网格划分；
构建天然气水合物的分解化学动力学模型和输运多相渗流模型；采用C语言分别将所述分解化学动力学模型和输运多相渗流模型实现编译，并以质量和能量源项的形式嵌入到有限体积法软件中；
基于所述岩芯几何模型和所述有限体积法软件，对岩芯内天然气水合物、水、气三相初始分布进行反演，得到天然气水合物初始分布规律；
基于所述天然气水合物初始分布规律，将需要模拟的不同开采条件下的岩芯天然气水合物注入到所述岩芯几何模型，利用所述有限体积法软件，对不同开采条件下的天然气水合物岩芯分解和输运物性进行预测。
可选地，所述的天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其中，岩芯天然气水合物岩芯分解过程遵循下式(1)：
CH4·NhH2O→CH4+NhH2O (1)
其中，生成的气体遵循Peng-Robinson方程，岩芯天然气水合物的岩芯分解速率遵循非线性Arrhenius化学动力学模型如式(2)：
Figure BDA0003718988740000021
其中，其中
Figure BDA0003718988740000022
是本征常数，ΔE是活化能，R是通用气体常数，feh是平衡压强，fg是甲烷压强，Ad是水合物的反应表面积。
可选地，所述的天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其中，所述岩芯天然气水合物岩芯分解后遵循N-S基本方程组，所述N-S基本方程组包括：质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒控制方程。
可选地，所述的天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其中，所述质量守恒方程如式(3)、所述动量守恒方程如式(4)、所述能量守恒控制方程如式(5)所示
Figure BDA0003718988740000023
Figure BDA0003718988740000024
Figure BDA0003718988740000031
其中，Pk为由于水合物分解反应导致的动量源项，依据所述式(1)和所述式(2)计算得到；Qh为水合物分解所吸收的热量。
可选地，所述的天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其中，所述构建岩芯几何模型并进行网格划分的步骤，具体包括：
以室内实验采用的天然气水合物岩芯尺寸及实验条件为基准，结合ICEM建模软件，构建岩芯几何模型并对所述岩芯几何模型进行网格划分；参照室内实验岩芯进出口及侧面温度和压力条件，设置所述岩芯几何模型相应的边界条件。
可选地，所述的天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其中，所述基于所述岩芯几何模型和所述有限体积法软件，对岩芯内天然气水合物、水、气三相初始分布进行反演，得到天然气水合物初始分布规律的步骤，具体包括：
采用室内实验用岩芯的基本孔渗、密度、热力学基础参数，依据不同的室内岩芯天然气水合物合成方法的相应流程，依次向岩芯几何模型内注入与室内实验相同量的水和甲烷气体，模拟岩芯天然气水合物合成实验的降温过程；
采用adaptive时间步长模拟天然气水合物生成过程，直至总时长达到室内实验岩芯天然气水合物合成时长；反演得到室内合成实验得到的天然气水合物、残余水及气体的分布规律。
可选地，所述的天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其中，所述Qh由式(6)计算得到：
Figure BDA0003718988740000032
其中，Hd为岩芯天然气水合物岩芯分解反应的潜热；采用C语言将所述式(2)和式(6)实现编译，并分别以质量和能量源项的形式嵌入有限体积法软件。
可选地，所述的天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其中，所述基于所述天然气水合物初始分布规律，利用所述有限体积法软件，对不同开采条件下的天然气水合物岩芯分解和输运物性进行预测的步骤，具体包括：
基于所述天然气水合物初始分布规律，依据不同的天然气水合物开采模拟实验，调整所述岩心几何模型的岩芯边界压力、温度条件以模拟天然气水合物降压或注热开采过程；
设立不同的温度、压力监测面或监测点，实时获取岩芯内部天然气水合物、气、水三相饱和度分布规律、温度、压力及流体速度场分布；
对岩芯尺度天然气水合物分解和输运过程中的化学反应、相变以及多相渗流的多孔介质传热传质机制进行预测。
有益效果：本发明通过构建岩心几何模型，并基于C语言和有限体积法软件构建出能够对不同条件下的天然气水合物岩心分解和输运物性进行预测的方法，该预测方法填补了现有岩芯天然气水合物岩芯分解和输运预测方法空白，且该预测方法具有较高的预测精度。
附图说明
图1为本发明中天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的岩样网格模型、边界条件及温度压力监测点位置示意图；
图3为本发明实施例提供的室内合成天然气水合物岩心的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的模拟得到的室内合成的天然气水合物、水、气在岩芯中的非均质分布；
