[发明专利]一种跨尺度的含水合物多孔介质热导率的计算方法

说明书

本发明公开了一种跨尺度的含水合物多孔介质热导率的计算方法。热导率是影响天然气水合物开采效率的关键参数。目前热导率模型对于含水合物多孔介质的适用性较低，计算误差较大。因此，本发明针对含水合物多孔介质内各相的赋存形态，构建孔隙尺度含水合物多孔介质物理模型。基于物理模型，建模多孔介质内孔隙尺度传热过程，并利用傅里叶定律推导宏观热导率公式。通过该模型的预测结果与实验测量对比，验证该热导率模型对不同含水合物多孔介质预测的准确性和适用性。

技术领域

本发明属于含天然气水合物多孔介质的热传导领域，具体涉及提出颗粒级含水合物多孔介质模型，分析模型导热过程划分导热区域，根据傅里叶定律推导各区域导热公式，从而获得含水合物多孔介质热导率的解析解。

背景技术

天然气水合物自二十世纪六十年代起发现大量存在于深海和永久冻土地区。天然气水合物具有较高的能量密度，单位体积的天然气水合物包含多达170体积的天然气。此外天然气水合物储量庞大，仅截止到2008年全球勘探估计总量已达到1000-10000GtC，而全球其它化石能源包括煤、石油、天然气的总储量为5000GtC。随着近些年勘探技术的发展，越来越多的天然气水合物藏不断被发现。天然气水合物是一种典型的清洁能源，直接燃烧产物只有水和二氧化碳。所以天然气水合物是一种极具开发和利用价值的清洁能源。

天然气水合物主要赋存在砂粒或者淤泥等多孔介质中，含水合物多孔介质的导热特性影响开采过程中的热量传递，进而影响开采效率，因此对含水合物导热特性的研究至关重要。当前各种热导率预测模型在含水合物多孔介质领域适应性较低，引起误差较高，所以缺乏针对含水合物多孔介质的导热过程的热导率预测模型(Dai S,Cha J H,RosenbaumE J,et al.Thermal conductivity measurements in unsaturated hydrate-bearingsediments[J].Geophysical Research Letters,2015,42(15):6295-6305.)。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的问题，提出理想的含水合物多孔介质模型，并根据模型提出传热计算公式，进而得到热导率，使得模型计算热导率与实际值更为接近，预测误差更小。

本发明的具体技术方案，一种跨尺度的含水合物多孔介质热导率的计算方法，包括步骤如下：

步骤1，构建含水合物多孔介质的立方晶胞物理模型：颗粒位于立方晶胞中心；水合物呈现颗粒包裹型、孔隙填充型形态；所述颗粒包裹型为，颗粒表面由内向外依次是水合物、水和气；所述孔隙填充型为，颗粒表面由内向外依次为水、气体和水合物；计算获得模型孔隙度与每一相的饱和度；

步骤2，将含水合物多孔介质的立方晶胞物理模型划分为两个以上的区域，利用傅里叶导热定律计算每一个区域的热通量，各区域加和得到总热通量，再求出导热系数的解析解。

进一步地，所述颗粒呈现均匀的球体或正方体棱切球体。

进一步地，当水合物呈现颗粒包裹型时，水合物和水呈现均匀球壳；当水合物呈现孔隙填充型时，水和气呈现均匀球壳。

进一步地，所述颗粒半径大于等于立方晶胞物理模型的边长的1/2倍，小于等于立方晶胞模型的边长的倍。

进一步地，当水合物呈现颗粒包裹型时，立方晶胞物理模型的边长的1/2倍≤水合物形成的球壳半径≤水形成的球壳≤立方晶胞模型的边长的倍；当水合物呈现孔隙填充型时，立方晶胞物理模型的边长的1/2倍≤水形成的球壳半径≤气形成的球壳≤立方晶胞模型的边长的倍。

进一步地，步骤2，由n个圆柱环将含水合物多孔介质的立方晶胞物理模型划分为n+1个区域，其中n≥7。

进一步地，步骤2，通过含水合物多孔介质的立方晶胞物理模型通过计算，其中1≤i≤n+1。