天然氣水合物注熱、降壓開(kāi)采可行性實(shí)驗(yàn)研究

陳克 段林林 尹洪超 楊碩 辛偉明

摘要：天然氣水合物是一種新型的化石能源，它的效率很高，一般都埋藏在距離地表很近的地方，它分布很廣。現(xiàn)在能源越來(lái)越少，需要對(duì)水合物的開(kāi)采進(jìn)行相應(yīng)的研究，本文主要通過(guò)設(shè)計(jì)天然氣水合物合成和分解的實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)其進(jìn)行了研究。并對(duì)水合物注熱降壓開(kāi)采的這些方式進(jìn)行了模擬，從而選擇了合適的方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，選出較好的開(kāi)采方法。

關(guān)鍵詞：天然氣水合物;注熱開(kāi)采;降壓開(kāi)采;井位布置方式

目前能源十分緊張，現(xiàn)在已經(jīng)迫切的需要去尋找那些可以穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的能源。天然氣水合物是一種新型能源，已經(jīng)受到了社會(huì)和人民的廣泛關(guān)注，天然氣水合物分布很廣并且資源豐富比較容易獲取，它是一種具有很大潛力的可替代資源。我國(guó)對(duì)天然氣水合物的研究已經(jīng)有了兩百年的歷史。應(yīng)該不斷地采取試驗(yàn)去進(jìn)行探索，獲取相關(guān)的信息，在研究時(shí)需要考慮到全球氣候的變化以及海洋地質(zhì)的情況，都要對(duì)其進(jìn)行研究，現(xiàn)在在開(kāi)采水合物主要的方法有常規(guī)注熱法，降壓法等等這些方法。分析了這些方法，并選擇了與其相對(duì)應(yīng)的井位布置方式對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為未來(lái)水合物的開(kāi)采提供了一定的基礎(chǔ)。目前一種比較有效的開(kāi)采技術(shù)NCH技術(shù)，但是卻需要對(duì)其相關(guān)的理論和工藝進(jìn)行深入的研究。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

這些步驟主要有供液、供氣、生成、開(kāi)采、模擬環(huán)境、計(jì)量、采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理等這些模塊。將多孔介質(zhì)當(dāng)中的NCH進(jìn)行合成并對(duì)其進(jìn)行處理，然后對(duì)其進(jìn)行加熱，采取多種試驗(yàn)并進(jìn)行觀察。在試驗(yàn)中所選用的砂石為石英砂。在進(jìn)行填砂時(shí)需要逐層的進(jìn)行壓實(shí)，控制好孔隙的大小，經(jīng)過(guò)測(cè)試它具有一定的滲透率。開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)要利用水和鹽分調(diào)配好比例，控制好它的質(zhì)量比，然后制作好蒸餾，水要求氯化鈉的程度要大于99.5%。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，為了避免熱量流失，需要采取專業(yè)的容器來(lái)進(jìn)行保管，主要是使用保溫海綿管來(lái)保護(hù)注熱管路和填砂管，將其進(jìn)行包裹，避免熱量散失。實(shí)驗(yàn)的步驟主要有第一合成NCH等容，第二，當(dāng)完成合成后，需要采取措施來(lái)保持恒溫箱的溫度，不要發(fā)生變化，要調(diào)整回壓閥的壓力，與系統(tǒng)壓力保持一致。之后再打開(kāi)閥門口，設(shè)定好預(yù)熱罐的溫度。當(dāng)溫度穩(wěn)定不會(huì)再發(fā)生變化之后，由其他的閥門來(lái)向內(nèi)加入熱水對(duì)管路進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱完成之后，需要關(guān)閉旁邊的閥門，打開(kāi)入口閥向內(nèi)注入熱水，但是在注入的過(guò)程當(dāng)中需要控制好速度不要發(fā)生變化，并記錄相關(guān)的曲線，主要是注水、產(chǎn)氣、產(chǎn)水的曲線。根據(jù)這些曲線來(lái)對(duì)其進(jìn)行研究，當(dāng)系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行的時(shí)候，要將壓閥里面的壓力放出直到大氣壓。同時(shí)也要計(jì)算系統(tǒng)當(dāng)中所存在的剩余氣量。第四要改變預(yù)熱管，提前設(shè)定好的溫度，再重復(fù)以上的步驟進(jìn)行新的等容合成，同時(shí)也要進(jìn)行注熱開(kāi)采的實(shí)驗(yàn)。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)改變預(yù)熱管提前設(shè)定好的溫度，然后再對(duì)其進(jìn)行四個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)，獲取到了相關(guān)的結(jié)果。

