天然气水合物藏开采数值模拟技术研究进展

中国天然气水合物资源丰富,实现天然气水合物商业化开采,对于缓解中国能源短缺压力具有战略意义。数值模拟是指导天然气水合物藏安全有效开采的重要技术手段,通过对水合物藏产能预测与动态分析,可以实现对开采方法的优选、可采资源评价和开发方案优化。天然气水合物藏开采过程涉及水合物分解相变与气水在地层内渗流传热等多个物理化学过程之间的复杂耦合机理。重点介绍了水合物藏开采现状、水合物藏开采数学模型优化研究、天然气水合物开采数值模拟应用进展,分析了数值模拟研究的核心问题、取得的进展以及当前亟需解决的瓶颈问题,并指出水合物藏开采数值模拟发展趋势,对于开展天然气水合物数值模拟研究具有较好的指导意义。     

天然气水合物降压开采数值模拟及影响因素分析

采用数值模拟方法,将降压开采分为完全分解区、分解区和未分解区进行数值模拟研究,建立了天然气水合物多相(气、水、水合物)流分解能量守恒模型、分解反应动力学模型.在此基础上,建立了二维数学模型以分析产气性能影响因素.模拟计算结果表明,出口压力越大,累积产气量越小;边界传热越快,分解越快;绝对渗透率对累积产气量和产气率影响较小.所做工作为进一步开展室内模拟实验和工程应用研究提供了技术依据.     

盐水体系中天然气水合物降压开采数值模拟

考虑盐浓度的分布,根据质量守恒、能量守恒、天然气水合物的分解动力学等方程建立天然气水合物储层降压开采的数学模型,该模型可描述三相八组分水合物储层开采的多相非等温渗流过程.利用该模型对一维条件下纯水和含盐富水相体系水合物的开采动态进行模拟计算.结果表明:模拟结果与试验结果具有较好的一致性;在盐水体系的水合物藏中,盐影响了水合物的相平衡,加快了水合物的分解,压力传播比纯水体系的快得多,并使得试验和模拟的瞬时产气量波动很大.     

天然气水合物开采方法及数值模拟研究评述

天然气水合物是21世纪的一种新型洁净能源，资源量大，分布广，其勘探开发技术已得到各国的重视。综合介绍了天然气水合物的概况及其分布，分析了目前提出的降压法、加热法、添加化学剂法等各种开采方式，介绍并对比了有关水合物藏开采计算的各种数学模型。研究认为TOUGH2通用数值模拟软件中加入的EDSHYDR模块是目前水合物藏开采计算的最佳模型。     

天然气水合物地层降压开采出砂数值模拟

全世界范围内已开展天然气水合物资源短期试采中大部分都遇到了不同程度的出砂现象,使得天然气水合物资源的商业化一直没有实现。利用水合物地层出砂判断方程模拟研究了天然气水合物地层在开采过程中的出砂程度。模拟结果表明:随着开采时间的增加,天然气水合物地层的最大等效塑性应变随之变大,地层破坏性出砂的风险程度增加;同时,天然气水合物地层出砂现象可分为轻微出砂、暂稳定出砂、快速出砂、后稳定出砂4个阶段。     

天然气水合物固定井压开采过程数值模拟

采用数值模拟方法研究天然气水合物在压降条件下的开采过程.在井压固定的前提下,建立了轴对称结构下的物理与数学模型.通过计算获得了储藏层中的天然气水合物在不同环境条件下的温度、压力、分解锋面与井间距离,以及以时间为函数的产气率.计算结果表明:天然气水合物的分解程度对井压、储藏层温度的变化十分敏感;大范围的分解并不会带来产气率的大幅度提高;较高的储藏层温度、较低的井压将增大产量;产气率随时间缓慢降低.     

天然气水合物开采方法及数值模拟研究评述

天然气水合物是21世纪的一种新型洁净能源,资源量大,分布广,其勘探开发技术已得到各国的重视.综合介绍了天然气水合物的概况及其分布,分析了目前提出的降压法、加热法、添加化学剂法等各种开采方式,介绍并对比了有关水合物藏开采计算的各种数学模型.研究认为TOUGH2通用数值模拟软件中加入的EDSHYDR模块是目前水合物藏开采计算的最佳模型.     

海底天然气水合物水力提升系统参数和提升性能作用规律

运用MATLAB软件分析天然气水合物水力提升系统水力损失、矿浆泵扬程与系统中固相体积分数、系统流量、颗粒粒径、管道直径之间的理论关系;建立绞刀头工作三维流场模型,运用计算流体力学理论和Fluent仿真软件对绞刀头工作区域内固液两相流场进行数值模拟,比较不同工作参数下流场出口和入口固相质量的比值达到95%时所需的绞吸流量。研究结果表明:当绞吸流量为1 000～1 300 m~3/h时,切削头绞吸效率最高,在该区间内,绞刀大环外径的分布范围为0.9～1.0 m,绞刀横移速度分布范围为0.07～0.11 m/s。     

太阳能加热开采天然气水合物研究

在分析了目前国内外天然气水合物开采方法优缺点的基础上,提出了利用太阳能加热开采天然气水合物的原理和方法,给出了开采系统的组成,包括太阳能加热采集、汇集、传输、光热转化和天然气分解产出等过程.利用所述的太阳能加热开采水合物方法,不需额外热源,具有经济、高效、清洁无污染等特点.运用传热学、热力学等学科知识和对储层的适当简化,建立了模拟计算数学模型,并进行了实际计算.计算结果表明,利用太阳能加热天然气水合物储层,可使储层温度有较大升高,能够使水合物快速分解,为今后进一步研究提供了理论基础和技术支持.     

