天然气动态分析课程总结最新研究报告_天然气动态分析课程总结最新研究

1.国内外研究现状

2.LBM方法应用于天然气水合物沉积物中水合物分解过程的多相渗流规律研究

3.石油天然气关键参数研究与获取

4.　技术思路和方法

一、前言

能源技术的迭代创新推动了全球能源产业的转型发展。作为世界上最大的发展中国家、第一人口大国和第二大经济体，我国还是最大的能源生产国和消费国，能源工业的 健康 发展攸关我国、环境和 社会 经济可持续发展。当前，我国能源工业发展尽管已取得显著成就，但面临的问题同样突出：①能源消费总量规模巨大，能源生产和消费结构仍以化石能源为主。2018 年，我国煤炭消费总量约为2.74 109 tce，同比增长 1.0%，占能源消费总量的比例高达 59.0% [1] ，但所占比重持续下降。可再生能源和核能发电量保持增长，但规模化水平依然不足。②油气安全供应形势严峻，2017 年我国首次成为全球最大的原油进口国，2018 年石油对外依存度为 72%、天然气对外依存度为 43% [2] 。③化石能源尚未实现优质化利用，尤其是煤炭清洁高效利用水平仍需大幅提升。发电用煤占比远低于发达国家，大规模煤炭开发利用带来的生态环境问题较为突出 [3] 。④能源系统效率整体仍然偏低。我国单位国内生产总值（GDP）能耗是世界平均水平的 1.4 倍，2018 年火电利用小时平均数仅为 4361 h， “三弃”（弃风、弃光、弃水）电量为 1.023 1011 kW·h。⑤温室气体减排与应对气候变化压力巨大，我国CO2 排放量约占世界总量的 30%，CH4 排放量同样位居世界第一。

在保障国家能源安全的同时，保护生态环境并有效应对气候变化将是我国能源发展面临的长期重大问题。随着未来经济 社会 的发展，传统产业升级和基础设施建设对能源的需求依然强劲，我国能源消费总量可能持续上涨，新增能源需求集中在与可再生能源、天然气、核能等相关的新兴产业领域。能源领域新兴产业发展与国家战略需求紧密关联，有助于推动能源生产与消费革命、优化能源结构、助力能源安全、实现温室气体减排和生态环境保护，同时提升国家工业装备制造技术水平、培育经济发展新动能、服务经济 社会 可持续发展 [4] 。

今后 10~15 年以及更长时期，既是我国加快培育和发展战略性新兴产业的关键时期，也是发展绿色低碳产业的重要机遇期。促进能源新技术新兴产业发展，已经成为符合我国发展需求和特色的必然选择。现有研究 [5,6] 对我国战略性新兴产业总体发展规律、新能源产业或某一细分能源领域的发展动向与路径选择、战略性新兴产业政策规制等课题进行了探讨，在区域产业集群、战略布局、创新特征、发展模式等方向完成了深入分析。然而对于我国能源领域新兴产业未来发展，特别是产业定位、发展路径与具体举措的战略层面研究，相关内容尚属空白。

本文在界定我国能源新技术特点与产业内涵的基础上，梳理全球能源新技术新兴产业竞争格局的变化趋势与发展态势，研究面向 2035 年的我国能源新技术新兴产业发展方向，特别是“十四五”时期的发展目标与重点任务；明确具体的技术创新发展方向，提出工程 科技 攻关项目、重大工程和示范区建设以及相关政策的建议。

二、能源新技术的特点与产业内涵

（一）能源新技术的特点

能源新技术具有共性特征 [4] ：①通过技术原理上的创新，解决所在技术领域发展的制约性问题；②具有优良的技术竞争力或技术优势；③ 以相关成熟技术为发展基础，具有较好的技术可行性；④ 具有较大的降低成本潜力，能结合较高的技术学习率，在技术发展规模迅速扩张的同时使成本随之急剧下降，从而具备与传统技术竞争而占据大量市场份额的能力。基于已有研究的定义 [7] ，本文进一步将能源新技术明确为：不仅涉及可再生能源和核能领域，而且涵括非常规油气开发、传统化石能源的清洁高效转化与利用、能源的传输以及终端用能等领域，是具有突破性或颠覆性的能源开发利用技术。

（二）能源新技术新兴产业范畴与定位

作为新兴产业，能源新技术产业的定位需准确反映能源发展的客观规律，符合“推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系”的国家重大需求，且充分体现能源产业新趋势、新活力和新业态，有效促进绿色低碳成为经济增长新动能。《院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》将战略性新兴产业划分为 7 个大类，其中涉及能源领域的主要有“新能源产业”和“节能环保产业”，其中“节能环保产业”仅涉及传统工业利用过程的高效节能。《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》将新能源产业、节能环保产业和新能源 汽车 产业统称为“绿色低碳产业”。因而，能源领域新兴产业以往主要由“新能源产业”所指代。

能源本身并不涉及新的能源和旧的能源，只是能源技术存在先进程度的差异 [7~9]。仅用“新能源产业”一词，不能直接反映智能电网、储能、分布式能源和微电网等产业，同时可再生能源产业发展也需要重视技术的先进性问题。“新能源产业”的定位由于聚焦于核能、太阳能、风能和生物质能等产业，容易忽视化石能源新技术的颠覆性作用（如页岩油气规模化开发技术、先进洁净煤技术），而且将化石能源与非化石能源新技术的系统联合与协同发展排除在外。国家能源局等一些部门的政策文件将页岩气开发、智能电网纳入战略性新兴产业，但关于能源领域新兴产业的具体范畴仍不清晰。“新能源产业”定位过于狭窄，所统计的范围不能充分体现能源新技术发展所带来的能源转型与产业变革。现有产业划分与定位的局限性在一定程度上阻碍了能源新技术的集成创新以及不同能源产业的协同发展，不利于全面推动能源生产和消费革命。

针对于此，本文提出宜拓展以往“新能源产业”所涵盖的范围与内涵 [7] ，同等重视化石能源的清洁高效利用以及核能与可再生能源的规模化发展，将能源领域新兴产业统称为“能源新技术产业”。与新兴产业发展相关联的能源新技术包括节能与提高能源效率技术，化石能源清洁高效开发与利用新技术，智能电网和储能技术，非常规油气、可再生能源规模化开发利用技术，自主创新的核电技术和核废料处理技术，以及氢能和燃料电池、核聚变能、干热岩、天然气水合物等相关前沿技术。

能源新技术新兴产业主要涵盖了煤炭清洁高效转化与利用产业（以先进燃煤发电产业为重点）、非常规油气开发利用产业（以非常规天然气产业为重点，涉及页岩气、煤层气、天然气水合物产业）、能源互联网与综合能源服务产业（以能源互联网、先进输电、储能、综合能源服务产业为重点）、核能产业和可再生能源产业（以风力发电、太阳能光伏和光热发电、生物质能、地热能、氢能源与燃料电池产业为重点）。

三、能源新技术新兴产业发展动态

（一）发展现状

1. 全球能源新技术新兴产业

全球能源形势正在发生深刻变化，非常规油气的大规模开发支撑了美国“能源独立”，部分国家核电供应能力不断削减，以风力发电和太阳能发电为代表的可再生能源产业快速发展以及非常规油气生产成为全球性趋势，不断改变着全球能源供需格局 [10] 。世界能源发展向绿色、低碳转型，以“能源结构的低碳化转变、能源发展方式向气候和生态适应型转变、从保障能源供应到实现能源服务的智能化转变”为主要特征。各国致力于能源技术创新，推动能源低碳化和绿色可持续化发展。高度活跃的技术创新活动引发了能源开发利用方式的变革：全球能源供应能力随着技术水平提升而得到显著提高；清洁高效的化石能源开发利用技术赋予了化石能源新的竞争力，但减排尤其是减碳压力仍然巨大；可再生能源技术已得到广泛应用且成本不断下降，实现可再生能源的大比例消纳将是未来能源系统面临的挑战 [11] ；值得注意的是，氢能应用已经成为新兴产业，涉及电力、供热和燃料 3 个领域。

2. 我国能源新技术新兴产业

当前，我国能源发展已转向着力提升质量阶段 [11] 。国内能源消费结构不断优化，2018 年煤炭和石油以外的清洁能源占比已达 22.1%。能源供应结构朝着多元化方向发展。作为世界最大的可再生能源生产国，我国可再生能源产业发展迅速，相应新增发电装机已经超过化石能源，2018 年可再生能源发电量在电能结构中的占比达到 26% [2] ，替代作用日益显现。风力发电（占比 5.2%）、太阳能光伏发电（占比 2.5%）规模均达世界第一，弃风限电形势明显好转，光伏弃光电量和弃光率均有所降低。核电规模（占比 4.1%）稳定增长，核能多用途利用前景看好。能源互联网和综合能源服务产业蓬勃发展，能源基础设施建设提速，保障了“一带一路”倡议实施，促进了区域融合发展。

在技术层面，我国能源 科技 水平和创新能力持续提升，部分领域达到国际领先水平 [12] 。化石能源开发和利用效率进一步提高，燃煤发电超低排放技术开始全面推广。非常规天然气开发利用技术不断取得突破。电网与储能工程技术水平持续提升，能源互联网与储能产业处于国际领先水平。核能和可再生能源产业技术创新能力也有所增强。

与此同时，我国能源新技术新兴产业发展存在的问题也较为突出 [13] 。煤炭清洁高效转化和利用整体水平有待提升，先进煤炭利用技术亟需进一步研发突破与示范推广；油气供应安全问题突出，非常规油气仍未实现大规模商业化开发，关键技术和体制机制方面的制约因素仍然存在；核电产业仍需进一步规模化以保障安全高效发展；能源互联网与综合能源服务产业发展仍受制于技术、市场等多方面因素；可再生能源产业发展面临的核心技术不足、并网消纳困难等诸多问题仍有所体现。

（二）发展趋势

1. 全球能源新技术新兴产业

面向 2035 年，全球能源发展的主流仍是化石能源与非化石能源的协同发展 [13] 。在稳定性、经济性和可获得性方面，可再生能源存在明显不足，全球一次能源供应的主体在较长时期内仍将是技术稳定的化石能源。绿色、低碳能源在较长时期内是能源技术创新的主要方向，同时能源与信息、材料的深度融合，有望催生智慧能源网络。能源领域的技术创新将为传统产业的转型升级注入新动力，推动智能制造、智能建筑、智慧交通等新兴领域的快速发展 [11] 。

2. 我国能源新技术新兴产业

未来 10~15 年，我国能源生产和消费结构将继续优化，但鉴于现有规模基础，传统化石能源在保障能源安全方面仍将持续发挥基础性作用。页岩气、煤层气等非常规油气有望成为我国油气工业的战略性接替。核能产业是我国具有全球竞争力的高新技术领域，核能技术的研发与多用途利用将持续升温。可再生能源产业作为化石能源的清洁替代方案，在增进能源供应能力、满足对可持续性能源的需求、维护环境和气候安全等方面意义重大，将持续处于快速上升期。能源互联网为现代电力工业和综合能源系统的变革指引了发展路径。

四、 面向 2035 年的能源新技术新兴产业发展战略对策

（一）能源新技术新兴产业发展战略思路

基于我国国情现实、能源发展客观规律以及能源技术创新趋势，能源新技术新兴产业的发展需要同等重视化石能源和非化石能源新技术的颠覆性作用，持续优化能源生产和消费结构，着力提升能源利用效率和非化石能源的消费比重。加强能源 科技 基础研究，大力开展前沿性技术创新，特别是交叉学科创新和颠覆性技术创新研究。推动能源与材料、信息的深度融合以及智能电网、智慧能源发展，构建清洁、低碳、高效、智能的现代综合能源体系 [7,11]。

（二）“十四五”时期产业发展目标与任务

根据能源新技术新兴产业所涵盖的9个子产业，在“十三五”时期各产业发展的基础上，进一步分析“十四五”时期各产业应着力实现的具体发展目标和重点任务。

1. 煤炭清洁高效利用产业

发展目标：燃煤发电机组平均供电煤耗低于300 gce/(kW·h)，碳排放强度力争下降到 825 g/(kW·h)左右；实现 5~10 MW 煤气化燃料电池系统（IGFC）电站工程示范；建设 600 MW 等级的 700 超超临界工程示范项目；建成百万吨级 CO2 捕集、驱油与封存示范项目。

重点任务：①全面提升燃煤发电机组效率与污染物排放控制水平，开发高效低成本的碳捕集、利用和封存技术；②开发高灵活性燃煤发电技术，研发煤与可再生能源耦合发电技术；③研发数字化、自学习、自适应、互动化特征显著的智能发电技术；④加快实施“煤炭清洁高效利用”重大项目，加大IGCC/IGFC（整体煤气化联合循环发电系统，简称IGCC）研发投入。

2. 非常规天然气开发利用产业

发展目标：页岩气产量达到 3 1010 ~5 1010 m3 ，地面煤层气抽产量达到 1.3 1010 m3 ；前瞻性布局天然气水合物产业，加强天然气水合物勘探，开试验技术力争取得新突破。

重点任务：①加快川渝页岩气商业开发基地建设，实现页岩气产量快速增长；②加快常压、深层、陆相等新类型页岩气示范区建设，推动页岩气产业向多地区、多领域拓展；③继续推进沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘两个煤层气产业化基地建设；④加快南方二叠系、鄂尔多斯盆地低阶煤等新区和新层系开发试验，形成新的煤层气产业化基地；⑤海陆并举，前瞻性布局天然气水合物产业，加快评价和技术研发力度。

