天然氣水合物降壓開采實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究

1、<p>　　天然氣水合物降壓開采實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究</p><p>　　論文關(guān)鍵詞：天然氣水合物　降壓開采　影響因素</p><p>　　論文摘要：天然氣水合物是儲(chǔ)量豐富、優(yōu)質(zhì)潔凈的新型能源，其開采技術(shù)的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。 本文利用天然氣水合物開采實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)進(jìn)行了填砂管模型中天然氣水合物的合成及降壓開采實(shí)驗(yàn)研究，分析了天然氣水合物合成過程中甲烷氣體的轉(zhuǎn)化；分析了開采過程中

2、的產(chǎn)氣和產(chǎn)水規(guī)律、壓差變化規(guī)律以及壓差對(duì)天然氣水合物分解的影響；研究了降壓幅度和初始開采溫度對(duì)降壓開采效果的影響。研究表明：天然氣水合物的降壓開采受到水合物分解和產(chǎn)出的雙重控制，瞬時(shí)產(chǎn)氣量波動(dòng)很大，產(chǎn)氣速度較高且主要受壓降幅度和溫度的影響，產(chǎn)水速度小且維持在較穩(wěn)定的水平。</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　天然氣水合物(Natural Ga

3、s Hydrate)是在高壓和低溫條件下由輕烴、CO2及H2S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)，因遇火可以燃燒，俗稱可燃冰，它是一種非化學(xué)計(jì)量型晶體化合物，或稱籠形水合物、氣體水合物[1，2]。自然界中存在的天然氣水合物中天然氣的主要成分為甲烷(&gt;90%)，所以又常稱為甲烷水合物(Methane Hydrate)[3]。天然氣水合物是一種高密度、高熱值、潔凈型能源，據(jù)科學(xué)家估計(jì)，全球天然氣水合物的資源總量換算

4、成甲烷氣體約相當(dāng)于全世界已知煤炭、石油和天然氣等能源總儲(chǔ)量的兩倍。我國現(xiàn)在的能源結(jié)構(gòu)屬于污染型能源結(jié)構(gòu)，后備能源資源嚴(yán)重不足。而且，隨著我國油氣資源的枯竭，尋求儲(chǔ)量巨大的新型接替能源已是迫在眉睫。據(jù)有關(guān)資料分析，我國的東海沖繩海槽、臺(tái)灣以東海域和南海等海域，以及青藏高原的凍土層都具備天然氣水合物形成的條件[4]。因此，開展并加強(qiáng)對(duì)天然氣水合物的研究，對(duì)我國開發(fā)和利用這種礦產(chǎn)資源具有重要意義。 </p><p>　

5、　1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器</p><p>　　實(shí)驗(yàn)材料包括石英砂、蒸餾水、甲烷氣、氮?dú)?、NaCl(分析純)等。實(shí)驗(yàn)儀器為天然氣水合物模擬開采系統(tǒng)</p><p>　　1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析</p><p>　　1.2.1 壓差分析</p><p>　　(1) 瞬時(shí)壓差隨時(shí)間的變化（如圖1-1）</p><p><b

6、>　　\s </b></p><p>　　圖1-1 瞬時(shí)壓差隨時(shí)間的變化</p><p>　　(2) 累積壓差隨時(shí)間的變化（如圖1-2）</p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-2 累積壓差隨時(shí)間的變化</p><p>　　由圖1-1、圖1-2可以看

7、出：在水合物分解的初始階段，系統(tǒng)的壓差波動(dòng)比較小，這是由于填砂管內(nèi)有伴生自由氣產(chǎn)生；隨后系統(tǒng)壓差的變化越來越大，這時(shí)，水合物分解的越來越快，自由氣也大量產(chǎn)出，自由氣對(duì)產(chǎn)氣速度的影響越來越小，而NGH的分解對(duì)系統(tǒng)壓差的影響越來越大；到了分解的后期壓差逐漸減小為零，分解速度也越來越小，直至最后完全分解。</p><p>　　1.2.2 產(chǎn)氣量分析</p><p>　　(1) 瞬時(shí)產(chǎn)氣量隨時(shí)間的

8、變化（如圖1-3）</p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-3瞬時(shí)產(chǎn)氣量隨時(shí)間的變化</p><p>　　從圖1-3可以得出，瞬時(shí)產(chǎn)氣量曲線波動(dòng)比較大，分析曲線變化規(guī)律可以看出，其基本都包括以下三個(gè)階段：</p><p>　?、?初始降壓階段，隨著系統(tǒng)壓力的開始下降，產(chǎn)氣速度迅速升高。這主要