天然气水合物藏开采增产技术研究进展

天然气水合物是一种极具潜力的清洁能源,水合物的安全高效规模化开发,对于缓解中国能源紧缺压力和优化调整能源结构具有重要意义.介绍了天然气水合物藏的4种开采方法以及中外开展的水合物现场试采的进展,目前水合物试采仍面临着开采难度大、产量较低和开采成本高等诸多挑战,亟须解决长期开发所要面临的增产工艺技术及经济问题.因此,重点阐...     

钻孔水力开采提升设备实验分析

以石英砂模拟井下工况,对钻孔水力开采提升设备气举装置中影响扬砂特性因素进行了实验研究。实验结果表明:气举装置的吸口与矿床间存在最优间距;在供气量相同的条件下,浸入率越大,扬砂量越大;不同气流喷嘴安装角度影响气举的扬砂特性,本实验中喷嘴轴心线方向与提升管内壁切线方向间的夹角为10°时,提升效果最佳;气流喷嘴安装数目影响到气举装置的扬砂量,存在最佳喷嘴安装数;搅拌喷嘴是否安装有时是决定能否完成提升的关键因素。     

天然气水合物开采方法的研究综述

天然气水合物(简称水合物)是天然气(主要成分甲烷)和水在高压和低温条件下形成的类冰固体化合物.我国将水合物开采研究归入战略发展规划.本文首先介绍水合物地层成藏和分类以及适合大规模商业化开采的地区;然后系统地总结了当前提出的水合物开采方法和适用条件,重点介绍了机械-热联合开采水合物方法的工艺流程和基本科学原理;阐述了水合物开采涉及的热传导、相变、渗流和应力变化4个效应,说明了水合物开采过程中各个物理量演化的特征,作为水合物开采与相关监测的理论基础;最后分析了国内外现场试验性开采的研究进展,并指出了未来水合物开采的研究方向.     

天然气水合物注热开采实验研究

注热开采产气速度的稳定性主要受温度场变化的影响,即受注水速度、注水温度和模型热物性的共同控制.应用研制的天然气水合物(NGH)合成与开采实验系统,进行NGH注热开采实验研究.该实验系统热量损失大、换热效率和热利用率较低,实验条件下的最优注水温度为81.44℃.根据实验数据得到的实际NGH藏换热效率可超过6,因此从能量角度评价注热开采是可行的.通过优化注热水的温度、速度等参数,采用"热水段塞+常温水驱替"、注热与降压联合开采、减少管线热损失等措施,可以大大提高注热开采的效益.     

天然气水合物注热开采实验研究

注热开采产气速度的稳定性主要受温度场变化的影响,即受注水速度、注水温度和模型热物性的共同控制。应用研制的天然气水合物（NGH）合成与开采实验系统,进行NGH注热开采实验研究。该实验系统热量损失大、换热效率和热利用率较低,实验条件下的最优注水温度为81.44℃。根据实验数据得到的实际NGH藏换热效率可超过6,因此从能量角度评价注热开采是可行的。通过优化注热水的温度、速度等参数,采用“热水段塞＋常温水驱替”、注热与降压联合开采、减少管线热损失等措施,可以大大提高注热开采的效益。     

天然气水合物开采相关的安全性研究进展

天然气水合物分解会改变原来海底地层的物性和力学性质并产生超静孔压、进而引起地层和海洋工程结构物基础的不稳定性、甲烷泄露等地质与环境灾害,对海洋工程与人类赖以生存的环境构成潜在严重威胁.这个问题引起了国际社会各界的广泛关注.正因为此,各国对天然气水合物开采均采取很谨慎的态度.本文介绍了天然气水合物分解可能导致的地质与环境灾害类型以及影响水合物分解的主要因素;列举了历史上与水合物分解相关的6个典型滑坡案例并进行了分析;阐述了水合物分解引起的层裂和喷发灾害现象及发生的机制和临界条件;分析了水合物分解对井壁、海底管道等结构物及其基础稳定性的影响;针对水合物分解的土层响应与环境影响监测技术的研究进展进行了评述;总结了与水合物分解引起的地质灾害密切相关的水合物地层的物理和力学性质研究现状;最后提出了目前水合物分解相关的安全性研究所存在的问题和需要深入研究的方向.     

