海域天然气水合物降压开采三维数值模拟研究
摘要
天然气水合物是由气体分子和水分子在低温高压的环境下形成的类冰固体，具有清
洁高效无污染的优点，是未来理想的能源。由于实际海域水合物储层物性条件差，地质
机构复杂，开采难度很大，距离商业化开采仍需大量基础研究工作。各国学者提出多种
数学模型，水合物分解的数值模型研究得到了快速发展，但目前模型的仿真计算所采用
的开采方式多为垂直井开采，对水平井开采这种效率更高的方法研究相对较少，且现有
模型大都是一维或者二维模型，对实际地层的边界效应未全面考虑。
本文研究在总结现有模型的基础上，采用数值模拟的方法，建立了实际尺度下多孔
介质内天然气水合物水平井降压开采的三维数学模型，利用控制容积法对控制方程离散，
从而建立数值模型进行求解，并经过与实验数据的比较验证了模型的可靠性。通过对比
二维和三维模型的累积产气展示了三维模型的优势，利用建立的三维模型研究了天然气
水合物动态分解过程并通过改变特定参数的设置探究产气压力、温度、初始水合物饱和
度、绝对渗透率因素对动态分解过程的影响。在讨论沿轴向物理量的分布以及进一步考
虑降压井末端两侧温压、水合物饱和度的差异以后，重点分析降压井尾部区域累积产气
量占比，并探究产气压力、温度、初始水合物饱和度、绝对渗透率对占比的影响。
结果表明：三维模型对比二维等尺度模型存在累积产气量的不同，压力降低在分解
初期就已经传播到整个储层，但水合物分解速率慢于压降的传播速度，表明热传递在水
合物开采过程中起重要作用。出口的压力越低，初始水合物饱和度越高，温度越高，绝
对渗透率越高，天然气水合物分解速度就越快。在水平井降压开采天然气水合物的过程
中，边界效应显著：三维模型沿轴向的温压、水合物饱和度呈非阶跃变化，且在降压井
末端两侧存在温压、水合物饱和度变化的不同。在水平井末端之外存在水合物分解区，
随着开采持续进行，降压井尾部分解区域对累计产气量的贡献逐渐增加。在产气压力为
2.95MPa情况下，在开采730d后，占比达到6%以上。在得出降压井末端尾部分解区
域对于累积产气量存在影响之后，进一步通过敏感性分析得出：使用较大的降压驱动力
开采水合物储层、开采高水合物饱和度储层以及开采较高渗透率储层，特别是开采高渗
透率储层尤其值得注意，在储层渗透率为300md时，水合物开采进行两年之后，占比
达到了16%左右，三维模型的考虑更加必要。
关键词：天然气水合物；降压分解；三维模型；水平井；边界效应
海域天然气水合物降压开采三维数值模拟研究
Abstract
Naturalgashydrateisanice-likesolidformedbygasmoleculesandwatermoleculesunder
lowtemperatureandhighpressure.Ithastheadvantagesofclean,efficientandpollution-free,
andisanidealenergysourceinthefuture.Duetothepoorphysicalconditionsandcomplex
geologicalstructureofthehydratereservoirintheactualseaarea,theexploitationisvery
difficult,andalotofbasicresearchworkisstillneededbeforecommercialexploitation.
Scholarsfromvariouscountrieshaveproposedavarietyofmathematicalmodels,andthe
numericalmodelofhydratedecompositionhasbeendevelopedrapidly.However