3. 能源互联网与综合能源服务产业

发展目标：建成泛在电力物联网，初步形成共建、共治、共赢的能源互联网生态圈，引领能源生产、消费变革，实现涉电业务线上率达到 90%。

重点任务：①研究适应全球能源互联网发展特点的智慧城市新基础设施体系；②输电线路升级改造逐步用超导输电技术；③全面深度感知源网荷储设备运行、状态和环境信息，重点通过虚拟电厂和多能互补方式提高分布式能源的友好并网水平和电网可调控容量占比；④用优化调度实现跨区域送受端协调控制，基于电力市场实现集中式省间交易和分布式省内交易，促进清洁能源消纳；⑤开发多类型、大容量、低成本、高效率、长寿命的先进储能系统。

4. 核能产业

发展目标：建成核电装机容量9.4 107 ~1 108 kW；建成压水堆投运容量 7.2 106 ~9.6 106 kW；建成先进堆投运容量 6 106 kW。

重点任务：①自主三代压水堆核电技术实现型谱化开发、批量化建设；②小型多用途核反应堆技术开拓核能应用范围与应用领域；③第四代先进核能技术与压水堆协调发展，打造可持续发展模式；④发展稳态、高效、安全、实用的核聚变技术。

5. 风电产业

发展目标：累计装机容量达到 3.5 108 kW，其中海上风电为 2 107 kW；陆上风电项目全面实现竞价上网，海上风电项目平准化度电成本显著下降。

重点任务：①优化产业空间布局，加快发展陆上分散式风电；②积极有序推进海上风电建设；③加强就地就近利用，落实解决消纳难题；④加强基础共性技术研究，形成产业发展的完整研发制造体系；⑤强化市场竞争机制，积极促进风电产业与金融体系的融合。

6. 太阳能光电产业

发展目标：太阳能光伏发电累计装机容量接近400 GW，太阳能光热发电装机容量累计为 5 GW。

重点任务：①大力发展分布式光伏发电；②完善消纳保障机制，保消纳、保装机；③进一步提高太阳电池及组件效率，降低度电成本；④规模化发展长储热小时数的融盐塔式技术，进一步降低导热油槽式电站的成本电价；⑤发展太阳能跨季节储热暖技术；⑥积极参与全球市场。

7. 生物质能产业

发展目标：垃圾焚烧发电实现清洁运行并在生物质发电中占据主导地位；生物质成型燃料年利用量为 4 107 t，生物质发电和供热成本逼近燃煤发电和供热成本。

重点任务：①建立生物质分布及其物化特性数据库；②研发生物质高效热电联产、热电多产品联产和垃圾清洁焚烧发电联合多产品生产技术；③生物质成型燃料重点研发成型燃料工业化生产关键技术和高效清洁化利用；④生物质交通燃料重点推进纤维乙醇产业化，建立生物柴油成熟的商业运营模式，研发生物质高效转化技术。

8. 地热能产业

发展目标：新增地热能供暖（制冷）面积为1 109 m2 ；新增地热发电装机容量 500 MW；地热能年利用量折合 1 108 tce。

重点任务：①优先开展地热潜力勘查与选区评价；②积极推进地热供热（制冷），改善供热结构，满足清洁用能需求；③针对不同热储类型加强技术攻关，突破共性关键技术；④加强地热发电技术攻关，推动地热高效利用；⑤大力发展梯级利用和“地热 +”，增强地热能的市场竞争力。

9. 氢能源与燃料电池产业

发展目标：完善制氢、加氢等配套基础设施，累积建成加氢站 300 座以上，实现氢气供需基本平衡；关键核心零部件批量化技术大幅提高，基本掌握氢能产业链核心技术；实现城市氢能应用场景多元化。

重点任务：①氢能基础设施全局规划、合理布局，规范化建设、规模化推进；②加强燃料电池系统集成；③在大型工业园区开展副产氢 + CO2 捕获和封存技术（CCS）、加氢站及燃料电池货运车示范；④在沿海城市开展可再生能源电解制氢、加氢站及燃料电池公交车、大巴示范应用；⑤特殊交通运输工具用燃料电池示范应用；⑥在边缘城市和工矿企业开展百千瓦级燃料电池分布式电站应用。

（三）面向 2035 年的创新方向与工程 科技 支撑

1. 关键技术方向

综合研判，面向 2035 年的我国能源新技术新兴产业关键技术发展方向见表 1，共有 41 项具体技术。

表 1 我国能源新技术新兴产业关键技术发展方向

（续表）

2. 设立工程 科技 攻关项目

从国家层面支持和推动设立工程 科技 攻关项目（见表 2），对能源领域具有前瞻性、先导性和 探索 性的重大关键技术开展集中攻关，提升技术水平和自主创新能力，进而有效支撑中长期能源新技术及产业的发展。

表 2 能源新技术新兴产业发展相关工程 科技 攻关项目

3. 设立多能互补分布式能源重大工程

国内对单一能源技术及其控制研究已经比较成熟，但缺乏对多种能源技术的集成应用技术，以及以分布式能源为基础的微电网基础理论和工程实践问题研究 [13] 。分布式供能系统是未来能源系统的重要发展方向，具有环保、经济、分散、可靠和灵活等特点，可满足高耗能行业以及工业园区、公共、商业和民用建筑的多能源联供需求，具有巨大的技术提升空间和市场潜力。设立重大工程，以示范为基础，建设多能互补分布式供能系统，这是构建“互联网 +”智慧能源系统的重要任务，有利于提高能源供需协调能力，推动能源清洁生产和可再生能源就近消纳，提高能源系统综合效率。

工程任务：①优化布局建设分布式供能系统基础设施；②开展分布式供能基础理论、核心技术和系统集成研究；③研制高水平独立微网变流器、控制器等关键设备；④通过独立微网系统集成和能效管理关键技术，实现多能协同供应和能源梯级利用；⑤形成适合终端用户和大型能源基地的多能互补分布式供能系统；⑥为城镇、海岛（礁）、极区及边远地区提供整体能源解决方案。

重点任务：①中东部终端多能互补分布式供能系统；②大型能源基地多能互补分布式供能系统。

4. 设立能源新技术集成创新示范区

（1）河北雄安新区能源新技术集成创新示范区

河北雄安新区及其周边地区现有开发程度较低，发展空间充裕，具备高起点、高标准开发建设的基本条件。以河北雄安新区为主建设能源新技术集成创新示范区，助力建设绿色智慧新城，打造生态城市，发展高端高新产业，带动河北南部地区乃至华北腹地的发展，建成与生态文明发展要求相适应的绿色低碳发展模式。

工程任务：①建设河北雄安新区智慧能源综合服务平台；②完成新建核电厂的供热总体规划方案及泳池式低温供热堆；③加快推进风电开发与配套电网建设协调发展；④加速推动区域太阳能全产业链的协调发展；⑤推进高效清洁的垃圾发电项目、建设玉米 / 小麦整株燃料乙醇和沼气生物炼制工程；⑥发展规模化分布式可再生能源并网技术与装备；⑦加大勘查力度，重点开展雄安新区多层水热型热储综合利用 [14] ；⑧布局包括制氢、运氢、加氢储氢、用氢在内的全产业链建设。

（2）华南沿海地区能源新技术集成创新示范区《粤港澳大湾区发展规划纲要》《国家生态文明试验区（海南）实施方案》《关于支持深圳建设中国特色 社会 主义先行示范区的意见》均提出了发展绿色低碳产业的要求。基于良好的区域优势、政策优势和能源产业基础，以粤西南地区（包括海南）为主建设华南沿海地区能源新技术集成创新示范区，为沿海区域低碳经济发展提供参考范例。

工程任务：①建设跨区域“互联网 +”能源综合运营服务平台；②完成现有核电机组建设，同时选址新建核电项目；③积极有序推进陆 / 海上风电开发建设，促进风电就地就近消纳利用；④光伏产业与其他产业互为补充，多种形式发展太阳能光电；⑤推进高效清洁的垃圾发电项目，开发蔗渣 / 稻秆燃料乙醇和多原料沼气生物炼制工程；⑥勘探地热及分布特点，建成地热利用示范工程；⑦重点突破规模化分布式可再生能源并网技术与装备 [14] ；⑧构建智慧能源体系，实现不同能源形式相互转化，提高能源的整体利用效率；⑨建设能源（氢能、电能）与交通融合的“绿色海南”，打造零排放智能交通海南岛自贸示范区。

五、对策建议

我国能源新技术新兴产业发展已经具备良好的基础，但作为战略性新兴产业，其发展壮大仍然面临成本、市场、政策等多重因素的制约 [15] 。为促进我国能源新技术新兴产业的高质量发展，亟待加强面向 2035 年的顶层设计与规划。

（1）重新明确能源领域新兴产业范畴与定位，在各级出台的战略性新兴产业发展规划中，将“新能源产业”调整为“能源新技术产业”，将节能产业从“节能环保产业”中独立并整合到“能源新技术产业”，精准布局能源新技术及产业的发展方向。

（2）理顺能源产业管理的体制机制，加强能源新技术新兴产业的统计体系建设，保持能源规划目标与政策的一致性、延续性和有效性，避免产业政策“令出多门”以及规划目标调整过于频繁，确保能源新技术产业相关规划的权威性，完善能源市场准入政策 [7] 。

（3）高度重视并准确评估能源领域 科技 攻关项目或重大工程“落地方案”，确保项目实施的可行性和可操作性。强化企业在能源技术创新决策、研发投入、科研组织和成果应用中的主体作用。大幅度提高能源新技术研发投入，强化关键核心技术攻关与项目立项，精准布局重大工程与示范区建设。

国内外研究现状

一、天然气水合物热力学模型

1.理论基础

随着各种热力学研究的开展，现已有大量有关天然气水合物相平衡的数据和方法，可用来预测天然气水合物的形成。这些研究结果也有利于开发抑制天然气水合物形成的化学添加剂。一般说来，能影响溶液黏度性质的物质通常能抑制天然气水合物的形成。在工业应用上，甲醇是一种常用的阻凝剂。

Van der Waals和Platteeuw(1959)提出的热力学理论，一直是预测天然气水合物平衡模型的理论基础。Sloan(1990)指出，利用这些模型对Lw-H-V系统平衡压力的预测，误差应该不超过10%，而对温度的预测误差在2K左右。多年来，各国学者在Van der Waals和Platteeuw理论的基础上，提出了一些新的观点和天然气水合物相平衡预测的计算方法，对天然气水合物热力学模型的发展作出了贡献。

2.热力学模型

要描述各种天然气水合物相及其可能的多种共存流体相，需要使用一种以上的模型。状态方程是描述天然气水合物平衡的一种方法。为描述富水的流体相，Saito(1964)等使用了理想溶液方法(Raoult定律)，其基本前提是，设水中储存气体的溶解度在常规条件下可以忽略不计，尽管有事实证明这种设的有效性令人质疑，但这种方法在过去一段时间内仍为大多数学者所偏爱。当需要进行天然气水合物抑制计算时，要根据Menten(1981)提出的计算方法，用活度系数对Rao-ult定律进行校正。虽然该方法的可靠性要优于Hammerschmidt方程(1939)，但它不能用于评估阻凝剂(如甲醇)在共存相中的分布。为校正这个问题，Anderson等(1986)结合使用了Uniquac方程和用于超临界组分计算的亨利定律，计算液相中所有可凝聚组分的逸度。因此，要进行简单的天然气水合物抑制计算，有必要使用上述4个模型。由于这种内在的复杂性，对于现实中更复杂的系统，上述这些方法用处并不大。同时，这些方法都存在着收敛困难，不能作为进一步精确计算(如复合系统的稳定性分析)的基础。

Englezos等(1991)和Avlonitis等(1991)根据一个单一的状态方程，建立了全部流体相的模型。前者使用了有4个参数的立方状态方程，后者使用了有3个参数的立方状态方程，并开发了针对非对称相互作用的专用混合规则。根据目前的研究趋势看，对全部流体相使用单一的状态方程是最有发展潜力的方法。

3.模型的完善和发展

对天然气水合物相的理想固溶体，在设被圈闭的分子之间没有相互作用的前提下，Vander Waals等(1959)认为能够用一种Langmuir型吸附等温线描述固体天然气水合物相。他们利用这个设，证明天然气水合物相中水的化学势能与形成天然气水合物的气体性质无关，仅取决于天然气水合物相中两种不同类型空穴中气体的总浓度，天然气水合物与理想稀溶液具有相同的行为。在这个理论基础上，Parrish等(12)将用于计算分解压的天然气水合物模型延伸到多组分系统中。理想固溶体理论忽视了非理想状态所带来的影响，如“主”分子晶格的伸展或变形、被圈闭气体分子运动所受的限制，都有可能增加“主”分子和“客”分子的化学势。Hwang(1993)与他的同事们在分子动力学模拟的基础上，研究了“客”气体分子的大小对天然气水合物稳定性的影响。Avlanitis(1994)指出:这种方法的主要缺陷在于选取了不正确的势能参数，特别是乙烷的势能参数。为弥补这个缺陷，Avlonitis用一种折中方法优化了理想固溶体模型参数，在含甲醇或不含甲醇情况下，在Lw-H-V框架内，对天然的或合成的气体混合物都获得了令人满意的预测结果。

