基于FLUENT的天然气水合物温度场数值模拟.pdf

第 4 1卷 第 1 2期 2 0 1 2年 1 2月 当 代 化 工 C o n t e m p o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 1．N 0 ． 1 2 D e c e m b e r ， 2 0 1 2 基于 F L U E N T的天然气水合物温度场数值模拟 潘 振 ，赵杉林 ，苏圣钧。 ，商丽艳 ，刘 鑫 ，王 硕 1 ．辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 ； 2 ．辽宁石油化工大学 化学化工与环境学部， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 ； 3 ．中国寰球工程公司辽宁分公司， 辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 6 摘 要分析了天然气水合物注蒸汽开采机理，建立了注蒸汽开采天然气水合物数学物理模型，通过数值 模拟， 对注汽温度、作用时间两个参数进行研究， 获得天然气水合物的温度场变化情况。模拟结果表明当作 用时间和注汽温度两个参数同时增加时，他们是相互促进的关系。作用时间增长有利于热量渗入天然气水合物 孔隙和天然气水合物表面；注汽温度增大促进了温度场的扩展。故同时增大作用时间和温度对开采天然气水合 物是有利 的。 关键词天然气水合物；蒸汽；温度场；数值模拟 中图分类号T E 3 1 9 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 21 2 1 4 0 0 0 4 Nume r i c a l Si mul a t i o n o f Te moe r a t ur e Fi e l d o f Na t ur a l Ga s Hyd r a t e ba s e d o n FLUENT ⅣZ h e n ，Z h A0 S h a n l i n ， S h e n g -j u n ，S HA NG L i - y a n ，Li uXi n ， W A NG S h n o 1 ． Co l l e g e o f P e t r o l e u m En g i n e e r i n g ， L i a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y , Li a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， Ch i n a ； 2 ． Co l l e g e o f Ch e mi s t r y ， c h e mi c a l E n g i n e e rin g a n d En v i r o n me n t a l En g i n e e ri n g ， L i a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i ty, Li a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 01 ． C h i n a ； 3 ． C h i n aHu a n q i u Co n t r a c t i n g En g i n e e rin g Co mp a n y Li a o n i n g S u b c o mp a n Li a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 6 ． Ch i n a Ab s t r a c t T h e me c h a n i s m o f t h e r ma l s t i mu l a t i o n e x p l o i t a t i o n f o r n a t u r a 1 g a s h y d r a t e wa s a n a l y z e d ．a n d t h e ma t h e ma t i c a 1 ． p h y s i c a l mo d e l wa s e s t a b l i s h e d 。 