天然气水合物开采模型研究进展与展望_图文.doc

第 21卷 第 4期 2009年 8月 中国海上油气 CHINA OFFSHORE OIL AND GAS Vol. 21 No. 4 Aug. 2009 3国家 863计划 2006AA 09A 209 资助和国家 973项目 2009CB 219507 资助部分研究成果。 第一作者简介 白玉湖 , 男 , 工程师 , 2006年获中国科学院力学研究所流体力学专业博士学位 , 现从事天然气水合物开采及灾害分析 、 化学 驱等多相渗流方面的研究工作。 地址 北京市东城区东直门外小街 6号海洋石油大厦 邮编 100027 。 电话 010284523729。 天然气水合物开采模型研究进展与展望 3 白玉湖 1 叶长明 2 李清平 1 喻西崇 1 11中海石油研究中心 ; 21中国石油大庆油田有限责任公司 摘 要 天然气水合物商业开采风险很大 , 需要进行科学的评价和预测 , 因此开采模型准确与否非 常重要 。 对降压法及注热法开采天然气水合物模型研究进展进行了调研 , 认为耦合水合物分解动 力学过程的多相渗流模型更适合用于评价和预测水合物的开采 , 但在流动参数 、 热流动参数 、 动力 学及热力学参数模型化和流固耦合研究方面亟待进一步完善 。 关键词 天然气水合物 降压法 注热法 开采模型 研究进展 天然气水合物储量巨大 、 分布广 、 清洁 , 是一种 重要的潜在能源 [1, 2]。我国南海天然气水合物的储 量大约在 600亿700亿吨 , 2007年我国天然气水 合物的成功取样 , 然气水合物 [3]。 目前 , 。 , 态 , 使其分解 , 是目前开采天然气水合物的主要途径 。 天然气水合物开采技术可分为降压法 、 加热法和注 化学剂法等 3类 。 天然气水合物的不合理开采可能 导致全球性的气候灾难 [4]。 天然气水合物商业开采 风险很大 , 需要进行科学的预测和分析 , 因此开采模 型准确与否非常重要 。 笔者在调研降压法及注热法 开采天然气水合物模型研究进展的基础上 , 指出了天 然气水合物开采模型中需要进一步研究的问题。 1 降压法开采天然气水合物模型研究 进展 降压法是通过降低储层压力至水合物相平衡压 力之下而引起水合物分解 , 从而达到促使天然气水 合物分解的目的 。 图 1和图 2分别为降压法开采天 然气水合物藏的示意图 。在图 1中 , 天然气水合物 藏的底层和盖层都是非渗透层 , 一口生产井钻穿盖 层到达水合物层 , 通过降低井底压力破坏水合物的 稳定状态 , 使其分解产生气体 ; 对于此种类型的天然 气水合物藏 , 由于降压初期降压面积有限 , 可能会导 致较低的初期产气速度 , 但随着水合物的不断分解 , 分解面会不断增加 , 产气速度会有所改善 。 通常情况下 , 天然气水合物和气藏在合适的地 252 中 国 海 上 油 气 2009年 质条件下是伴生的 , 水合物层由于其渗透率较低可 作为盖层封闭游离的天然气 , 如图 2所示 。 此时 , 可 通过开采水合物层之下的游离气来降低储层压力 , 使得天然气与水合物接触面变得不稳定而分解 , 这 是一种很有效的降压开采方法 ; 还可通过调节天然 气的开采速度达到控制储层压力的目的 , 进而可以 控制水合物的分解 。西伯利亚的 Messoyakha 气田 就是此种情况 , 据估计大约有 36的天然气产量来 源于上覆的水合物层 [5]。在加拿大的 Mallik 地区 、 美国阿拉斯加 Prudhoe 湾与 Kuparuk 河区域以及 日本海 Nankai 海槽等 3个地区已经进行了现场的 钻井和测试 , 一些地区已显示出水合物层之下存在 自由气层的特征 , 表明降压法可能是一种可行的开 采方法 。 