天然氣水合物儲層微波加熱能量補充裝置設計

樊 波 陳曉明 王忠興 王存芳 曹 智 王姣姣 王旱祥

(1.中國石油集團海洋工程有限公司天津分公司 2.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠 3.中國石油大學(華東)機電工程學院)

0 引 言

天然氣水合物是一種清潔高效的新能源，具有能量密度大、燃燒產物污染小等優點，且在全球范圍內儲量豐富、分布廣泛[1-2]。水合物的高效開發和商業化生產具有重大的戰略意義，目前水合物開采方法中降壓法更加經濟環保[3-5]。但是在降壓開采后期，水合物儲層溫度下降，不能為水合物的分解提供驅動力。熱激法通過向儲層注入熱量，對儲層進行能量補充，能夠提供水合物分解的溫度和熱量。因此，熱激法能夠彌補降壓法開采過程中儲層結冰、水合物二次生成等方面的不足[6]。

傳統的熱激法，例如注熱流體、熱蒸汽，注入過程中熱量損失大，能量利用率較低[6-7]；電加熱方法是將電能轉化為熱能，但是需要高品質的電能[7-8]。相比較而言，微波加熱技術具有傳播范圍廣、穿透力強、不需要載熱介質等優點，可以提供快速、均勻的熱量[7-9]。李棟梁等[10-12]通過試驗發現，在微波作用下天然氣水合物分解更快，且微波功率與分解速度成正比。朱月等[13]通過試驗發現，鐵粉有助于儲層吸收微波。眾多研究結果表明：微波加熱技術能夠有效提高儲層溫度，促進水合物分解，但是目前尚未設計出天然水合物儲層微波加熱能量補充裝置。為此，本文設計了一種天然氣水合物儲層微波加熱能量補充裝置。建立了基于電磁場理論、傳熱學理論的儲層微波加熱能量補充數值模型，通過對不同結構參數下微波加熱后儲層內平均電場強度的分析，優化了微波天線的結構。對于優化后的微波天線結構，研究了不同微波參數下儲層微波加熱能量補充裝置的加熱效果。所設計的儲層微波加熱能量補充裝置可以為水合物的高效開發提供一種新的方案。

1 儲層微波加熱能量補充裝置

1.1 裝置組成及原理

微波加熱能量補充裝置主要由微波發生器和微波天線組成。微波發生器即磁控管，主要作用是產生和發射微波[14]，其結構如圖1所示。微波天線選取漏泄同軸天線[9]，如圖2所示，從外到內依次為外導體、內導體，內、外導體材料為銅，內外導體之間填充物質為空氣。在外導體上開有槽口，槽口呈周期性分布，主要原理為槽口切斷天線外導體表面電流激發的電磁場，向外輻射微波能量[15-16]。

圖1 磁控管Fig.1 Magnetron

圖2 漏泄同軸天線結構圖Fig.2 Structural diagram of leaky coaxial antenna

1.2 裝置結構設計

1.2.1 漏泄同軸天線

同軸天線是一種雙導體的波導系統，同軸天線的尺寸參數會影響天線系統中波導模式。圖3為同軸無線波導模式。同軸天線中一般以TEM模式進行單模傳輸，當同軸天線的尺寸發生改變時，會產生高次模(TE模和TM模)[15]。高次模的產生會增大漏泄同軸天線的耦合損耗，使向外輻射的微波能量減少。因此，要避免高次模在同軸天線中傳播。如圖3右側所示，高次模的最低次模是TE11，其截至波長最大，為此應滿足π(a+b)<λmin(λmin是最小工作波長)。

在設計同軸線尺寸時，通常允許取5%的保險系數。在滿足最小波長的前提下，再對同軸線的傳輸特性優化，以確定尺寸a和b。若要求傳輸衰減最小，取b/a=3.591；若要求功率容量最大，取b/a=1.649[15-16]。這里同時考慮傳輸衰減和功率容量，取b/a=2.62。工作波長計算式如下：

λeff>1.1(λc)H11=1.1π(a+b)

(1)