南海天然气水合物开采海底沉降预测

利用有限差分软件FLAC3D,模拟了温度-应力-流体三相耦合条件下不同开采方法时海底的沉降,比较了延长加热时间和提高开采温度时海底沉降范围。分析得出,距离开采井一定范围内的区域是开采引起沉降的主要区域,由于天然气水合物分解对天然气水合物层强度降低的影响很小,导致天然气水合物层强度降低的主要原因是与生产有关的排水所致;同时,神狐海域天然气水合物开采中,延长加热时间对沉降的影响比提高开采温度产生的影响明显,即延长加热时间的影响范围要比提高开采温度时的影响范围大。     

天然气水合物降压开采过程井周水合物的二次形成

采用降压法开采天然气水合物,受分解吸热效应影响,地层温度降低区域的范围不断扩大。同时,生产井周水合物分解区受气体节流膨胀效应影响,温度降低现象更加显著,在一定的温、压条件下会出现水合物或冰形成,导致该区域内储层有效渗流通道被堵塞,渗流阻力升高,影响水合物分解气体的产出。通过自主研发的水合物分解区逆相变形成演化试验装置,模拟不同生产压差下水合物分解产出气体从分解前缘渗流至生产井筒这一过程,采集和计算试验过程中的储层温度、压力、饱和度等参数变化,探究分解区内影响冰与水合物二次形成的主控因素。结果表明：水合物分解气体在较大生产压差作用下受气体节流膨胀效应影响,会在生产井周5 m内引起温度下降,导致水合物二次形成;压差越大水合物二次形成的范围越向井壁缩小,且温度易降至0℃,形成冰堵,抑制气体产出;小压差情况下分解气供给小,造成分解前缘前部水合物二次形成区域范围大,但水合物二次形成量小;低渗透水合物储层气体流速低,气体节流膨胀效应减弱,水合物二次形成带窄。     

天然气水合物开采立管力学特性研究

深水天然气水合物开采立管是开采水合物的关键通道,管内由于水合物分解形成多相内流会导致其受力变形更为复杂,在内外流综合作用下水合物开采立管易发生失效事故。为分析水合物开采立管的力学特性,考虑管内水合物的分解与流动,并将其引入立管动力学方程,建立了海洋环境与管内多相流共同作用下的水合物开采立管动力学模型,采用有限单元法对模型进行离散求解,以固态流化试采工艺为例,分析了浆体密度、排量与出口回压对水合物开采立管力学响应特性影响规律。结果表明,立管内水合物分解形成多相流使得立管系统质量减小,导致立管沿程截面张力增大,水合物开采立管的形变位移、弯矩与偏转角度均比纯液立管小;无浮力块配置的水合物开采立管最大位移出现立管中下段,最大弯矩与偏转角度出现在立管底端;水合物开采立管的弯曲位移、弯矩与偏转角度随着浆体密度、浆体排量和立管出口回压的增大而增大;适当增加水合物开采立管顶部张力或配置浮力块,减小浆体密度与排量,降低立管出口压力均有利于减小立管的弯曲变形。研究结果可以为水合物开采立管的安全控制提供理论指导。     

天然气水合物地层PCS取样扰动有限元仿真分析

针对天然气水合物地层钻进过程中,钻头扰动可能对井底和井周地层波速变化产生很大影响,从而导致难以通过钻探取心分析及测井获得天然气水合物地层准确信息的问题,借助有限元软件ANSYS/LS-DYNA,构建保压取心器(PCS)钻头钻进水合物地层的有限元模型,模拟PCS钻头钻进天然气水合物地层的动态过程,得到不同时刻的扰动形态,同时得到了钻压、转速分别与水合物地层扰动影响关系。研究结果表明:(1)当转速一定,钻压增大时,超前钻头附近井底地层及钻头附近井周地层扰动程度呈增大趋势;当钻压一定,转速增大时,超前钻头附近井底地层最大扰动程度基本不受转速改变的影响,而钻头附近井周地层最大扰动程度整体呈线性增大趋势。(2)钻压和转速一定时,钻进方向上井底地层距离超前钻头越近,其水合物地层扰动程度越强,反之则越弱,距离超前钻头0.09 m以内的井底地层扰动程度较大,在此范围之外的井底地层则扰动程度较小;同时径向上距离钻头体越近,其水合物地层扰动程度越强,反之则越弱;距离钻头体0.055 m以内的井周地层扰动程度较大,在此范围之外的井周地层则扰动程度较小。研究计算结果可为天然气水合物地层PCS取心分析及水合物测井提供参考。     

海洋天然气水合物藏开采若干问题研究

文章阐述了在开采天然气水合物方面所取得的研究进展,包括天然气水合物开采模型及数值模拟,天然气水合物开采物理模拟相似准则,天然气水合物开采方法研究等。建立、完善了天然气水合物开采的数学模型,并以此为基础建立了降压开采水合物物理模拟相似准则。降压法开采单一水合物藏,在某些情况下开采能量不足会导致藏内结冰严重。对下伏气的天然气水合物藏而言,水合物能够提高产气量、延长稳产时间。结合降压和注热的优势提出了注温水-降压法联合开采方法,该方法具有稳产时间较长、稳产气速度高的特点。