多孔介质中天然气水合物注热盐水分解实验研究

利用自制的一维天然气水合物开采模拟实验系统,模拟海洋地质条件,在填砂模型中生成天然气水合物,并通过注入热盐水进行热力开采的物理模拟实验,分析多孔介质中天然气水合物注热盐水分解动态过程及注热参数对热力开采能量效率的影响.结果表明:注热盐水可有效地促进水合物的分解,水合物分解时局部电阻率明显升高;通过正交设计实验对注热参数进行敏感性分析,在相同的初始温度、压力及水合物饱和度条件下,注热水温度对注热分解的能量效率影响最大,然后依次是注热水速度、注热水时间.实验条件下,注热盐水分解可达到最大能量效率的注热参数为注热水温度60℃、注热水速率为12 mL/min、注热水时间100 min,此时能量效率为3.86.     

天然气水合物降压开采中海床沉降特征及其影响因素

为计算天然气水合物降压开采过程中的海床沉降量,考虑水合物分解、气水两相渗流、多孔介质导热和传质传热、沉积物变形等多物理场耦合作用,采用Duncan-Chang模型描述水合物层的变形破坏特征,建立天然气水合物降压开采过程中的渗流场?温度场?变形场三场耦合模型,并基于有限元法进行求解.研究结果表明:在地温梯度影响下,降压开...     

降压开采下深海能源土斜坡分解区的判定及其稳定性分析

深海能源土是指含新型战略性新能源-天然气水合物的海底沉积物。降压开采天然气水合物是一种相对经济、高效的方式,开采中水合物储层分解区域的确定与能源土斜坡稳定性分析是确保天然气水合物安全有效开采的前提之一。本文归纳了水合物降压开采的基本方程,通过自主编写USDFLD子程序,在ABAQUS中实现了降压开采条件下海底斜坡水合物储层分解区域的判断,模拟了水合物饱和度以及相关物性参数的变化情况。结合一实际海底能源土斜坡,完成了降压开采条件下能源土斜坡水合物储层分解区域、有效应力及变形场的计算,并结合有限元强度折减法对深海能源土斜坡降压开采的实际工况进行了数值模拟。结果表明开采前与开采后的安全系数变化不大,单井降压开采对斜坡的稳定性影响不明显。     

多孔介质中天然气水合物注热水分解实验研究

为了研究多孔介质中天然气水合物注热水分解规律,设计了多孔介质中天然气水合物分解实验装置,并通过热电偶和电阻测试来分析水合物分解前缘的规律性,大量的实验研究表明天然气水合物注热水分解过程呈现明显储层升温、平稳分解和前缘突破三阶段特征.为揭示天然气水合物分解实质,建立了水合物分解前缘移动界面数学模型,并与测温、电阻测试前缘...     

神狐水合物藏降压开采分解前缘数值模拟研究

天然气水合物资源量大,广泛存在于深海和冻土带中,降压法是一种有效的开采方式.天然气水合物藏降压开采过程中,已经分解的水合物区域和尚未分解的水合物区域之间存在一个分解前缘,研究分解前缘的移动规律,有助于认识水合物藏的地层稳定性及进行产气量预测,因此对水合物藏分解前缘的研究具有重要意义.本文采用数值模拟的方法,针对神狐海域水合物藏地质条件,研究降压开采过程中分解前缘的形状及移动规律,并对影响分解前缘移动的敏感因素进行了分析.结果表明:降压分解时,分解前缘的形状为非活塞式,分解前缘1(水合物开始分解的位置)的移动速率近似为线性,分解前缘2(水合物完全分解的位置)的移动速率近似为指数增长.生产井压力越低,地层渗透率越大,初始水合物饱和度越小,初始温度越高,分解前缘移动速率越大.与一步降压相比,分段降压使得分解前缘1和前缘2的移动均滞后.水合物分解吸热导致地层温度降低,当到达冰点时,冰的生成将有助于水合物藏降压分解速率的增大.因此,水合物藏降压分解时,可考虑将压力降低至冰点所对应的相平衡压力附近.     