1.系統(tǒng)溫度場(chǎng)

在對(duì)NCH進(jìn)行注熱開(kāi)采時(shí)，開(kāi)采的過(guò)程當(dāng)中必須要控制好溫度場(chǎng)的分布和傳播，根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來(lái)看，在不同的測(cè)點(diǎn)當(dāng)中，它們的溫度變化都是先快后慢，然后穩(wěn)定在一定的水平，就是因?yàn)樵谧⑷霟崴疤钌肮艿臏囟榷急容^低，當(dāng)熱水注入之后，會(huì)波及到其中的一個(gè)位置，在這一地方的溫度就會(huì)升高，并且也會(huì)加強(qiáng)和外界環(huán)境的交換，當(dāng)達(dá)到一定程度之后，熱水介質(zhì)和外部之間的溫度就會(huì)呈現(xiàn)一種平衡。這樣這處的溫度就會(huì)穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)室注水的速度為一分鐘11ml，管內(nèi)的熱水推進(jìn)速度為一分鐘97cm。按照這樣的速度和推進(jìn)速度來(lái)看，計(jì)算的熱前緣推進(jìn)速度和注水速度應(yīng)該是一樣的，這就說(shuō)明推進(jìn)是由注入熱水的滲流速度來(lái)決定的，并不是受到了熱傳導(dǎo)的作用。

2.產(chǎn)氣規(guī)律

根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果來(lái)看，產(chǎn)氣規(guī)律主要有以下這幾點(diǎn)，主要是三個(gè)階段。第一個(gè)階段是初始注熱階段。剛開(kāi)始注熱之后它的速度會(huì)突然的升高，然后在短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到了最高點(diǎn)，但是也會(huì)很快回落到比較低的水平當(dāng)中，這是因?yàn)樵谔钌肮苤畠?nèi)它含有自由的氣體，會(huì)受到影響。剛開(kāi)始注熱的時(shí)候，自由氣都會(huì)在很多介質(zhì)當(dāng)中進(jìn)行流動(dòng)，并且它的速度與水的速度相比是很大的。當(dāng)水注入之后會(huì)受到水的氣體作用，然后很快就會(huì)產(chǎn)出，但是水有一個(gè)滯后的啟動(dòng)，這時(shí)候就會(huì)只產(chǎn)氣不產(chǎn)水。但是當(dāng)介質(zhì)當(dāng)中的水開(kāi)始向外流時(shí)，它會(huì)受到氣體和液體滲流的影響，這個(gè)時(shí)候長(zhǎng)期的速度又會(huì)提高，達(dá)到最高點(diǎn)，然后就會(huì)快速的下降。這時(shí)候的產(chǎn)期規(guī)律就會(huì)受到自由氣的控制。第二個(gè)階段就是當(dāng)產(chǎn)期的速度不斷上升之后，達(dá)到了一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)。速度不會(huì)出現(xiàn)大幅度的變化，但是隨著熱前緣的不斷推進(jìn)，參與分解的NCH會(huì)越來(lái)越多，在此之后產(chǎn)氣的速度也會(huì)不斷地提高，當(dāng)達(dá)到一定程度后也會(huì)平衡。同時(shí)，產(chǎn)氣的速度也會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)氣的速度會(huì)受到NCH分解的影響，它的速度關(guān)系到產(chǎn)氣的速度。最后一個(gè)階段就是它的產(chǎn)氣速度會(huì)不斷的減少，但是也會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)狀態(tài)，這時(shí)候的速度就比較小，然后慢慢的就會(huì)為零。從相關(guān)的溫度曲線上來(lái)看，注熱前緣已經(jīng)推進(jìn)到了填砂口，這時(shí)候，NCH的數(shù)量就會(huì)不斷地減少，產(chǎn)氣的速度也越來(lái)越慢，當(dāng)它分解完成之后，就會(huì)變成自由氣和分解氣。這樣這兩股氣流比較穩(wěn)定，互相滲流。它的速度也會(huì)形成一個(gè)穩(wěn)定的低速。在多孔介質(zhì)當(dāng)中可以取締其他的氣，不斷的減少，它的速度也會(huì)隨之減少，最終成為零速度。填砂管只會(huì)剩一個(gè)束縛氣。

