基于FLUENT的天然氣水合物溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

潘 振，趙杉林, 蘇圣鈞，商麗艷，劉 鑫，王 碩

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001；2. 遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部， 遼寧 撫順 113001； 3. 中國(guó)寰球工程公司遼寧分公司， 遼寧 撫順 113006）

天然氣水合物（Natural Gas Hydrate，簡(jiǎn)稱Gas Hydrate）是分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中，由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類(lèi)冰狀的結(jié)晶物質(zhì)。因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒，所以又被稱作“可燃冰”或者“固體瓦斯”。

天然氣水合物就是一種高效潔凈的能源，其特點(diǎn)是分布較廣、資源量相對(duì)巨大、埋藏淺、存儲(chǔ)層規(guī)模大、能量密度高等。我國(guó)于2006年頒布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》[1]，明確指出“天然氣水合物是蘊(yùn)藏于海洋深水底和地下的碳?xì)浠衔?，重點(diǎn)研究天然氣水合物的勘探理論與開(kāi)發(fā)技術(shù)，天然氣水合物地球物理與地球化學(xué)勘探和評(píng)價(jià)技術(shù)，突破天然氣水合物鉆井技術(shù)和安全開(kāi)采技術(shù)”，天然氣水合物的技術(shù)發(fā)展從國(guó)家層面上被正式確定下來(lái)。

我國(guó)又是世界第三大凍土區(qū)，凍土面積約 215萬(wàn) km2，具備良好的天然氣水合物形成的條件，粗略估算凍土區(qū)水合物資源量至少有350億t油當(dāng)量[2]，天然氣水合物目前還沒(méi)有進(jìn)入到商業(yè)開(kāi)采階段，多年來(lái)對(duì)于天然氣水合物的開(kāi)采與利用都是我國(guó)所致力研究的問(wèn)題。

有效的開(kāi)采方法一直是困擾著對(duì)其大規(guī)模利用的關(guān)鍵所在，對(duì)天然氣水合物開(kāi)采理論上已有幾種方法[3]：降壓法、熱激法、注入抑制劑法。但是每種方法都有其缺點(diǎn)和局限性。本文在調(diào)研了國(guó)內(nèi)外有關(guān)天然氣水合物開(kāi)采的數(shù)值計(jì)算以及有限元模擬基礎(chǔ)之上，充分考慮了天然氣水合物的熱激法開(kāi)采的機(jī)理，利用FLUENT軟件，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算改變注入介質(zhì)的溫度和作用時(shí)間兩個(gè)開(kāi)采參數(shù)來(lái)分析天然氣水合物熱采的變化規(guī)律。

1 天然氣水合物注蒸汽開(kāi)采機(jī)理

從天然氣水合物相態(tài)變化示意圖(見(jiàn)圖 1) 可以看出, 天然氣水合物能夠在低溫高壓條件下(臨界線左側(cè))穩(wěn)定存在。注蒸汽開(kāi)采方法就是將系統(tǒng)溫度升高至水合物臨界反應(yīng)溫度(Tc)，打破天然氣水合物穩(wěn)定存在的條件,使其發(fā)生(1)式所示的分解過(guò)程,從而使天然氣水合物在多孔介質(zhì)中轉(zhuǎn)變?yōu)闅狻⑺畠上噙M(jìn)行開(kāi)發(fā)利用[4]。

圖1 天然氣水合物相態(tài)變化示意圖Fig.1 The diagram of phase change of natural gas hydrate

2 數(shù)學(xué)模型假設(shè)

由于天然氣水合物的開(kāi)采是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，因此針對(duì)研究目的，作以下假設(shè)：

①考慮3個(gè)組分, 即氣、水和水合物，水合物為多孔介質(zhì)；

②流體可壓縮, 不考慮重力和毛管壓力作用；

③水合物為固相, 不參與流動(dòng), 只有氣、水兩相在多孔介質(zhì)中滲流, 流動(dòng)符合達(dá)西定律；

④忽略汽在水中的溶解；

⑤能量守恒考慮熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、內(nèi)部熱源以及由于水合物分解而消耗的熱量等現(xiàn)象；

⑥天然氣水合物分解過(guò)程中相平衡瞬間建立,不考慮在分解過(guò)程中水和氣重新生成天然氣水合物的過(guò)程。

3 物理模型建立

建立的天然氣水合物模型，模擬了其在注蒸汽開(kāi)采過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化情況，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，所建立的模型為二維結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

邊界條件包括壁面、速度入口和出流出口。蒸汽從速度入口進(jìn)入，流經(jīng)天然氣水合物，最后由出流出口流出。

圖2 天然氣水合物二維模型及計(jì)算網(wǎng)絡(luò)Fig. 2 Two-D model and computational grid of natural gas hydrate

天然氣水合物的物性參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 天然氣水合物的物理性質(zhì)Table 1 The Physical properties of natural gas hydrate

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 溫度不變，作用時(shí)間變化的模擬結(jié)果

利用FLUENT軟件，模擬了注汽溫度為573.15 K，作用時(shí)間分別為1，24, 120 h的溫度場(chǎng)變化情況，見(jiàn)圖3、圖4、圖5所示。

圖3 注汽溫度為573.15 K，作用時(shí)間為1 h的溫度場(chǎng)Fig.3 The temperature field of 573.15 K and 1 h

圖4 注汽溫度為573.15 K，作用時(shí)間為24 h的溫度場(chǎng)Fig.4 The temperature field of 573.15 K and 24 h