二、天然气水合物动力学模型

天然气水合物动力学是水合物领域的研究重点。通常以方程M+nH2O＜=＞［M·nH2O］表示水合物生成，这是一个气-液-固三相或气-固两相的多相反应过程，同时也是一个包含传热、传质和生成水合物反应机理的复杂反应方程，影响反应的条件很多，也很复杂。相对于天然气水合物热力学而言，对天然气水合物动力学的研究较少。天然气水合物动力学可以大略分为天然气水合物生成动力学和天然气水合物分解动力学两类。

1.天然气水合物生成动力学

针对目前研究亟待解决的水合物生成速率和效率问题，主要有以下两种研究方法(赵义等，2004):①热力学方法，即向反应体系中加入其他气体添加剂，让气体添加剂占据水合物结构中没有被占据的空腔，来降低水合物簇之间的转换活化能，提高水合物的晶体空腔填充率，从而达到促进水合物生成和提高水合物稳定性的目的，如向甲烷的水合物生成体系中加入少量的丙烷，就可以大大降低甲烷水合物的生成条件，并且生成的结构更稳定;②动力学方法，仅限于表面活性剂及助溶剂(hy-drotropes)的研究。对此有两种说:一是Sloan的观点，认为表面活性剂之所以促进水合物的生成，主要是因为它降低了气-液界面张力，增大了扩散传质速率，使气体更容易进入液相;二是Zhong等(2000)的观点，提出了一个4步骤的反应历程来解释观察到的现象，尚未得到充分的验证。以下对这4个步骤进行说明:

(1)气-水簇的形成

天然气水合物的成核过程是天然气水合物核向临界大小的靠近且生长的过程。气-水生长簇是天然气水合物形成的先兆。如果生长的核小于临界大小，核是不稳定的，可能在水溶液中生长或破裂。一个生长着的天然气水合物核，如已具有临界大小，就是稳定的，可以立即导致结晶天然气水合物的形成。

认识影响气-水簇形成的因素，有助于理解天然气水合物的成核过程。特别是水分子结构，它是指通过氢键相互联结水分子所形成的结构，在成核过程中起重要作用。冰是一种高度结构化的水，其水分子固定在一个呈四边形氢键结构的位置上。当温度升高到零点以上时，结构开始变得更加松散，与高度有序的冰的结构相比更加无序。

Sloan等提出了一种天然气水合物成核过程的分子机制，设想气-水簇开始形成临时结构，随后这些结构再生长成稳定的天然气水合物晶核。他们通过使用化学动力学方程，针对机制中设的每一种情况对成核过程进行了模拟。Lekvam和Ruoff也提出了反应作用的动力学机制。这种方法使用一种动力学速率模型，研究成核和生长过程，但他们的这种模型并没有强调天然气水合物核的稳定性。

Vysniauskas和Bishnoi在实验中使用不同来源的水进行了实验。结果显示，随着水的来源不同，平均成核开始期也不同。在实验中，来自于融化的冰水与实验中使用热自来水相比，前者的平均开始期较低;同样，使用来自于天然气水合物分解的水与使用热自来水相比，前者的平均开始期也较低，这就是所谓的“记忆效应”。这种现象在其他学者的研究中也出现过。研究发现，在已溶解的气体分子周围，水结构被强化了;这种作用于溶解气体分子周围的水结构强化现象，被认为是“疏水水合作用”现象。Frank等也提出了同样的观点。Glew在对甲烷天然气水合物和甲烷水溶液的热动力学性质进行研究时，发现了类似现象。Glew对甲烷-水系统分子模拟的研究显示，甲烷分子周围的水分子平均配位数对于Ⅰ型结构的小空穴来说，接近于21。Rahman和Stillinger认为，在溶解的溶质分子周围，水的网架与天然气水合物类型的孔型相似。另外，热力学分析显示，溶液具有很大的负熵，这正是水体内一种结构形成的标志。

气-水簇在天然气水合物成核过程中起了很重要作用。当溶液在过冷或过饱和状态下时，成核过程就发生了，学者们通常使用过冷或过饱和方法来研究成核作用。Bishoni等在研究时就用了过饱和方法，Kobayashi、Sloan等则用了过冷方法。

图10-5 典型的气体消耗简图

Bishnoi等在恒定温压下进行了天然气水合物形成实验。在实验温度下，实验压力比三相天然气水合物平衡压力要高，图10-5是实验过程中因气体溶解和天然气水合物形成，而导致的气体消耗的累积摩尔量随时间变化的曲线。

图10-5中A点的气体消耗摩尔量表示已溶解气体量，与三相天然气水合物平衡压力对应。A点与B点之间的准稳区域，代表着天然气水合物的成核过程。B点表示以突变方式出现的稳定临界大小天然气水合物核的出现点。Englezos和Bishnoi发现，在成核点B之前的溶解气体摩尔量，实际上要高于估算的二相(气-液)准稳定平衡状态下的摩尔量，估算来源于稳定区域的外推;气-水簇的形成能够耗尽在团块流体相中的天然气水合物形成的气体，从而导致超过两相值的气体溶解。Englezos等提出了计算天然气水合物核临界大小的方法，天然气水合物生长过程开始于图10-5中B点，并沿着线BC进行。根据Kobayashi和Sloan的实验结果，在容积不变的情况下，天然气水合物形成过程中的压力和温度轨迹如图10-6所示。图10-5中点A等同于图10-6中的点A。图10-6中点B也等同于图10-5中的点B，在B点，以突变方式形成的稳定天然气水合物颗粒的出现，导致了压力的突然下降。在图10-6中，点A与点B之间区域表示成核过程中的准稳定状态。过冷却方法和过饱和方法的相似性在图10-5与图10-6之间体现得相当明显。在图10-5中，与三相天然气水合物平衡相应，点A与点B之间，是处于准稳定状态的天然气水合物成核区域中气-水簇的生长区域。天然气水合物在点B的出现是突然的，Kobayashi描述它为“灾变性的”。尽管天然气水合物颗粒很小，但它们的数量很多，足以使溶液变得混浊。Kobayashi和Sloan认为，天然气水合物的突然出现使溶液不再处于过饱和状态，这样便导致了压力的剧降。

(2)天然气水合物的成核和生长过程

图10-6 天然气水合物形成实验温度-压力轨迹简图

从上面讨论可以看出，过冷方法与过饱和方法是等价的，对于天然气水合物成核过程来说都很重要。许多研究者建立了开始期和过冷之间的函数关系，过饱和同样也可以根据过冷却度进行转换。溶解中任何点的过饱和，都是在这点超过饱和浓度值的过量溶解气体浓度，可以用溶液中某一点的过饱和来判断稳定天然气水合物核最先出现在哪个地方。对于不流动系统，溶解气体浓度在分界面附近可能最高，天然气水合物的形成可能最先发生在气-液分界面上。对于搅拌系统来说，在溶液中最先形成天然气水合物的地方，取决于这点上溶解气体的浓度。溶液的水动力条件和气体溶解率可以影响天然气水合物成核的开始期。

Bishnoi等认为，天然气水合物成核作用开始期与过饱和作用相联系，根据对甲烷、乙烷以及二氧化碳天然气水合物的实验数据分析，揭示了成核开始期与过饱和的关系。当过饱和度减小时，成核开始期增大;当过饱和时，开始期增加到一个很大的值;相反，当过饱和度增加时，开始期减少到一个很小的值;当过饱和度很低时，开始期数据的分散程度很高，当过饱和度增加时，开始期数据的分散程度减小。天然气水合物成核过程，本质上是一个内在的随机过程，但高的过饱和度能够掩盖成核现象的随机本质，从而使观察到的开始期看起来像是早已被决定了一样。另外，天然气水合物成核的随机本质，也能够被实验系统中用来进行成核研究的其他因素所掩盖。在天然气水合物成核研究中，Parent和Bishnoi在原始实验状态下又观察到了开始期数据的随机性。

关于天然气水合物成核的研究还处于宏观层次上。对在溶液中的亚临界情况，还知之甚少。在建立基于分子级的模型之前，须通过实验研究揭示天然气水合物的成核机制。

天然气水合物的生长过程，是指作为固态天然气水合物的稳定天然气水合物核的生长，自20世纪60年代以来，许多学者就已对此进行了研究。在研究丙烷天然气水合物生长过程时，Knox认为晶体的近似大小取决于过冷度(指使液体冷到凝固点以下而不凝结)，较高的过冷度主要产生较小的颗粒，并导致明显的晶体生长。Pinder通过研究天然气水合物形成动力学，提出天然气水合物形成的反应速率随渗滤作用而定。Barrer和Esge在研究天然气水合物动力学时发现，对氪形成的天然气水合物来说，其晶体生长有一个明显的开始期。Falabella使用类似于Barrer和Esge的实验装置进行了研究，也得到了相似的结论。Falabella还发现，对于甲烷来说，其天然气水合物生长也有一个开始期，他根据冰的动力学数据，通过进行等温压换算，提出了一个次级动力学模型。Sloan和Fleyfel通过实验，研究了环丙烷天然气水合物的生长动力学。针对在纯水中的各种气体和气体混合物，Bishnoi等一直进行着天然气水合物形成动力学的系统性研究，在实验中使用一个搅拌反应器，其中装有电解质和表面活化剂溶液。他们认为，在稳压条件下，全部气体消耗量是时间的函数。

(3)天然气水合物生长动力学模型

在研究早期，Vysniauskas和Bishnoi提出了一个关于气体消耗速率的半经验模型。后来，Engl-ezos等把只有一个可调节参数的天然气水合物生长动力学模型公式化，这个模型是一个以结晶化和团块传递理论为基础的模型;它设固体天然气水合物颗粒被一个吸附“反应”层所包围，吸附反应层外是一层不流动的液体扩散层，溶解的气体从围绕在不流动液中向天然气水合物颗粒-水分界面扩散;然后，气体分子由于吸附作用而进入结构化的水分子构架并结合在一起。当水分子过量时，分界面被认为是气体最易集中的地方(反应速率用已溶解气体的逸度替代其浓度)。

在三相天然气水合物平衡压力和颗粒表面温度下，在扩散层中，溶解气体逸度值从fb变化到fs;在吸附层中，逸度值直降至feq，围绕颗粒的扩散动力等于fb-fs;但是对于“反应”阶段来说，这个值是fs-feq。在稳定状态下，扩散阶段和“反应”阶段的速率相等，fs能够从单个速率表达式中消去，可得到每一个颗粒的生长速率如下:

非常规油气地质学

式中:R*是扩散和吸附反应过程的组合速率常数;Ap是每个颗粒的表面积。在溶解气体的逸度中，fb-feq值不同于三相平衡逸度中的fb-feq值，它指的是全部动力。当在良好的搅拌系统中时，R*值表示反应的内在速率常数，R*值由甲烷和乙烷天然气水合物形成动力学的实验数据决定。在没有任何附加参数的情况下，这个模型可成功地扩展到甲烷和乙烷混合物的形成动力学;在这个模型中，纯水中甲烷天然气水合物形成时获得的R*值，可以应用到电解质溶液中的天然气水合物形成模型中，两者的R*值是相同的。

在液态二氧化碳和水的分界面上，Shindo等提出了二氧化碳天然气水合物形成模型;他们设天然气水合物主要发生在液态二氧化碳中，而不是在水中。最近，Skovborg和Rasmussen使用实验的气体消耗数据(数据来源于Bishnoi等)，提出了一种天然气水合物生成动力学模型;认为天然气水合物的形成，能够影响液体一侧的气-液团块传递系数。

(4)气-水体系中水合物的生成机理

天然气水合物结构和性质类似于冰(陈孝彦等，2004)，气-水体系中天然气水合物生成时，气体分子首先要溶解到水中，一部分气体分子与水一起形成水合物骨架，类似于冰的碎片(周公度等，1995)，形成了水合物结构中的第一种空穴。这些框架是一种亚稳定结构，相互结合形成更大的框架。在结合过程中，为保持水分子的4个氢键处于饱和状态，不可能做到紧密堆积，缔合过程中必然形成空的包腔，就形成了水合物结构中的另外一种空穴。另一部分溶解的气体分子通过扩散渗入到这些空穴中，并进行有选择的吸附;在吸附过程中满足Langmuir吸附定律，小气体分子进入小空穴，同时也能进入大空穴，大气体分子只能进入大空穴，即并不是每一个空穴都能被气体分子占据，这就解释了水合物平均只有三分之一左右的空穴被客体分子占据的机理。

陈孝彦等(2004)总结提出了气-水体系中水合物的生成机理，分为4步:①气体分子溶解过程，即气体分子溶解到水中;②水合物骨架形成过程，即气体分子的初始成核过程，溶解到水中的气体分子和水，形成一种类似冰碎片的天然气水合物基本骨架(一种空腔)，这种骨架通过结合形成另一种不同大小的空腔;③气体分子扩散过程，即气体分子扩散到水合物基本骨架中;④气体分子被吸附过程，即天然气气体分子在水合物骨架中进行有选择的吸附，从而使水合物晶体增长。

2.天然气水合物分解动力学

(1)理论基础

人们提出了许多基于相平衡的热力学模型来预测一定条件下水合物的生成条件及其抑制途径(赵义等，2004)，如通过改变其生成条件，来达到抑制目的的物理方法，包括干燥脱除法、加热保温法、降压法和加入非水合物形成气体法等，还包括通过加入添加剂的化学方法。

