多孔介質(zhì)天然氣水合物開采的基礎(chǔ)研究.pdf

1、天然氣水合物作為一種廣泛蘊(yùn)藏于深海沉積層與陸地凍土帶的水合物藏，以其巨大的資源儲(chǔ)量引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，對(duì)水合物相關(guān)技術(shù)的研究應(yīng)用正方興未艾，這其中，天然氣水合物的合成、分解與原位開采的理論與技術(shù)多年來一直是水合物相關(guān)研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)所在，其本質(zhì)原因，一方面是因?yàn)槠錅睾偷闹苽錀l件和相對(duì)較高的儲(chǔ)氣能力越來越受到人們的重視，希望通過研究拓展應(yīng)用空間;另一方面，也是由于當(dāng)前社會(huì)發(fā)展日新月異，對(duì)能源的需求日漸增大，而不可再生資源的逐步減少使人們

2、滋生了對(duì)未來新型能源的強(qiáng)烈渴求，等等。然而，受制備工藝、生長速度和最終儲(chǔ)氣量等方面的制約，水合物合成技術(shù)一直未得長足發(fā)展;在資源開采利用方面，也因?yàn)槌刹貤l件復(fù)雜、儲(chǔ)層物性參數(shù)不明、開采過程不確定因素較多、水合物分解和運(yùn)移機(jī)理復(fù)雜等方面的原因一直停滯不前。
　　本文以氣體水合物的強(qiáng)化制備工藝、分解開采理論為課題，在綜合分析前人研究成果的基礎(chǔ)上，獨(dú)創(chuàng)性的設(shè)計(jì)并建立了首個(gè)適合于工業(yè)生產(chǎn)條件下的小型天然氣水合物噴霧強(qiáng)化合成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并利用

3、該平臺(tái)對(duì)氣體水合物強(qiáng)化合成工藝進(jìn)行了探索性研究，深入分析了其強(qiáng)化的技術(shù)和機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，展開了多孔介質(zhì)中氣體水合物的合成及分解過程的CT掃描實(shí)驗(yàn)研究工作，并對(duì)具備下覆游離氣層的天然氣水合物藏降壓開采以及海底水合物藏的原位注熱水驅(qū)替開采理論和技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，主要研究內(nèi)容及成果如下:
　　(1)進(jìn)行了天然氣水合物強(qiáng)化合成工藝研究。研制了適合工業(yè)生產(chǎn)的霧化型合成設(shè)備，可通過一次裝樣配合增壓泵實(shí)現(xiàn)恒壓不等容試驗(yàn)，或者封閉裝樣的恒容不

4、等壓試驗(yàn)，還可以通過補(bǔ)充或排出氣體或水，實(shí)現(xiàn)恒壓等容試驗(yàn)方式等。應(yīng)用本套設(shè)備可研究工業(yè)化生產(chǎn)條件下各宏觀可控因素如氣體組成、氣水混合方式、溫度壓力條件、水的成分等對(duì)水合物生成過程的具體影響及其作用機(jī)理，分析、研究氣體水合物生成過程中熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)原理。
　　(2)探尋了霧化平臺(tái)下氣體水合物合成的強(qiáng)化機(jī)理及關(guān)鍵因素。研究表明，霧化系統(tǒng)中誘導(dǎo)現(xiàn)象不明顯，生長速度極快、含氣量極高;整個(gè)生長過程受傳質(zhì)條件主導(dǎo)，傳熱條件不理想會(huì)嚴(yán)重影響生長

5、速度，但傳質(zhì)條件不理想將首先導(dǎo)致反應(yīng)過程緩慢、最終含氣量大幅降低;在保證良好的傳熱條件下，生長速度對(duì)壓力依賴明顯，并且表現(xiàn)出明顯的遞增關(guān)系，壓力越高，速度越快，過冷過壓能有效加快生長進(jìn)程;此外，活性劑、晶種、重復(fù)生成等都能顯著加快反應(yīng)進(jìn)程，提高最終含氣量。
　　(3)展開了多孔介質(zhì)水合物合成實(shí)驗(yàn)研究。多孔介質(zhì)中氣體水合物形成條件類似水溶液中，其氣耗隨時(shí)間變化可以分為三個(gè)階段，稱為起始合成段、快速合成段、合成完成段。起始合成段壓力和