式中：λeff為有效波長，mm；(λc)H11為工作波長，mm；a為內導體半徑，mm；b為外導體內半徑，mm。

圖3 同軸天線波導模式Fig.3 Coaxial antenna waveguide mode

所選工作頻率為915 MHz。考慮到同軸天線的傳輸衰減和最大功率容量，由式(1)計算可得內導體半徑為 28 mm，外導體內半徑為73 mm。

漏泄同軸天線由射頻同軸天線發展而來，兩者的區別是外導體上是否開有周期性槽口[16]。漏泄同軸天線是一種新型微波天線，可將微波能量在沿波導方向傳播的過程中從槽口向外輻射，如果天線系統中只有單一模式波，則能量更集中，傳輸距離會更遠[16]。漏泄同軸天線要求輻射口的周期長度與輸入微波的半波長近似：

λ=c/f

(2)

-nf1

(3)

(4)

式中：λ為微波波長，mm；f為輸入微波頻率，MHz；p為槽口周期長度，m；εr為絕緣介質的相對介電常數；c為光在真空中的傳播速度，m/s；n為諧波階數。由式(2)計算可得，當輸入頻率為915 MHz時，波長為328 mm，故周期長度取164 mm。

漏泄同軸天線在單模輻射狀態的工作頻率范圍稱為漏泄天線的使用頻帶，根據空間諧波輻射理論，由于漏泄電纜外導體上存在周期性槽口，外導體表面會產生無窮多的空間諧波，當諧波階數n≤1時，此時產生的空間諧波是輻射波[17-18]。

對于硬質的同軸天線來說，絕緣介質為空氣，其相對介電常數為1。若使同軸天線處于單模輻射狀態，即n=-1，則槽口周期長度為164 mm的天線，輸入微波頻率應為915 MHz

1.2.2 裝置結構

在保證安全可靠性和可行性的基礎上設計微波加熱裝置的結構以及連接形式。裝置整體構圖如圖4所示。首先在同軸電纜外導體內部嵌入定位塊，定位塊與外導體過盈配合，定位塊采用滑環式組合，表面具有一定彈性，可過盈配合；內部無回彈性，可準確定位并保證內外導體同軸度。其次將外導體嵌入保護器底部環形凹槽，保護器與外導體為間隙配合；內導體嵌入保護器底部圓柱形凹槽，且與定位塊間隙配合。再者，將內導體與變徑接頭、連接器與保護器按順序螺紋連接。最后，將連接器與微波發生器外殼螺紋連接。

1—微波發生器外殼；2—微波發生器；3—極化天線；4—變徑接頭；5—連接器；6—天線內導體；7—天線外導體；8—定位塊；9—保護器。

2 仿真模型建立

設計的儲層微波加熱能量補充裝置由微波發生器(即磁控管)產生微波能量，漏泄同軸天線將產生的微波能量輻射到天然氣水合物儲層中。根據裝置的工作原理，建立了電磁、傳熱耦合的天然氣水合物儲層微波加熱能量補充裝置的仿真模型[9]，并進行了網格劃分。圖5為所建模型及網格劃分圖。

圖5 仿真模型與網格劃分Fig.5 Simulation model and grid division

2.1 模型假設

(1)不考慮天然氣水合物儲層的內部形態、多孔結構，簡化為各向同性。

(2)相變、傳質和化學反應可以忽略。

(3)天然氣水合物儲層的介電常數、比熱容、導熱系數和磁導率等各項參數不隨溫度變化而改變。

(4)微波天線設置為理想電導體。

(5)陶瓷管的介電損耗為零，傳熱不在區域內求解。

2.2 模型建立與網格劃分

如圖5所示，模型從內向外依次為同軸天線、空氣域、陶瓷管、儲層。模型的幾何參數如下：儲層高度h=1 m，半徑r=1 m；同軸天線內導體半徑a=28 mm，外導體半徑b=73 mm；陶瓷管半徑r3=90 mm；模型最大寬度2 m，最大高度1 m。仿真中所用到材料參數包括初始溫度、密度、恒壓比熱容、導熱系數、相對磁導率、相對介電常數及電導率等。各組分材料參數如表1所示。

2.3 邊界條件

微波端口位于微波天線的上端口，端口類型設置為橫電磁波(TEM模)。微波頻率為915 MHz，輸入功率為3 kW。水合物儲層初始溫度為5.5 ℃，加熱時間為10 h。儲層邊界設置為熱絕緣邊界[8-9，19]。

表1 仿真模型材料參數Table 1 Material parameters of the simulation model

3 仿真結果與分析

微波加熱后儲層的升溫效果與電場強度息息相關[20]，根據建立的微波加熱能量補充仿真模型，研究了不同微波天線結構參數下微波加熱后儲層內的平均電場強度，對微波天線的結構進行優化，并且研究了優化后的微波天線結構在不同微波參數下對儲層的加熱效果。

