潘棟彬， 陳 晨,3， 楊 林， 靳成才， 李曦桐， 劉書(shū)源， 陳 勇， 朱 江

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026； 2.自然資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130026； 3.超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引言

天然氣水合物(Natural Gas Hydrates，簡(jiǎn)稱NGH)是在一定條件下由輕烴、二氧化碳及硫化氫等小分子氣體與水相互作用形成的白色固態(tài)結(jié)晶物質(zhì)[1]。天然氣水合物具有能量密度大、一定的形成條件、儲(chǔ)量大和分布廣四個(gè)主要特點(diǎn)[2]。天然氣水合物一般形成于高壓低溫環(huán)境，單位體積的天然氣水合物分解后能夠產(chǎn)生164 m3的天然氣與0.8 m3的水，能量密度遠(yuǎn)大于石油、煤炭、天然氣等常規(guī)能源；全球天然氣水合物總量大約達(dá)到7.6×1018m3，其主要分布于海底與陸地永久凍土區(qū)，全球的水合物中含有機(jī)碳總量相當(dāng)于已探明的常規(guī)化石有機(jī)碳儲(chǔ)量的2倍[3-4]。由于天然氣水合物的資源潛力巨大，近幾十年在世界范圍內(nèi)興起了天然氣水合物勘查、試采、開(kāi)發(fā)的研究熱潮，美國(guó)、日本、加拿大、印度與韓國(guó)等國(guó)已經(jīng)制定了針對(duì)天然氣水合物的長(zhǎng)期研究計(jì)劃，如何安全高效以及環(huán)保地開(kāi)采天然氣水合物資源已經(jīng)成為世界各國(guó)關(guān)注的前沿與焦點(diǎn)[5-6]。

繼2007年與2013年在南海鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品以來(lái)[7-8]，我國(guó)于2017年在南海神狐海域成功試采天然氣水合物[9]，這展示了我國(guó)南海巨大的天然氣水合物資源開(kāi)發(fā)潛力。我國(guó)南海水合物有著賦存溫度低、壓力高、埋藏深度淺、沒(méi)有致密蓋層、儲(chǔ)層膠結(jié)強(qiáng)度低、易于碎化等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)油氣藏與砂巖水合物儲(chǔ)層相比，我國(guó)南海水合物儲(chǔ)層的骨架不具有巖石構(gòu)架，水合物本身就是儲(chǔ)層骨架的一部分，儲(chǔ)層穩(wěn)定性不足，水合物分解后容易導(dǎo)致儲(chǔ)層出現(xiàn)失穩(wěn)垮塌，進(jìn)而引發(fā)海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。目前一般用熱激發(fā)法、降壓法、注化學(xué)試劑法與CO2置換法等開(kāi)采方法對(duì)海洋天然氣水合物進(jìn)行開(kāi)采[10-11]。但是單純地采用這四種開(kāi)采方法局限性較大：降壓法可能引起水合物的二次生成或者冰的生成，堵塞滲透路徑，于長(zhǎng)期開(kāi)采不利；熱激法具有熱利用效率較低的問(wèn)題，且只能進(jìn)行小范圍加熱；化學(xué)試劑法的缺點(diǎn)是化學(xué)試劑昂貴，對(duì)天然氣水合物層的作用緩慢，存在環(huán)境污染問(wèn)題；CO2置換法開(kāi)采周期長(zhǎng)，要求水合物儲(chǔ)層具有較高的滲透性。因此，針對(duì)我國(guó)此類(lèi)非成巖天然氣水合物資源，采取安全有效的方法對(duì)此類(lèi)水合物資源進(jìn)行開(kāi)采有極大的必要性。