化学抑制法主要有热力学抑制剂和动力学抑制剂两种(赵义等，2004)。前者普遍取在生产设备和运输管线中注入甲醇、乙醇、乙二醇和氯化钠、氯化钙等，改变水合物热力学稳定条件，抑制或避免水合物生成;后者从降低水合物生成速度，以抑制水合物晶粒聚结和堵塞出发，通过加入一定量化学添加剂来改变水合物形成的热力学条件，显著降低水合物成核速率，延缓乃至阻止临界晶核生成，干扰水合物晶体的优先生长方向，影响水合物晶体的定向稳定性，具有用量少、效率高等优点，已成为了研究热点(吴德娟等，2000)。根据分子作用的不同机理，动力学抑制剂分为水合物生长抑制剂、水合物聚集抑制剂和具有双重功能的抑制剂，主要包括酰胺类聚合物、酮类聚合物、亚胺类聚合物、二胺类聚合物、共聚物类等，其中酰胺类聚合物是最主要的一类。

Holder等(1987)研究了在天然气水合物分解过程中的热传递过程，得出与成核沸腾现象相似的结论。Kamath等(1987)根据这种相似性，提出在丙烷分解期间，热传递率是ΔT的幂函数，其中天然气水合物表面的ΔT值与团块流体中的ΔT值是不相同的。后来，Kamath和Holder总结了它们的关系性，并用到甲烷天然气水合物分解过程中。

Selim等(1989)研究了甲烷水合物的热分解，认为水合物的分解是一个动态界面消融问题，并运用一维半无限长平壁的导热规律，建立了甲烷水合物的热分解动力学模型，Kamath等(1987)研究了甲烷和丙烷的热分解问题，认为水合物的分解主要受传热控制，其分解可与液体的泡核沸腾相比拟，而流体主体与水合物表面的温差ΔT是过程的推动力(Kamath et al.，1987)。

(2)实验研究

对天然气水合物分解动力学的基础研究是在带搅拌的大容积反应器中进行的，水合物以固体颗粒状分散于液体中，这用来研究分解本征动力学是可以的(周锡堂等，2006)。但用于研究与天然气生产有关，特别是天然气水合物分解的反应工程动力学，则缺乏实际意义(周锡堂等，2006)。自然赋存的天然气水合物可能是大块状的，更多的存在于多孔介质中。Sloan等报道过砂岩中的甲烷水合物生成和分解的一些实验数据，但没有仔细地研究水在孔隙里的分布情况;Circone等报道过以冰粒形成的水合物在272.5K的分解速率数据(Circone et al.，2000)，但也没有提供相应的动力学方程。存在于冻土带或海底沉积物中的天然气水合物，与人工合成的、仅仅存在于自由水中的水合物颗粒是大不相同的。因此从工程实际来考虑，研究多孔介质中水合物的分解动力学行为更有意义。Yousif等第一次将水合物分解动力学的研究与天然气的生产结合起来(Yousif et al.，1991)，不过其模型在估算水合物面积时却是经验性的。Goel等研究了天然气水合物的分解行为(Goel et al.，2001)，运用发散状扩散方程，分别得出了关于大块状和多孔介质中的天然气水合物的分解动力学解析模型。然而该模型忽略了分解水的流动和分解气出速率的变化，严重影响了其有效性。Hisashi等研究了多孔介质中水合物的形成和降压分解问题(Hisashi et al.，2002)。在其实验中，分别用了多种粒度的玻璃珠和合成陶粒来模拟多孔介质。最终结果表明，不同介质中水合物分解的表观反应速率常数不同，所得回归方程也不一样(周锡堂等，2006)。因此，在确定自然存在天然气水合物的分解速率时，有必要研究当地介质的孔隙性质及其粒度分布。

Bishnoi等开展了对甲烷天然气水合物分解的实验研究，实验是在一个搅拌良好的反应器中进行的;天然气水合物在三相平衡压力以上存在;然后，在保持温度不变的条件下，把压力降低到低于三相平衡压力，这时，天然气水合物分解就开始了;实验在快速搅拌中进行，以保证避免团块传递的影响。他们提出，天然气水合物分解可能分为两个阶段:颗粒表面原结晶“主”格子破坏和随后的“客”分子从表面的解吸过程。Kim等提出了天然气水合物分解原内在动力学模型，他们设天然气水合物的颗粒为球形，并且被云雾状气体所包围，如图10-7所示。在图中，正在分解的颗粒被解吸“反应”层所围绕，再外层是排放出的气体云，天然气水合物颗粒分解速率公式如下:

非常规油气地质学

式中:kd为分解速率常数;Ap为颗粒表面积;feq为气体三相平衡逸度;fvg为气体分解策动力，定义为feq与fvg之差，即feq-fvg。

(3)研究进展和意义

与前文提到的对天然气水合物生长的研究一样，对天然气水合物分解的研究，应该包括对决定分解颗粒大小分布因素的研究。

图10-7 天然气水合物分解图

对天然气水合物分解和形成动力学的研究，给我们提出了大的挑战。天然气水合物形成被认为是一种包括成核过程和生长过程的结晶化过程。成核作用是一种内在的随机过程，它涉及气-水簇向具临界大小的稳定天然气水合物核的形成和生长问题。因较大的成核策动力和多相性的存在，成核作用随机性质不易被察觉。目前，对天然气水合物成核过程仍没有在分子级别上的测试方法。

天然气水合物生长包括作为固态天然气水合物的稳定水合核的生长，正在生长的天然气水合物颗粒表面积，强烈影响着生长速率。天然气水合物分解是一系列晶格的破坏和气体解吸过程，在分解时的热传递率与成核沸腾现象是相似的。应该深入研究天然气水合物颗粒在分解和生长过程中的大小分布，并应用于这些过程的模型化中。

尽管有多个天然气水合物形成模型已经被提出，但天然气水合物形成核的过程并没有完全被揭示。目前，科学家通过研究气体-水的接触面，已取得了一些实验上的进展，但是这些实验都是最近做的，并且至今没有充足的信息来提供一个确切的描述。这些实验通过研究熔点附近的热力学状态范围，来揭示与接近天然气水合物形成条件相联系的界面结构特征。在实验中，科学家把分子动力学模拟，应用到Ⅰ型甲烷天然气水合物和甲烷气体的接触面，发现接触面在270K以下是稳定的，在300K时发生熔解，同时发现了导致接触面稳定的压力条件。在伴随着表面层的无序化过程中，预熔现象是明显的。动力学性质显示了水平面格子振动的各向异性，这被认为是与在Ⅰ型天然气水合物(001)面上存在着晶轴相联系。这个意想不到的结果还有待于进一步研究。

在研究天然气水合物形成模型的同时，由于天然气水合物有时能对高纬度地区石油和天然气的运输造成意想不到的麻烦(如形成管塞)，有的学者(Monte Carlo)也开始了怎样抑制天然气水合物形成的研究。通过实验研究发现，可以使用一种无毒的、能溶解于水的聚合物———科利当(PVP)，来抑制天然气水合物的形成。Monte Carlo通过不同条件下PVP对单体、二聚物、四聚物、八聚物吸附性的研究，发现吸附作用主要在吡硌烷酮氧(pyrrolidone oxygen)和水面之间两个氢键的形成过程中出现。这种研究结果表明，通过在天然气水合物生长点上PVP的吸附，来抑制天然气水合物的形成是可行的，并且影响吸附的主要因素具有内在的统计性。

LBM方法应用于天然气水合物沉积物中水合物分解过程的多相渗流规律研究

1.2.1 元素硫溶解度及沉积运移实验研究现状

（1）元素硫溶解度研究现状

对高含硫天然气中元素硫溶解度的认识是该类气藏开发过程中重要的环节之一。国内外对该问题进行了深入的研究。硫溶解度的研究主要包括实验和理论两个部分，以下为实验部分。

1960年，Kennedy［7］等人研究了硫在不同含量的CH4、CO2和H2S三种气体中的平衡溶解问题。并且首次说明了硫的溶解性能与气体压力、温度和组分有关。在一定温度压力的条件下，其溶解能力大小依次为H2S、CO2、CH4。

11年，Roof[8]通过实验研究了低温低压条件下硫在硫化氢气体中的溶解度（压力6.8～30.6MPa，温度43.3℃～114℃）。

16年，为了更好地研究深层气藏的高温高压条件下硫在酸性气体中的溶解度，Swift［9］进行了溶解度实验研究（压力34.5 MPa～138 MPa，温度121℃～204℃）。

1980年和1988年，E.Brunner［10～11］等人将Kennedy等人研究进行推广（压力6.6MPa ～155MPa，温度116℃～213℃），研究了硫在不同比例的CO2、H2S、C1～C4的14个合成酸性气体混合物中的溶解度。

1992年和1993年，P.M.Dis［12］等人将E.Brunner等人的研究成果进行了深入研究（压力7 MPa～55MPa，温度60℃～150℃），将硫在简单多组分中的溶解扩展到实际的酸气组分中。

1993年，谷明星［13～14］等人建立了静态法测定难挥发溶质（固体或液体）在超临界、近临界流体中溶解度的实验装置，针对硫化氢大于50％的富含H2S酸性流体溶解度进行了测试。

2003年，C.Y.Sun［15］在谷明星实验研究的基础上，在室内利用静态实验测试装置完成了元素硫在7个高含硫混合气体（H2S CO2、CH4）中溶解度测定，并建立了能预测和关联硫在高含硫天然气中溶解度的气固热力学模型。

2005年，曾平［16～17］对元素硫在天然气中的溶解度进行了实验研究，并对其机理进行了说明，分析了不同组分对元素硫溶解度的影响，提出混合物中含碳原子数目较多的烃类组分对硫溶解度有着重要的影响。

2009年，杨学锋［18］通过自主设计的元素硫溶解度实验设备，针对Chrasnti［19］和Roberts［20］常系数模型进行了关联性研究，发现Chrasnti l溶解度计算模型更加科学可靠； 而Roberts溶解度模型，由于是根据有限特定的几组数据拟合得到，具有一定的局限性。

由于硫在含硫混合气中溶解度测试具有一定的危险性，故为了更好的得到硫在含硫混合气中的溶解度，国内外学者在理论模型方面也做了很多深入的研究。

1980年和1983年，J.B.Hyne［21～22］等人研究发现随着温度压力的升高，元素硫和硫化氢会生成多硫化氢。反之，随着温度压力的降低，多硫化氢又会分解成为元素硫和硫化氢，从而导致硫沉积。

1982年，Chrastil［19］基于理想溶液理论，提出了一个简化的热力学方程来计算硫的溶解度。该经验公式已经广泛用于超临界流体溶质溶解度的计算。

1989年，R.A.Tamxej［23］等人在对大量实验数据进行拟合的基础上，得到了元素硫在含硫气体中溶解度的预测模型。

19年，E.Bruce［20］等人利用Brunner［10］和Woll的实验数据，对Chrastil经验公式进行了回归拟合，建立了元素硫在酸性气体中的溶解度经验公式，该公式考虑了温度、压力和气体组分对元素硫溶解度的影响，因为方便应用，故一直被用于预测元素硫在含硫天然气中的溶解度。

1998年，Kunal Karan［24］等人建立一个热动态模型，可用于预测酸气混合气体中硫溶解度，并利用该模型计算了元素硫在硫化氢和高含硫气体混合物中的溶解度。

2003年，C.Y.Sun［15］等人用与谷明星类似的方法，建立了能够预测和关联元素硫在高含硫天然混合气中溶解度的气固热力学模型。

2006年，杨学锋［25］引入了超临界流体的压缩气体模型，建立了元素硫和高含硫天然气达到气固相平衡时定量计算元素硫溶解度的关联和预测模型。

（2）元素硫沉积运移实验研究现状

随着温度压力的降低，元素硫会从含硫天然气中析出，部分硫颗粒将会沉降，部分硫颗粒则会随储层流体运移。

目前，元素硫沉积实验主要集中在油藏方面［27～29］，由于硫化氢的剧毒性，开展高含硫元素硫沉积储层伤害的实验极少。

2000年，Jamal H.Abou-Kassem［30］利用氮气携带升华的元素硫进入碳酸岩岩心，观察和测定了元素硫对岩心的伤害。提出了一种简易的方法来模拟实际高含硫气藏元素硫对储层的伤害，但由于元素硫升华的温度极高，对其实验及数据的可行性值得深入探讨。

2008年，西南油气田分公司勘探开发研究院［31 ］自主研制了模拟实际储层高温高压的条件下，元素硫沉积对储层伤害驱替实验仪器，完成了不同初始压力、温度下元素硫对天然碳酸盐岩岩心渗透率和孔隙度的伤害。

1.2.2 含硫气藏储层改造铁离子伤害研究现状

储层改造作为低渗透油气藏重要的增产措施已经得到了广泛的认可，目前含硫气藏也通常进行酸压改造增产作业。由于含硫气藏涉及元素硫沉积和酸性气体等因素，对其储层改造必要性的探讨还存在空白。

考虑到元素硫沉积和酸性气体的影响，含硫气藏储层改造的核心就是控硫控铁。在处理含硫化氢气井的储层改造问题上，国内外主要集中在控制铁沉积上［32～37］。在酸压作业中，对于控制铁离子沉淀，通常有三种方法：

一是对主体工作液进行研究，用弱酸体系来控制残酸液的pH值，使得残酸pH值处于一个相对较低的位置，以便于抑制残液中析出含铁的硫化物。

二是用铁离子络合剂。由于络合剂对高价的金属离子具有较强的亲和力，从而使得溶液中铁离子浓度低于析出沉淀的浓度，从而抑制铁离子沉积的产生。

三是用还原剂，将溶液中的三价铁离子还原成为二价铁离子，从而达到避免沉淀析出的目的。

2004年，陈红军［38］等人对于含硫化氢气井酸化过程中，硫化铁沉淀预测及抑制剂研究进行了详细的调研和研究，并提出了一套适应含硫气井酸压作业且与之匹配的添加剂，优化了酸液体系的整体性能，其具体表现为铁离子稳定剂、硫化氢吸收剂和控硫剂。

