[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

摘要

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。

主权项

1.一种实验与数值模拟过程中水合物饱和度的计算分析方法，其特征在于，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：A2、向填满石英砂的反应釜中注入甲烷气，并基于温控系统调节反应釜的温度至室温，记录反应釜温度、压力稳定时对应的温度条件T_init和压力条件P_init；所注入的甲烷气的摩尔量为：其中，R＝0.08314 L·bar/(mol.K)，Z_init为注入甲烷气体后反应釜稳定时甲烷在T_init与P_init条件下的压缩因子；A3、往反应釜中注入体积为V_water的蒸馏水，待反应釜温度和压力条件稳定时，基于温控系统降低反应釜的温度；此期间，反应釜内水合物不断形成，不同反应时刻对应的温度、压力测量值分别为T_t和P_t；(1)基于气体压缩因子计算模型求解在压力P_t，温度T_t条件下对应的甲烷相对摩尔体积V_rt与气体压缩系数Z_t、并得到对应的气体逸度φ_CH4；(2)将甲烷在液相中化学势参数化，并求得系统不同时刻P_t、T_t条件下的甲烷溶解度S；(3)进而求得任意t时刻P_t、T_t条件下系统甲烷气的消耗量x，以及此时对应水合物、气体与水的体积饱和度；步骤B、水合物分解饱和度计算：B1、在特定条件下使水合物分解，并记录分解反应时的分解水量、分解气体压力和温度以及反应釜的温度和压力：待水合物合成过程结束时，得到最终生成水合物量x_end以及水合物饱和度S_hydrateend，然后以一定分解条件使水合物发生分解，并通过体积分别为V₁与V₂的储水罐和储气罐分别收集分解后的水与气体，实时记录反应生成水量W_t、储气罐气体压力P_gas与温度T_gas，同时记录水合物分解过程中反应釜内温度T_treac与压力P_treac；B2、在任意时刻t时，基于测得反应釜内的温度T_treac、压力P_treac以及储气罐温度T_gas、压力P_gas，分别求得该条件下反应釜内与储气罐内的压缩因子Z_reac、Z_dist，以及对应甲烷溶解度S_reac、S_dist，此时储水罐中除产出水外还有部分分解气，该部分分解气体积为：则气体分解产出总摩尔量为；标准状态下该气体体积为：V_stpgas＝22.7n_gas基于公式：并根据所测得反应釜与储气罐内温度、压力条件及产物量可求得任意时刻水合物分解量x_mol，此时水合物分解率为：反应釜内此时水合物、水与气体体积饱和度为：S_gasd＝1‑S_hydrated‑S_waterd。