3.1 結構參數

3.1.1 槽口形狀參數

為了研究槽口形狀對微波加熱后儲層平均電場強度的影響，在漏泄同軸天線軸向分別開橢圓形、U字形、彎鉤形和L字形槽口[15-16]，槽口形狀參數如圖6所示。對于這4種槽口形狀，槽口角度均為20°，分布周期長度分別為181、190、215、229和300 mm，對建立的模型進行仿真分析。

圖7為不同槽口形狀的仿真結果。如圖7左側所示，橢圓形槽口的最大平均電場強度為22.807 kV/m，遠高于其他3種槽口形狀的平均電場強度。圖7右側為不同槽口形狀的微波天線微波加熱后儲層內的電場分布。

圖6 槽口形狀參數Fig.6 Notch shape parameters

圖7 不同槽口形狀平均電場強度Fig.7 Average electric field strength under different notch shapes

從圖7可以看出，橢圓形槽口的天線微波加熱后儲層內的電場分布均勻，其余3種槽口形狀的電場分布不均勻。這是因為橢圓形槽口的形狀規則，槽口只會切斷漏泄同軸天線軸向方向的電流[15-16]，產生的電磁場穩定，因此電場分布均勻，且向外輻射的微波能量較多；而U字形、彎鉤形及L字形等槽口形狀不規則，槽口除了切斷天線軸向的表面電流外，還會切斷天線周向的表面電流，產生了疊加磁場，磁場之間互相影響，電場分布不均勻，向外輻射的微波能量減少。綜上所述，橢圓形槽口的微波天線向儲層輻射的能量更多，且能量分布更均勻，儲層的升溫效果更好，故優選橢圓形槽口作為最終設計。

3.1.2 槽口位置尺寸參數

橢圓形槽口的位置尺寸參數主要包括槽口周期長度、槽口長軸、槽口短軸和槽口的傾斜角度，通過控制變量法改變參數，查看微波加熱后儲層內平均電場強度的變化，分析各參數對平均電場強度的影響，對微波天線的結構參數進行優化。

(1)槽口周期長度。保持橢圓形槽口尺寸參數和槽口角度不變，在長軸為100 mm、短半軸為20 mm、槽口角度為20°的條件下，微波天線外導體沿軸向開有5個橢圓槽，選取不同槽口分布周期長度，仿真結果如圖8所示。由圖8可知，隨著槽口周期長度增大，平均電場強度先升高后降低，在周期長度為187 mm時達到最大值。這是因為隨著槽口周期長度的不斷增大，微波天線的輻射帶寬會增大，向外輻射的能量增多，但是周期長度過大時，帶寬會跨越到輻射高次模式波范圍內[17]，微波天線內會激發出高次模式波，不同模式的波相互影響，向外輻射的能量就會減少。因此槽口周期長度為187 mm時微波天線向外輻射的微波能量最多。

圖8 不同槽口周期長度平均電場強度Fig.8 Average electric field strength under different notch cycles

(2)槽口長軸。保持槽口周期長度和槽口角度不變，選取不同槽口長軸，仿真結果如圖9所示。由圖9可知，隨著橢圓長軸增大，平均電場強度先增大后減小，當橢圓長軸為100 mm時達到最大值。這是因為槽口長軸越大，切斷的表面電流就越多；產生的電磁場就越強，向外輻射的微波能量就越多，但是槽口長軸過大，由于天線兩側同時開槽口，產生的電磁場會相互影響，向外輻射的能量就減少。所以當槽口長軸為100 mm時，天線向外輻射的微波能量達到最大。

圖9 不同槽口長軸平均電場強度Fig.9 Average electric field strength under different notch macroaxes

(3)槽口短軸。槽口周期長度和槽口角度不變，選取不同槽口短軸，仿真結果如圖10所示。由圖10可知，橢圓短軸不斷增大，平均電場強度先增大后減小，短軸為22 mm時電場強度達到最大值。原因是隨著槽口短軸不斷增大，激發的電磁場就越大；但是短軸過大時，產生的電磁場相互影響，會導致向外輻射的能量減少。因此當槽口的短軸為22 mm時，微波天線的輻射性能最好，輻射能量最多。