图5为本发明实施例提供的天然气水合物岩芯分解过程累积产气量的模拟结果和实验结果对比曲线；
图6为本发明实施例提供的水合物岩芯分解过程出口端压力的模拟结果和实验结果对比曲线；
图7为本发明实施例提供的水合物岩芯分解过程监测点温度的模拟结果和实验结果对比曲线。
具体实施方式
本发明提供一种天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1是一种天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法流程示意图，如图所示，所述天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，包括：
S10、构建岩芯几何模型并对所述岩芯几何模型进行网格划分。
具体来说，先构建一个模拟用的岩心几何模型，该岩心几何模型可以参考室内实验所使用的岩心形状和尺寸进行构建。即可以以室内实验所采用的天然气岩心的尺寸及所对应的实验条件为基准，结合ICEMCFD(The Integrated Computer Engineering andManufacturing code for Computational Fluid Dynamics)建模软件，建立岩芯几何模型并对所述岩芯几何模型进行网格划分。如图2所示，网格划分完成后，参照室内实验岩芯进出口及侧面温度和压力条件，设置相应的边界条件。
在所述步骤S10之后包括步骤S20、构建天然气水合物的分解化学动力学模型和输运多相渗流模型；采用C语言将所述分解化学动力学模型实现编译，并以质量和能量源项的形式嵌入到有限体积法软件中。
具体包括，依据天然气水合物分解过程遵循
CH4·NhH2O→CH4+NhH2O (1)
其中，生成的气体遵循Peng-Robinson方程，水合物的分解速率遵循非线性Arrhenius化学动力学模型：
Figure BDA0003718988740000061
其中，其中
Figure BDA0003718988740000066
是本征常数，ΔE是活化能，R是通用气体常数，feh是平衡压强，fg是甲烷压强，Ad是水合物的反应表面积。
用C语言将上述数学模型实现编译，并以质量源项的形式嵌入有限体积法软件(Fluent)。
在本实施例中，天然气水合物分解后遵循N-S基本方程组，主要包括质量守恒、动量守恒及能量守恒控制方程，依次分别为：
Figure BDA0003718988740000062
Figure BDA0003718988740000063
Figure BDA0003718988740000064
其中，Pk为由于水合物分解反应导致的动量源项，依据公式(1)(2)计算得到；Qh为水合物分解所吸收的热量，可由下式计算得到
Figure BDA0003718988740000065
其中，Hd为水合物分解反应的潜热。用C语言将方程(6)实现编译，并以能量源项的形式嵌入Fluent软件。需要说明的是，用C语言将上述方程实现编译以及将用C语言编译后的方程以能量源项的形式嵌入Fluent软件，所涉及到的技术均为现有技术，在此不做限定。
在本实施例中，通过将天然气水合物岩心分解过程所涉及到的上述方程用C语言实现编译，并将用C语言编译后的方程以质量和能量源项的形式嵌入Fluent软件，可以提升预测的精度，使得该预测方法对天然气水合物岩心分解化学动力学、岩石物理学参数、热力学参数的计算具有较强的适用性。
在所述步骤S20之后还包括步骤S30、基于所述岩芯几何模型和所述有限体积法软件，对岩芯内天然气水合物、水、气三相初始分布进行反演，得到天然气水合物初始分布规律。
具体来说，本实施例岩芯的基本孔渗、密度、热力学基础参数如表1所示。
表1岩样基本物性参数表
参数 值
岩芯初始渗透率 97.98mD
岩芯孔隙度(φ) 0.182
平均含水合物饱和度(S<sub>h</sub>) 0.501
平均含水饱和度(S<sub>w</sub>) 0.351
平均含气合物饱和度(S<sub>g</sub>) 0.148
空气浴温度(T<sub>air</sub>) 274.15K
骨架密度(ρ<sub>R</sub>) 2650kg/m<sup>3</sup>
骨架热传导系数(λ<sub>R</sub>) 3.0W/m·K
骨架比热(C<sub>R</sub>) 800J/kg·K
依据图3所示的实验流程，依次向岩芯内注入与实验相同量的水和甲烷气体，然后模拟水合物合成实验的降温过程；采用adaptive时间步长模拟水合物生成过程，直至总时长达到实验水合物合成时长；此时反演得到室内合成实验得到的岩芯中水合物、残余水及气体的分布规律，如图4所示。
在所述步骤S30之后还包括步骤S40、基于所述天然气水合物初始分布规律，将需要模拟的不同开采条件下的岩芯天然气水合物注入到所述岩芯几何模型，利用所述有限体积法软件，对不同开采条件下的天然气水合物岩芯分解和输运物性进行预测。
