固態流化采掘海洋天然氣水合物藏的水平管段固相顆粒運移特征

李蜀濤 魏 納 李海濤 龐維新 席永釗 鄭利軍 付 強,

1.西南石油大學 2.中海油研究總院有限責任公司

0 引言

中國《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》將“天然氣水合物開發技術”部署為27項前沿技術之一；國家《能源發展戰略行動計劃》提出加大天然氣水合物（以下簡稱水合物）勘探開發技術攻關力度，積極推進試采工程；國家《能源技術革命創新行動計劃》提出突破水合物勘探開發關鍵技術，開展先導鉆探和試采試驗。因此，水合物特別是海洋深水水合物的安全、高效開發是當前世界的前沿創新技術領域[1-3]。

周守為院士于2012年提出了海洋水合物藏固態流化開采技術[4-5]是一種安全、高效開采海洋水合物藏的創新方法。海洋水合物固態流化采掘在水平段和垂直段的運移規律各有不同，其中水平段面臨的主要問題有：水合物和巖屑在二次破碎以后進入水平管段的運移規律與一般鉆水平井存在鉆桿攪動[6]的作用的運移特征不同；水合物與巖屑之間的凝聚力較大，相比于常規鉆水平井而言，更易形成巖床，所以迫切需要分析天然氣水合物在固態流化采掘條件下水平管段的運移規律，并據此指導實際現場施工。

1 水合物固態流化采掘水平段固相顆粒運移模型

在開采的過程中，水合物固相顆粒在水平管段中的運移方式主要有蠕移、躍移、懸移三種方式，蠕移指水合物藏固相顆粒在受到相對較小的力的作用情況下，沿管壁平行滑動或者滾動的方式運移；躍移指隨著水合物固相顆粒速度的增大，固相顆粒以跳躍的方式運移；懸移指水合物固相顆粒受到的浮力大于重力時，以懸浮的形式在水平管段運移。針對天然氣水合物固態流化開采過程中，水平管段固相顆粒的實際運移情況，建立了水平段固相顆粒運移模型如下。

1.1 數學模型

1.1.1 連續方程

式中ρm表示混合相密度，kg/m3；m表示混合相速度，m/s；n表示相數；αk表示第k相的體積分數；ρk表示第k相的密度，kg/m3；k表示第k相的速度，m/s。

1.1.2 動量守恒方程

由牛頓第二定律可知[7]，液固兩相流動的動量守恒方程：

式中p表示壓力，Pa；F表示體積力，N/m3；g表示重力加速度，m/s2；m表示混合物黏度，Pa·s；T表示時間，s；k表示k相的黏度，Pa·s；dr,k表示第k相的運移速度，m/s。

1.1.3 能量守恒方程

根據能量守恒定律，液固兩相流動滿足能量守恒方程：

式中Ek表示第k相的內能，J/kg；λeff表示有效熱傳導率，W/(m·K)；T表示溫度，K；SE表示體積熱源相，J/(m3·s)。

1.2 固相顆粒受力模型

水平管段形成的水合物巖屑床的破壞主要以巖屑床表層固相顆粒的臨界起動為判斷條件，水合物藏固相顆粒的起動是指巖屑床表層的固相顆粒由靜止轉變為運動的臨界狀態，在力學方面主要受到其自身性質和顆粒受力的影響。固相顆粒受力主要包括重力、浮力、流動拖曳力、壓力梯度力、流動舉升力、塑性力、粒間凝聚力、巴塞特力、附加質量力和馬格努斯效應力等，其計算參閱本文參考文獻[8-15]。

1.3 物理模型

根據全球首次海洋水合物固態流化射流破碎現場應用試采目標區的基本參數和儲層性質：水深1 310 m、埋深117～192 m、泥質粉砂、平均孔隙度43%、飽和度40%，利用SolidWorks建立水平管段巖屑運移物理模型，根據實際施工參數建立固態流化開采水平段巖屑運移模型，其結構參數為：內徑70 mm，外徑100 mm，長度2 000 mm，采用四面體與六面體混合單元各對所建立的模型進行網格劃分，模擬水深1 300 m，海底溫度為276.15 K，海底壓力為13.7 MPa的海洋環境下，分析水合物固相顆粒在不同豐度、粒徑、管徑、速度條件下的固相顆粒運移特性，如圖1所示。