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.     

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。     

天然气水合物藏注热水开采敏感因素试验研究

采用自制的一维天然气水合物(NGH)开采模拟试验装置,模拟海洋地质条件,在填砂模型(填砂管直径8 cm,长80 cm)中生成天然气水合物,并通过注入热盐水进行热力开采的物理模拟试验,分析水合物藏地质因素和注热参数对注热水开采能量效率(水合物分解所得甲烷气的热量与注入热量之比)的影响。结果表明:影响能量效率的因素由大到小依次为注热水温度、水合物饱和度、初始温度、注热水时间、注热水速度;在水合物藏地质因素中,水合物饱和度越大,初始温度越高,注热水开采能量效率越高;在注热参数中,注热温度越高,能量效率越低;在注热开采时需要合理优化注热水温度、注热水时间和注热水速度;试验条件下,注热水开采能量效率最高的试验组合为水合物饱和度48%,初始温度5℃,注热水温度40℃,注热水时间350 min,注热水速度12 mL/min,最高能量效率为6.74。     

南海荔湾区域水合物水平井降压开采模拟研究

南海荔湾区域赋存有大量的天然气水合物资源,储层具有薄层和厚层水合物互层分布特征,极具开发潜力。因此,基于该区域多层水合物地质资料,利用TOUGH+HYDRATE建立了该区域水平井降压开采数值模型,井底开采压力取值为0.2倍的第三层水合物底部初始压力,主要研究了储层渗透率对水合物开采的影响规律。结果表明:降压法能够有效促进井周水合物分解,但受到地层低渗透率的制约,水合物有效分解范围主要局限于井周有限的圆形区域内,且在分解前缘面附近易形成少量的二次水合物;增大地层渗透率对水合物增产效果影响最为显著,当地层渗透率增大至20 mD时,水平井布设在最下部水合物层中间时,可以同时开采三层水合物,从而极大提高了开采效率,但同时也会导致地层流体涌入井眼,产水量急剧增大。     

粉土中二氧化碳水合物分解过程的核磁试验研究

多孔介质中天然气水合物的相变条件及分解过程是研究水合物开采的核心问题.本文基于核磁共振技术探测了粉土中二氧化碳水合物分解过程中液态水的含量与分布并计算了水合物饱和度.实验结果表明在水合物分解过程中随着温度的升高小孔隙中的水合物先分解,随后大孔隙中的水合物开始分解;由分解过程中试样表面弛豫率并没有发生变化,可以排除水合物在土颗粒表面形成的现象,推断水合物应该赋存在粉土孔隙中间位置;粉土中二氧化碳水合物的相平衡条件为P-T-S_h空间中的一条曲线,代表了具体的试验路径;试验前后粉土T_2分布曲线变化较大,说明水合物生成与分解过程中试样微观结构发生了变化,主要表现为小孔隙体积变少,相应的大孔隙体积变多;在4°C时随着二氧化碳的消耗,水合物饱和度反而有轻微降低的现象,表明试验过程中水合物水合数变小.     

海域天然气水合物开采的井中可控源电磁监测三维正演模拟

为掌握海域天然气水合物在大范围开采过程中的分解范围和分解程度,应用有限元软件COMSOL,对采用井中可控源电磁方法监测天然气水合物开采过程进行正演模拟。通过构建含高阻天然气水合物储层的三维地层模型,在比较井中垂直源监测系统相对于传统拖曳式水平源优势的基础上,分析垂直源监测系统中金属套管、垂直源深度、频率、观测误差和噪声等参数对海底电场响应的影响。模拟结果表明,金属套管、垂直源深度和电流发射频率对井中电磁监测效果的影响较大,在有套管时,垂直源的布设深度应位于天然气水合物储层之下,并采用1Hz的低频发射电流;在小收发距时,监测系统的观测误差和噪声对有套管监测系统的性能影响不大。天然气水合物开采范围扩大时,井中垂直源监测系统可以确保海底接收器探测到相应的电场信号变化,并有效地识别开采范围的横向边界。因此,采用井中可控源电磁方法对海域天然气水合物开采过程进行储层动态监测是可行的。     