随着对天然气水合物研究的不断深入 , 降压法 开采模型的研究也得到了长足的发展 , 开采模型总 体上可以分为经典 Stefan 111 经典 Stefan , 采用经典的 Stefan 方程 描述 [528]。 如图 3所示 , Ⅰ 区为水合物分解后区域 , Ⅱ 区为水合物未分解区域 , 2个区域之间存在一个 分解前沿 , 其随着压力的变化而发生移动 。 Ma 2kogon [5]认为 , 当压力低于水合物相平衡压力时 , 水 合物马上完全分解 ; Ⅰ 区只有气流动 , 不考虑水的流 动 , Ⅱ 区存在水合物和原始的自由气体 ; 2个区域分 别有各自的压力 、 温度控制方程 , 在界面附近利用能 量、 质量守恒等把 2个区域耦合在一起 ; 界面附近的 热传导可以忽略 , 因此可以得到线性化的解。 Chuang 和 G oodarz 等 [8, 9]用经典 Stefan 模型描述了一维天然 气水合物的降压分解过程。 Naval 等 [7]在 Stefan 模型 中耦合了 n 阶水合物分解动力学模型 , 对极坐标情况 下一口井的降压法开采进行了分析。 图 3 基于 Stefan 模型的降压法开采水合物模型示意图 Tsyp kin [10]认为 , 水合物在地层中的存在形式 为单一的水合物 、 水合物与自由气共存 、 水合物与水 及气共存以及水合物与水或冰共存 , 并提出了一系 列水合物开采的数学模型 。 Tsyp kin [11]又认为 , 水 合物分解时温度变化的最大值小于 30K , 与其绝对 值相比较小 , 因此可以对温度方程线性化 ; 对流换热 量和热传导传热量之比远小于 1, 因此可忽略对流 换热 , 这样就可得到模型的自相似解 ; 解析解的热动 力学一致性意味着水合物分解后区域温度一定要比 水的冰点高 , 否则就会出现负的温度 , 因此必须考虑 分解过程中冰的影响 。 Holder 等 [12]较早开展了有下伏气天然气水合 物藏开采模拟研究 , , 模 拟中采用了较多的基本假设 , 透的 ; , 只有径 , 分解产生的水也是不流动 的 ; 计算中要对接触面进行 “光滑 “处理 , 认为整个接 触面一起向上缓慢运动 实际上分解面向上移动的 速度与到井的距离有关 。 模拟结果表明 , 上覆水合 物层在开采过程中提供明显的气产量 , 可以达到总 产气量的 2030。此后 ,Burshears [1]、 考克斯 等 [13]拓展了 Holder 的工作 。 Mc Guire 等 [14]研究了水合物层渗透率非常低 时压裂后降压开采情况 图 4 , 发现气体产量依赖 于冰区渗透率 , 与水合物区渗透率无关 。假如裂缝 渗透率在 0℃ 以下还能够保持的话 , 理论模型认为 降压法开采天然气水合物是可行的 , 但实际上这是 很难的 。 一方面 , 水合物层中包括了一些没有固结 或者轻微固结的砂粒 , 这些砂粒在水合物分解时胶 结强度很低 , 从而堵塞裂缝 ; 另一方面 , 冰的形成也 图 4 单井开发具有垂向裂缝的天然气水合物俯视图 据 Mc Guire , 1982, 有修改 第 21卷 第 4期 白玉湖等 天然气水合物开采模型研究进展与展望 253 能够减小渗透率 。因此 ,Mc Guire 等 [14]提出了压裂 后注饱和盐水的开采模型 , 即利用一些盐类冰点很 低的性质 , 首先向地层中注入过饱和热盐水和增粘 聚合物 , 当盐水到达裂缝之后 , 由于温度降低 , 一些 盐粒就结晶出来而成为晶体 , 从而能够阻止裂缝的 闭合 , 同时也能够阻止裂缝中冰的形成 ; 对于水合物 分解的计算只是从简单的能量平衡原理出发 , 水合 物分解所需的能量都来自于地层 。 