2007年，Jairo Leal［39］等人在分析了在对解除硫化铁沉积过程中可能会出现的问题，提出了一系统有序的方法来对硫化铁沉淀进行移除。

2009年，Tao Chen［40］等人建立了一套新的硫化铁测试方法来评价硫化铁抑制剂的性能。在此基础上，研制了一种新的抑制剂并对硫化铁抑制剂机理进行了说明。

1.2.3 元素硫沉积对储层伤害研究现状

为了研究地层条件下元素硫沉积对储层的伤害，国内外学者分别建立了考虑元素硫伤害的含硫气藏伤害模型，分析元素硫沉积对储层参数及产能的影响。

1966年，C.H.Kuo［41］建立流体流动数学模型，该模型能够描述多孔介质中固相沉积。该模型设初始状态含硫天然气饱和溶解元素硫。

12年，C.H.Kuo［42］将硫沉积模型引入，在黑油模型的基础上，建立元素硫沉积的储层伤害数学模型，该模型考虑了硫溶解度的变化和硫沉积对渗透率和孔隙度的影响。该模型能够模拟均质气藏一维径向流动情况下，气速度、井距和井筒半径对硫沉积的影响。

1980年，J.B.Hyne［21］等人通过统计学原理，分析了100多口含硫气井的元素硫沉积问题，分析了混合物中不同碳原子数、CO2、硫化氢含量对元素硫沉积的影响。

19年，E.Boberts［20］在等温稳态理想流动的条件下，研究了酸性气井中元素硫沉积对流人动态的影响，建立了考虑元素硫沉积储层伤害模型，分析了不同时间，不同径向距离处元素硫饱和度的分布。发现硫的聚集速度与径向距离平方成反比，径向距离小，元素硫沉降距离的越快。同时还考虑表皮的影响，表皮越小，硫的聚集速度越小，但该模型设元素硫析出就地沉降，没有考虑元素硫运移。

19年，王琛［43］在Roberts建立的理论基础上，研究了硫沉积对气井产能的影响及各因素对硫沉积的影响。

2001年，Faruk Civan［44］将延迟效应引入到元素硫沉积里面，考虑元素硫动态沉积，即元素硫析出后不会就地沉降，而是运移一段时间或位移后再沉降。但并没有说明元素硫何时沉降，运移多长时间和位移。

2002年，Nicholas Hands［45］等建立了天然裂缝性含硫气藏硫沉积预测解析模型，该模型考虑了温度和近井地带的气流临界流速的影响，对元素硫在近井地带的分布进行了分区和详细地研究，并给出了相应的井底除硫时间，但对于元素硫颗粒临界流速计算并没有给出具体计算方法。

2004年，杨满平［46］考虑非达西渗流的影响，建立了高含硫气藏元素硫沉积模型。该模型在完善硫沉积伤害模型基础上，对比了考虑非达西和达西流动下，不同径向距离，不同时间元素硫饱和度随时间的变化关系，同时还分析了产能对硫颗粒沉积堵塞的影响。

2005年，曾平［47］就高含硫气藏渗流规律进行了研究，得到孔隙度，渗透率随时间的变化关系，进一步完善了考虑非达西影响的元素硫沉积伤害模型。

2006年，杨学锋［48］在Faruk Civan建立的模型基础上，考虑元素硫沉积的延迟效应，完善了元素硫动态沉积预测模型。

2006年，H.Mei［49］等人在Roberts建立伤害模型基础上，根据实际井参数，建立了无阻流量与渗透率和储层厚度之间的关系。

2006年，Du Zhi-Ming［50］等人建立了裂缝性气藏气液固三相耦合数学模型，并利用Roberts实例井数据进行计算，同时进行了结果对析。

2006年，Guo Xiao［51］等人将气液固三相耦合模型与硫沉积实验相对比，分析了流速，初始硫浓度和岩心渗透率对元素硫沉积的影响。

2007年，Guo Xiao［52］等人基于组分模型和相平衡原理建立了气液固三相数学模型，该模型可用于预测元素硫沉积，并提出需要进行储层解堵时间。

1.2.4 考虑元素硫沉积的产能方程及物质平衡方程研究现状

由于压力降最快的地方在近井地带，导致元素硫析出最快的地方聚集在近井地带，从而使得常规的产能方程需要进一步考虑元素硫沉积的影响。含硫气藏开发过程中元素硫沉积而导致试井曲线发生变化，对此学者们也进行了相应的研究。

2005年，李成勇［53］等人进行了高含硫气藏解释方法研究，建立了高含硫气藏两区复合试井模型，并用Stehfest反演算法对井底压力响应典型曲线进行了计算，分析了污染半径和流度比对井底压力动态的影响。

2007年，段永刚［54］等人建立了基于含硫气藏与井筒耦合的非稳态产能预测新方法，该方法为没有试资料的气井合理配产提供了一种方法。

2008年，张烈辉［55］等人基于渗流力学相关理论，对高含硫气藏的渗流模式进行了分析，建立了考虑附加表皮的复合渗流模型与产能试井解释数学模型。

2009年，晏中平［56］等人在现代试井解释方法和油气渗流理论基础上，建立了考虑含硫气井硫污染区和未污染区两区双孔介质复合试井解释数学模型，并利用Stehfest反演算法对井底压力响应典型曲线进行了计算，同时完成了多参数对井底压力的敏感性分析。

随着高含硫气藏的开发，储层压力会不断降低，析出的元素硫将会占据储层部分孔隙空间，使得在建立含硫气藏物质平衡方程的时候，体积平衡方程发生了变化。

1936年，R.J.Schilthuis［57］根据物质平衡原理首先建立了油藏的物质平衡方程式，因为该方法需要的相关地质及流体生产数据较少，同时计算方法相对简单，故一直在油藏工程中得到广泛使用。

国内的陈元千［58～60］等人在物质平衡原理的基础上建立了气藏的物质平衡方程，并完善了不同类型的气藏物质平衡方程式。

在凝析气藏物质平衡方程式的问题上，国内的马永详［61～62］利用摩尔平衡原理对凝析气藏物质平衡方程进行了研讨。

2006年，张勇［63］等人给出了高含硫气藏物质平衡方程的推导，该模型考虑了元素硫沉积的影响，但仅仅是基于体积平衡原理，没有考虑元素硫的析出会导致混合天然气密度发生变化。

2008年，卞小强［64］考虑了元素硫析出后，会使得天然气密度发生变化，必须使用质量平衡原理来建立含硫气藏物质平衡方程，故其利用摩尔平衡原理建立了气藏物质平衡方程，并进行了实例计算，但在建立物质平衡时，由于对元素硫产生的机理认识不足，使得摩尔平衡原理建立的方程求解具有一定难度。

石油天然气关键参数研究与获取

喻西崇1，刘瑜2，宋永臣2，李清平1，庞维新1，白玉湖1

喻西崇（13－），男，博士，高级工程师，主要从事深水工程、天然气水合物等研究，E-m ail: yuxch@cnooc.cn。

注：本文曾发表于中国石油大学学报（自然科学版），2011年第5期，本次出版有修改。

1.中海油研究总院，北京　100027

2.大连理工大学，辽宁，大连　116024

摘要：沉积物中天然气水合物的分解过程实际上是固态水合物在沉积物中吸收热量分解后发生相变的动态过程。在动态分解过程中，会发生复杂的多相渗流、传热和传质过程。掌握水合物分解过程中的多相渗流、传热和传质规律，是天然气水合物开技术的理论基础，对水合物开方法的选择、水合物开策略的制订及其对环境危害的研究等都具有非常的意义。本文根据沉积物中水合物分解过程中流体运移和孔隙介质的特点，在充分调研的基础上提出格子Boltzmann方法（LBM）应用于天然气水合物沉积物中多相渗流规律的新方法，该方法是介于宏观和微观之间的介观模型方法。并用由简单到复杂的方法：首先开展了LBM 方法应用于复杂微通道内单相、多相流动的数值模拟分析研究，然后在此基础上开展了LBM方法应用于多孔介质中单相流动的数值模拟分析研究；通过模拟得到复杂微通道内流场分布取决于微通道粗糙程度、弯曲程度、表面润湿性、流体介质特性等，多孔介质中单相流动的流场分布与孔隙直径（饱和度）和渗透率有关，沉积物中水合物的生成使得多孔介质渗透率大大降低。

关键词：LBM 方法；天然气水合物；沉积物；多相渗流

Preliminary Study for LBM Application to Multiphase flow Characteristics in Porous Media with gas Hydrate

Yu Xichong1,Liuyu2,Song Yongchen2,Li Qingping1,Pang Weixin1,Bai Y uhu1

1.CNOOC Research Institute,Beijing 100027,China

2.Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning,China

Abstract:Sediment decomposition of gas hydrate is actually solid hydrate in the sediments absorb heat decomposed the dynamic process of phase transition,dynamic decomposition process occurs complex multiphase flow,heat and mass transfer process ;Multiphase flow,heat and mass transfer process during gas hydrate decomposition,is the basic theory of gas hydrate production technology,and plan choices strategies of gas hydrate production,and great significance with on environmental hazards for gas hydrate decomposition.In this paper,simple to complex methods is adopted.Firstly,LBM method is lied to carry out a complex micro-channel single-phase,multiphase flow simulation analysis,then LBM method is again lied to single-phase flow in porous media numerical simulation studies.The results show that complex micro-channel flow field depends on the micro-channel roughness,bending degree,surface wet ability,fluid properties and other media.Single-phase flow in porous media depends on the pore diameter (saturation) and permeability of the sediment and the hydrate formation in the sediment so greatly reduces the permeability of porous media.

Key word:LBM method;gas hydrate;porous media; multiphase flow

0 引言

天然气水合物的开过程实际上是固态水合物在沉积物中吸收热量分解后发生相变的过程。首先，水合物分解是一个非常复杂的动态过程，分解过程会对沉积物储层的岩石特性和热力学参数产生重要的影响；其中储层岩石特性参数主要包括储层机械特性（如剪切弹性模量、杨氏模量、泊松比等）和储层岩石渗流参数（如孔隙度、渗透率、饱和度、毛管力等），热力学参数主要包括比热、导热系数和膨胀系数、分解热等。其次，水合物分解是一个非常复杂的相态变化过程；如固态水合物分解成水和气，水还可能再次形成冰，冰遇热还可能再次融化，融化后的水遇到天然气在适当条件下还可能再次生成水合物等。同时，水合物分解是一个吸热过程，水合物分解过程中会出现多相渗流（天然气、水合物、水、冰和砂等）、传热（热传导、对流、流体流动、水合物分解热、节流效应等）和传质（水合物的分解、流体流动、水合物二次形成、气体溶解和吸附、气泡成核和增长等）等过程。因此掌握水合物分解过程中基础物性参数和相态的变化规律以及水合物分解过程中的多相渗流、传热和传质规律，是天然气水合物开技术的理论基础，对水合物开方法的选择、水合物开策略的制订及其对环境危害的研究等都具有非常重要的意义。其中，掌握沉积物中天然气水合物分解过程中多相渗流规律是研究的基础，直接决定着传热和传质的方式和效率，也直接决定着今后制定水合物开发方案和开效率，因此开展天然气水合物分解过程中多相渗流的理论研究和定量描述沉积中水合物分解过程的多相渗流规律非常重要。沉积物中天然气水合物分解过程中多相渗流实际上是一种动态的流固耦合过程，是一种多学科交叉的科学问题，涉及流体力学、固体力学、传热学和热力学以及统计学等学科。目前，还没有商业软件专门用于沉积物中水合物生成和分解过程中多相渗流、传热和传质模拟软件，这方面的研究相对不成熟，目前还处在探索和试验阶段，因此本文试图对沉积物中水合物分解过程中多相渗流模拟方法进行深入研究，力图在理论研究方法上有所突破。

对于流动特性的模型计算研究按照不同尺度可以分为微观、介观和宏观3个尺度。对于宏观尺度的模型计算研究主要是根据质量、能量和动量守恒方程用有限元素的方法进行建模和计算，如一些商用CFD软件等。对于微观尺度的模型研究主要是应用分子动力学（MD）、直接蒙特卡洛模拟（DMS）等方法。而基于分子团的介观尺度上目前最流行的方法就是格子Boltzmann方法（LBM）。为了研究水合物分解过程的渗流特性中机理性的问题，用宏观尺度的建模计算方法是不恰当的，许多微观的机理性的问题无法应用宏观尺度的模型解释清楚。因此拟用微观和介观2个尺度的建模方法，即微观尺度上的MD法和介观尺度上的LBM 方法结合MRI方法得到的多孔岩心孔隙特性进行模型建立和数值模拟，对水合物分解过程的渗流特性进行模拟计算研究。

1 LBM方法在多相渗流模拟中的应用调研分析

1988年，Mc Namara和Zanetti[1]提出把格子气自动机中的整数运算变成实数运算，标志着格子Boltzmann方法的诞生。经过了近20a发展的格子Boltzmann方法为解决多相多组分流动问题提供了一个新的途径。