Nu me r i c a l s i mu l a t i o n wa s c a r de d o u t t o o b t a i n t h e t e mp e r a t u r e fie l d d i s t r i b u t i o n o f n a t u r a l g a s h y d r a t e ． T wo i n fl u e n c e f a c t o r s i n j e c t i o n t e mp e r a t u r e and a c t i n g t i me we r e c o n s i d e r e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t i n j e c t i o n t e mp e r a x e a n d a c t i n g t i me c a n p r o mo t e e a c h o t h e r ． T h e p r o l o n g i n g a c t i n g t i me i s g o o d for t h e h e a t i n fi l t r a t i o n t o t h e p o r e s p a c e a n d s u r f a c e o f n a t u r a l g a s h y dra t e ． T h e i n c r e a s i n g i n j e c t i o n t e mp e r a tur e c a n p r o mo t e the e x p a n s i o n o f t e m p e r a t u r e fi e l d ． T h e r e f o r e ， i n c r e a s i n g a c t i n g t i me a n d i n j e c t i o n t e m p e r a t u r e a r e b e n e fi c i a l f o r e x p l o i t a t i o n o f n a tur a l g a s h y d r a t e ． Ke y wo r ds Na t u r a l g a s h y dr a t e ； S t e a m； T e mp e r a tur e fi e l d ； Nu me r i c a l s i mu l a t i o n 天然气水合物 N a t u r a l G a s H y d r a t e ，简称 G a s H y d r a t e是分布于深海沉积物或陆域 的永久冻土 中，由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状 的结晶物质。 因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧 ， 所以又被称作 “ 可燃冰”或者 “ 固体瓦斯” 。 天然气水合物就是一种高效} 吉 净的能源，其特 点是分布较广、资源量相对巨大、埋藏浅、存储层 规模大 、 能量密度高等。我国于 2 0 0 6年颁布的 国 家中长期科学和技术发展规划纲要 2 0 0 6 2 0 2 0年 ⋯ ，明确指 出 “ 天然气水合物是蕴藏于海洋深水底 和地下的碳氢化合物 ，重点研究天然气水合物的勘 探理论与开发技术，天然气水合物地球物理与地球 化学勘探和评价技术 ，突破天然气水合物钻井技术 和安全开采技术” ， 天然气水合物的技术发展从国家 层面上被正式确定下来。 我国又是世界第三大冻土 区，冻土面积约 2 1 5 万k m ， 具备 良好的天然气水合物形成的条件 ， 粗略 估算冻土区水合物资源量至少有 3 5 0 4 L t 油当量口 ’ ， 天然气水合物 目前还没有进入到商业开采阶段 ，多 年来对于天然气水合物的开采与利用都是我国所致 力研究的问题 。 有效的开采方法一直是困扰着对其大规模利用 的关键所在 ，对天然气水合物开采理论上已有几种 方法t 降压法 、热激法 、注入抑制剂法。但是每 种方法都有其缺点和局限性。本文在调研 了国内外 有关天然气水合物开采的数值计算以及有限元模拟 基础之上 ，充分考虑了天然气水合物的热激法开采 的机理 ，利用F L U E N T 软件，通过数值模拟计算改 基金项 目辽宁省科技厅博士启动项 目，项 目号2 0 1 1 l 0 6 0 ；辽宁省教育厅创新团队项目，项 目号L T 2 0 1 0 0 6 0 。 收稿 日期2 0 1 2 - 0 9 - 1 6 作者简介潘振 1 9 8 1 一 ，男，辽宁铁岭人，副教授 ，博士，2 0 1 0年毕业于中国石油大学 华东 ，研究方向天然气水合物数值模拟。E - m a i l p z 2 6 3 6 12 6 ． c o m。 通讯作者商丽艳 1 9 8 0 一 ，女，讲师，硕士，研究方向天然气水合物数值模拟。E - m a i l p 6 8 6 0 7 7 0 1 2 6 ． c o m 。 第4 1卷第 1 2期 潘振，等基于F L U E N T的天然气水合物温度场数值模拟 1 4 0 3 图 1 1 注汽温度为 5 7 3 ． 1 5 K，作用 时间为 9 6 h的温度场 Fi g ． 1 1 Th e t e m p e r a t ur e fi e l d o f 5 7 3 ． 