基于分子动力学模拟的天然气水合物空蚀作用规律

固态流化法开采天然气水合物(以下简称水合物)过程中,空化射流对水合物软质泥沙具有很强的破坏作用,然而,目前针对水合物的空蚀作用规律尚不明晰。为此,基于Ⅰ型水合物的晶体架构建立了水合物空蚀破坏模型,采用分子动力学模拟软件Materials Studio建立不同微观赋存环境下的水合物模型,分析了空泡近壁溃灭形成的空蚀微环境对水合物分解的作用规律,并将其与常规降压开采法下的水合物分解过程进行对比,进而研究了不同空蚀微环境和微观赋存环境对水合物分解的影响。研究结果表明:①空蚀微环境能够有效加快水合物的分解,模拟条件下分解速率可达常规降压开采法的22.5倍;②空蚀微环境温度的升高对水合物空蚀分解起正向促进作用,作用效果较压力更为显著;③空蚀微环境在低温高压情况时会抑制水合物的分解,特定温度下存在分解速率最快的冲击压力值;④不同微观赋存环境下水合物的分解特征不同,水环境下的水合物分解效果优于甲烷气体环境,但空蚀作用能降低该影响。结论认为:基于分子动力学的水合物空蚀作用研究成果,能够为空化效应在开发水合物过程中的应用提供理论支撑和技术支持。

基于径向井压裂复合降压法的天然气水合物开采产能数值模拟

压裂是提高天然气水合物(以下简称水合物)开采效率的潜在方法之一,但当前在径向井压裂降压开采水合物时,径向井分支数与裂缝参数对水合物压裂后产能的影响规律研究相对较少,水合物增产缺乏理论基础。为此,基于开源程序HydrateResSim对具有渗透性边界的第三类水合物藏储层进行了径向井压裂复合降压法开采水合物产能模拟,对比了不同位置、数量的裂缝及不同径向井分支数影响下开采过程中压力场、温度场、水合物饱和度、甲烷饱和度分布及产能变化,并分析了水合物的增产规律。研究结果表明:①裂缝在水合物储层中构建了高导流能力通道,显著降低了近井区域渗流阻力,提高了压力降传播速度,扩大了水合物分解范围;②压裂裂缝距离主井筒越近,开采初期压力降传播效果越好;③裂缝总缝长相等时,增加裂缝数量有利于提高产能;④径向井分支数增加,产气速率及生产气水比均有明显提高。结论认为,径向井压裂复合降压法可以提高水合物开采效率,是一种实现水合物商业化开采的潜在新方法,将有助于推进我国南海水合物产业化进程,研究结果对于南海天然气水合物的实地化开采具有重要的指导意义。

天然气水合物旋转空化射流冲蚀性能研究

为提升水射流破碎开采天然气水合物效率,设计一种旋转空化射流喷嘴。首先,基于ANSYS FLUENT 19.0计算流体力学软件建立收缩-扩张型空化射流及旋转空化射流三维数值模型,对比分析射流速度场、压力场及气相分布的发展规律。然后,通过水合物二次合成的方式,提出一种天然气水合物沉积物试样冲蚀孔深及孔径定量表征方法。最后,基于自主设计研制的天然气水合物生成及空化射流冲蚀可视化实验装置,进行收缩-扩张型空化射流及旋转空化射流冲蚀天然气水合物沉积物室内实验,测试旋转空化喷嘴性能。研究结果表明:旋转空化射流扩散性强,轴心线速度衰减快,径向与切向速度大,卷吸掺混能力强,破碎面积大;旋转空化射流的“负压”分布范围及极值较收缩-扩张型空化射流大幅度增加,具有更强的空化初生能力及空蚀效应;2种射流中气相分布具有相同的周期性,旋转空化射流本身具有旋转速度,在剪切层内形成了大量包含空化泡的旋涡和空泡群,空泡群产生联动效应提升了射流的空蚀能力;旋转空化射流冲蚀水合物沉积物形成的孔深及孔径分别是收缩-扩张型空化射流的2.5倍和2.0倍,在扩孔效应的基础上,空蚀效应伴生的高温、高压及微射流特性破坏水合物沉积物的骨架,降低了破坏门限压力,获得了更佳的冲蚀效果。该研究可为空化射流钻径向水平井+筛管完井一体化方法开采天然气水合物提供理论依据。