圖5 注汽溫度為573.15 K，作用時(shí)間為120 h的溫度場(chǎng)Fig.5 The temperature field of 573.15 K and 120 h

從圖3、圖4、圖5可以得到，隨著作用時(shí)間的推移，溫度場(chǎng)的影響半徑越來(lái)越大，溫度滲入天然氣水合物地層的水平距離隨著作用時(shí)間的增長(zhǎng)而距離變大，有利于開(kāi)采天然氣水合物。

4.2 作用時(shí)間不變，溫度變化的模擬結(jié)果

利用FLUENT軟件，模擬了作用時(shí)間為48 h，注汽溫度分別為373.15，473.15, 573.15 K的溫度場(chǎng)變化情況，見(jiàn)圖6、圖7、圖8所示。

圖6 作用時(shí)間為48 h，注汽溫度為373.15 K的溫度場(chǎng)Fig.6 The temperature field of 48 h and 373.15 K

圖7 作用時(shí)間為48 h，注汽溫度為473.15 K的溫度場(chǎng)Fig.7 The temperature field of 48 h and 473.15 K

從圖6、圖7、圖8可以得到，隨著溫度的升高，溫度場(chǎng)的水平影響半徑逐漸增大，溫度升高有利于更多的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱交換作用于天然氣水合物上，所以增大溫度對(duì)熱激法開(kāi)采天然氣水合物具有決定性的意義。

圖8 作用時(shí)間為48 h，注汽溫度為573.15 K的溫度場(chǎng)Fig.8 The temperature field of 48 h and 573.15 K

4.3 溫度變化，作用時(shí)間變化的模擬結(jié)果

利用FLUENT軟件，模擬了注汽溫度373.15 K，作用時(shí)間為6 h；注汽溫度為473.15 K，作用時(shí)間為24 h；注汽溫度573.15 K，作用時(shí)間為96 h的三組數(shù)據(jù)的溫度場(chǎng)變化情況，見(jiàn)圖9、圖10、圖11所示。

圖9 注汽溫度為373.15 K，作用時(shí)間為6 h的溫度場(chǎng)Fig.9 The temperature field of 373.15K and 6h

圖10 注汽溫度為473.15 K，作用時(shí)間為24 h的溫度場(chǎng)Fig.10 The temperature field of 473.15 K and 24 h

圖11 注汽溫度為573.15 K，作用時(shí)間為96 h的溫度場(chǎng)Fig.11 The temperature field of 573.15 K and 96 h

當(dāng)作用時(shí)間和注汽溫度兩個(gè)參數(shù)同時(shí)增加時(shí)，通過(guò)圖9、圖10、圖11可以看出，他們是相互促進(jìn)的關(guān)系。作用時(shí)間增長(zhǎng)有利于熱量的擴(kuò)散，有利于疏導(dǎo)其與天然氣水合物層作用，有利于熱量滲入天然氣水合物孔隙和天然氣水合物表面；注汽溫度增大致使天然氣水合物被分解從而擴(kuò)大了影響區(qū)域，所以促進(jìn)了溫度場(chǎng)的擴(kuò)展。故同時(shí)增大作用時(shí)間和溫度對(duì)開(kāi)采天然氣水合物是有利的。

5 結(jié) 論

①當(dāng)注汽溫度不變時(shí)，隨著作用時(shí)間的推移，溫度場(chǎng)的影響半徑越來(lái)越大，溫度滲入天然氣水合物地層的水平距離隨著作用時(shí)間的增長(zhǎng)而距離變大，有利于開(kāi)采天然氣水合物。

②當(dāng)作用時(shí)間不變時(shí)，隨著溫度的升高，溫度場(chǎng)的水平影響半徑逐漸增大，溫度升高有利于更多的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱交換作用于天然氣水合物上，所以增大溫度對(duì)熱激法開(kāi)采天然氣水合物具有決定性的意義。

③當(dāng)作用時(shí)間和注汽溫度兩個(gè)參數(shù)同時(shí)增加時(shí)，他們是相互促進(jìn)的關(guān)系。作用時(shí)間增長(zhǎng)有利于熱量滲入天然氣水合物孔隙和天然氣水合物表面；注汽溫度增大促進(jìn)了溫度場(chǎng)的擴(kuò)展。故同時(shí)增大作用時(shí)間和溫度對(duì)開(kāi)采天然氣水合物是有利的。

［1］ 中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院. 國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(20 06-2020年)[EB/OL]. http://politics.people.com.cn/GB/1026/4089311.html, 2006-02-09.

［2］ 高文爽, 陳晨, 房治強(qiáng). 高壓熱射流開(kāi)采天然氣水合物的數(shù)值模擬研究[J]. 天然氣勘探與開(kāi)發(fā), 2010, 33(4): 49-52.

［3］ 房治強(qiáng). 凍土區(qū)天然氣水合物熱激法試開(kāi)采系統(tǒng)及數(shù)值模擬研究[D]. 長(zhǎng)春:吉林大學(xué), 2011.

［4］ 張郁, 李小森, 李剛,等. 天然氣水合物分解和開(kāi)采的機(jī)理及數(shù)學(xué)模型研究綜述[J].現(xiàn)代地質(zhì),2010,24(5):979-985.

［5］ 韓占忠, 王敬, 蘭小平. FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2004.

［6］ 江帆, 黃鵬. Fluent高級(jí)應(yīng)用與實(shí)例分析[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2008.