天然气水合物降压开采实验模拟研究

天然气水合物降压开采实验模拟研究 论文关键词：天然气水合物 降压开采 影响因素 论文摘要：天然气水合物是储量丰富、优质洁净的新型能源，其开采技术的研究具有重 要的理论和实践意义。 本文利用天然气水合物开采实验模拟系统进行了填砂管模型中天然 气水合物的合成及降压开采实验研究，分析了天然气水合物合成过程中甲烷气体的转化；分 析了开采过程中的产气和产水规律、压差变化规律以及压差对天然气水合物分解的影响；研 究了降压幅度和初始开采温度对降压开采效果的影响。研究表明：天然气水合物的降压开采 受到水合物分解和产出的双重控制，瞬时产气量波动很大，产气速度较高且主要受压降幅度 和温度的影响，产水速度小且维持在较稳定的水平。 前言 天然气水合物(Natural Gas Hydrate)是在高压和低温条件下由轻烃、CO2及H2S等小分子气体与水相互作用形成的白色固态结晶物质，因遇火可以燃烧，俗称可燃冰，它是一种非 化学计量型晶体化合物，或称笼形水合物、气体水合物[1，2]。自然界中存在的天然气水合物中天然气的主要成分为甲烷(>90%)，所以又常称为甲烷水合物(Methane Hydrate)[3]。天然气水合物是一种高密度、高热值、洁净型能源，据科学家估计，全球天然气水合物的资源总 量换算成甲烷气体约相当于全世界已知煤炭、石油和天然气等能源总储量的两倍。我国现在 的能源结构属于污染型能源结构，后备能源资源严重不足。而且，随着我国油气资源的枯竭， 寻求储量巨大的新型接替能源已是迫在眉睫。据有关资料分析，我国的东海冲绳海槽、台湾以东海域和南海等海域，以及青藏高原的冻土层都具备天然气水合物形成的条件[4]。因此，开展并加强对天然气水合物的研究，对我国开发和利用这种矿产资源具有重要意义。 1.1 实验材料与仪器 实验材料包括石英砂、蒸馏水、甲烷气、氮气、NaCl(分析纯)等。实验仪器为天然气水合物模拟开采系统 1.2实验结果与分析 1.2.1 压差分析 (1) 瞬时压差随时间的变化（如图1-1） \s 图1-1 瞬时压差随时间的变化 (2) 累积压差随时间的变化（如图1-2） \s 图1-2 累积压差随时间的变化 由图1-1、图1-2可以看出：在水合物分解的初始阶段，系统的压差波动比较小，这是 由于填砂管内有伴生自由气产生；随后系统压差的变化越来越大，这时，水合物分解的越来 越快，自由气也大量产出，自由气对产气速度的影响越来越小，而NGH的分解对系统压差的影响越来越大；到了分解的后期压差逐渐减小为零，分解速度也越来越小，直至最后完全 分解。 1.2.2 产气量分析 (1) 瞬时产气量随时间的变化（如图1-3） \s 图1-3瞬时产气量随时间的变化 从图1-3可以得出，瞬时产气量曲线波动比较大，分析曲线变化规律可以看出，其基本 都包括以下三个阶段： ? 初始降压阶段，随着系统压力的开始下降，产气速度迅速升高。这主要是因为：填 砂管内含有自由气，属于伴有自由气的NGH藏类型，当系统压力开始降低时，伴生自由气 会首先迅速膨胀产出；降压开采之前系统压力、温度接近NGH的平衡曲线，同时在降压过程中入口压力和出口压力基本保持一致，即此时相当于零维系统，这就导致NGH很快处于平衡曲线之下而开始分解。 ? 产气速度达到峰值后，很快开始下降。这是因为随着压力的进一步降低和自由气的 大量产出，自由气对产气速度的影响越来越小，而NGH分解对产气速度的影响越来越大。 ?产气速度逐渐减小为零。随着NGH分解的进行，分解表面积越来越小，分解速度也 越来越小，直至最后完全分解。 (2) 累积产气量随时间的变化（如图1-4） \s 图1-4 累积产气量随时间的变化 从图1-4可以得出，累积产气量曲线在分解的初始阶段波动比较大，主要是因为在这个 阶段水合物分解迅速，还有大量的自由气的产出；随着时间的推移，曲线逐渐趋于平行，说 明水合物分解完成。 (3) 不同出口压力下累积产气量的变化（如图1-5） \s 图1-5 不同出口压力下累积产气量的变化 从图1-5可以得出在降压的过程中，出口端压力越小，形成的压力梯度越大，水合物分 解越快，分解时间越短。 (4) 不同初始温度下累积产气量的变化（如图1-6） \s 图1-6 不同初始温度下累积产气量的变化 图1-6可以看出，初始开采温度越高，水合物的分解越快，分解时间越短。 从以上对产气量的分析可以得知：在本实验条件下，产气量的变化规律是：开发初期产 量上升较快，然后逐渐平缓，随着出口压力的逐渐降低，先是缓慢增加，接着有一个快速增 长段，然后增长幅度又逐渐变缓，到开发末期产量已经很小了。在降压开采的过程中，压降 变化的幅度和初始开采温度对水合物的分解有很大的影响。 1.2.3 产水量分析 (1)瞬时产水量分析（图1-7） \s 图1-7 瞬时产水量随时间的变化 从图1-7可以得出，分析产水曲线，其与产气规律相似，可以分为三个阶段： ? 初始降压出气时不出水，出水时间要滞后于出气。这是因为填砂管中水的饱和度比 较小，自由水比较少，且水的流度远远小于气的，所以降压时先出气。 ? 出气到一定时间开始出水，且产水速度很快升到一个峰值后又迅速回落。这是由于 自由水以及NGH分解水在气体的推动下会向出口汇集，积累到一定程度即会突然产出，出 现一个产水峰值。但自由水总量比较少，NGH初始分解水也很少，产水速度又迅速回落。 ? 产水速度维持在较稳定的水平，且缓慢降低，直至最后不出水。此时自由水已基本 产出，产出水以NGH分解水为主。因为此时NGH分解速度相对稳定，且随着分解表面积 的见小而缓慢降低，所以产水速度也随之相应变化。可见，此时产水速度主要受NGH分解速度的影响，表现出与产气规律相似的特征。 (2)累积产水量分析（如图1-8） \s 图1-8 累积产水量随时间的变化 从图1-8可以得出，累积产水量曲线在分解的初始阶段波动比较大，主要是因为在这个 阶段水合物分解迅速；随着时间的推移，曲线逐渐趋于平行，说明水合物分解完成。 (3)不同压力下累积产水量（如图1-9） \s 图1-9 不同压力下累积产水量随时间的变化 从图1-14可以得出在降压的过程中，累积产水规律与累积产气规律一样，出口端压力 越小，形成的压力梯度越大，水合物分解越快，分解时间越短。 (4) 不同初始温度下累积产水量随时间的变化（如图1-10） \s 图1-10 不同初始温度下累积产水量随时间的变化 由图1-10可以看出，初始开采温度越高，水合物的分解越快，分解时间越短。 从以上对产水量的分析可以得知：在本实验条件下，产水量的变化规律是：开发初期产 量上升较快，然后逐渐平缓，随着出口压力的逐渐降低，先是缓慢增加，接着有一个快速增 长段，然后增长幅度又逐渐变缓。在降压开采的过程中，压降变化的幅度和初始开采温度对 水合物的分解有很大的影响。 1.2.4 综合对比分析 \s 图1-11 瞬时产水（气）量随累积压差的变化 由图1-11和图1-12可以看出：水合物瞬时产水（气）量的波动比较大，受压差的影响 很大。在分解的初始阶段，水合物瞬时产水（气）量的波动比较大，水的产量很小，主要是 刚开始有伴生自由气的影响，随着开采的的不断进行，气体的分解不断加快，水的产量也随 着增加，到了分解的后期，水的产量很少，主要是由于在孔隙介质中，气体形成气窜，有部 分水被气体带出。 \s 图1-12 瞬时产水（气）量随时间的变化 \s 图1-13 累积产水（气）量随累积压差的变化 累积产水（气）量随累积压差的变化如图1-13，累积产水（气）量随时间的变化如图1-14。由图1-13和1-14分析得出：在分解的初始阶段，压差的变化很小，累积产水（气）量很小， 随着压差的不断增加，累积产水（气）量的变化越来越大，产水量随产气量的变化而变化。 \s 图1-14 累积产水（气）量随时间的变化 1.2.5阶段产量分析（如图1-15、1-16） \s 图1-15 阶段产水量随出口压力的变化 \s 图1-16 阶段产气量随出口压力的变化 由图1-15和图1-16可以看出：在初始阶段只有气的产出，这主要是自由气造成；当出 口压力降到2MPa时，产气量达到一个高峰期，水的产量也随着增加，说明水合物的分解达 到峰值；当压力降到1.0MPa时，只有气体的产出，说明水合物分解完成；当压力降到0.1MPa时，有部分水产出，这部分水主要是由分解后期，随气体从填砂管带出的水。 1.2.6 气体转化的计算与分析 孔隙体积恒定的填砂管中饱和有水和CH4，初始温度和压力为T1、P1，进行NGH等容合成，系统温度和压力变为T2、P2。为进行NGH动力学计算，必须首先确定CH4的转化率，即确定NGH的生成量。 因为NGH为等容合成，合成前水、气的体积应该等于合成后水、气、NGH的体积，即： (1-1) 其中，――初始温度T1、压力P1下水、气的体积，cm1； ――反应后温度T2、压力P2下水、气、NGH的体积，cm1。 假设： (1) 水及生成的NGH不可压缩； (2) 生成的NGH为理想状态，即CH4分子占据NGH的所有空隙，在标准状况下，单 位体积的NGH分解可产生164单位体积的CH4气体[5]。 合成过程中的压力曲线如图1-10。 \s 图1-17 压力随时间的变化 由图1-17可以看出，当时间到250min以后压力变成水平，这说明水合物的合成已经完 成，所以我们只要去250min以前的数值进行水合物合成的分析。 反应的甲烷物质的量随时间的变化如图1-21。 \s 图1-18 甲烷物质的量随时间的变化 在图1-21中取8组点，得到表1-2。 表1-2 插值表 时间(min) 合成水合物的甲烷物质的量(mol) 0.085 0.001654 47.21 0.009018 70.52 0.018169 79.51 0.115718 87.01 0.111151 95.85 0.186406 160.11 0.482711 248.54 0.506959 对表1-2中的数据进行自然三次样条曲线插值，并与图进行拟合得到： 甲烷拟合随时间的变化曲线如图1-19。 \s 图1-19 甲烷拟合线随时间的变化 对合成水合物所用的甲烷的物质的量进行时间的求导得到图1-20： \s 图1-20 甲烷的变化率 由图1-20可以得到以下结论：可以得到在81.2409min 这个时刻，甲烷转化成水合物的 速率最大。天然气水合物的合成过程中，甲烷气体的转化要经过缓慢增大、快速增大、快速 减小三个阶段。水合物在合成初始阶段，甲烷转化成水合物的变化率比较缓慢，这个时期属 于成核的诱导期，一段时间后甲烷转化成水合物的变化率迅速升高，这个时期是一个快速生 长期。 1.3 结论 综合以上对降压开采实验压差、温度、产气量、产水量的分析，在本实验模型条件下， NGH降压开采是一种比较好的方法： (1) 天然气水合物的合成过程中，甲烷气体的转化要经过缓慢增大、快速增大、快速减 小三个阶段； (2) 在降压的过程中，产气速度主要受压降速度的控制，NGH分解比表面积大，分解速度快，产气速度高；产水速度小且维持在较稳定的水平，对产气影响小； (3) 在降压的过程中，压差越大，形成的压力梯度越大，水合物分解越快； (4) 降压开采前的温度越高，水合物分解越快；在开采的过程中，初始温度越高，水合 物的分解越快，分解时间越短； (5) 在降压开采的过程温度和降压幅度，对天然气水合物的降压开采有很大的影响。 参考文献 [1] 樊栓狮，陈勇．水合物的研究现状与发展趋势[J] ．中国科学院院刊，2001，2：106-110. [2] 雷怀彦，王先彬，房玄等.天然气水合物研究现状与未来挑战[J].沉积学报，1999；17(3)：493-497. [3] 何拥军，文凤英．海洋天然气水合物的研究现状及意义[J]．海洋地质动态，1998；1(总第182期)：4-7. [4] 赵省民．天然气水合物研究的新进展[J]．海洋地质与第四纪地质，1999；19(4)：39-46. [5] 黄犊子．水合物及其在多孔介质中导热性能的研究：[博士学位论文][D]，中国科学技术大学，合肥：2005.