圖1 模型網格劃分圖

2 模擬結果

在水平管段內運移的水合物固相顆粒受鉆井液返排速度、進入水平管段的水合物豐度以及固相顆粒粒徑等因素的影響，其在不同的條件下，呈現出來的運移情況各有不同，具體分析如下：

2.1 不同進口流速對固相顆粒運移的影響

在水合物藏固相顆粒直徑為5 mm，鉆井液黏度為1.672 8 mPa·s，水合物豐度為70%的情況下，分別模擬研究進口速度為0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s和2.5 m/s的固相顆粒運移情況，得到不同進口速度固相單顆粒的運移軌跡（圖2-a）。由圖2-a可知，單顆粒固相顆粒最開始進入管道內時，以跳躍運移為主，隨著進口速度的增加，跳躍距離越遠，隨后以蠕移和跳躍運移的方式在管道中流動，流體速度越大，跳躍運移越明顯。

由圖2-b可知，水合物固態流化采掘的過程中，當進口速度為0.5 m/s時，固相顆粒會在進口處逐漸堆積，運移方式以躍移和蠕移為主，懸移為輔；隨著進口速度的增加，固相顆粒在管道底部的沉積量越少，運移方式以躍移和懸移為主，蠕移為輔。

圖2 不同進口速度下固相顆粒在水平管道中的運移軌跡及分布圖

由圖3-a可知，在水平管道中，流體的流速呈現正態分布趨勢，管道中心流速最大，靠近管壁面流速最小，且隨著流體進口速度的增加，管內的最大流速向管壁延伸，管壁附近的流速隨進口速度的增加而增加。由圖3-b可知，隨著進口速度的不斷增加，管道內壓力下降速度增加且滿足達西滲流。因此，由圖2、3可知，在實際使用固態流化方式開采水合物的過程中，在確保舉升泵設備負荷的前提下，提高井口排量，使固相顆粒盡可能地在管道中保持懸移和躍移，有利于流體攜帶水平段固相顆粒，提高水平管段內凈化效果。

2.2 不同水合物豐度對固相顆粒運移的影響

在水合物藏固相顆粒直徑為5 mm，鉆井液黏度為1.672 8 mPa·s，鉆井液進口速度為0.5 m/s的情況下，分別模擬研究水合物豐度為10%、30%、50%、70%和80%情況下固相顆粒運移情況，得到不同水合物豐度情況下單顆粒的運動軌跡（圖4-a）。

圖3 不同進口速度下水平管道流體流速變化和壓力分布圖

圖4 不同水合物豐度下固相顆粒在水平管道中的運動軌跡及分布圖

由圖4-a可知，單顆粒固相顆粒最開始進入管道內時，以跳躍運移為主，且豐度越大，躍移的距離越遠，隨后以蠕移和跳躍運移的方式在管道中流動，固相顆粒豐度越大，跳躍運移越明顯。

由圖4-b可知，水合物固態流化采掘的過程中，當水合物豐度為10%時，固相顆粒會在進口處逐漸堆積，運移方式以躍移和蠕移為主，懸移為輔；隨著水合物豐度的增加，固相顆粒在管道底部的沉積量越少，運移方式以躍移和懸移為主，蠕移為輔。

由圖5-a可知，在水平管道中，流體的流速呈現正態分布趨勢，管道中心流速最大，靠近管壁面流速最小，水合物豐度的增加對液相流速的影響較小。由圖5-b可知，不同的水合物豐度條件下，管道內壓力下降速度變化很小，可以忽略豐度對管道壓力降的影響。因此，由圖4、5可知，在實際使用固態流化方式開采水合物的過程中，不同的水合物豐度的管道流體在水平管道內的運移方式各有不同，水合物豐度越高，越有利于水合物固相顆粒在管道內的運移，同時，水合物豐度對管道內液相流速和壓力降影響較小。應根據水合物豐度設定相應的施工參數，有利于提高水平管段內的凈化效果。