降压幅度和出砂堵塞对天然气水合物开采产能的影响分析

为研究降压幅度和出砂堵塞对天然气水合物开采产能的影响,使用天然气水合物多相流数值模拟软件TOUGH＋HYDRATE进行水合物降压开采模拟,通过不同情况下的水合物分解速率、产气速率、产气量和产水量分析了降压幅度和出砂堵塞对天然气水合物开采产能的影响,并通过不同情况下的储层压力、储层温度和水合物饱和度分布分析了其影响机理。数值模拟结果表明：①随着降压幅度的增大,储层中压力降低范围逐渐增大,而且压力降低幅值逐渐增大,储层与开采井之间的压力梯度越大,导致相同时间时的水合物分解速率、产气速率、产气量和产水量都逐渐增大;降压幅度的增大对短期开采的累积产气量有明显提高,而对长期开采的产气量影响不大,而降压幅度的增大可能导致出砂堵塞以及水合物二次生成,因此实际开采时应设定一个合理的降压幅度并辅助升温等其它措施;②随着出砂堵塞的加剧,井周附近的渗透率逐渐降低,储层中压力降低范围逐渐减小,而且压力降低幅值逐渐减小,储层与开采井之间的压力梯度越小,另外井周渗透率的降低还会导致气体的流速的降低,从而导致相同时间时的水合物分解速率、产气速率、产气量和产水量逐渐减小;出砂堵塞会对产气量持续产生影响,导致产气量随时间成比例减少,因此实际开采时应进行储层改良减轻出砂问题或采取防砂措施避免出砂堵塞。     

水合物合成电容特性与降压开采二维实验研究

在天然气水合物二维开采模拟系统基础上,进行了水合物原位生成及分解过程的实验研究,探讨了温度、压力及电容的变化特性;开展了天然气水合物降压开采二维实验研究,得到了二维开采过程中各参数的动态变化规律,并对敏感因素进行了评价。在水合物合成过程中,随水合物饱和度的增加,水量的不断减少,电容量总体减小趋势明显。降压开采表明在二维平面上存在一定的压差与温差,其中温降随与开采井的距离增大而减小。产气过程分为流动阻力控制、分解速率控制以及残余气体采出三个部分,主要受分解速率和流动阻力共同影响。     

核磁共振成像原位监测冰融化及四氢呋喃水合物分解的微观过程

核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)可以通过物质在不同相态之间的亮度差别来识别物质相态的变化,冰、水和水合物之间较大的亮度对比使MRI成为监测水合物生成分解动态过程的有效工具.采用MRI原位监测了冰融化和四氢呋喃(THF)水合物分解的微观过程,从微观角度对比研究了THF水合物分解与冰融化过程的异同.冰融化和THF水合物的分解过程受传热程控,冰的融化和水合物的分解总是沿着固-液界面从外向内推进,消解速度持续加快.固相表面的"结构化水层"是冰和水合物立体结构瓦解的主要原因.THF水合物的分解过程与气体水合物不同,没有明显的"自保护效应".由于温度梯度产生的密度差异,液相产生自然对流,造成了水合物的分解及冰的融化过程中固-液界面运动的随机性.     

