天然氣水合物實驗模擬裝置和數值模擬器的研究進展

摘 要：中國的天然氣水合物資源豐富，若實現商業化開采，有助于中國的能源結構調整。天然氣水合物開采的實驗模擬和數值模擬是指導其安全高效開采的重要手段。首先簡要介紹了天然氣水合物的開采方法、國內外野外試驗性開采案例，然后系統總結了天然氣水合物實驗模擬裝置及全球具有代表性的天然氣水合物數值模擬器的開發和應用，最后對未來天然氣水合物實驗模擬和數值模擬的研究方向進行了展望。未來，在實驗模擬裝置方面，應重點研發適用于開采過程中測量和監測熱學、滲流、力學和相變參數的實驗模擬裝置；在數值模擬器方面，應實現天然氣水合物數值模擬過程的精確化，并不斷優化數值模擬器算法，從而建立可服務于中國天然氣水合物產業化開發的高精度數值模擬器。

關鍵詞：天然氣水合物；實驗模擬裝置；數值模擬器；理論模型

中圖分類號：TE52 文獻標志碼：A

0 "引言

天然氣水合物，俗稱“可燃冰”，是由天然氣和水分子在高壓低溫條件下形成的固體化合物，其碳含量為常規化石燃料 （煤炭、石油和天然氣等）中碳含量總和的兩倍[1]，具有碳儲量大、能量密度高等特點，是一種重要的潛在能源。天然氣水合物大多數賦存在陸地永凍土帶及深海海域，對其進行高效開發和利用有助于緩解能源短缺。因此，越來越多的勘探計劃得以實施。部分天然氣水合物勘探計劃的分布圖如圖1[2-11]所示。

天然氣水合物開采的實驗模擬和數值模擬是指導其安全高效開采的重要手段。基于此，本文首先對現階段常用的幾種天然氣水合物開采方法及全球各種野外試驗性開采（下文簡稱為“試采”）案例進行分析，然后對國內外天然氣水合物實驗模擬裝置和數值模擬器的開發和應用進行介紹，最后對未來天然氣水合物實驗和數值模擬的研究方向進行展望。

1 "天然氣水合物開采方法

天然氣水合物的開采是一項極具挑戰性且復雜的工程，其中涉及水合物相變、多相滲流、儲 層傳熱、力學4個相互影響的物理、化學效應[12]，是通過破壞水合物晶體結構的穩定性，從而促使天然氣水合物分解為天然氣和水。為此，研究人員研究了一系列天然氣水合物的開采方法，包括降壓法、注熱法、注入抑制劑法、CO2置換法、固態流化法及聯合開采法，這些方法有各自的適用性和優缺點。

1）降壓法。通過抽水實現天然氣水合物儲層壓力的降低，使儲層壓力低于天然氣水合物的相平衡壓力，促使天然氣水合物分解，從而實現對天然氣水合物的開采。此方法具有開采效率高、操作難度低等優點；但其缺點是不適用于滲透率較低的儲層，且其對熱量的需求極大。當顯熱不足時，天然氣水合物的分解速率降低，甚至會出現天然氣水合物二次生成或結冰的現象。此外，利用降壓法開采天然氣水合物通常會伴隨出砂，最終導致開采井口堵塞[13-14]。

2）注熱法。通過向天然氣水合物儲層注入蒸汽、熱水或其他熱流體，為天然氣水合物的分解提供熱量，從而實現天然氣水合物的開采。該方法操作簡易，對設備的要求低且易于控制；但其缺點是在滲透率低、熱利用率低的環境下，無法實現天然氣水合物的高效開采[15-16]。

3）注入抑制劑法。通過向天然氣水合物儲層注入甲醇、乙二醇或鹽水等抑制劑，破壞其相平衡，從而促使天然氣水合物分解，實現天然氣水合物的開采。該方法具有操作簡易、能量消耗小的優點；但其缺點是成本高，對環境也可能會造成污染，且作用效果較慢。注入抑制劑法常用于防止天然氣水合物開采井井口因生成水合物而造成的堵塞，或用于輔助其他的天然氣水合物開采方法[17-18]。