9、是因?yàn)椋禾钌肮軆?nèi)含有自由氣，屬于伴有自由氣的NGH藏類型，當(dāng)系統(tǒng)壓力開始降低時(shí)，伴生自由氣會(huì)首先迅速膨脹產(chǎn)出；降壓開采之前系統(tǒng)壓力、溫度接近NGH的平衡曲線，同時(shí)在降壓過程中入口壓力和出口壓力基本保持一致，即此時(shí)相當(dāng)于零維系統(tǒng)，這就導(dǎo)致NGH很快處于平衡曲線之下而開始分解。</p><p>　?、?產(chǎn)氣速度達(dá)到峰值后，很快開始下降。這是因?yàn)殡S著壓力的進(jìn)一步降低和自由氣的大量產(chǎn)出，自由氣對(duì)產(chǎn)氣速度的影響越來越小，而

10、NGH分解對(duì)產(chǎn)氣速度的影響越來越大。</p><p>　?、郛a(chǎn)氣速度逐漸減小為零。隨著NGH分解的進(jìn)行，分解表面積越來越小，分解速度也越來越小，直至最后完全分解。</p><p>　　(2) 累積產(chǎn)氣量隨時(shí)間的變化（如圖1-4）</p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-4 累積產(chǎn)氣量隨時(shí)間

11、的變化</p><p>　　從圖1-4可以得出，累積產(chǎn)氣量曲線在分解的初始階段波動(dòng)比較大，主要是因?yàn)樵谶@個(gè)階段水合物分解迅速，還有大量的自由氣的產(chǎn)出；隨著時(shí)間的推移，曲線逐漸趨于平行，說明水合物分解完成。</p><p>　　(3) 不同出口壓力下累積產(chǎn)氣量的變化（如圖1-5）</p><p><b>　　\s </b></p>

12、<p>　　圖1-5 不同出口壓力下累積產(chǎn)氣量的變化</p><p>　　從圖1-5可以得出在降壓的過程中，出口端壓力越小，形成的壓力梯度越大，水合物分解越快，分解時(shí)間越短。</p><p>　　(4) 不同初始溫度下累積產(chǎn)氣量的變化（如圖1-6）</p><p><b>　　\s </b></p><p>

13、　　圖1-6 不同初始溫度下累積產(chǎn)氣量的變化</p><p>　　圖1-6可以看出，初始開采溫度越高，水合物的分解越快，分解時(shí)間越短。</p><p>　　從以上對(duì)產(chǎn)氣量的分析可以得知：在本實(shí)驗(yàn)條件下，產(chǎn)氣量的變化規(guī)律是：開發(fā)初期產(chǎn)量上升較快，然后逐漸平緩，隨著出口壓力的逐漸降低，先是緩慢增加，接著有一個(gè)快速增長段，然后增長幅度又逐漸變緩，到開發(fā)末期產(chǎn)量已經(jīng)很小了。在降壓開采的過程中，壓

14、降變化的幅度和初始開采溫度對(duì)水合物的分解有很大的影響。 </p><p>　　1.2.3 產(chǎn)水量分析</p><p>　　(1)瞬時(shí)產(chǎn)水量分析（圖1-7）</p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-7 瞬時(shí)產(chǎn)水量隨時(shí)間的變化</p><p>　　從圖1-7可以得出，分

15、析產(chǎn)水曲線，其與產(chǎn)氣規(guī)律相似，可以分為三個(gè)階段：</p><p>　?、?初始降壓出氣時(shí)不出水，出水時(shí)間要滯后于出氣。這是因?yàn)樘钌肮苤兴娘柡投缺容^小，自由水比較少，且水的流度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣的，所以降壓時(shí)先出氣。</p><p>　?、?出氣到一定時(shí)間開始出水，且產(chǎn)水速度很快升到一個(gè)峰值后又迅速回落。這是由于自由水以及NGH分解水在氣體的推動(dòng)下會(huì)向出口匯集，積累到一定程度即會(huì)突然產(chǎn)出，出現(xiàn)一個(gè)

16、產(chǎn)水峰值。但自由水總量比較少，NGH初始分解水也很少，產(chǎn)水速度又迅速回落。</p><p>　　③ 產(chǎn)水速度維持在較穩(wěn)定的水平，且緩慢降低，直至最后不出水。此時(shí)自由水已基本產(chǎn)出，產(chǎn)出水以NGH分解水為主。因?yàn)榇藭r(shí)NGH分解速度相對(duì)穩(wěn)定，且隨著分解表面積的見小而緩慢降低，所以產(chǎn)水速度也隨之相應(yīng)變化。可見，此時(shí)產(chǎn)水速度主要受NGH分解速度的影響，表現(xiàn)出與產(chǎn)氣規(guī)律相似的特征。</p><p>　

17、　(2)累積產(chǎn)水量分析（如圖1-8）</p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-8 累積產(chǎn)水量隨時(shí)間的變化</p><p>　　從圖1-8可以得出，累積產(chǎn)水量曲線在分解的初始階段波動(dòng)比較大，主要是因?yàn)樵谶@個(gè)階段水合物分解迅速；隨著時(shí)間的推移，曲線逐漸趨于平行，說明水合物分解完成。</p><p&