格子理论的提出基于这样的事实：流体的宏观运动是由大量流体分子微观运动的统计平均结果，单个分子的运动细节并不影响宏观运动的特性。因此，可以构造一种人工微观模型，使其在保持真实流体的基本特征前提下，结构尽可能的简单，粒子运动的细节尽可能的简化，且其宏观统计特性符合客观运动规律。

格子Boltzmann方法求解的方程是基于微观尺度上的统计力学的Boltzmann方程，但不需要解完整的Boltzmann方程。它有一些独特的优点：算法简单、能处理复杂边界、格子Bo1tzmann具有很高的并行性、微观和宏观方程之间的转换相对容易等。多相多组分的格子Bo1tzmann方法发展至此，主要有颜色模型和Shan-Chen模型。这2种模型分别从不同的角度描述流体内各组分间的相互作用。本文总结了颜色模型和Shan-Chen模型的发展、2种模型的特点及它们在二元非混相流体流动研究中的应用。

Rothman和Keller[2]提出了第一个模拟非混相两相流动的格子气自动机模型。这一模型以单相FHP模型为基础，引入2种有色粒子：红色和蓝色表示2种流体。此模型的提出是格子气自动机模拟两相流工作的突破性进步，但是它依然存在噪声及其他格子气自动机的缺点。之后，Gunstensen等[3]在R-K模型的基础上结合Mc Namara和Zanetti的模型和由Higuera、Jimenez[4]提出的线性化碰撞算子而提出一个新的模型。这一模型成功克服了原模型不满足伽利略不变性及含噪音的非物理性缺点，但压力仍然依赖于速度。此外还有线性化算子不能得到有效计算，模型不能处理不同密度和黏度的2种流体。

Grunau[5]等进一步发展了这一模型：用单弛豫时间碰撞算子简化了碰撞算子的计算并且选用了合适的粒子平衡态分布函数，并允许不同颜色粒子发生碰撞。改进后的模型在不可压条件下，可以得到宏观Nier-Stokes方程，能够模拟不同密度、不同黏度的两相流。

1993年Shan和Chen[6]提出了一种新的多相多组分格子Boltzmann模型。这一模型的最大特点是提出了直接描述分子间相互作用的方法，用一种伪势描述分子间的相互作用。1994年Shan和Doolen[7]又对模型进行了改进。模型的改进之处在于：①重新定义了平衡速度计算式中的uk项使碰撞在无相间相互作用力时满足动量守恒。②重新定义了混合流体的速度，将原来的按碰撞前状态计算改为按碰撞前后的平均值计算。如此则大大降低了宏观方程的误差。综合已有文献来看，颜色模型不如Shan-Chen模型应用广泛。

M.Krafczyk[8]用颜色模型模拟了多孔介质内的二元流动。在Gunstensen模型基础上建立了三维十九位格子上的颜色模型，模拟不同黏度及密度比的非混相二元流。这一模型通过以下几种两相模拟来验证：两流体间的静态平坦界面，非混相二元流在平行通道内流动，Laplace定律，气泡运动。模拟结果与半解析解一致。对2个大尺度的实际问题给出了初步模拟结果。2个问题为：废水批反应器内空气－水混合物的流动和泥流中的饱和滞后影响。对多孔介质内非混相二元流的实际问题模拟得到了量化结果。但同时可以发现对于这样大尺度实际问题的模拟，模型的稳定性成为一个主要的限制。

T Reis和T N Phillips[9]在原有的Gunstensen模型基础上提出一种新的颜色模型。这一模型构造了碰撞算子中两相相互作用部分，由此模拟出适宜的界面张力并且确定了界面张力的理论表达式。这一模型的可用性从两方面来验证：①比较界面张力的数值模拟结果与理论预测结果；②预测Laplace定律及非混相层状Poiseuille流。然后研究了不同黏度相同密度的2种流体的旋节线分离。最后模拟了2个气泡的合并过程，说明这一模型可以用来模拟密度比较大的两相流。

用于模拟多相多组分流的Shan-Chen模型和颜色模型近些年得到了很大地发展。由这2种模型都可以得到宏观上的Nier-Stokes方程，这是模型可用的最基本条件。Shan-Chen模型的最大特点是引入了直接刻画粒子间相互作用的势，它反映了多相多组分流的物理本质，易于理解。此外它在模拟时计算简单，得到广泛应用。它既可以模拟单组分流体的相变，也可以模拟多组分非混相流动，在模型上对组分数没有限制。颜色模型的提出比Shan-Chen模型早，特点是引入颜色梯度概念和颜色重标过程。它的提出为格子Boltzmann方法模拟多相多组分流带来突破性进展。2种模型在模拟简单的两相流（层状Poiseuille流、静态气泡）都可以得到与理论解吻合较好的结果（这是对模型可用性的验证），并在复杂流动的基础性研究中得到一定程度地应用。但2个模型都存在缺陷：如Shan-Chen模型中，只有相互作用力中的密度函数取指数形式 时，该模型才与热力学相关理论一致；用颜色模型模拟，重新标色过程的计算成本高，而且模拟产生的伪流速度大、范围广，结果误差大；两模型模拟多相流动时相界面都有一定的厚度，这对用格子Boltzmann方法研究一些问题形成障碍。因此各种模型仍需改进发展。

2 LBM 方法应用于复杂微通道内单相、多相流动数值模拟分析

当多孔介质中的孔隙尺度很小时，微尺度效应不能忽略。利用LBM 方法考察了复杂微通道内的单相和多相流动特性。

2.1 单相流体在带粗糙元的直微通道内的流动

模拟结果如图1和2所示。从图中可以得知带矩形粗糙元和三角形粗糙元的微通道，除了在近粗糙元区域，流体流场大致相同。在带有矩形粗糙元的壁面附近，形成了一些漩涡，而且，这些漩涡的位置、大小形状和粗糙元的几何形状有着密切的关系。在三角形粗糙元的壁面附近，流场产生明显扭曲现象。

图1 矩形粗糙元复杂通道的流场a，局部放大图b

图2 三角形粗糙元复杂通道的流场（a），局部放大图（b）

2.2 单相流体在带粗糙元的弯曲通道内的流动

图3 带粗糙元的弯曲微通道

带粗糙元的弯曲微通道如图3所示，弯曲通道的流场如图4所示。从中可以得知，在弯曲通道内的折弯处，产生一些漩涡，这些漩涡的数量、大小、形状和弯曲通道的几何形状以及粗糙元的形状有着密切关系。这些漩涡在很大程度上影响着整个流场。因此，在研究弯曲微通道的流动时，通道和粗糙元的几何形状不能被忽视。

2.3 气液两相流体在光滑直通道内的流动

本文用Shan-Chen两相模型模拟了水滴在光滑直通道内的流体特性。在Shan-Chen模型中，壁面的表面润湿性由无量纲系数Gt来调节，不同的G1值，得到的表面润湿性也不同。选取8个不同的Gt值（0.4,0.35,0.3,0.25,0.2,0.15,0.1,0.02）进行模拟，表征表面的润湿特性。模拟结果列于表1中。从表中可知，Gt=0.4与0.35，水滴表面上的接触角小于90°，通道上下壁面为亲水表面；Gt=0.3,0.25与0.2时，水滴的水平表面上的接触角在90°～150°，表面为疏水表面；Gt=0.15,0.1与0.02时，水滴在表面上的接触角超过150°，为超疏水表面，其中，Gt=0.02时，接触角为180°的理想超疏水表面，实际中不存在这样的表面。

表1 表面润湿性与G，的关系

模拟结果显示，表面的浸润特性对流动的影响很大。图5给出了Gt=0.4和0.02时，流动相界面分布情况，其中，深蓝色为气体，红色为液体。从图中可以看到，在亲水表面（Gt=0.4）通道内，液体会吸附在表面上。而在超疏水（Gt=0.02）通道内，液体与壁面之间存在一个微小的空隙，即液体与壁面之间存在一个微薄的空气层。

图4 弯曲微通道的流场（a），局部放大图（b）,（c）

图5 不同浸润特性光滑表面流动相界面分布（t=600计算步长）

2.4 气液两相流体在粗糙直通道内的流动

笔者用规则的矩形凸起与凹槽来近似代表超疏水表面的粗糙元，结构如图6所示，其中浅蓝色矩形区域为均匀分布的粗糙元。取w=s=5 μm,h=10μm进行模拟计算。

图6 矩形粗糙元粗糙壁面直通道流动计算域

图7 不同浸润特性粗糙表面流动相界面分布（稳定状态）

图7给出了流动达到稳定状态时，不同浸润性通道内流体相界面分布。图中，深蓝色代表气体，浅蓝色代表固体粗糙元，红色代表液体。亲水表面（Gt=0.4）通道内的流动，液体充满粗糙元凹槽内部，如图7a所示；随着Gt值的减小，即通道表面的疏水性能逐渐增强，液体在流动过程中进入凹槽内部的液体也越来越少，气体填充在凹槽底部，形成气团，如图7b-d所示。当Gt=0.02时，液体并不进入凹槽内部，从凹槽顶部横掠而过，如图7e。

图8是Gt=0.02时，通道内局部的流线图。通道中心区域是液体的流动，凹槽内部为气团的运动，中心区域液体的流动驱使凹槽内部气团开始运动，并形成涡旋，漩涡的上部运动方向与液体流速相同。

图8 粗糙表面流动流线局部放大图（Gt=0.02）

图9 不同Gt粗糙表面流动接触线局部放大图

图9给出了不同壁面特性粗糙表面流动接触线的局部放大图，流体最前端在x方向的移动距离均为195格子。与光滑表面相比，粗糙表面对亲水表面和疏水表面上部的流动都有很大的影响，但是粗糙元的存在对理想的超疏水表面（Gt=0.02）上部的流动影响并不大，与光滑表面相比，流体接触线几乎没有什么变化。这是因为，流体在绝对理想的超水表面上流动时，流体完全脱离固体表面。

3 LBM 方法应用于多孔介质中单相流动数值模拟分析

3.1 水合物在单孔隙通道内的格子Boltzmann模拟

应用上述模型对多孔介质中的水合物生成、分解过程饱和度的变化影响多孔介质渗透率的特性进行了模拟。在300×300格子的计算域内， 4个角点分别为半径R=100的1/4圆形多孔介质骨架（红色），骨架中心形成多孔介质的孔隙空间。水合物在孔隙中心生成（绿色），为理想的圆形，水合物认为是固体。半径从0到100变化，从而模拟水合物的生长。骨架颗粒表面和水合物颗粒表面都是非亲水表面，与水之间的相间力系数Gw=0.1。如图10所示。

图10 水合物在单孔隙通道内的格子Boltzmann模拟

根据水合物的生长半径可以计算出孔隙度变化及单孔隙内水合物的饱和度SH。左右边界定义为压力边界，模拟黏度为1的流体从左向右流动。得到该计算域内流体的流量后，根据西定律可以计算出该计算单元内的渗透率变化：

南海天然气水合物富集规律与开基础研究专集

设水合物半径R=0时的渗透率为K0=1，有水合物存在情况下的渗透率为KSH，相对渗透率定义为k=KsH/K0。计算结果如图11所示，从图中看出含有水合物的多孔介质渗透率随着水合物的饱和度增大而急剧降低呈指数递减关系。

不同水合物半径下的流线图如图12所示。当有水合物生成时，流体的流道迂曲度增大，流体在孔隙中流动形成绕流，降低了多孔介质的流通性能，从而使渗透率下降。当水合物的半径与孔隙尺寸相当时，水合物与多孔介质骨架间仅仅留下狭窄的流动通道，渗透率几乎降低为0。

图11 相对渗透率与水合物饱和度的关系

图12 不同水合物半径下的流线图

3.2 水合物在多孔隙通道内的格子Boltzmann模拟

图13表示在250×250格子的计算域内，红色为半径等于25的多孔介质骨架颗粒，绿色为在孔隙空间中均匀生成的水合物，半径分别为R=0,5,10,15,20和25。白色线为流体在孔隙通道中的流线。

水合物饱和度与相对渗透率之间的关系如图14所示。曲线为Kozeny颗粒模型水合物占据孔隙中心时相对渗透率与饱和度之间的关系。Kozeny颗粒模型表示为

图13 多孔隙空间水合物生成过程的流线图

图14 格子Boltzmann模拟结果与经验模型的关系

南海天然气水合物富集规律与开基础研究专集

在忽略毛细力作用设下，水合物饱和度在[0.1,1]范围内n值取[0.4,1]。

从图14中可以看出，格子Boltzmann数值模拟得到的结果与Kozeny颗粒模型吻合较好。充分证明格子Boltzmann数值模拟是可行的，为下一步以此为基础开展复杂多孔介质中水合物饱和度与相对渗透率相关关系奠定基础。

4 结论和建议

沉积物中天然气水合物分解过程中多相渗流实际上是一种动态的流固耦合过程，是一种多学科交叉的科学问题，涉及流体力学、固体力学、传热学和热力学以及统计学等学科。目前，还没有商业软件专门用于沉积物中水合物生成和分解过程中多相渗流、传热和传质模拟软件，这方面的研究相对不成熟，还处在探索和试验阶段，因此本文试图对沉积物中水合物分解过程中多相渗流模拟方法进行深入研究，力图在理论研究方法上有所突破。

1）根据沉积物中水合物分解过程中流体运移和孔隙介质的特点，在充分调研的基础上提出了格子Boltzmann方法（LBM）应用于天然气水合物沉积物中多相渗流规律的新方法，该方法是介于宏观和微观之间的介观模型方法。

2）用由简单到复杂的方法开展沉积物中水合物分解过程中多相流动规律研究。首先开展了LBM 方法应用于复杂微通道内单相、多相流动的数值模拟分析研究，然后在此基础上开展了LBM方法应用于多孔介质中单相流动的数值模拟分析研究；通过模拟得到复杂微通道内流场分布取决于微通道粗糙程度、弯曲程度、表面润湿性、流体介质特性等，多孔介质中单相流动的流场分布与孔隙直径（饱和度）和渗透率有关，沉积物中水合物的生成使得多孔介质渗透率大大降低。

3）通过使用LBM 方法应用于单孔隙和多孔隙通道内单相流动数值模拟分析，同时与现有关系式计算结果一致，充分证明格子Boltzmann数值模拟是可行的，为下一步以此为基础开展复杂多孔介质中水合物饱和度与相对渗透率相关关系奠定基础。

4）本文只是将LBM 方法应用于多孔介质中多相流动规律的初步研究，今后还需要结合沉积物中天然气水合物分布的具体特点，考虑孔隙介质的微观特性、多相介质的流体物性以及流体介质与孔隙介质之间相互作用力等因素，同时还考虑水合物生成和分解的动态特性，结合传热和传质的特点，深入开展沉积物中水合物分解过程中多相流动规律，并与实验相结合，全面了解沉积物中水合物分解过程中多相流动规律。

参考文献

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[2]Rothman D,Keller J.A Particle Basis for an Immiscible Latice-Gas Model,Physical Review Letters[J].1988,156(56).