4） CO2置換法。由于CO2水合物更容易生成，因此通常是向天然氣水合物儲層中注入CO2來置換出水合物籠中的CH4氣體分子，從而實現天然氣水合物的開采。此方法不僅可以保證儲層的穩定性，還可以實現CO2的封存。然而，該方法受儲層的傳熱和滲流的限制，導致置換速率慢，現階段仍處于實驗模擬研究階段[19-20]。

5）固態流化法。通過挖掘和機械破碎深水淺層尚未固結的天然氣水合物礦藏，在舉升管道中實現對深水淺層天然氣水合物安全可控的開發。該方法具有天然氣水合物開采產量大、開采效率高等特點；但其缺點是開采過程可能會破壞海床的穩定性[21]。

6）聯合開采法。該方法是指基于現場實際情況將上述兩種及兩種以上的開采方法相結合，例如：將降壓法和注熱法相結合的降壓注熱法，以及注熱法和注入抑制劑（鹽水）法相結合的注熱鹽水法，通過充分利用各種方法的優勢，實現天然氣水合物的高效開采[22-23]。

2 "國內外天然氣水合物試采工程

全球已經有一些國家分別在陸地和海洋開展了天然氣水合物的試采工程，下文針對部分工程進行詳細介紹。

2.1 "中國

中國先后在祁連山木里地區和南海海域開展了天然氣水合物試采作業，具體工程包括：

1） 祁連山木里地區（凍土區）試采。2011年9月，中國地質調查局在祁連山木里地區開展了第1次陸地天然氣水合物試采作業。本次試采作業累計時長101 h；通過利用單直井和降壓注熱法對凍土區天然氣水合物進行開采，累計采氣量達95 m3。2016年9月，在該地區開展了第2次天然氣水合物試采作業，此次試采作業共持續23天；通過利用水平井和降壓法進行天然氣水合物開采，累計采氣量達1078.4 m3。兩次試采作業的結果表明，水平井可以有效提高采氣量。

2）南海北部荔灣區域試采。2017年5月，中國海洋石油集團有限公司在南海北部荔灣3站位利用固態流化法對海洋淺層非成巖天然氣水合物進行了試采[21]，采氣量達81 m3，驗證了固態流化法開采天然氣水合物的可行性。

3）南海神狐海域試采。2017年3月，中國地質調查局在南海神狐海域第1次成功實施了天然氣水合物試采，累計采氣量達30.9×104 m3，日均采氣量為5151 m3。本次試采采用垂直井和降壓法，但在試采后期，由于泥質粉砂儲層滲透率低，導致后期采氣量降低[2]。2019年10月，中國地質調查局在南海神狐海域進行了第2次天然氣水合物試采，連續采氣30天，累計采氣量達86.14×104 m3，日均采氣量為2.87×104 m3。本次試采是國際上首次利用水平井對海域的天然氣水合物進行開采，并配套采用降壓法輔助注熱法和注入抑制劑法。在試采后期，同樣出現了儲層滲透率低，大量產水的現象，可以通過儲層改造來解決該問題[3]。

2.2 "美國

美國先后于2005、2007年在墨西哥灣海域和阿拉斯加北坡實施了天然氣水合物的鉆探、勘察和取樣工作。2012年，美國在阿拉斯加北坡采用CO2置換法對天然氣水合物進行試采，試采時間持續6周，但日均采氣量較低，共計產出天然氣2.5×104 m3，這主要是由CO2置換速率低造成的[4]。

2.3 "加拿大

2002、2007年，加拿大先后在Mallik地區的凍土區使用注熱法和降壓法進行了兩次天然氣水合物試采，均出現了產氣速率低、出砂等問題。2008年，加拿大在該凍土區采用垂直井和降壓法再次進行了天然氣水合物試采，試采共持續6天，累計采氣量達13000 m3；但本次試采仍是因為出砂原因被迫終止[5]。

