我实验室李晓东博士在Energy期刊上发表了题为Numerical investigation of gas and sand production from hydrate-bearing sediments by incorporating sand migration based on IMPES method的文章。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.energy.2023.129556。

1、文章概述

天然气水合物开采过程中，考虑多场耦合效应并准确预测储层中气体和砂的产量十分关键。本文首先系统总结了气体水合物含砂沉积物（GHBS）在砂和气体产量过程中的多场耦合效应。基于此提出了一个水合物开采过程热流固多场耦合模型，同时考虑了砂的脱落和迁移（THMS），以便更全面地描述流固产出等复杂行为。基于IMPES方法、增量方案和解析解结合的求解方法实现对该模型在侧限压缩条件下的求解，求解方法给出了详细的推导过程，以确保结果的可重复性。通过与现有实验数据的对比验证了模型和求解方法的可靠性。随后研究了出口压力、初始水合物饱和度、载荷应力和可脱落砂比对流固产出规律的影响。计算结果显示，低出口压力、高初始水合物饱和度、高应力载荷和高可脱落砂比可能导致较高的砂产量。同时，低出口压力、低初始水合物饱和度、高载荷应力和高可脱落砂比例可能导致较高的累计气体产量。

图1 侧限压缩条件下水合物分解过程中的流固产出

2、研究方法

天然气水合物的开采是涉及温度场、渗流场、力学场等多物理场耦合作用下的固-液-气相变和气-水-砂产出的过程。温度场、渗流场、力学场、水合物相变和出砂彼此之间相互影响，形成了复杂的耦合作用（图2）。针对这一复杂物理过程，建立考虑上述耦合的作用的数学模型（图3），并且开发了一套基于IMPES方法、增量法和解析解的数学模型求解方法（图4）。通过求解该数学模型，实现对水合物分解过程中各物理场行为的描述。

图2 含水合物沉积物开采过程的多物理场耦合行为

图3 侧限压缩下含水合物沉积物流固产出数学模型

图4 数学模型求解方法

3、研究结论

这项工作建立了一个新的水合物开采过程热流固出砂耦合模型，并提出了一种基于IMPES方案、增量法和解析解的数学模型求解方法。计算结果显示，数学模型能够良好地描述含水合物沉积物的复杂多物理场耦合行为。敏感性分析结果显示，初始水合物饱和度较高会导致早期绝对渗透率较低，进而降低产气量；不过较高的初始水合物饱和度却会导致较高的出砂量。增大应力荷载会增大累计产气量，不过增幅有限，然而增大应力荷载却能大幅提升累计出砂量。不同的脱砂比对于累计产气量的影响有限，但是却能明显地限制累计脱砂量和累计出砂量。