18、gt;　　(3)不同壓力下累積產(chǎn)水量（如圖1-9）</p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-9 不同壓力下累積產(chǎn)水量隨時(shí)間的變化</p><p>　　從圖1-14可以得出在降壓的過程中，累積產(chǎn)水規(guī)律與累積產(chǎn)氣規(guī)律一樣，出口端壓力越小，形成的壓力梯度越大，水合物分解越快，分解時(shí)間越短。</p><

19、;p>　　(4) 不同初始溫度下累積產(chǎn)水量隨時(shí)間的變化（如圖1-10）</p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-10 不同初始溫度下累積產(chǎn)水量隨時(shí)間的變化</p><p>　　由圖1-10可以看出，初始開采溫度越高，水合物的分解越快，分解時(shí)間越短。</p><p>　　從以上對(duì)產(chǎn)水量

20、的分析可以得知：在本實(shí)驗(yàn)條件下，產(chǎn)水量的變化規(guī)律是：開發(fā)初期產(chǎn)量上升較快，然后逐漸平緩，隨著出口壓力的逐漸降低，先是緩慢增加，接著有一個(gè)快速增長段，然后增長幅度又逐漸變緩。在降壓開采的過程中，壓降變化的幅度和初始開采溫度對(duì)水合物的分解有很大的影響。 </p><p>　　1.2.4 綜合對(duì)比分析</p><p><b>　　\s </b></p><

21、;p>　　圖1-11 瞬時(shí)產(chǎn)水（氣）量隨累積壓差的變化</p><p>　　由圖1-11和圖1-12可以看出：水合物瞬時(shí)產(chǎn)水（氣）量的波動(dòng)比較大，受壓差的影響很大。在分解的初始階段，水合物瞬時(shí)產(chǎn)水（氣）量的波動(dòng)比較大，水的產(chǎn)量很小，主要是剛開始有伴生自由氣的影響，隨著開采的的不斷進(jìn)行，氣體的分解不斷加快，水的產(chǎn)量也隨著增加，到了分解的后期，水的產(chǎn)量很少，主要是由于在孔隙介質(zhì)中，氣體形成氣竄，有部分水被氣體帶

22、出。</p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-12 瞬時(shí)產(chǎn)水（氣）量隨時(shí)間的變化</p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-13 累積產(chǎn)水（氣）量隨累積壓差的變化</p><p>　　累積產(chǎn)水（氣）量隨累積壓差的變化如

23、圖1-13，累積產(chǎn)水（氣）量隨時(shí)間的變化如圖1-14。由圖1-13和1-14分析得出：在分解的初始階段，壓差的變化很小，累積產(chǎn)水（氣）量很小，隨著壓差的不斷增加，累積產(chǎn)水（氣）量的變化越來越大，產(chǎn)水量隨產(chǎn)氣量的變化而變化。</p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-14 累積產(chǎn)水（氣）量隨時(shí)間的變化</p><p>

24、　　1.2.5階段產(chǎn)量分析（如圖1-15、1-16）</p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-15 階段產(chǎn)水量隨出口壓力的變化</p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-16 階段產(chǎn)氣量隨出口壓力的變化</p><p&

25、gt;　　由圖1-15和圖1-16可以看出：在初始階段只有氣的產(chǎn)出，這主要是自由氣造成；當(dāng)出口壓力降到2MPa時(shí)，產(chǎn)氣量達(dá)到一個(gè)高峰期，水的產(chǎn)量也隨著增加，說明水合物的分解達(dá)到峰值；當(dāng)壓力降到1.0MPa時(shí)，只有氣體的產(chǎn)出，說明水合物分解完成；當(dāng)壓力降到0.1MPa時(shí)，有部分水產(chǎn)出，這部分水主要是由分解后期，隨氣體從填砂管帶出的水。</p><p>　　1.2.6 氣體轉(zhuǎn)化的計(jì)算與分析</p>&l

26、t;p>　　孔隙體積恒定的填砂管中飽和有水和CH4，初始溫度和壓力為T1、P1，進(jìn)行NGH等容合成，系統(tǒng)溫度和壓力變?yōu)門2、P2。為進(jìn)行NGH動(dòng)力學(xué)計(jì)算，必須首先確定CH4的轉(zhuǎn)化率，即確定NGH的生成量。</p><p>　　因?yàn)镹GH為等容合成，合成前水、氣的體積應(yīng)該等于合成后水、氣、NGH的體積，即：</p><p><b>　　(1-1)</b></