2.4 "日本

日本于2013年3月在近海海域進行為期6天的天然氣水合物試采，為全球首次在近海海域進行的天然氣水合物試采工程，通過使用垂直井和降壓法，得到的總采氣量約為2×104 m3；后期的試采作業因出砂和產水原因被迫終止。2017年4月7日，日本開展第2次近海海域的天然氣水合物試采作業，為期32天，累計采氣量約為23.5×104 m3，采用兩口生產井交替采氣；后期同樣出現了出砂堵塞井口、大量產水等問題，導致采氣量極低[6-7]。

2.5 "前蘇聯

20世紀60年代，前蘇聯西伯利亞北部的麥索亞哈氣田被證實有大量天然氣水合物存在。1972年，前蘇聯通過采用降壓法和注入抑制劑法相結合的方法使該氣田的天然氣水合物儲層開始分解產氣，到2011年底，該氣田已累計采集1.29×1010 m3天然氣。由于存在游離天然氣。因此總采氣量中預計有41.9%來自天然氣水合物的分解[8]。

綜上可知，上述國家開展的天然氣水合物試采工程都存在開采效率低、經濟性差的問題，說明天然氣水合物開采的產業化還有許多關鍵性科學問題和技術問題有待解決。

3 "實驗模擬裝置

為了提高開采效率和解決開采技術難題，需要通過實驗模擬天然氣水合物的生成和分解過程，從而解決相應問題。因此，各種中型、大型天然氣水合物實驗模擬裝置得以開發，并結合各種有效的表征手段，揭示多孔介質中天然氣水合物分解的微觀機理，為理論模型的建立提供基礎參數。

目前，全球相對完善和系統化的天然氣水合物模擬裝置主要具有以下特點：1）耐低溫、抗高壓，可進行天然氣水合物的生成和分解實驗；2）可視化程度高，可直接觀察模擬裝置內的天然氣水合物相變過程；3）測試精度高，可準確測出天然氣水合物生成和分解過程中壓力和溫度的變化情況；4）檢測手段多樣化，包括光、聲、電多種檢測方法。

模擬裝置具有上述特點是為了確保其可以模擬各種環境條件，進而更好地研究多孔介質中天然氣水合物的分解過程，獲得重要的物性參數，為野外調查提供科學依據。全球主要的大型天然氣水合物實驗模擬裝置概況如表1所示。

中國的全尺寸開采井天然氣水合物三維綜合試驗開采系統是目前全球規模最大的天然氣水合物實驗模擬裝置，其實物圖如圖2所示。該裝置包含245個測溫點、245個測壓點，可承受32 MPa的壓力，井筒內配備有攝像頭能夠實時觀察井筒內的情況，其能夠模擬3000 m水深條件下天然氣水合物的生成和分解。

直接決定了實驗結果的可靠性，需依據實際的地層溫度、壓力及儲層條件，采用不同的布井方式和開采方法進行天然氣水合物的開采實驗研究。通過對多孔介質中天然氣水合物分解進行動態監測，分析產氣、產水規律，研究影響開采效率的關鍵因素，為天然氣水合物數值模擬模型的建立和實際開采提供可靠的實驗數據和參考依據。

4 "數值模擬器的開發及應用

4.1 "數值模擬器的開發

為便于評估不同天然氣水合物開采方法的可行性及天然氣水合物的開采潛力，國內外開發了一系列天然氣水合物數值模擬器（或模擬軟件）。數值模擬器可以根據實際天然氣水合物的賦存條件，對不同開采方式下天然氣水合物的開采過程進行模擬。當前的天然氣水合物開采數值模擬主要采用兩種技術路徑：1）基于傳統石油和天然氣開采的相關數學模型，例如：在傳統黑油（black oil）模型和成熟商業軟件COMSOL等的基礎上，將液相的石油直接轉變為固相的天然氣水合物。2）專門針對天然氣水合物的成藏和開采，以及CO2水合物地質封存進行數值模擬，并考慮了水合物生成或分解過程的放熱或吸熱化學反應過程，以及多孔介質中多相滲透和傳熱的復雜過程。國際上主要的天然氣水合物數值模擬器（或模擬軟件）如表2所示。