6、溫度波動(dòng)較小，氣耗也較小;快速合成段氣體消耗速率快，溫度和壓力變化極為頻繁，均系氣體大幅度由氣態(tài)向結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)化造成;合成完成段氣耗率極低，以極低的速率延續(xù)至反應(yīng)停止。多孔介質(zhì)中生成水合物并不是僅限在試件表面，而是在試件內(nèi)部的孔隙中全部生成和賦存，而且是均勻分布的，這是多孔介質(zhì)天然氣水合物的一個(gè)重要特征。
　　(4)進(jìn)行了多孔介質(zhì)中水合物分解的CT掃描實(shí)驗(yàn)研究。多孔介質(zhì)水合物分解時(shí)，隨粒徑的增大，其水合物分解的垂向移動(dòng)量逐漸增大，對(duì)應(yīng)

7、的變形平均0.953％，這就是散體砂粒組成的多孔介質(zhì)水合物分解的垂向變形量。垂向變形與砂粒直徑呈指數(shù)變化規(guī)律，Uz=0.0032exp(0.4318d)。
　　(5)研究了降壓開采理論及技術(shù)。基于多相滲流理論與水合物分解動(dòng)力學(xué)，建立了適合于開采具備下覆游離氣層的水合物藏的降壓開采過程的數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)問題的強(qiáng)非線性，首次引入全隱式方法對(duì)控制方程進(jìn)行了離散，給出了詳細(xì)的差分解法，該法隱式程度高，求解過程更穩(wěn)定，適用范圍較常見的IMP

8、ES方法更為廣泛，并應(yīng)用FORTRAN語言編制了相應(yīng)的計(jì)算程序，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型及離散方法的準(zhǔn)確性，運(yùn)用該程序能準(zhǔn)確獲得開采過程中各場變量在各時(shí)刻的空間分布情況，獲得其開采前緣移動(dòng)位置及氣、水的產(chǎn)出與運(yùn)移規(guī)律。
　　(6)探尋了降壓開采過程中水合物分解和氣水運(yùn)移的本質(zhì)規(guī)律。通過對(duì)降壓開采的數(shù)值模擬結(jié)果表明，降壓開采過程儲(chǔ)層壓力下降較為平緩，開采過程穩(wěn)定性較好，通過降低井底流壓可有效提高水合物藏開采速率，通過調(diào)整井底流壓也能夠兼顧開采

9、速度與儲(chǔ)層穩(wěn)定性之間的平衡。從氣水的產(chǎn)出運(yùn)移過程來看，開采效率高低與儲(chǔ)層絕對(duì)滲流率有較大關(guān)系，其值越大，運(yùn)移越快，生產(chǎn)效率越高;相同絕對(duì)滲透率條件下，運(yùn)移過程受滲透率下降指數(shù)的取值影響相對(duì)較小。
　　(7)研究了注熱驅(qū)替開采過程的固、流、熱、分解的多場耦合理論。針對(duì)深海中水合物藏開采問題，建立了能夠準(zhǔn)確描述多孔介質(zhì)中氣體水合物注熱開采過程的多場耦合數(shù)學(xué)模型。采用有限元和有限差分法結(jié)合對(duì)方程進(jìn)行了離散，給出了其數(shù)值解法。通過編制計(jì)算

10、程序，對(duì)海底水合物藏原位注熱水驅(qū)替開采過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。通過模擬，能夠準(zhǔn)確的獲得流體壓力、介質(zhì)溫度、固體位移及變形等場變量的空間分布。
　　(8)研究了注熱驅(qū)替開采過程中耦合作用規(guī)律。從數(shù)值模擬的結(jié)果來看，典型的注采過程一般可分為前期的降壓引導(dǎo)、中期的注熱驅(qū)替及后期的緩慢分解三個(gè)階段。中間的注熱驅(qū)替過程水合物分解極快，氣水產(chǎn)量很大，前期、后期的分解過程相對(duì)緩慢。注采過程存在一個(gè)極其明顯的、呈帶狀分布的分解