27、p><p>　　其中，――初始溫度T1、壓力P1下水、氣的體積，cm1； ――反應(yīng)后溫度T2、壓力P2下水、氣、NGH的體積，cm1。</p><p><b>　　假設(shè)：</b></p><p>　　(1) 水及生成的NGH不可壓縮；</p><p>　　(2) 生成的NGH為理想狀態(tài)，即CH4分子占據(jù)NGH的所有空隙，在標(biāo)

28、準(zhǔn)狀況下，單位體積的NGH分解可產(chǎn)生164單位體積的CH4氣體[5]。</p><p>　　合成過程中的壓力曲線如圖1-10。</p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-17 壓力隨時(shí)間的變化</p><p>　　由圖1-17可以看出，當(dāng)時(shí)間到250min以后壓力變成水平，這說明水合物的合成

29、已經(jīng)完成，所以我們只要去250min以前的數(shù)值進(jìn)行水合物合成的分析。</p><p>　　反應(yīng)的甲烷物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化如圖1-21。 </p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-18 甲烷物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化</p><p>　　在圖1-21中取8組點(diǎn)，得到表1-2。</p>

30、<p><b>　　表1-2 插值表</b></p><p><b>　　時(shí)間(min)</b></p><p>　　合成水合物的甲烷物質(zhì)的量(mol)</p><p><b>　　0.085</b></p><p><b>　　0.001654<

31、/b></p><p><b>　　47.21</b></p><p><b>　　0.009018</b></p><p><b>　　70.52</b></p><p><b>　　0.018169</b></p><p>

32、;<b>　　79.51</b></p><p><b>　　0.115718</b></p><p><b>　　87.01</b></p><p><b>　　0.111151</b></p><p><b>　　95.85</b>

33、;</p><p><b>　　0.186406</b></p><p><b>　　160.11</b></p><p><b>　　0.482711</b></p><p><b>　　248.54</b></p><p>&l

34、t;b>　　0.506959</b></p><p>　　對(duì)表1-2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行自然三次樣條曲線插值，并與圖進(jìn)行擬合得到：</p><p>　　甲烷擬合隨時(shí)間的變化曲線如圖1-19。 </p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-19 甲烷擬合線隨時(shí)間的變化</p>

35、;<p>　　對(duì)合成水合物所用的甲烷的物質(zhì)的量進(jìn)行時(shí)間的求導(dǎo)得到圖1-20：</p><p><b>　　\s </b></p><p>　　圖1-20 甲烷的變化率</p><p>　　由圖1-20可以得到以下結(jié)論：可以得到在81.2409min 這個(gè)時(shí)刻，甲烷轉(zhuǎn)化成水合物的速率最大。天然氣水合物的合成過程中，甲烷氣體的轉(zhuǎn)化要

36、經(jīng)過緩慢增大、快速增大、快速減小三個(gè)階段。水合物在合成初始階段，甲烷轉(zhuǎn)化成水合物的變化率比較緩慢，這個(gè)時(shí)期屬于成核的誘導(dǎo)期，一段時(shí)間后甲烷轉(zhuǎn)化成水合物的變化率迅速升高，這個(gè)時(shí)期是一個(gè)快速生長期。</p><p><b>　　1.3 結(jié)論</b></p><p>　　綜合以上對(duì)降壓開采實(shí)驗(yàn)壓差、溫度、產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量的分析，在本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜅l件下，NGH降壓開采是一種比較好的

37、方法：</p><p>　　(1) 天然氣水合物的合成過程中，甲烷氣體的轉(zhuǎn)化要經(jīng)過緩慢增大、快速增大、快速減小三個(gè)階段；</p><p>　　(2) 在降壓的過程中，產(chǎn)氣速度主要受壓降速度的控制，NGH分解比表面積大，分解速度快，產(chǎn)氣速度高；產(chǎn)水速度小且維持在較穩(wěn)定的水平，對(duì)產(chǎn)氣影響??；</p><p>　　(3) 在降壓的過程中，壓差越大，形成的壓力梯度越大，水合

38、物分解越快；</p><p>　　(4) 降壓開采前的溫度越高，水合物分解越快；在開采的過程中，初始溫度越高，水合物的分解越快，分解時(shí)間越短；</p><p>　　(5) 在降壓開采的過程溫度和降壓幅度，對(duì)天然氣水合物的降壓開采有很大的影響。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 樊栓

39、獅，陳勇．水合物的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J] ．中國科學(xué)院院刊，2001，2：106-110.</p><p>　　[2] 雷懷彥，王先彬，房玄等.天然氣水合物研究現(xiàn)狀與未來挑戰(zhàn)[J].沉積學(xué)報(bào)，1999；17(3)：493-497. </p><p>　　[3] 何擁軍，文鳳英．海洋天然氣水合物的研究現(xiàn)狀及意義[J]．海洋地質(zhì)動(dòng)態(tài)，1998；1(總第182期)：4-7. </p>