Wilder等[44]和White等[34]分別于2008年和2020年開展了天然氣水合物數值模擬器的研究對比，結果顯示：從國際主流數值模擬器的建模方法、主要參數選取及求解結果的準確性來看，目前國際上尚缺乏公認的、能夠精確有效分析含水合物沉積物這一復雜體系的實用工具。尤其是求解涉及復雜的傳熱（導熱、滲流換熱和擴散換熱）、多相滲流（氣液兩相的相對滲透率、含水合物多孔介質的絕對滲透率），以及相變化學反應（水合物生成和分解反應）等的強耦合問題時，在物理和化學過程描述和迭代收斂等方面還存在較大缺陷。主要體現在溫度、壓力、各相飽和度分布等求解結果不合理，收斂性欠佳，模型參數的選取隨水合物變化范圍較大等，因此，有待于進一步深入研究。

4.2 "數值模擬器的應用

通過天然氣水合物數值模擬器對實驗結果的復現，可以驗證天然氣水合物物理模型和物性參數的合理性和適用性，這些模型和參數也將用于野外天然氣水合物的評估模擬。

Li等[45]基于實驗數據提出了1種新的動力學模型，將其植入到“Tough+Hydrate”模擬器中，通過數值模擬對比了3套不同尺度實驗裝置中天然氣水合物分解過程的產氣、產水、壓力及溫度的變化規律。Li等[40-41]使用全隱式水合物模擬器分別模擬了天然氣水合物三維綜合試驗開采系統和立方體天然氣水合物模擬裝置（CHS）中的天然氣水合物生成和分解過程，并得到了一系列能夠用于后續研究的物性參數。

Moridis[46]使用“TOUGH+HYDRATE”模擬器模擬研究了阿拉斯加北坡的天然氣水合物儲層的產氣潛力。模擬結果表明：在井底壓力恒定的情況下，水平井的產氣量與垂直井相比幾乎增加了兩個數量級，但產量仍然很低，而沉積層的初始溫度可能是決定產氣潛力的重要因素。Konno等[47]基于第1次在日本南海海槽東部進行的海域天然氣水合物試采作業的數據進行了數值模擬研究，模擬結果表明：有效滲透率相對較高的含高飽和度天然氣水合物的砂巖層更適合采用降壓法開采，具有該特點的天然氣水合物儲層也是商業開采的首選。Yamamoto等[48]基于日本南海海槽第2次（2017年）海域天然氣水合物試采的溫度和壓力數據，使用MH21-HYDRES數值模擬器對試采過程進行模擬研究，發現儲層內天然氣水合物的不均勻分布是造成產氣量模擬結果和實際結果存在較大差異的主要原因，儲層內水的流動給天然氣水合物開采過程的分析增加了復雜性。Yu等[49-53]根據日本南海海槽的地質勘探資料及海域天然氣水合物試采現場數據，利用“Tough+Hydrate”模擬器預測了長達5年開采時間下天然氣水合物開采過程中的產氣行為，分別研究了采用雙垂直井和降壓法開采，以及水平井和降壓法開采，發現通過提高天然氣水合物儲層滲透率和采用降壓注熱法等方式可提高天然氣的產出率。

Xiao等[54]以2020年中國南海神狐海域第2次天然氣水合物試采數據為基礎，研究了滲透率對天然氣水合物儲層生產行為的影響，提出了滲透率修正模型，首次在野外尺度上分析了天然氣水合物分解對儲層滲透率的影響。分析結果顯示：天然氣水合物的分解可以提高儲層滲透率，從而促進流體流動，提高產氣效率。Zhao等[55]使用“Tough+Hydrate”模擬器在中國瓊東南海域的地質勘探數據基礎上，對天然氣水合物與淺層氣共存體系進行了長期的開采模擬，對比了多氣合采和單一開采的產氣效率。研究結果表明：游離氣的存在可以顯著提高天然氣水合物儲層的產氣能力。Li等[42]使用全隱式水合物模擬器對中國南海神狐海域SHSC2-6區域進行了8年內的天然氣開采潛力評估，發現天然氣水合物分解過程的吸熱效應遏制了降壓法開采的持續進行，提出降壓注熱法是具有潛力的海域天然氣水合物開采方法。