112 耦合水合物分解动力学过程的多相渗流模型 从目前来看 , 耦合水合物分解的多相渗流模型 能更好地描述水合物的开采过程 。 Y ousif 等 [15]最 早提出了该模型的雏形 , 建立了水 、 气 、 水合物三相 控制方 程 , 首 先 引 入 K im 2Bishnoi 分 解 动 力 学 模 型 [16], 但他认为水合物分解是一个等温过程 。 Sun 等 [17]建立了降压法开采天然气水合物的 三相热力学模型 , 认为储层中水合物的分解可分为水 合物分解控制区域和流动控制区域 ; 纲数 即分解流动时间尺度比 , 而 。 相渗流模型是 Moridis [18]建立的水合物开采通用处 理程序 EOSH YDR 2, 该模型是在通用多相 、 多组 分 、 热流动多目的模拟器 TOU GH 2基础上改进的 新模式 , 能够模拟典型或自然的水合物沉积下的热 行为 、 非等温气体释放及流体流动行为等 , 能够描述 复杂地层 、 2种烷烃气体组成水合物的复杂系统 。 该模型可以模拟多达四相 水合物相 、 水相 、 冰相 、 气相 、 9个组分 水合物 、 水 、 原生甲烷气 、 分解产生 的甲烷气 、 第二种原生和分解的烷烃 、 盐 、 水溶性抑 制剂和拟热组分 的水合物开 采过 程 , 可 以考 虑 -110℃ 极端条件下不同组分的热物理性质 , 能够描 述分解动力学 、 相态变化及相应的热效应 , 也能够考 虑盐 、 抑制剂的影响 。该模型还能考虑多种分解机 理 , 包括降压法 、 注热法及盐析和抑制剂的诱导效 应等 。 Moridis 等 [19]采 用 EOSH YDR 2的 升 级 版 TOU GH 2Fx/Hydrate 对 Mallik 地区永冻层的水合 物聚集区进行了模拟 。 笔者在前人工作的基础上改进了降压法开采天 然气水合物藏的模型 , 模型中系统地考虑了气 2水 2水合物 2冰相多相渗流过程 、 水合物分解动力学过 程 、 水合物相变过程 、 冰 2水相变过程 、 热传导及热对 流过程 、 渗透率变化等对水合物分解产气和产水的 影响 , 并把模型的计算结果和实验结果进行了比 较 [20, 21], 采用该模型对单一天然气水合物藏和下伏 气天然气水合物藏进行了模拟 。在降压法开采中 , 由于气藏中没有热源 , 因此水合物分解所需要的热 量必须从周围的环境中获得 , 从周围环境中获得热 量的能力决定着整个水合物的分解过程 , 而且所需 的大量分解热会导致降压过程中的温度降低 。 计算 结果表明 , 水合物分解吸收热量可能会导致气藏温 度降到 0℃ 以下 , 释放出来的水会变成冰而降低水 合物 的 分 解 速 度 , 甚 至 可 能 堵 塞 流 体 流 动 的 通 道 [20], 因此 , 只有存在着较大的传热面积和分解面 势 。 [4], 依据水合物藏 , , 而后选择合适时机调整开采方式 [21]。 2 注热法开采天然气水合物模型研究 进展 注热法主要是将蒸汽 、 热水 、 热盐水或其他热流 体从地面注入到天然气水合物储层进行开采 , 也包 括就地燃烧法或者电加热 、 电磁加热法等 。 Mc Guire 等 [14]提出了前沿推进模型 , 类似于蒸 汽驱模型 , 本质上是一个能量随时间的平衡关系 , 即 能量注入 、 能量损失 、 水合物从相平衡温度升到热水 温度所需要的热量和相变热焓之间的平衡关系 。 