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[4]Higuera G,Jimenez D.Lattice Boltzman Model in Porous Media[J].Nuclear Energy,1999,146(31).

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[6]Shan Xiaowen,Chen Hudong,Lattice Boltzmann Model for Simulating Flows with Multiple Phases and Components[J].Phys.,1993,47(1):1815-1819.

[7]Shan X,Doolen G.Multi-Component Lattice-Boltzmann Model with Inter-Particle[C].New York:Physicochemical Hydrodynamics:[C],1994.

[8]Krafczyk M.Comparison of a Lattice-Boltzmann Model,A Full-Morphology Model,and a Pore Network Model for Determining Capillary Pressure-Saturation Relationships[J].Published in Vadose Zone,2005:380-388.

[9]Reis T.Phillips T N.Lattice Boltzmann Model for Simulating Immiscible Two-Phase Flows[J].Journal of Phys A:Math Theory 2007,40:4033-4053.

　技术思路和方法

评价参数直接影响评价方法的有效性，不同类型的参数作用不同。有效烃源岩有机碳下限、产烃率图版、运聚系数是成因法的关键参数；最小油气田规模对统计法计算结果有较大影响；油气丰度是应用类比法的依据，由已知区带的油气丰度评价未知区带的丰度；可系数是将地质量转化成可量的关键参数。

（一）刻度区解剖

1.刻度区的定义

刻度区解剖是本次评价的特色之一，也是油气评价的重要组成部分。刻度区解剖的目的是通过对地质条件和潜力认识较清楚的地区的分析，总结地质条件与潜力的关系，建立两者之间的参数纽带，进而为潜力的类析提供参照依据。

刻度区是为取准评价关键参数，以保证评价的客观性而选择的满足“勘探程度高、探明率高、地质认识程度高”三高要求的三维地质单元。刻度区可以是一个盆地（凹陷）、一个油气运聚单元、一个区带、一个成藏组合、一个层系或一个二级构造带等。为了正确和客观认识地质条件和潜力，刻度区的选取在考虑“三高”条件的基础上，应尽量考虑不同地质类型的综合，这样可以更充分体现油气丰度与地质因素之间的关系。

2.刻度区解剖内容与方法

刻度区解剖主要围绕油气成藏条件、量及参数三个核心展开，剖析三者之间的关联规律和定量关系。

（1）成藏特征和成藏主控因素分析。成藏特征和成藏主控因素分析实质上是对选择的刻度区进行成藏特征总结，精细刻画出成藏的定性、定量的主控因素与参数，便于评价区确定类比对象。在一个含油气盆地、含油气系统、坳陷、凹陷的成藏规律刻画中，其成藏特征差异大，故一般最好选择以含油气系统（或坳陷）及其间的运聚单元作为对象，更便于有效的类比应用。油气运聚单元是盆地（凹陷）中具有相似油气聚集特征的独立的和完整的石油地质系统，是以盆地（凹陷）的油气聚集带为核心，并包含为该油气聚集带提供油气源的有效烃源岩。油气运聚单元是有效烃源岩、油气运移通道、有效储集层、有效盖层、有效的圈闭等要素在时间和空间上的有机组合。一个油气运聚单元可以有多个有效烃源岩体和烃源岩区为其供烃，但同一个油气运聚单元的油气聚集特征是相似的。一个油气运聚单元可以只包含一个油气成藏组合，也可以包含在纵向上叠置的多个油气成藏组合。因此刻度区地质条件的评价与定量刻画就是按照运聚单元→成藏组合→油气藏的层次路线综合分析烃源条件、储层条件、圈闭条件、保存条件以及配套条件等油气成藏条件。盆地模拟是地质评价流程中的一个重要组成部分，其作用主要体现在三个方面：其一是通过盆地模拟反映流体势特征，进而确定油气运聚单元的边界；其二是提供烃源参数，如生烃强度、生烃量、有效烃源岩面积等；其三是通过关键时刻的获取来反映油气成藏的动态作用过程。

（2）油气量确定。刻度区量计算与一般意义上的量计算稍有不同，正是由于刻度区的“三高”背景，特别是选定的刻度区探明程度越高越好，计算出的量更准确有利于求准各类评价参数。在本次刻度区解剖研究中，主要用了统计法来计算刻度区的量，统计法中包括油藏规模序列法、油藏发现序列法、年发现率法、探井发现率法、进尺发现率法以及老油田储量增长法，不同方法估算出的量用特尔菲加权综合。盆地模拟在计算生烃量方面技术已经比较成熟，因此刻度区（运聚单元）的生烃量仍由盆地模拟方法计算。

（3）油气参数研究。通过刻度区解剖，建立了参数评价体系和预测模型，获得了地质条件定量描述参数、量计算参数和经济评价参数，如运聚系数、丰度等关键参数。从刻度区获得的量与生油量之比可计算出运聚系数，刻度区的量与面积之比可获得单位面积的丰度，还可得到其他参数等。由于盆地内坳陷（凹陷）内各单元成藏条件差异，求得的参数是不同的，故细分若干运聚单元，求取不同单元的参数，这样用于类比区会更符合实际。

3.刻度区研究成果与应用

通过刻度区解剖研究，系统地获得运聚系数、油气丰度等多项关键参数，为油气评价提供各类评价单元类比参数选取的标准，保证评价结果科学合理。如中国石油解剖的辽河坳陷大民屯凹陷级刻度区，通过对其烃源条件、储层条件、圈闭条件、保存条件以及配套条件五方面精细研究，获得了22项量化的成藏条件的系统参数。根据大民屯凹陷内划分的六个运聚单元，分别计算各单元的生油量和量，直接获得六个单元的运聚系数。同时计算出各运聚单元单位面积的量，获得不同成藏条件下的丰度参数（表4-5）。

表4-5 大民屯凹陷刻度区解剖参数汇总表

在中国石油128个刻度区的基础上，各单位根据评价需要，又解剖了一定数量的刻度区。其中，中国石油利用已有刻度区128个，新解剖刻度区4个，共应用132个；中石化新解剖42个；中海油新解剖4个；延长油矿新解剖3个。各项目共应用了181刻度区，这些刻度区涵盖了我国主要含油气盆地中的大部分不同类型的坳陷、凹陷、运聚单元和区带，基本满足了不同评价区的需要。各种类型刻度区统计见表4-6。

表4-6 各种类型刻度区统计表

（二）有效烃源岩有机碳下限

有效烃源岩有机碳下限是指烃源岩中有机碳含量的最小值，小于该值的烃源岩生成的烃量不能形成有规模的油气聚集。有效烃源岩有机碳下限是确定烃源岩体积的主要参数，直接影响生烃量的计算结果。

在大量烃源岩样品分析化验和有关地质资料研究基础上，明确了不同岩类有效烃源岩有机碳下限标准。陆相泥岩有效烃源岩有机碳下限为0.8%，海相泥岩为0.5%，碳酸盐岩为0.2%～0.5%，煤系源岩为1.5%。例如，陆相泥岩TO C与S1+S2关系表明，S1+S2在TO C为0.8%时出现拐点，有效烃源岩有机碳下限定为0.8%；碳酸盐岩气源岩残余吸附气量与有机碳关系表明，残余吸附气量在有机碳为0.2%处出现拐点，有效烃源岩有机碳下限定为0.2%（图4-1、图4-2）。

图4-1 陆相泥岩TOC与S1+S2关系图

图4-2 碳酸盐岩气源岩残余吸附气量与有机碳关系图

对于勘探实践中已经发现油气藏，但烃源岩有机碳含量未达统一下限的盆地，根据实际情况可进行适当调整。如柴达木盆地柴西地区，在分析了大量烃源岩有机碳和S1+S2指标资料后，明确该区有机碳含量下限为0.4%时，即达到有效烃源岩标准，并被发现亿吨级尕斯库勒大油田的勘探实践所证实。在渤海湾盆地评价过程中，建立起相对统一的有效烃源岩丰度取值下限标准：碳酸盐岩气源岩丰度下限取0.2%，碳酸盐岩油源岩丰度下限取0.5%，湖相泥岩丰度下限取1.0%。

有效烃源岩有机碳下限的基本统一，保证了生烃量计算标准的相对一致和全国范围内的可比。

（三）产烃率图版

烃源岩产烃率图版是用盆地模拟方法计算烃源岩生烃量和量的关键参数。产烃率图版一般用烃源岩热模拟实验方法获得。

1.液态烃产率图版

利用密闭容器加水热模拟实验方法，对中国陆相盆地不同类型烃源岩进行了热模拟实验。模拟实验所用样品取自松辽、渤海湾等10个盆地，包括侏罗系、白垩系和古近系的湖相泥岩、煤系泥岩和煤3大类烃源岩。其中湖相泥岩烃源岩的有机质类型包括Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型，煤系泥岩烃源岩的有机质类型包括Ⅱ2型和Ⅲ型，煤烃源岩的有机质包括Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型。根据模拟实验结果，编制了不同类型烃源岩的液态烃产率图版（图4-3、图4-4、图4-5）。

图4-3 湖相泥岩烃源岩液态烃产率图版

图4-4 煤系泥岩烃源岩液态烃产率图版

图4-5 煤烃源岩液态烃产率图版

2.产气率图版

由于生物气生气机制与干酪根成气和原油热裂解气的生气机制不同，因此，其产气率与干酪根和原油裂解气产气率求取方式不同。

（1）生物气产气率。对生物气源岩样品在25℃～75℃的条件下进行细菌培养产生生物气，由此得到不同温阶下各类有机质的生物气产率。在模拟实验结果的基础上，结合前人的研究结果，分别建立了淡水环境、滨海环境和盐湖环境中不同类型有机质的生物气产气率图版及演化模式。

（2）干酪根和原油裂解气产气率。对于不同类型气源岩油产气率，国内外学者及一、二轮评价中已做过大量的工作。较多的实验是应用热压模拟方法对各种类型烃源岩进行产油及产气率实验，这种方法所计算的产气率包括了原油全部裂解成气的产率，亦即常说的封闭体系下源岩的产气率，所得到的天然气产率是气源岩的最大产气率。另一种求取气源岩产气率的方法是在开放体系下对源岩进行热模拟实验，各阶段生成的天然气和原油均全部排出源岩，原油不能在源岩中进一步裂解为天然气。这两种情况都是地质中的极端情况。但是实际的地质条件大多是半开放体系，在这种情况下，源岩生成的油既不能全部排出烃源岩，也不能完全滞留于源岩中。不同地质条件下亦即开放程度不同情况下源岩产气率如何计算？具体方法为：求得封闭和开放体系下相同类型源岩的产气率，将上述两种体系下的产气率图版（中值曲线）输入盆地模拟软件中，得出烃源岩层在不同渗透条件下产气率图版。

（四）运聚系数

运聚系数是油气聚集量占生烃量的比例，是成因法计算量的一个关键参数，直接影响量计算结果。运聚系数的确定方法包括运聚系数模型建立法和运聚单元成藏条件分析法。

1.运聚系数模型建立法

通过刻度区解剖，确定影响运聚系数的主要地质因素及其与运聚系数的相关关系。刻度区解剖研究表明，烃源岩的年龄、成熟度、上覆地层区域不整合的个数和运聚单元的圈闭面积系数等地质因素与石油运聚系数之间存在相关关系。依此建立地质因素与石油运聚系数之间关系的统计模型，包括双因素模型和多因素模型。双因素模型（相关系数为0.922）的地质因素选用烃源岩年龄和圈闭面积系数：

lny=1.62-0.0032x1+0.01696x4

多因素模型（相关系数为0.934）的地质因素选用烃源岩年龄、烃源岩的成熟度、区域不整合个数和圈闭面积系数：

lny=1.487-0.00318x1+0.186x2-0.112x3+0.02118x4

式中：y——运聚单元的石油运聚系数，%;

x1——烃源岩年龄，Ma;

x2——烃源岩成熟度（Ro）,%;

x3——不整合面个数；

x4——圈闭面积系数，%。

2.运聚单元成藏条件分析法

依据刻度区提供的大量运聚系数，依盆地类型和影响运聚系数的主要地质因素，分类建立运聚系数取值标准与应用条件。在评价中，根据刻度区解剖结果，确定了油气运聚系数分级取值标准（表4-7）。在评价中得到了推广应用，取得了良好的效果。