天然气水合物降压分解过程的数值模拟

天然气水合物分解是一个复杂的相变传热传质过程。在考虑热传导、热对流、气液两相渗流和水合物分解动力学等因素的情况下,建立了天然气水合物降压分解的三维数学模型。应用数值模拟的方法,分析了井底压力、水合物初始饱和度和储层绝对渗透率对分解的影响。结果表明,井底压力越小,水合物分解越快,储层温度和压力下降也越快;水合物的初始饱和度较大时,前期分解速度较快,后期分解速度变慢,过高的初始饱和度反而会抑制水合物的分解;渗透率对产气量影响不大,但当渗透率过低时,采用降压法开采的生产效率较低,可以考虑降压法与其他方法结合使用。     

温度场扰动对天然气水合物相态的影响机制

钻井液是保障钻井安全与井壁稳定的关键,但在天然气水合物钻探过程中存在钻井液侵入水合物储层,发生传质传热导致水合物储层升温失稳,因此深入了解此过程中温度场扰动对天然气水合物相态的影响规律,对天然气水合物资源钻井安全意义重大。基于分子模拟探究温度场对水合物相态的影响规律,阐明含热力学抑制剂体系在变温过程中的水合物生成与分解机制。结果表明：在压力一定的条件下,水合物不但具有强温度敏感性,而且水合物的稳定性还具有时间相关性;在低温区持续时间越长,水合物二次生成风险越大,在高温区持续时间越长,水合物分解量越大;尽管热力学抑制剂可以显著减小水合物二次生成量,但也会显著加快储层水合物的分解;合理控制钻井液体系的热力学抑制剂量及钻井液注入温度,对维持储层水合物相态稳定及防止水合物二次生成至关重要,为天然气水合物高性能钻井液体系构建提供了理论支撑。     

南海固态流化开采天然气水合物设计参数优化

确保水合物开采工程安全,是实现南海固态流化开采天然气水合物商业化开采的关键和前提。为研究钻井参数对固态流化开采天然气水合物过程中多相流特性和工程安全的影响,建立了考虑水合物热分解的井筒多相流模型并分析了钻井参数对工程安全的影响,在此基础上,提出了确保固态流化开采天然气水合物工程安全的具体工程参数选择办法。研究结果表明:为确保固态流化开采天然气水合物工程安全,排量应该控制在40-50 L/s之间;如果地温梯度高于0.04℃/m,钻井时应该提前冷却钻井液;钻井液密度应该控制在1.20-1.25 g/cm3之间;为最大化水合物开采效率,钻速应该保持在20m/h左右。研究成果可为中国南海固态流化商业化开采天然气水合物提供理论指导和技术支持。     

乙二醇溶液作用下丙烷水合物分解实验研究

通过可视化天然气水合物开采模拟系统进行了模拟抑制剂法分解天然气水合物实验,研究了恒流量注入不同质量分数（60.1％,69.8％,80.2％,99.5％）乙二醇（Ethylene glycol）溶液定容分解丙烷水合物实验,研究了抑制剂分解丙烷水合物过程中的温度、压力变化等,同时进行了热量衡算及能效分析。计算得平均分解速率介于3.59～7.67mol•min^-1•m^-3,平均分解反应速率随浓度变化近似呈线性增长;能效介于61.8%～81.5％;能量产出比介于4.89～6.49;随乙二醇浓度的增加,能量效率和能量产出比也随之增大,但增加的梯度中会出现拐点。与注纯水相比注乙二醇可减少水合物分解时所需要的热量,加速水合物分解,提高分解的能量效率和能量产出比;与低浓度抑制剂相比能效和能量产出比也有明显的提高。     

多孔介质中天然气水合物降压分解有限元模拟

基于多孔介质中水合物分解动力学、传热及气、水两相流理论,同时考虑水合物分解引起的渗透率及有效孔隙度变化,建立水合物、气、水三相的天然气水合物降压分解模型,并进行有限元程序开发及验证.利用此模型模拟水合物分解过程中压力、温度、水合物饱和度、有效孔隙度及气、水相渗流速度等物理量的空间分布及随时间的变化特征,分解前缘位置及累积产气量随时间的变化规律.结果表明:水合物分解使有效孔隙度和渗透率大幅度提高;水合物分解为吸热过程,分解前缘处温度降低明显;环境温度提高则水合物分解速率和产气速率提高,但压力增加,产气速率下降;温度和出口端压力是影响水合物降压分解的两个重要因素.