圖5 不同水合物豐度下水平管道流體流速變化和壓力分布圖

2.3 不同水合物粒徑對固相顆粒運移的影響

在鉆井液黏度為1.672 8 mPa·s，鉆井液進口流速為0.5 m/s，水合物豐度為70%的情況下，分別模擬研究固相顆粒粒徑為1 mm、3 mm、5 mm、7 mm和9 mm的運移情況，得到不同固相顆粒的運動軌跡（圖 6-a）。

由圖6-a可知，單顆粒固相顆粒最開始進入管道內時，以跳躍運移為主，且粒徑越大，躍移的距離越近，隨后以蠕移和跳躍運移的方式在管道中流動，固相顆粒粒徑越大，蠕移越明顯。其中對比粒徑為1 mm，3 mm與9 mm水合物固相顆粒的運移軌跡可知，在粒徑較小的時，運移方式主要是懸移和躍移，在粒徑逐漸增大的過程中，運移方式由懸移逐漸轉變為躍移最后變成蠕移。

由圖6-b可知，水合物固態流化采掘的過程中，當水合物粒徑為1 mm時，固相顆粒主要以懸移的方式在水平管段中運移，隨著水合物粒徑的不斷增加，運移的過程中逐漸出現躍移和蠕移的運移方式，當水合物粒徑達到時，固相顆粒已經在水平管段底部大量堆積，不利于固相顆粒的運移。

圖6 不同水合物粒徑下固相顆粒在水平管道中的運動軌跡及分布圖

由圖7-a可知，在水平管道中，流體的流速呈現正態分布趨勢，管道中心流速最大，靠近管壁面流速最小，隨著水合物顆粒粒徑增加到7 mm、9 mm時，固相顆粒開始在進口處堆積，水平管段井口端的液相速度逐漸偏離正態分布，越靠近上管壁附近，液相速度越大，越靠近下管壁附近，液相速度較小。由圖7-b可知，不同的水合物顆粒粒徑條件下，管道內壓力下降速度變化很小，可以忽略水合物粒徑對管道壓力降的影響。因此，由圖6、7可知，不同的水合物固相顆粒粒徑對水合物在管道內的運移方式影響較大，水合物顆粒粒徑越小，越有利于水合物固相顆粒在管內的運移，同時，由于固相顆粒在管底的堆積會導致管內液相的流場發生變化，影響固相顆粒的運移方式，即在水合物顆粒堆積的波峰處液相流速較大，在波谷處液相流速較低，此外，水合物顆粒粒徑對管道內的壓力降影響較小。在實際使用固態流化方式開采水合物的過程中，應該研發高效的二級破碎工具，降低水合物顆粒粒徑，有利于提高水平管段內的凈化效果。

2.4 不同水合物粒徑、管徑對液相攜水合物固相顆粒運移速度的影響

圖7 不同水合物粒徑下水平管道流體流速變化和壓力分布圖

在鉆井液黏度為1.672 8 mPa·s，水合物固相顆粒粒徑為1 mm、3 mm、5 mm、7 mm、9 mm時，分別模擬水合物顆粒在管徑為30 mm、50 mm、70 mm的管道中運移，得到正常泵送水合物固相顆粒所需的液相速度，如圖8所示。由圖8可知，水合物固相顆粒粒徑越大、水平段管徑越大所需液相運移速度越大。因此，在實際使用固態流化方式開采水合物的過程中，要根據二級破碎設備破碎顆粒大小和舉升泵額定負荷，選擇能夠滿足生產需求的泵輸水平管管徑，有利于提高水平管段內的凈化效果。

3 水合物固態流化采掘水平段固相顆粒運移模擬實驗

為進一步驗證CFD仿真結果的正確性，運用西南石油大學已有的全球首個海洋非成巖水合物固態流化開采大型物理模擬實驗系統，模擬海洋水深1 300 m，壓力13.7 MPa，溫度276.15 K環境，水合物固相顆粒在不同液相排量下的運移規律。

