基于FLUENT的天然气水合物温度场数值模拟

2012-11-05赵杉林苏圣钧商丽艳

当代化工 2012年12期

潘振，赵杉林, 苏圣钧，商丽艳，刘鑫，王硕

（1. 辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺 113001；2. 辽宁石油化工大学化学化工与环境学部，辽宁抚顺 113001； 3. 中国寰球工程公司辽宁分公司，辽宁抚顺 113006）

天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate）是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”。

天然气水合物就是一种高效洁净的能源，其特点是分布较广、资源量相对巨大、埋藏浅、存储层规模大、能量密度高等。我国于2006年颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》[1]，明确指出“天然气水合物是蕴藏于海洋深水底和地下的碳氢化合物，重点研究天然气水合物的勘探理论与开发技术，天然气水合物地球物理与地球化学勘探和评价技术，突破天然气水合物钻井技术和安全开采技术”，天然气水合物的技术发展从国家层面上被正式确定下来。

我国又是世界第三大冻土区，冻土面积约 215万 km2，具备良好的天然气水合物形成的条件，粗略估算冻土区水合物资源量至少有350亿t油当量[2]，天然气水合物目前还没有进入到商业开采阶段，多年来对于天然气水合物的开采与利用都是我国所致力研究的问题。

有效的开采方法一直是困扰着对其大规模利用的关键所在，对天然气水合物开采理论上已有几种方法[3]：降压法、热激法、注入抑制剂法。但是每种方法都有其缺点和局限性。本文在调研了国内外有关天然气水合物开采的数值计算以及有限元模拟基础之上，充分考虑了天然气水合物的热激法开采的机理，利用FLUENT软件，通过数值模拟计算改变注入介质的温度和作用时间两个开采参数来分析天然气水合物热采的变化规律。

1 天然气水合物注蒸汽开采机理

从天然气水合物相态变化示意图(见图 1) 可以看出, 天然气水合物能够在低温高压条件下(临界线左侧)稳定存在。注蒸汽开采方法就是将系统温度升高至水合物临界反应温度(Tc)，打破天然气水合物稳定存在的条件,使其发生(1)式所示的分解过程,从而使天然气水合物在多孔介质中转变为气、水两相进行开发利用[4]。

图1 天然气水合物相态变化示意图Fig.1 The diagram of phase change of natural gas hydrate

2 数学模型假设

由于天然气水合物的开采是一个很复杂的过程，因此针对研究目的，作以下假设：

①考虑3个组分, 即气、水和水合物，水合物为多孔介质；

②流体可压缩, 不考虑重力和毛管压力作用；

③水合物为固相, 不参与流动, 只有气、水两相在多孔介质中渗流, 流动符合达西定律；

④忽略汽在水中的溶解；

⑤能量守恒考虑热传导、热对流、内部热源以及由于水合物分解而消耗的热量等现象；

⑥天然气水合物分解过程中相平衡瞬间建立,不考虑在分解过程中水和气重新生成天然气水合物的过程。

3 物理模型建立

建立的天然气水合物模型，模拟了其在注蒸汽开采过程中温度场的变化情况，在进行数值模拟时，所建立的模型为二维结构，如图2所示。

边界条件包括壁面、速度入口和出流出口。蒸汽从速度入口进入，流经天然气水合物，最后由出流出口流出。

图2 天然气水合物二维模型及计算网络Fig. 2 Two-D model and computational grid of natural gas hydrate

天然气水合物的物性参数见表1所示。

表1 天然气水合物的物理性质Table 1 The Physical properties of natural gas hydrate

4 数值模拟结果分析

4.1 温度不变，作用时间变化的模拟结果

利用FLUENT软件，模拟了注汽温度为573.15 K，作用时间分别为1，24, 120 h的温度场变化情况，见图3、图4、图5所示。

图3 注汽温度为573.15 K，作用时间为1 h的温度场Fig.3 The temperature field of 573.15 K and 1 h

图4 注汽温度为573.15 K，作用时间为24 h的温度场Fig.4 The temperature field of 573.15 K and 24 h

图5 注汽温度为573.15 K，作用时间为120 h的温度场Fig.5 The temperature field of 573.15 K and 120 h

从图3、图4、图5可以得到，随着作用时间的推移，温度场的影响半径越来越大，温度渗入天然气水合物地层的水平距离随着作用时间的增长而距离变大，有利于开采天然气水合物。

4.2 作用时间不变，温度变化的模拟结果

利用FLUENT软件，模拟了作用时间为48 h，注汽温度分别为373.15，473.15, 573.15 K的温度场变化情况，见图6、图7、图8所示。

图6 作用时间为48 h，注汽温度为373.15 K的温度场Fig.6 The temperature field of 48 h and 373.15 K

图7 作用时间为48 h，注汽温度为473.15 K的温度场Fig.7 The temperature field of 48 h and 473.15 K

从图6、图7、图8可以得到，随着温度的升高，温度场的水平影响半径逐渐增大，温度升高有利于更多的热量通过热传导和热交换作用于天然气水合物上，所以增大温度对热激法开采天然气水合物具有决定性的意义。

图8 作用时间为48 h，注汽温度为573.15 K的温度场Fig.8 The temperature field of 48 h and 573.15 K

4.3 温度变化，作用时间变化的模拟结果

利用FLUENT软件，模拟了注汽温度373.15 K，作用时间为6 h；注汽温度为473.15 K，作用时间为24 h；注汽温度573.15 K，作用时间为96 h的三组数据的温度场变化情况，见图9、图10、图11所示。

图9 注汽温度为373.15 K，作用时间为6 h的温度场Fig.9 The temperature field of 373.15K and 6h

图10 注汽温度为473.15 K，作用时间为24 h的温度场Fig.10 The temperature field of 473.15 K and 24 h

图11 注汽温度为573.15 K，作用时间为96 h的温度场Fig.11 The temperature field of 573.15 K and 96 h

当作用时间和注汽温度两个参数同时增加时，通过图9、图10、图11可以看出，他们是相互促进的关系。作用时间增长有利于热量的扩散，有利于疏导其与天然气水合物层作用，有利于热量渗入天然气水合物孔隙和天然气水合物表面；注汽温度增大致使天然气水合物被分解从而扩大了影响区域，所以促进了温度场的扩展。故同时增大作用时间和温度对开采天然气水合物是有利的。