目前，高壓水射流方法在傳統(tǒng)能源開(kāi)采方面已得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)較為成熟[12-16]，其具有無(wú)污染、能量利用率高、低熱、反作用小等特點(diǎn)，且能夠大幅度提高采礦速率、降低成本。高文爽、陳晨等[11]提出了采用高壓熱射流的方法開(kāi)采天然氣水合物的思路，高壓熱射流不僅可以將天然氣水合物切削成便于水力輸送的細(xì)小顆粒，還能夠不斷地?zé)峒に衔锸蛊浞纸猓瑹崮芾寐矢?。周守為等人提出了水合物射流破碎固態(tài)流化開(kāi)采技術(shù)，同時(shí)，在2017年5月該技術(shù)成功應(yīng)用于我國(guó)南海神狐海域天然氣水合物的試采工程中[17]。這說(shuō)明射流開(kāi)采天然氣水合物是完全可行的，我國(guó)南海水合物弱膠結(jié)、非成巖、滲透性低的賦存特點(diǎn)能夠滿足高壓水射流破碎的條件。采用高壓水射流切割、破碎南海天然氣水合物儲(chǔ)層是一種研究潛力巨大的新開(kāi)采方法，具有重大的研究?jī)r(jià)值與意義。

水射流切割、破碎含水合物沉積物是高壓射流開(kāi)采水合物方法的核心步驟之一，因此探究射流破碎天然氣水合物過(guò)程與機(jī)理則有極大必要性。在淹沒(méi)狀態(tài)下，水射流破碎含水合物沉積物過(guò)程屬于流體和固體的非線性碰撞動(dòng)力耦合問(wèn)題，即流固耦合問(wèn)題。LS-DYNA是一種基于顯式積分的有限元軟件，能夠采用ALE數(shù)值計(jì)算方法解決流固耦合問(wèn)題，其有效性受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者公認(rèn)。因此，本文采用著名的LS-DYNA顯示動(dòng)力分析有限元程序，對(duì)淹沒(méi)狀態(tài)下，水射流破碎南海海底含水合物沉積物過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，研究了不同射流速度對(duì)高壓水射流作用下含水合物沉積物破碎效果的影響規(guī)律。

1 ALE算法理論基礎(chǔ)

1.1 ALE算法基本思想

用于計(jì)算的網(wǎng)格單元不會(huì)附著于流體質(zhì)點(diǎn)，網(wǎng)格的位置能夠在空間坐標(biāo)系中進(jìn)行移動(dòng)，且其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)能夠進(jìn)行自由選定。ALE算法兼具Lagrange和Euler算法兩者的優(yōu)點(diǎn)，即在物質(zhì)運(yùn)動(dòng)邊界的處理上吸收了Lagrange算法的特點(diǎn)，因而可以對(duì)固體結(jié)構(gòu)邊界的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確描述；同時(shí)也吸收了Euler算法的特點(diǎn)，網(wǎng)格單元與物質(zhì)本身相互獨(dú)立，網(wǎng)格單元之間的物質(zhì)能夠進(jìn)行流動(dòng)，且網(wǎng)格可以在數(shù)值計(jì)算求解時(shí)根據(jù)所需的參數(shù)進(jìn)行位置調(diào)整，防止對(duì)計(jì)算網(wǎng)格造成嚴(yán)重的畸變。

在ALE方法中，已知參考構(gòu)型，因此在描述各物理量時(shí)需引入一個(gè)參考坐標(biāo)y，即F=F(y,t)。各個(gè)物理量的物質(zhì)導(dǎo)數(shù)被轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)物理量的參考導(dǎo)數(shù)：

(1)

式中：Xi——拉格朗日坐標(biāo)系；yi——?dú)W拉坐標(biāo)系；wi——相對(duì)速度，wi=u-v；u——物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度；v——空間網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)速度。

1.2 ALE算法的流體控制方程

將式(1)中的控制方程組進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到參考坐標(biāo)系：

(1)質(zhì)量守恒方程

(2)

(2)動(dòng)量守恒方程

(3)

(3)能量守恒方程

(4)

式中：ρ——物質(zhì)密度；fi——單位質(zhì)量體力；σij——柯西應(yīng)力張量；e——單位質(zhì)量的內(nèi)能；qi——熱通量；i、j——坐標(biāo)軸方向，(i=1,2,3；j=1,2,3)。

2 材料模型

2.1 水的材料模式

本文采用MAT_NULL本構(gòu)模型，為了給材料補(bǔ)充完整的應(yīng)力張量，MAT_NULL本構(gòu)模型要與材料的狀態(tài)方程聯(lián)立，共同對(duì)流體行為進(jìn)行描述，其中狀態(tài)方程可定義壓縮材料與膨脹材料的壓力。本文水介質(zhì)狀態(tài)方程采用EOS_GRUNEISEN，該狀態(tài)方程表達(dá)式為：