1 5 K a n d 9 6 h 当作用时间和注汽温度两个参数 同时增加时 ， 通过图 9 、图 l O 、图 1 1可以看 出， 他们是相互促进 的关系。作用时间增长有利于热量的扩散 ，有利于 疏导其与天然气水合物层作用 ，有利于热量渗入天 然气水合物孔隙和天然气水合物表面；注汽温度增 大致使天然气水合物被分解从而扩大了影响区域， 所以促进了温度场的扩展。故同时增大作用时间和 温度对开采天然气水合物是有利的。 5 结 论 ① 当注汽温度不变时 ，随着作用时间的推移 ， 温度场的影响半径越来越大 ，温度渗入天然气水合 物地层的水平距离随着作用时 间的增长而距离变 大，有利于开采天然气水合物。 ② 当作用时间不变时，随着温度的升高，温度 场 的水平影响半径逐渐增大 ，温度升高有利于更多 的热量通过热传导和热交换作用于天然气水合物 上 ，所 以增大温度对热激法开采天然气水合物具有 决定性的意义。 ③ 当作用时间和注汽温度两个参 数同时增加 时，他们是相互促进 的关系。作用时间增长有利于 热量渗入天然气水合物孔隙和天然气水合物表面； 注汽温度增大促进了温度场的扩展。故 同时增大作 用时间和温度对开采天然气水合物是有利的。 参考文献 [ 1 ] 中华人民共和国国务院．国家中长期科学和技术发展规划纲要 2 0 0 6 2 0 2 0 年 [ E B ／ O L ] ．h t t p ／ ／ p o l i t i c s ．p e o p l e ． c o rn．e n ／ G B ／ 1 0 2 6 ／ 4 0 8 9 3 1 1 ． h t ml ，2 0 0 6 0 2 0 9 ． [ 2 ] 高文爽，陈晨， 房治强．高压热射流开采天然气水合物的数值模 拟研究叫．天然气勘探与开发， 2 0 1 0 ， 3 3 4 4 9 5 2 ． [ 3 ] 房治强．冻土区天然气水合物热激法试开采系统及数值模拟研究 【 D ] ． 长春 吉林大学， 2 0 1 1 ． [ 4] 张郁，李小森， 李刚， 等．天然气水合物分解和开采的机理及数学 模型研究综述『 J 1 ．现代地质，2 0 1 0 ， 2 4 5 9 7 9 9 8 5 ． [ 5 ] 韩 占忠，王敬，兰小平． F L U E N T流体工程仿真计算实例与应用 [ M ] ．北京北京理工大学出版社， 2 0 0 4 ． [ 6] 江帆，黄鹏． F l u e n t 高级应用与实例分析[ M】 ． 北京 清华大学出版 社 ． 2 0 0 8 ． 上接 第 1 3 9 9页 油浆族组成也发生了显著的变化 芳香烃从原 来 的 5 1 ． 1 3 ％提 高 到 8 4 ． 5 8 ％，饱 和 烃 由原 来 的 3 3 ． 5 2 ％下 降到 1 5 ． 0 ％以下 ，胶质和沥青质含量也都 明显减少。 在使用C G P F S 催化剂后， 在掺渣比微降的情况 下 ，油浆密度继续增加到 1 0 8 0 k g ／ m 以上 ，有时超 过 1 1 0 0 k g ／ m ；油浆 中饱和烃含量继续降低 ，芳香 烃含量提高到 8 7 ％以上。由于油浆密度变重 ， 因此 ， 我们在操作上将重点关注油浆性质变化对分馏塔及 油浆系统生产操作产生的影响。 3 结 论 对于石蜡基大庆原油而言 ，在掺渣 比达 3 0 ％～ 4 0 ％时 ， MI P C G P工艺与其专用催化剂的配套使用 下 ， C G P F S催化剂 占系统总藏量 7 5 ％左右时 ，与 L D O 一 7 0催化剂相比，产品分布和性质发生了显著 的变化，具体如下 1 干气产率维持在 4 ． O ％左右 ，液化气收率 增加 5 ．3 3 ％，汽油产率下降 2 ．6 2 ％，柴油产率下降 O ． 5 4 ％，油浆产率下降 2 ． 2 7 ％，轻收下降 2 ． 8 9 ％，总 液收上升 1 ． 4 4 ％。 2 汽油辛烷值 R O N上升 3 ． 5个单位 ，R O N 达到 9 0左右 ，MO N上升 1 ． 9个单位 。汽油烯烃维 持在 3 2 ％左右，汽油诱导期保持在 1 5 0 0 m i n以上。 3液 化 气 中丙烯 含 量 从3 1 ． 5 1 ％增 加 到 4 4 ． 8 4 ％；丁烯含量从 2 3 ． 8 6 ％下降到 1 8 ． 2 3 ％；丙烯 丁烯含量增加 了 7 ． 7 ％；丁烷含量下降 9 ． 6 3个百分 点。而且由于液化气收率的提高，相应增加了丙烯 和丁烯的产量 。 4柴油性质发生了显著的变化 ，柴油变重 ， 密度达到 9 1 0 k g ／ m 以上 ，柴油十六烷值下降到 2 2． 5。 5 油浆性质发生了显著的变化，油浆变重， 油浆密度增加到 1 0 8 0 k e g m 以上 ，粘度降低 ，饱和 烃含量下降，芳香烃含量上升到 8 5 ％左右 ，胶质沥 青质含量下降。 6 按照设计加工量 1 7 1 万 计算，总液收 增加 1 ． 4 4 ％，增加效益 1 5 3 9 7万元／ a 。