[发明专利]一种实验与数值模拟过程中水合物饱和度的计算分析方法

说明书

本发明提出一种实验与数值模拟过程中水合物饱和度的计算分析方法，充分考虑气体的压缩性，实现针对不同温度、压力条件下甲烷压缩因子的分析，同时给出了一种甲烷在纯水中不同条件下的溶解度计算分析方式，将两种分析方式应用于实验室模拟尺度水合物合成与分解过程，实现在封闭系统内对水合物、甲烷气以及水的三相饱和度在不同时刻的计算。在缺乏电阻率等直接测试手段的条件下，本发明能够有效地揭示实验过程中储藏的演变以及水合物形成与分解效率观察，提高实验与模拟精度，能够为水合物实际开采提供重要依据和支持。

技术领域

本发明涉及服务海洋天然气水合物资源开发的室内实验与数值模拟领域，具体涉及一种实验与数值模拟过程中水合物饱和度的计算分析方法。

背景技术

天然气水合物是由水、甲烷气体在低温高压条件下形成的一种笼形物质，因其燃烧热值高且分布广泛而被认为是21世纪最有前景的新能源之一。2017年5月，中国成功从南海海域含水合物储层中采得天然气，试采的成功证实了我国南海海域水合物开发的可能性，但与此同时，试采过程中暴露出的诸多科学问题也为我国加快实现海域水合物商业化开采提出了更高的挑战。

在我国南海海域水合物的首次试采过程中发现，实际产出水量远低于前期对储层评价模拟的结果，这也进一步表明，针对粉砂质储层，我们对含水合物系统的水合物、水、气相三相分解、运移规律尚未厘清，这势必影响下一步水合物试采。如何进一步探明海域水合物分解过程机理，找出问题的关键，才能更好地为下一次试采，乃至商业开采服务。

目前，在实验室或数值模拟水合物、水、气三相运移时，由于水合物分解相态变化的复杂性，为简化水合物分解物理化学模型，通常在考虑真实气体压缩因子时，采用两种方式：一种仅通过甲烷气体压缩因子曲线图来估算不同温度、压力下甲烷气体压缩因子；另一种，采用诸如Benedict-Webb-Rubin-Starling(BWRS)、Peng-Robinson等方程求解。前者通常只能通过曲线图求得有限个条件点下的数值，对于水合物的长耗时合成过程，该方式应用较为局限；对于后者，虽然计算求解数量得到解决，但相关方程仅是通过有限实验数据点归纳而成，计算的精度以及适用的实验范围条件均有限。

另外，在水合物合成与分解系统中，是水与甲烷气混合条件，目前为简化计算模型，通常也不考虑甲烷在液相中溶解，仅将甲烷分为游离气体相与水合物两相，或者考虑甲烷溶解度时通常采用Henry定律来简化水合物饱和度的计算模型完成计算。实际上，这两类简化可能对实验室微小尺度模拟不影响计算结果，但是对于大尺度，乃至现场的储藏尺度而言，有关实验研究就显示，在野外海底以下的高压条件下，游离水中甲烷气体溶解量不仅不能忽略，通常其计算的精度也将对计算结果产生一定影响，因此如今再采用简化模型已不能满足计算需求。

为加快水合物商业开发的进程，更好地为下一次海域水合物试开采服务，现要求充分考虑水合物合成及分解过程中地质、物理、化学过程，采用真实有效的水合物生成、反应量计算模型，以期更好地为水合物开发评价服务。

发明内容

本发明针对现有方法的局限性，提出一种实验与数值模拟过程中水合物饱和度的计算分析方法，充分考虑溶解气及气体压缩因子随温压变化条件，实现对合成水合物以及合成后分解过程中水合物饱和度、转化率的计算，能够较精确的揭示实验室内水合物反应过程中三相演化规律，对缺少电阻层析成像等间接测量水合物形成测试手段的模拟过程计算尤为有效。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种实验与数值模拟过程中水合物饱和度的计算分析方法，包括以下步骤：

步骤A、水合物合成饱和度计算：

A1、在体积为V_reactor的反应釜中填满一定粒径的石英砂，所述石英砂的密度设为ρ_sand，并记录此时石英砂的使用量M_sand；

则反应釜在填满石英砂后的孔隙空间体积为：