(γ0+aμ)E

(5)

式中：ρ0——流體初始密度；μ——空氣的比體積；C——沖擊波速度與質(zhì)點(diǎn)速度up關(guān)系曲線的縱軸截距；γ0——Gruneisen系數(shù)；a——一階體積修正系數(shù)；S1、S2、S3——關(guān)系曲線的斜率系數(shù)；E——單位體積初始內(nèi)能。

水的參數(shù)為[18]：密度1.05 g/cm3，壓力截?cái)嘀?10 Pa，動(dòng)力粘性系數(shù)8.50×103Pa·μs，us-up曲線截距C=0.148 cm/us，Gruneisen伽馬γ0=0.5。

2.2 含水合物沉積物材料模式

*MAT_FHWA_SOIL是一種常用于模擬土壤的本構(gòu)模型，屬于非線性彈塑性各向同性損傷材料模型。土體可看作是離散顆粒相互粘結(jié)而形成的集合體[19]，粘聚力較小，它與摩擦強(qiáng)度共同決定了土體強(qiáng)度。本文數(shù)值模擬分析的研究對(duì)象為海底含水合物沉積物，水合物以分散狀、填隙狀、脈狀及層狀等狀態(tài)賦存于砂質(zhì)、粘土質(zhì)粉砂和粘土沉積物中，水合物與沉積物通過(guò)膠結(jié)作用形成統(tǒng)一整體[20]。與原始沉積物相比，含水合物沉積物具有更大的粘聚力與內(nèi)摩擦角，固結(jié)強(qiáng)度更高。因此，本文將含水合物沉積物模型簡(jiǎn)化為力學(xué)性能得到改善的土體，并采用*MAT_FHWA_SOIL本構(gòu)模型對(duì)含水合物沉積物進(jìn)行描述。含水合物沉積物材料參數(shù)為[21-23]：密度2.0 g/cm3，比重2.7，體積模量9.3 GPa，剪切模量4.2 GPa，內(nèi)摩擦角0.436 rad，內(nèi)聚力45 kPa，含水率50%。

3 數(shù)值仿真模型

3.1 計(jì)算模型建立

含水合物沉積物整體幾何模型尺寸為4 cm×4 cm×10 cm；水域整體幾何模型尺寸為5 cm×5 cm×11 cm(水域模型高度視靶距而定，保證沉積物底面與水域底面距離為0.5 cm)；射流源為圓柱狀，半徑為0.1 cm(大小視實(shí)驗(yàn)噴嘴半徑而定)，高度為0.05 cm；射流破碎含水合物沉積物模型是軸對(duì)稱的，為了減少計(jì)算量，提高計(jì)算精度與效率，因此只針對(duì)模型的1/4進(jìn)行模擬計(jì)算分析，淹沒(méi)射流破碎含水合物沉積物三維模型(1/4模型)如圖1所示。

3.2 網(wǎng)格劃分

采用映射網(wǎng)格法對(duì)射流破碎含水合物幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了在提高計(jì)算效率的同時(shí)保證計(jì)算精度，對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格局部加密。水射流破碎含水合物沉積物時(shí)存在明顯的局部效應(yīng)，因此，對(duì)水域幾何模型中心處的附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。圖2中(a)與(b)分別顯示出了水域和含水合物沉積物網(wǎng)格劃分情況。

3.3 邊界條件

對(duì)1/4模型的2個(gè)對(duì)稱面施加法線方向的位移約束，即限制模型YOZ對(duì)稱面上X軸方向位移與限制XOZ對(duì)稱面上Y軸方向位移；同時(shí)，限制含水合物沉積物模型底面的所有自由度，保證水射流沖擊過(guò)程中含水合物沉積物模型不發(fā)生運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，為模擬半無(wú)限大的含水合物沉積物邊界，將1/4模型中含水合物沉積物模型的底面與兩個(gè)側(cè)面設(shè)置為無(wú)反射邊界，同時(shí)也將水域模型底面與兩個(gè)側(cè)面的設(shè)置為無(wú)反射邊界。