表4-7 石油运聚系数分级评价表

（五）最小油气田规模

最小油气田规模是指在现有工艺技术和经济条件下开地下，当预测达到盈亏平衡点时的油气田可储量。最小油气田规模对统计法计算的量结果有较大影响。为此，中国石油天然气集团公司等三大石油公司和延长油矿管理局对最小油田规模进行了专门研究。

通过对不同油价、不同开发方式和未来可能技术条件下最小油气田规模研究，确定了不同地区的最小油气田规模的取值。在地理环境相对较好的东部地区，其勘探开发成本较低，最小油气田规模一般在10×104～30×104t，在地理环境相对较差的西部地区，其勘探开发成本高，最小油气田规模一般在50×104t以上，对于海域来说，油气勘探开发成本更高，最小油气田规模更大，一般在150×104～500×104t。

（六）丰度

油气丰度是指每平方公里内的油气量，是类比法计算量的关键参数。通过统计分析，建立了丰度模型和取值标准。

1.丰度模型

通过刻度区解剖，建立刻度区内评价单元油气丰度和相关地质要素之间的统计预测模型：

新一轮全国油气评价

式中：y——运聚单元的石油丰度，104t/km2;

x1——烃源岩生烃强度，104t/km2;

x2——储集层厚度/沉积岩厚度，小数；

x3——圈闭面积系数，%;

x4——不整合面个数。

2.丰度取值标准

通过统计不同含油气单元丰度的分布特点，结合地质成藏条件，总结出各类刻度区丰度的取值标准。

（1）不同层系丰度：古近系凹陷由于成藏条件优越，成藏时间晚，石油地质丰度一般大于20×104t/km2；中生代凹陷成藏时间相对较长，石油地质丰度相对较低，一般约为10×104t/km2；古生代凹陷由于生、储层时代老，多期成藏多期改造、破坏，预计其丰度更低。

（2）不同类型运聚单元丰度：中新生代断陷或坳陷盆地长垣型、潜山型和断陷型中央背斜构造型，石油地质丰度高，一般大于40×104t/km2；中新生代裂陷盆地、坳陷盆地边缘构造型和古近系缓坡构造型石油丰度次之，一般为10×104～30×104t/km2；中生代盆地岩性型和古生代压陷盆地的构造型石油丰度相对较低，一般小于10×104t/km2。

（3）不同区块或区带级丰度：区块或区带级石油丰度差异更大，从小于1×104t/km2到大于200×104t/km2。其中潜山型、岩性—构造型、披覆背斜区块丰度较高，一般大于50×104t/km2，最大可大于200×104t/km2。构造—岩性型、断裂构造型丰度一般为30×104～50×104t/km2。地层—岩性型、断鼻型以及裂缝型区块、丰度较低，一般小于30×104t/km2。

通过刻度区解剖标定多种成藏因素下评价单元的丰度，不但为广泛应用类比法计算量提供了可靠的参数，同时也摆脱了过去以盆地总量为基础，利用地质评价系数类比将量分配到各评价单元的做法，使类比法预测的油气量在空间位置上更准确，提高了油气空间分布的预测水平。

（七）可系数

国外主要用建立在类比基础上的统计法计算油气可量，而我国第一轮、第二轮全国油气评价没有计算油气可量。本轮评价开展的油气可系数研究，通过可系数将地质量转化为可量，这在国内外油气评价中尚属首次。可系数是指地质中可出的量占地质量的比例，是从地质量计算可量的关键参数。

可系数研究与应用是常规油气评价的重要组成部分，主要目的是通过重点解剖、统计和类析方法，对我国油气可系数进行研究，为科学合理地计算油气可量提供依据，进而对重点盆地和全国油气可潜力进行评价。

1.评价单元类型划分

为使可系数研究成果与评价单元划分体系有机结合，遵循分类科学性、概括性和实用性三个基本原则，以油气类型、盆地类型、圈闭类型、储层岩性、储层物性等地质因素为依据，对评价单元进行了分析和分类，将国内石油评价单元分为中生代坳陷高渗、古近纪与新近纪断陷盆地复杂断块高渗等24种类型，天然气评价单元分为克拉通盆地古隆起、前陆盆地冲断带等16种类型（表4-8、表4-9）。

表4-8 不同类型评价单元石油可系数取值标准

表4-9 不同类型评价单元天然气可系数取值标准

2.刻度油气藏数据库的建立

已发现油气赋存在油气藏中，建立刻度油气藏数据库是统计已发现油气收率、分析影响收率主控因素、预测油气可系数的基础。刻度油气藏是油气可系数研究中作为类比标准的，地质认识清楚、开发程度高、已实施二次油或三次油技术的油气藏。

刻度油气藏选择原则：①典型性——能代表国内外主要的油气藏类型，保证类比法应用基础的广泛性；②针对性和实用性——针对油气评价，有效地指导相应类型评价单元油气可系数的确定；③开发程度高——油气藏开发程度高，地质参数和开发参数基本齐全；④三次油技术应用具有代表性——尽量选择已实施三次油技术的油藏，保证技术可系数的可靠性。

对国内43个油藏、30个气藏，国外59个油藏、22个气藏进行了剖析：收集整理每个油气藏的主要地质和开发参数；每个油气藏的地质条件主要包括储层特征、圈闭条件、流体性质等，开发条件主要包括开方式、开速度、增产措施等；研究不同因素对收率的影响程度，进而确定该油气藏收率的主控因素；针对开方式的不同，油藏的收率可分为一次、二次或三次收率；气藏主要是一次收率。通过对每个油气藏的地质条件、开发条件和收率进行分析，建立起国内外刻度油气藏数据库。

3.可系数主控因素分析

对影响可系数的地质条件、开发条件和经济条件进行了分析，建立起可系数主控因素的评价模型。

（1）在大量统计和重点解剖的基础上，对油气地质条件中的因素逐一进行分析，并提炼出15项油气收率的主控因素，即盆地类型、储层时代、圈闭类型、沉积相类型、储层岩性、储层厚度、储集空间类型、孔隙度、渗透率、埋深、含油饱和度、原油粘度、原油密度、变异系数、原始气油比。

（2）在诸多开发条件中，提高收率技术是极为重要的因素，不同提高收率技术适用条件不同，其提高收率的潜力也差距很大。通过综合分析，主要技术对不同类型油藏的提高收率潜力为：最小5%，中间值10%，最大值15%。

（3）利用石油公司提高收率模拟研究成果，建立了大型背斜油藏、复杂背斜油藏、断块油藏、岩性油藏、复杂储层油藏等在税后内部收益率为12%、油田开发到含水95%时聚合物驱和化学复合驱油时的油价与油田收率之间的关系，若这五类油藏要达到相同的收率，条件好的如大型背斜油藏、复杂背斜油藏所需的油价低于条件差的如岩性油藏、复杂储层油藏。

4.可系数取值标准的建立

在研究中，解剖了国内43个油藏、30个气藏，国外59个油藏、22个气藏，统计分析了大量油气田收率数据，给出了不同类型评价单元油气技术可系数和经济可系数取值范围，建立了不同类型评价单元油气可系数取值标准（表4-8、表4-9）。

（1）不同类型评价单元石油可系数相差较大，以技术可系数为例：中生代坳陷高渗和古近纪与新近纪断陷盆地复杂断块高渗评价单元可系数最大，其中间值大于40%；中生代坳陷中渗、古近纪与新近纪断陷盆地复杂断块中渗、中生代断陷、中新生代前陆、古生界潜山、古生界碎屑岩、古近纪残留型断陷、陆缘裂谷断陷古近纪与新近纪海相轻质油、陆缘弧后古近纪与新近纪海陆交互相轻质油等评价单元可系数为30%～40%；中生代坳陷低渗、古近纪与新近纪断陷盆地复杂断块低渗、古生界缝洞、南方古近纪与新近纪中小盆地、低渗碎屑岩、重（稠）油中高渗、变质岩、砾岩、陆内裂谷断陷新近纪重质油、陆内裂谷断陷古近纪复杂断块等评价单元可系数为20%～30%；低渗碳酸盐岩、重（稠）油低渗、火山岩等评价单元可系数为15%～20%。

（2）不同类型评价单元天然气可系数相差也较大：克拉通碳酸盐缝洞、礁滩和前陆冲断带等评价单元可系数最大，其平均值大于70%；克拉通古隆起、克拉通碎屑岩、前陆前渊、南方中小盆地、陆缘断陷、火山岩、变质岩和海域古近纪与新近纪砂岩等评价单元可系数为60%～70%；前陆斜坡、生物气、中生代坳陷、古近纪与新近纪断陷盆地复杂断块、残留断陷、砾岩等评价单元可系数为50%～60%；致密砂岩等评价单元可系数最小，其平均值小于50%。

5.可系数计算方法的建立

可系数计算方法包括可系数标准表法和刻度区类比法两种方法。

（1）标准表取值法。利用可系数标准表求取不同评价单元可系数的步骤如下：在不同类型评价单元可系数取值标准表中找到已知评价单元的所属类型；明确评价单元与可系数相关因素（宏观、微观）的定性、定量资料；对照可系数的类比评分标准表和类比评分计算方法，对评价单元进行类比打分；根据类比评价结果求取可系数。

（2）刻度区类比法。以建立的国内外刻度油气藏数据库为基础，利用刻度区类比法来求取不同评价单元的可系数。具体步骤如下：根据评价单元分类标准，将具体评价单元归类，并分析整理该评价单元的油气地质条件和开发条件；根据评价单元的类型及其地质条件和开发条件，从国内外刻度油气藏数据库选择适合的类比对象；对照可系数的类比评分标准表和类比评分计算方法，对该评价单元及其类比对象进行打分并计算它们的得分差值；根据得分差值求取该评价单元的可系数。

通过油气可系数标准和计算方法在全国129个盆地中的推广应用，既检验了可系数取值标准和所用基础数据的可靠性、可行性和适用性，保证了油气可量计算的客观性，又获得了全国油气可量。

针对前述著书的目的和研究内容，拟用的技术路线或研究流程为：盆地分析→含油气系统研究→建立天然气评价专家系统（集中在建立评价模型）→勘探层评价及圈闭评价一勘探决策分析。其中包含的技术思路有：①将评价与盆地分析全面而紧密结合起来，在评价模型中充分吸收盆地模拟和盆地沉积体系分析、储层研究、构造分析成果，使评价更加符合工区实际地质情况，提高评价结果可靠性；②研究中贯穿系统论观点、阶段论和转化论观点、相互联系的观点及相对的观点，把盆地、含油气系统及（油）气藏分别看作一个系统，分析其整体演化的阶段性及内部主要要素形成、发展与转化、消亡过程，分析内部要素和地质作用间的相互关系，特别是相互影响、相互配置和系统与环境关系；③加强质量控制，在分析与评价中，不但要进行点上分析，更要致力于总结面上分布规律，注意对象间的相互差异。同时在参数取值中，分析资料可靠性，并对取值（包括信度值）作相应调整，以确保评价与决策的可信度。

具体研究中所拟取的技术方法有：

1.在盆地模拟方面，应用压实模型，通过多重回剥和剥蚀量恢复，反演沉降史；应用镜质体反射率反演古热流，再现热史；应用TTI法模拟有机质热演化成熟史，并根据前人实验和研究成果建立生烃史。

2.在层序地层格架和沉积体系研究方面：首先划分地震层序，研究盆地充填序列，然后综合利川地质、测井和地震信息，结合古地理、水动力条件、地层岩石学特征、岩石组合特征及沉积构造特征研究，开展深刻的沉积体系研究。

3.储层特征及次生孔隙的形成、分布研究中，除应用传统的研究方法外，还以储层有机地化现代理论为指导，对进油气孔隙和非进油气孔隙的演化过程进行深入探讨，研究水介质性质对砂岩储层次生孔隙的形成作用及其意义。

4.在盆地构造分析方面，在盆地演化分析基础上，从地震剖面和构造图、地层等厚图和沉积相图研究入手，分析半地堑形成机制、断陷及传递带的儿何学特征，并着重分析反转构造和断裂几何学特征与分类、运动学发展规律、成因机制、展布规律及与油气关系。

5.在含油气系统研究中，首先分析源岩储层、盖层和圈闭的形成演化过程，然后分析油气生、运、聚、散作用，总体论述系统的动态发展及与环境关系。

6.在成藏模式总结中，以新的天然气地质理论为指导，开展典型气藏解剖，然后结合盆地分析，含油气系统分析结果建立气藏形成与演化模式，探讨主要控制因素。

7.天然气评价专家系统建立主要是直接应用现成软件，依据成藏模式和盆地分析结果，重新建立评价模型，在专家系统中重新建立知识库。

8.评价中着重抓资料整理、参数取值这一环节，以确保评价质量。评价分断陷（或勘探层）和圈闭两个层次进行，其中含气性评价用专家系统，定量计算分别用勘探层法（FASPUM）和容积法。为贯彻经济分析这一思路，评价的量为可量。

9.勘探决策分析用现成软件，风险和量直接用评价成果，同时开展勘探成本及市场价格分析，以钻探为中心问题，进行决策分析，按经济效益期望值排序，提出部署方案。