分 析表明 , 当注入蒸汽的温度超过 204℃ 时 , 即使在很 高的注入速率条件下 , 也会因能量损失太多而不适 用 , 因此推荐的注入热水温度为 65120℃ , 并且井 的间距要尽可能大 。同时 ,Mc Guire 等提出了压裂 后注入热水模型 , 考虑了简单的裂缝流动 , 假定 2个 裂缝面之间是分段层流状态 , 不考虑裂缝之间气 、 热 水 、 冷水的重力分异 、 相变 、 边界层流动等 。结果表 明 , 压裂后注入热水开采的方法不可行 , 即使是在厚 度为 61m 的优质储层中压裂产生 805m 长的裂缝 时 , 采出 的水 合物 的能量 只 占 加 热 水 从 0℃到 66℃ 所需能量的 16。因此 , 尽管压裂方法可以 提高水的注入能力 , 但是该方法的热效率很低 , 而且 裂缝内串流决定着压裂方法的成功与否 。 254 中 国 海 上 油 气 2009年 Selim 等 [22]描述了平面半无限大纯水合物的分 解模型 , 有稳定的热流量供给水合物分解 , 水合物物 理特性为常数 。 该模型把水合物分解过程看成是一 个具有动边界的融化过程 , 产生的水马上离开水合 物表面 , 使得水合物继续分解 , 水合物表面温度升高 到水合物分解温度的过程被忽略 。 Bayles [23]发展了单井蒸汽循环的热采模型 , 如 图 5所示 , 认为蒸汽循环过程分为 3个阶段 注入阶 段 、 浸泡阶段和生产阶段 ; 认为在浸泡阶段 , 上边界 不发生浸泡 , 在下边界热通过热传导方式传送给底 层和基岩 , 考虑井筒热损失以及岩层的热损失 ; 假定 岩层渗透率足够大 , 有足够大的允许蒸汽注入和流 体流动的能力 ; 分析了不同水合物层参数 , 包括水合 物层厚度 、 孔隙度等对产出甲烷气热值与注入蒸汽 能量比的影响 。 图 5 单井蒸汽循环开采天然气水合物模型示意图 据 Bayles , 1986, 有修改 Kamat h [24]研究了注热盐水开采水合物的过 程 , 比较了注盐水和注蒸汽的能量效率 , 即产出气体 的热值和注入热盐水的能量之比 , 认为注热盐水要 优于注蒸汽 。 该模型只是一个传热模型 , 即产气量 主要是由水合物区的热耗散速率来控制 , 而不是由 气 2水的流动来控制 。 J amaluddin 等 [25]采用 K im 2Bishnoi 的水合物 分解模型研究了导热 、 压力 、 表面粗糙度等对平面半 无限大水合物体分解的影响 。模拟分析发现 , 当反 应活化能较小 E/R 7553K 时 , 表面粗糙度对分 解速率影响不大 ; 当活化能比较大 E/R 9400K 时 , 表面粗糙度对分解速率有明显的影响 ; 当表面粗 糙度大于 64时 , 整个分解过程受传热控制 , 随着压 力的变化 , 分解过程会从传热控制转变为传热和本 征分解动力学过程共同控制 。 Selim 等 [26]考虑了在一维半无限大水合物层的 一端注饱和蒸汽和热水进行开采的情况 , 假定所注 入的热量用于加热分解后的储层 、 加热分解产生的 水和气体 、 分解相变和加热未分解的固体 , 认为每一 相的热物理性质不变 , 忽略了粘性耗散 、 压缩的可逆 过程和惯性影响 , 也排除了各相之间及外部的热传 导 ; 采用相似方法进行求解 , 发现分解速率是系统热 物理性质和孔隙度的强函数 , 分解面移动速度会逐 渐变慢 。 在注热法开采模型中 , 注入到水合物层中的热 量一部分是用来升高水合物的温度至相平衡温度 , 另外一部分则使得水合物分解成气体和水 。实际 上 , 热量在井筒 、 上覆岩层和下伏岩层中的损失也应 考虑 。 。 对 , ; 而对 15, 。