利用天然氣水合物數值模擬器復現實驗結果，獲得可靠的物理模型和物性參數，并將其用于野外天然氣水合物的產氣能力評估及獲得高效的開采方法。

在未來的數值模擬器研究中，一方面，應當基于實驗數據獲取更加可靠的物理模型和物性參數，建立可靠的多相滲流模型及相變-傳熱-滲流-力學強耦合理論模型，實現數值模擬過程的精確化；另一方面，應當實現數值模擬器的優化集成，通過并行計算、中央處理器（CPU）與圖形處理器（GPU）結合、多處理器協同計算等方式，在保障計算精度的條件下實現超大網格矩陣的求解，并實現三相四場耦合模型的快速求解。

5 "展望

現階段，中國在天然氣水合物野外試采和實驗室尺度下實驗模擬裝置的研發方面都處于領先水平，但針對數值模擬器的研究起步較晚。未來在實驗模擬裝置方面，應重點研發適用于開采過程中測量和監測熱學、滲流、力學和相變參數的實驗模擬裝置，通過相變-傳熱-滲流-力學多場耦合一體化監測裝備的建立，實現熱導率、熱容、相變熱、應力、滲透率等多項物性參數的長期一體化監測。在數值模擬器方面，未來應當將前期忽略或尚未考慮的影響天然氣水合物開采的因素引入到物理模型中進行修正，并基于實驗數據獲取更為精準的物理模型和物性參數，建立多相滲流模型及相變-傳熱-滲流-力學強耦合理論模型，實現天然氣水合物開采數值模擬過程的精確化；突破常規數值模擬器在均質、小尺度模型網格方面的限制，實現天然氣水合物的精細化描述；實現儲層、井筒、管道的全過程集成化模擬；優化數值模擬器算法，從而建立可服務于中國天然氣水合物產業化開發的高精度數值模擬器。

6 "結論

本文首先對現階段常用的幾種天然氣水合物開采方法及全球各種野外試采案例進行了分析，然后對國內外天然氣水合物實驗模擬裝置和數值模擬器的開發及應用進行了介紹，最后對未來天然氣水合物實驗模擬和數值模擬的研究方向進行了展望。未來，在實驗模擬裝置方面，應重點研發適用于開采過程中測量和監測熱學、滲流、力學和相變參數的實驗模擬裝置；在數值模擬器方面，應實現天然氣水合物開采數值模擬過程的精確化，并不斷優化數值模擬器算法，從而建立可服務于中國天然氣水合物產業化開發的高精度數值模擬器。

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Research progress on experimental simulation devices and numerical simulators for natural gas hydrates

Li Gang1，2，Li Xiaosen1，2，Weng Yifan1，2，Lyu Qiunan1，2

（1. Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；

2. CAS Key Laboratory of Gas Hydrate，Guangzhou 510640，China）

Abstract：China is rich in natural gas hydrate resources，and if it is commercially exploited，it will contribute to the adjustment of China's energy structure. The experimental simulation and numerical simulation of natural gas hydrate exploitation are important means to guide safe and efficient exploitation. This paper first briefly introduces the exploitation methods of natural gas hydrates and field trial exploitation cases at home and abroad. Then，the development and application of natural gas hydrate experimental simulation devices and globally representative natural gas hydrate numerical simulators are systematically summarized. Finally，the future research directions of natural gas hydrate experiments and numerical simulations are prospected. In the future，in terms of experimental simulation devices，emphasis should focus on the development of experimental simulation devices which are suitable for measuring and monitoring thermal，seepage，mechanical，and phase transition parameters in the exploitation process. In terms of numerical simulators，it is necessary to realize the accuracy the numerical simulation process of natural gas hydrates and continuously optimize the numerical simulator algorithms. In order to establish a high-precision numerical simulator that can serve the industrial development of natural gas hydrates in China.

Keywords：natural gas hydrates；experimental simulation device；numerical simulator；theoretical model