圖8 泵送水合物固相顆粒液相速度圖

3.1 實驗方案及流程

1）水合物大樣品快速制備、破碎及漿體調制模塊中，根據海洋水合物組分，模擬預制水合物（含砂）樣品；制備釜中形成水合物礦體后，將其原位破碎，破碎時加入定量海水，精確配制實驗所需的水合物漿體，并將其保溫、保壓、保粒度、保安全運移至水合物漿體高效管輸模塊。

2）通過多次調節液相排量，完成不同排量下水合物固相顆粒群的運移模擬實驗。

3）自動采集與存儲實驗過程中的動態圖像及溫度、壓力、流量、粒徑等實驗數據，進行實驗分析及處理。

3.2 水合物大樣品快速制備

利用實驗室現有的低溫高壓反應釜制備實驗所需的水合物樣品（如本期趙金洲文中圖2所示），并利用釜體內的水合物破碎刀片將反應釜內生成的水合物破碎成實驗所需粒徑尺寸（2～5 mm）。然后通過砂漿泵將釜體內的水合物泵送到水平管段。

3.3 水平管段中不同液相排量下水合物固相顆粒運移分析

3.3.1 進口小排量下固相顆粒臨界運移

將液相進口排量分別設置為0.720 L/s、0.960 L/s、1.200 L/s、1.440 L/s，其顆粒的運移情況記錄如表1所示，利用高速攝像機和可視化高壓承壓水平管段可以監測到水合物在水平管段中的運移情況如本期趙金洲文中圖8所示。

表1 不同液相進口小排量下固相顆粒運移實驗現象記錄表

由上述圖表可以看出，排量為0.720 L/s時，管段中的水合物固相顆粒基本沒有發生運移，當液相排量逐漸增加時，顆粒粒徑較小的水合物固相顆粒開始發生運移，當排量達到1.440 L/s后，管段中所有的水合物固相顆粒都開始運移，即管段中液相排量越大，水合物顆粒粒徑越小，管段的水合物越容易運移，越有利于提高水平管段內的凈化效果。

3.3.2 進口大排量下固相顆粒運移

將液相排量分別提高到2.216 L/s、4.346 L/s、6.667 L/s、8.925 L/s、10.990 L/s，其顆粒的運移情況記錄如表2所示，利用高速攝像機和可視化高壓承壓水平管段可以監測到水合物在水平管段中的運移情況，如圖9所示。

表2 不同液相進口大排量下固相顆粒運移實驗現象記錄表

圖9 水平管段不同液相進口大排量（速度）下固相顆粒運移情況圖

由圖9和表2可以看出，當排量為2.216 L/s時，管段中的水合物已經開始整體運移，但水平管底部會形成水合物床，并以蠕移和躍移的方式向前運移。當排量逐漸增加時，水合物固相顆粒運移速度加快，且分布相對較為分散。當排量達到10.990 L/s時，水合物固相顆粒最為分散，對水平管段內凈化效果較好。同時，該實驗很好的驗證的Fluent和EDEM仿真模擬結果。

4 結論

1）水合物在水平管道輸送過程中，單顆粒水合物以躍移和蠕移運移為主，而水合物顆粒群的運移方式受水合物豐度、液相速度、水合物固相顆粒粒徑影響較大。當水合物豐度較低、顆粒粒徑較大、液相流速較低時，固相顆粒運移方式主要以躍移、蠕移為主；當水合物豐度較高、顆粒粒徑較小、液相流速較大時，固相顆粒運移方式主要以懸移為主。

2）提高液相進口速度，是提高水平管內凈化效果的有效辦法。

3）水平管道內，液相流場受水合物固相顆粒粒徑影響較大，水合物固態流化開采應選用破碎效果較好的二級破碎工具，將水合物破碎成適合于液相攜帶的固相顆粒粒徑群；或在滿足生產要求的條件下，配合較小管徑的水平管段，以此降低設備負荷，提高水平管內凈化能力。

4）水合物固態流化開采水平管段內壓力降主要受液相流速影響較大，在滿足舉升泵設備負荷條件下，可調整適當的液相速度。