天然气水合物开采数值模拟：理论、技术与应用

来源：石油科学通报杂志2026年第1期北京时间：

作者：李耀斌, 许天福, 辛欣, 袁益龙, 朱慧星

单位：1 吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，长春 1300212 吉林省水资源与水环境重点实验室，长春 130021

摘要：“碳达峰”与“碳中和”目标推动中国能源系统加速向清洁低碳转型，天然气水合物作为重要新型清洁能源，具能量密度高、分布广、资源潜力大等特点，加快其产业化开采是实现我国低碳利用、减污降碳的关键途径。其开采涉及传热—流动—力学—相变(THMC)多物理场耦合，传统实验与试采工程难以全面揭示内在机制，功能强大、方法灵活且成本低的数值模拟方法已成为核心研究工具。本研究系统梳理天然气水合物开采数值模拟的理论、技术与应用，旨在为水合物安全高效开采提供理论支撑、推动数值模拟技术向工程应用转化。研究厘清了孔隙度、渗透率等渗流参数随水合物分解的演化规律；明确了抗剪强度、内聚力等力学参数随饱和度演化规律，揭示了水合物分解行为主导储层力学特性演化的核心机制；梳理了THMC多物理场耦合数学模型构建思路，汇总了TOUGH+Hydrate、SuGaR-TCHM等全球主流数值模拟器功能及优势，结合典型试采场地开展验证应用。当前数值模拟研究仍存在局限：多相渗流参数模型未充分考虑孔隙结构连续性演化及水合物饱和度对相对渗透率的影响；对未固结泥质粉砂储层的力学特性及出砂风险响应刻画不足；对开采诱发的长期力学稳定性(如地面沉降，海底滑坡)预警能力有限。未来需建立“微观—宏观”跨尺度参数模型、完善泥质粉砂沉积物弹塑性本构模型、开发地质—工程一体化模拟工具，推动模拟技术从机理阐释向工程决策支持深度转化。

关键词：天然气水合物,数值模拟,多相渗流,力学性质,试采工程应用

基金资助：国家自然科学基金重点项目“深部超临界地热流体运聚过程水岩化学作用机理与多相流动规律研究”(3A2213285425);国家自然科学基金面上项目“水合物分解过程多相渗流参数动态演化及多尺度多方法联合反演(4227622)