圖2 水域與含水合物沉積物網(wǎng)格局部加密圖

4 數(shù)值模擬結(jié)果和討論

4.1 射流速度對(duì)沖蝕深度的影響規(guī)律

圖3所示的為射流速度與沖蝕體積關(guān)系圖，從圖3中可以看出，隨著射流速度的增大，沖蝕深度逐漸增大，兩者呈線性遞增關(guān)系，這與Lu等[24]人的射流破巖試驗(yàn)結(jié)果一致；同時(shí)，在同一射流速度條件下，噴距越小，沖蝕深度越大。分析認(rèn)為，射流速度越大，射流所具有的能量越大，在同一條件下，射流沖蝕含水合物沉積物能夠到達(dá)的深度越大；射流速度一定，噴距越小，射流能量耗散得越少，沖蝕深度越大。在分析射流速度與巖石沖蝕深度關(guān)系時(shí)，Momber將射流破巖速度分為潛伏段與侵蝕段，當(dāng)射流達(dá)到閾值速度時(shí)巖石才能夠開(kāi)始被破碎。射流沖蝕含水合物沉積物與射流破巖類(lèi)似，由圖3、圖4可知，當(dāng)射流速度小于一定值時(shí)，沖蝕深度與沖蝕體積為零，射流無(wú)法對(duì)含水合物沉積物產(chǎn)生破碎。

4.2 射流速度對(duì)沖蝕體積的影響規(guī)律

圖4所示的為射流速度與沖蝕體積關(guān)系圖，由圖4可以看出，隨著射流速度的增大，含水合物沉積物沖蝕體積逐漸增大，當(dāng)射流速度較小時(shí)，曲線斜率較低，沖蝕體積增大得較慢；當(dāng)射流速度較大時(shí)，曲線斜率較大，沖蝕體積增長(zhǎng)得較快，這與Momber[25]的射流破巖試驗(yàn)結(jié)果一致。含水合物沉積物沖蝕體積是含水合物沉積物的軸向沖蝕與徑向沖蝕共同作用的結(jié)果。水射流處于淹沒(méi)狀態(tài)，射流在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中卷吸周?chē)乃?，射流沖蝕流量逐漸增加。當(dāng)其他條件一定時(shí)，射流速度越大，水射流具有的能量越大，射流在沖蝕含水合物沉積物的同時(shí)能夠卷吸更多的水，沖蝕有效面積越大，對(duì)含水合物沉積物的軸向與徑向沖蝕作用增強(qiáng)，軸向沖蝕體積與徑向沖蝕體積迅速增大，加大了含水合物沉積物沖蝕體積遞增速率。在實(shí)際海底射流沖蝕開(kāi)采水合物的過(guò)程中，可以在設(shè)備條件允許的情況下提高射流速度，提高開(kāi)采效率。

圖3 射流速度與沖蝕深度關(guān)系圖

圖4 射流速度與沖蝕體積關(guān)系圖

5 結(jié)論

(1)隨著射流速度的增大，沖蝕深度逐漸增大，兩者呈線性遞增關(guān)系。水射流破碎含水合物沉積物存在臨界破碎壓力，當(dāng)水射流壓力大于臨界破碎壓力時(shí)，才能對(duì)含水合物沉積物進(jìn)行破碎。

(2)含水合物沉積物沖蝕體積是軸向沖蝕與徑向沖蝕共同作用的結(jié)果，射流速度越大，對(duì)含水合物沉積物的軸向與徑向沖蝕作用增強(qiáng)，加大了含水合物沉積物沖蝕體積遞增速率。在實(shí)際海底射流沖蝕開(kāi)采水合物的過(guò)程中，可以在設(shè)備條件允許的情況下提高射流速度，提高開(kāi)采效率。

(3)射流開(kāi)采天然氣水合物是完全可行的，我國(guó)南海水合物弱膠結(jié)、非成巖、滲透性低的賦存特點(diǎn)能夠滿足高壓水射流破碎的條件，采用高壓水射流切割、破碎南海天然氣水合物儲(chǔ)層的是一種研究潛力巨大的新開(kāi)采方法，具有重大的研究?jī)r(jià)值與意義。