具体来说，基于图4所示的水合物初始分布，依据不同的水合物开采模拟实验，调整岩芯边界压力、温度条件以模拟水合物降压或注热开采过程，通过设立不同的温度、压力监测面或监测点，实时获取岩芯内部水合物、气、水三相饱和度分布规律、温度、压力及流体速度场分布。本实施例选取Masuda于1999年开展的水合物岩芯分解实验结果作为对比验证，其中图5、图6、图7所示为累计产气量、不同温度和压力监测点的对比曲线，从中可以看出，模拟结果与实验数据吻合较好。基于以上流程，可实现岩芯尺度水合物分解—输运过程中的化学反应、相变、多相渗流的多孔介质传热传质机制的有效预测。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其特征在于，包括：
构建岩芯几何模型并对所述岩芯几何模型进行网格划分；
构建天然气水合物的分解化学动力学模型和输运多相渗流模型；采用C语言分别将所述分解化学动力学模型和输运多相渗流模型实现编译，并以质量和能量源项的形式嵌入到有限体积法软件中；
基于所述岩芯几何模型和所述有限体积法软件，对岩芯内天然气水合物、水、气三相初始分布进行反演，得到天然气水合物初始分布规律；
基于所述天然气水合物初始分布规律，将需要模拟的不同开采条件下的岩芯天然气水合物注入到所述岩芯几何模型，利用所述有限体积法软件，对不同开采条件下的天然气水合物岩芯分解和输运物性进行预测。
2.根据权利要求1所述的天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其特征在于，岩芯天然气水合物岩芯分解过程遵循下式(1)：
CH4·NhH2O→CH4+NhH2O (1)
其中，生成的气体遵循Peng-Robinson方程，岩芯天然气水合物的岩芯分解速率遵循非线性Arrhenius化学动力学模型如式(2)：
Figure FDA0003718988730000011
其中，其中
Figure FDA0003718988730000012
是本征常数，ΔE是活化能，R是通用气体常数，feh是平衡压强，fg是甲烷压强，Ad是水合物的反应表面积。
3.根据权利要求2所述的天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其特征在于，所述岩芯天然气水合物岩芯分解后遵循N-S基本方程组，所述N-S基本方程组包括：质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒控制方程。
4.根据权利要求3所述的天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其特征在于，所述质量守恒方程如式(3)、所述动量守恒方程如式(4)、所述能量守恒控制方程如式(5)所示
Figure FDA0003718988730000021
Figure FDA0003718988730000022
Figure FDA0003718988730000023
其中，Pk为由于水合物分解反应导致的动量源项，依据所述式(1)和所述式(2)计算得到；Qh为水合物分解所吸收的热量。
5.根据权利要求1所述的天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其特征在于，所述构建岩芯几何模型并进行网格划分的步骤，具体包括：
以室内实验采用的天然气水合物岩芯尺寸及实验条件为基准，结合ICEM建模软件，构建岩芯几何模型并对所述岩芯几何模型进行网格划分；
参照室内实验岩芯进出口及侧面温度和压力条件，设置所述岩芯几何模型相应的边界条件。
6.根据权利要求5所述的天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其特征在于，所述基于所述岩芯几何模型和所述有限体积法软件，对岩芯内天然气水合物、水、气三相初始分布进行反演，得到天然气水合物初始分布规律的步骤，具体包括：
采用室内实验用岩芯的基本孔渗、密度、热力学基础参数，依据不同的室内岩芯天然气水合物合成方法的相应流程，依次向岩芯几何模型内注入与室内实验相同量的水和甲烷气体，模拟岩芯天然气水合物合成实验的降温过程；
采用adaptive时间步长模拟天然气水合物生成过程，直至总时长达到室内实验岩芯天然气水合物合成时长；反演得到室内合成实验得到的天然气水合物、残余水及气体的分布规律。
7.根据权利要求4所述的天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其特征在于，所述Qh由式(6)计算得到：
Figure FDA0003718988730000031
其中，Hd为岩芯天然气水合物岩芯分解反应的潜热；采用C语言将所述式(2)和式(6)实现编译，并分别以质量和能量源项的形式嵌入有限体积法软件。
8.根据权利要求1所述的天然气水合物岩芯分解和输运物性的预测方法，其特征在于，所述基于所述天然气水合物初始分布规律，将需要模拟的不同开采条件下的岩芯天然气水合物注入到所述岩芯几何模型，利用所述有限体积法软件，对不同开采条件下的天然气水合物岩芯分解和输运物性进行预测的步骤，具体包括：
基于所述天然气水合物初始分布规律，依据不同的天然气水合物开采模拟实验，调整所述岩心几何模型的岩芯边界压力、温度条件以模拟天然气水合物降压或注热开采过程；
设立不同的温度、压力监测面或监测点，实时获取岩芯内部天然气水合物、气、水三相饱和度分布规律、温度、压力及流体速度场分布；
对岩芯尺度天然气水合物分解和输运过程中的化学反应、相变以及多相渗流的多孔介质传热传质机制进行预测。
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