基于FLUENT的天然氣水合物溫度場數值模擬

潘 振，趙杉林, 蘇圣鈞，商麗艷，劉 鑫，王 碩

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001；2. 遼寧石油化工大學 化學化工與環境學部， 遼寧 撫順 113001； 3. 中國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冰狀的結晶物質。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，其特點是分布較廣、資源量相對巨大、埋藏淺、存儲層規模大、能量密度高等。我國于2006年頒布的《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》[1]，明確指出“天然氣水合物是蘊藏于海洋深水底和地下的碳氫化合物，重點研究天然氣水合物的勘探理論與開發技術，天然氣水合物地球物理與地球化學勘探和評價技術，突破天然氣水合物鉆井技術和安全開采技術”，天然氣水合物的技術發展從國家層面上被正式確定下來。

我國又是世界第三大凍土區，凍土面積約 215萬 km2，具備良好的天然氣水合物形成的條件，粗略估算凍土區水合物資源量至少有350億t油當量[2]，天然氣水合物目前還沒有進入到商業開采階段，多年來對于天然氣水合物的開采與利用都是我國所致力研究的問題。

有效的開采方法一直是困擾著對其大規模利用的關鍵所在，對天然氣水合物開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和局限性。本文在調研了國內外有關天然氣水合物開采的數值計算以及有限元模擬基礎之上，充分考慮了天然氣水合物的熱激法開采的機理，利用FLUENT軟件，通過數值模擬計算改變注入介質的溫度和作用時間兩個開采參數來分析天然氣水合物熱采的變化規律。

1 天然氣水合物注蒸汽開采機理

從天然氣水合物相態變化示意圖(見圖 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)穩定存在。注蒸汽開采方法就是將系統溫度升高至水合物臨界反應溫度(Tc)，打破天然氣水合物穩定存在的條件,使其發生(1)式所示的分解過程,從而使天然氣水合物在多孔介質中轉變為氣、水兩相進行開發利用[4]。

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

2 數學模型假設

由于天然氣水合物的開采是一個很復雜的過程，因此針對研究目的，作以下假設：

①考慮3個組分, 即氣、水和水合物，水合物為多孔介質；

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, 只有氣、水兩相在多孔介質中滲流, 流動符合達西定律；

④忽略汽在水中的溶解；

⑤能量守恒考慮熱傳導、熱對流、內部熱源以及由于水合物分解而消耗的熱量等現象；

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

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采過程中溫度場的變化情況，在進行數值模擬時，所建立的模型為二維結構，如圖2所示。

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

圖2 天然氣水合物二維模型及計算網絡Fig. 2 Two-D model and computational grid of natural gas hydrate

天然氣水合物的物性參數見表1所示。

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

4 數值模擬結果分析

4.1 溫度不變，作用時間變化的模擬結果

利用FLUENT軟件，模擬了注汽溫度為573.15 K，作用時間分別為1，24, 120 h的溫度場變化情況，見圖3、圖4、圖5所示。

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

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

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

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

4.2 作用時間不變，溫度變化的模擬結果

利用FLUENT軟件，模擬了作用時間為48 h，注汽溫度分別為373.15，473.15, 573.15 K的溫度場變化情況，見圖6、圖7、圖8所示。

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

圖7 作用時間為48 h，注汽溫度為473.15 K的溫度場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熱傳導和熱交換作用于天然氣水合物上，所以增大溫度對熱激法開采天然氣水合物具有決定性的意義。

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

4.3 溫度變化，作用時間變化的模擬結果

利用FLUENT軟件，模擬了注汽溫度373.15 K，作用時間為6 h；注汽溫度為473.15 K，作用時間為24 h；注汽溫度573.15 K，作用時間為96 h的三組數據的溫度場變化情況，見圖9、圖10、圖11所示。

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

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

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

當作用時間和注汽溫度兩個參數同時增加時，通過圖9、圖10、圖11可以看出，他們是相互促進的關系。作用時間增長有利于熱量的擴散，有利于疏導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大了影響區域，所以促進了溫度場的擴展。故同時增大作用時間和溫度對開采天然氣水合物是有利的。

5 結 論

①當注汽溫度不變時，隨著作用時間的推移，溫度場的影響半徑越來越大，溫度滲入天然氣水合物地層的水平距離隨著作用時間的增長而距離變大，有利于開采天然氣水合物。

②當作用時間不變時，隨著溫度的升高，溫度場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熱傳導和熱交換作用于天然氣水合物上，所以增大溫度對熱激法開采天然氣水合物具有決定性的意義。

③當作用時間和注汽溫度兩個參數同時增加時，他們是相互促進的關系。作用時間增長有利于熱量滲入天然氣水合物孔隙和天然氣水合物表面；注汽溫度增大促進了溫度場的擴展。故同時增大作用時間和溫度對開采天然氣水合物是有利的。

［1］ 中華人民共和國國務院. 國家中長期科學和技術發展規劃綱要(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. 高壓熱射流開采天然氣水合物的數值模擬研究[J]. 天然氣勘探與開發, 2010, 33(4): 49-52.

［3］ 房治強. 凍土區天然氣水合物熱激法試開采系統及數值模擬研究[D]. 長春:吉林大學, 2011.

［4］ 張郁, 李小森, 李剛,等. 天然氣水合物分解和開采的機理及數學模型研究綜述[J].現代地質,2010,24(5):979-985.

［5］ 韓占忠, 王敬, 蘭小平. FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2004.

［6］ 江帆, 黃鵬. Fluent高級應用與實例分析[M]. 北京: 清華大學出版社, 2008.