3.產(chǎn)水規(guī)律

在注水當(dāng)中速度十分平衡，注水曲線比較平穩(wěn)。剛開(kāi)始會(huì)給預(yù)熱罐設(shè)定一個(gè)起始溫度，但是隨著它的溫度會(huì)不斷地升高，提高了換熱的效率，當(dāng)達(dá)到160度時(shí)是最高的溫度，之后就會(huì)慢慢的降低，這是因?yàn)楫?dāng)注水溫度不斷提高時(shí)，系統(tǒng)的溫度也會(huì)隨之提高，并且升高的速度也在不斷的加快，熱前緣推進(jìn)速度也在加快。這樣減少了總的注水量，但是會(huì)造成很大的熱量損失。在四個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中它的換熱效率基本上都是一，說(shuō)明在這種條件之下只從能量角度來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，這是無(wú)法獲得準(zhǔn)確結(jié)果的。從瞬時(shí)產(chǎn)水曲線來(lái)看，它在不斷地進(jìn)行波動(dòng)，這是因?yàn)闅怏w和液體在滲流過(guò)程當(dāng)中沒(méi)有穩(wěn)定的進(jìn)行，同時(shí)也受到了回壓閥的影響，總體來(lái)說(shuō)，采水曲線會(huì)圍繞著注水曲線不斷的進(jìn)行波動(dòng)，但是注水量和采水量基本上是平衡的。

4.能量效率

在NCH進(jìn)行注入開(kāi)采的過(guò)程當(dāng)中，對(duì)技術(shù)沒(méi)有提出很高的要求。它具有經(jīng)濟(jì)可行性，主要是從能量來(lái)進(jìn)行分析，根據(jù)系統(tǒng)的溫度以及產(chǎn)生氣體的曲線可以看到，當(dāng)測(cè)點(diǎn)的溫度上升到一定的數(shù)值之后，就可以將填砂管當(dāng)中的NCH分解完成，如果繼續(xù)注水它的作用就會(huì)發(fā)生改變，變成一種可流動(dòng)的氣體來(lái)驅(qū)替多孔介質(zhì)當(dāng)中氣體。這時(shí)候，NCH就轉(zhuǎn)化成一種天然的氣體，此時(shí)再繼續(xù)注入熱水時(shí)，它的意義就已經(jīng)沒(méi)有了。這時(shí)候當(dāng)溫度上升到5℃，就可以利用此時(shí)的溫度對(duì)所出現(xiàn)的氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)在評(píng)價(jià)它的經(jīng)濟(jì)可行性，在計(jì)算能量時(shí)需要按照一定的公式來(lái)進(jìn)行。

結(jié)束語(yǔ)：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，再進(jìn)行注熱和降壓開(kāi)采時(shí)要注重開(kāi)采的模式，可以將二者進(jìn)行結(jié)合互相輔助，這樣可以取得良好的實(shí)驗(yàn)效果，同時(shí)也要控制好開(kāi)采的溫度以及開(kāi)采時(shí)產(chǎn)氣的速度，會(huì)受到溫度場(chǎng)變化影響。同時(shí)也要控制好換熱的效率，為了提高效益要不斷的優(yōu)化注入水的溫度，將注熱開(kāi)采和降壓開(kāi)采結(jié)合起來(lái)，引進(jìn)相關(guān)的工藝減少損失。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐新華.天然氣水合物注熱開(kāi)采可行性實(shí)驗(yàn)研究[D].中國(guó)石油大學(xué)（華東），2018

[2] 李杰.天然氣水合物注熱、降壓開(kāi)采可行性實(shí)驗(yàn)研究[D].中國(guó)石油大學(xué)（華東），2018.

（作者單位：中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司）