圖10 不同槽口短軸平均電場強度Fig.10 Average electric field strength under different notch minor axes

圖12 不同微波頻率儲層平均溫度Fig.12 Average temperature of reservoir at different microwave frequencies

(4)槽口角度。選取槽口角度為10°～35°，槽口周期長度和槽口尺寸參數保持不變，仿真結果如圖11所示。由圖11可知，電場強度隨著槽口角度增大先增大后減小，在槽口角度為20°時，電場強度達到最大值。槽口角度為20°時電場強度比前后兩組高出較多，在角度為20°附近進行細分。角度從16°～22°連續取值，在角度為19°時，平均電場強度達到最大值。這是因為角度不斷增大，激發的電磁場之間相互影響變弱了，天線向外輻射的能量就會增大；但是當角度越來越大，切斷的表面電流也會減小，向外輻射的微波能量就會減小。因此當槽口角度為19°時，微波天線能夠向外輻射最多的微波能量。

圖11 不同槽口角度平均電場強度Fig.11 Average electric field strength under different notch angles

3.2 優化結果升溫效果分析

通過研究不同結構參數對儲層內平均電場強度的影響，優化了微波天線的結構參數，優化后的結構參數為：槽口形狀為橢圓形槽口，槽口周期長度為187 mm，長軸為100 mm，短軸為22 mm，槽口角度為19°。對于優化的微波天線結構，通過建立的仿真模型，研究微波輸入參數下儲層的升溫效果。

3.2.1 微波頻率

微波功率為3 kW，加熱時間為10 h，研究微波頻率對微波加熱后儲層升溫效果的影響。微波頻率取0.915～1.600 GHz，仿真結果如圖12所示。隨著微波頻率不斷增大，微波加熱后儲層的平均溫度先升高后降低。當微波頻率為1.5 GHz時，平均溫度最高，為10.43 ℃。由儲層溫度分布可知，當微波頻率為0.915 GHz時，高溫區域分布在微波入口附近，最高溫度為112.25 ℃，高溫區域很集中，微波大部分從端口向外輻射，微波能量被大量消耗，出現了局部過熱現象且溫度分布極不均勻。頻率為1.500 GHz時，高溫區域分布在儲層中間位置，且與微波天線的槽口位置相對應，最高溫度為59.90 ℃，并且儲層內溫度分布比較均勻。根據上述分析，改變頻率可得到更均勻的溫度分布以及更大的升溫，但是頻率過大，可能會發生微波能量的耦合損耗，儲層的平均溫度會下降。當微波頻率為1.500 GHz時，微波加熱能量補充裝置加熱10 h后儲層的升溫效果最好。

3.2.2 微波功率

設置微波頻率為0.915 GHz，加熱時間10 h，研究微波功率對微波加熱后儲層升溫效果的影響。微波功率從1 kW取到19 kW，仿真結果如圖13所示。由圖13可知，隨著微波功率的增加，平均溫度呈線性增長。當加熱時間為10 h時，改變微波功率由1 kW到19 kW，儲層最高溫度由6.39 ℃上升到22.48 ℃。這是由于功率增大，向外輻射的微波能量增大，所以儲層的平均溫度隨之升高。雖然增大功率能提高儲層的平均溫度，但是功率過大能量效率就會下降，且微波功率過高，儲層內的最高溫度也會增大，會影響井筒安全，因此微波功率不宜過高。

圖13 不同微波功率儲層平均溫度Fig.13 Average temperature of reservoir at different microwave powers

4 結 論

(1)針對天然氣水合物降壓開采后期儲層溫度下降、產氣速率和產氣量下降等問題，設計了儲層微波加熱能量補充裝置。選用漏泄同軸天線作為微波加熱裝置中的微波天線，建立了儲層微波加熱能量補充數值模型。

(2)通過仿真模擬研究了微波天線的不同結構參數對儲層中平均電場強度的影響，優化了微波天線的結構參數，最優的結構參數為：槽口形狀為橢圓形槽口，槽口周期長度為187 mm，長軸為100 mm，短軸為22 mm，槽口角度為19°。

(3)針對優化后的微波天線結構，分析了不同輸入參數下微波加熱后儲層的升溫效果，發現微波頻率為1.5 GHz，微波為3 kW時，微波加熱10 h后水合物儲層半徑1 m范圍內的平均溫度為10.43 ℃，升高約5 ℃，能為水合物的分解提供驅動力。