数值模拟是研究储层尺度非常规油气储层开采过程的最有效方法，天然气水合物等非常规储层开发过程涉及的热-流-固-化（THMC）建模及全耦合算法，是工程数值计算面临的最底层挑战。非常规油气储层开采，涉及对流/传导等热力学过程、多相多组分流动/扩散/输砂等流动过程、储层的应力/应变/破裂等固体变形过程、水合/裂解/相变等化学过程，并且这些过程之间相互影响，耦合关系强烈且复杂。传统的数值算法及软件，无论是以流动为核心的储层开发类软件，还是以变形和破坏为核心的地质工程类软件，都很难实现这种复杂的耦合过程的建模。

针对热流固化（THMC）耦合建模与全耦合算法的挑战，中国科学院地质与地球物理研究所张召彬、李守定、李晓等科研人员，提出了DDM/FEM混合元模型，实现含裂缝储层应力的高效计算；提出了流动归一化算法，实现储层任意多相多组分流动和输运过程的归一化建模，并基于此实现了传热/对流和化学过程的建模，并形成了一个储层热流固化耦合数值模拟器（https://gitee.com/geomech/hydrate）。

天然气水合物主要赋存于海底沉积物或永久冻土带中，是储量巨大的清洁能源。由于天然气水合物分解为甲烷和水是吸热过程，需要消耗大量热量，因此热量补给是天然气水合物降压开采高产的必要条件。在天然气水合物降压开发过程进行储层热量补给，必将使储层发生复杂的热力学与动力学变化，外部热量的补给如何影响储层物理场的演化过程，储层补热的效果如何量化，如何提升天然气的产出速率，如何维持储层稳定，这些都是水合物降压开采过程中的核心问题。

对天然气水合物补热降压开采问题，基于现场数据建立了三维计算模型，获得了不同条件下储层温度、压力、饱和度等关键物理场的高分辨三维演化（图1）。为了量化热量补给效果，提出了相平衡距分解驱动指标和计算方法，通过计算证明了储层分解区域内的相平衡距与水合物分解速率和气体产出速率的相关性。为了最优化补热的效率，针对加热功率和热流体注入速率进行了综合分析（图2），获得了相平衡距演化的路径和不同加热功率下最佳热流体注入速率的计算方法。该项研究发表在能源领域的权威期刊Applied Energy上。

图1 水合物开发过程中的物理场演化

图2 水合物开发注热效率的优化和相平衡距的演化

除了天然气水合物外，中低成熟度页岩油的原位改质也是热流固化（THMC）全耦合过程。为了论证原位加热改质的可行性，成功建立了一个考虑裂缝激活的原位改质计算模型，获得了加热改质时储层内温度/压力/裂缝/干酪根/重油/轻油等物理场的耦合演化过程（图3），在此基础上，厘清了加热改质物理场演化的三个阶段、储层物质的三种归宿、加热效率的四种模式，该项研究发表在石油领域权威期刊Petroleum Science上。

图3 中低熟页岩油原位转化过程的物理场演化模拟结果

研究成果发表于能源与工程技术领域权威期刊Applied Energy和Petroleum Science。研究得到了国家自然科学基金重大项目 （42090023）、国家自然科学基金地质联合基金（U2244223）、研究所重点部署项目(IGGCAS-201903)等资助。

1. 张召彬，李宇轩，李守定^*, 赫建明，李晓，徐涛，Optimization of the natural gas hydrate hot water injection production method: Insights from numerical and phase equilibrium analysis， Applied Energy, 2024, 361: 122963, DOI: 10.1016/j.apenergy.2024.122963.

2. 张召彬^*，Maryelin Josefina Briceño Montilla，李守定^*，李晓，邢建鹏，胡彦智，Numerical evaluations on the fluid production in the in-situ conversion of continental shale oil reservoirs, Petroleum Science, 2024, 21(4): 2485-2501, DOI: 10.1016/j.petsci.2024.05.025）。