就地燃 , , 效率低 ; 而注热水和注蒸汽 及就地燃烧法相比 , 注热法热损失要少一些 , 但是注 入的热水在水合物层中的流动却是控制该方法是否 可行的关键 。 热水温度应该控制在一定范围内 , 一 方面要尽量低以保证热损失少 , 另一方面又要达到 一定温度以保证在实际可能的热水注入速度范围内 具有经济效益的产气量 。注盐水法有其独特的优 势 , 盐水可以降低水合物的相平衡温度 , 热盐水可从 临近水合物开采井的地层中获得 , 特别是在海底环 境下更容易获得 。 注热法的主要不足是能量损失大 , 效率很低 。 由于天然气水合物多发现在环境很恶劣的地方 , 比 如北极地区或者深海等 , 因此维护和建设热设备是 非常困难的 , 特别是在永久冻土区 , 即使利用了绝热 管道 , 永冻层也会大大降低传递给储层的有效热量 。 近年来 , 人们为了提高注热法的效率 , 采用井下装置 加热技术 , 如电磁加热 [27]。 对于注热法开采水合物的模型 , 大多数研究者 都是从能量平衡原理出发 , 考虑注入能量和水合物 分解能量以及耗散能量之间的关系 , 目的多是粗略 评价注热法的可行性 。 而对于加热过程中诸多的复 杂过程 , 诸如热传导引起的温度变化过程及能量的 损耗 、 水合物相变 、 多相渗流等过程都未作详细的考 虑 , 而这些涉及到水合物开采的本质机理问题 , 对于 评价水合物开采的可行性是很必要的 。 第 21卷 第 4期 白玉湖等 天然气水合物开采模型研究进展与展望 255 3 天然气水合物开采模型研究展望 水合物开采涉及到复杂的机理问题 , 前人提出 了一些水合物藏开采模型 。笔者认为 , 耦合水合物 分解动力学过程的多相渗流模型更适合用于水合物 开采进行科学评价和预测 , 但在以下几方面仍亟待 进一步完善 。 1 流动参数模型化 含水合物沉积物的流动参数对水合物分解具有 很大的影响 , 如绝对渗透率、 相对渗透率等。 最近 , 用 X 2CT 扫描、 核磁共振等技术可以测量含水合物沉积 物的渗透率 , 但是这些方法所得到的结果存在着明显 的差异 , 至今仍没有一个统一的渗透率模型 [28]。在 缺乏可靠的渗透率模型的条件下 , 一些研究者采用 了不同的渗透率模型 。另外 , 毛细管力对水合物的 形成及分解的影响 , 迄今也未能有一致的结论 。 2 热流动参数模型化 , 相变潜热 二次生成等 如比 热 、 。 至今这些参数多是停留在估算 或者具有针对性的实验上 , 没有统一的参数模型 。 另外 , 测量含水合物沉积物的热传导性也很受限制 , 同一样品的测量值甚至相差数倍 , 而热传导特性对 于水合物分解和热流速度有着明显的影响 。 3 动力学和热力学参数模型化 多孔介质中水合物分解动力学过程是否非常重 要 , 这是一个很活跃的研究课题。 在水合物分解动力 学方面 , 需要弄清分解动力学常数、 分解活化能、 水合 物赋存形态对多孔介质比面的影响、 水合物二次生成 及自保护效应、 流动体系中水合物分解动力学等。 在 多数动力学模型中 , 分解速率是由 2个因素乘积确 定的 , 而在多孔介质中这 2个因素仍然很难测量 。 例如 , Kim 2Bishnoi 模型中分解速率依赖于速率常 数和比面的乘积 , 而比面依赖于孔隙尺寸和水合物 分布 , 因此 , 比面将会随着时间而发生变化 。此外 , 天然气水合物的分解机理有待于进一步研究 。 实验表明 , 在较低的温度范围 195240K 和 较高的温度范围 273290K 内甲烷水合物的分 解速率随温度升高而增加 , 但是在 242271K 的温 度范围内甲烷水合物的分解速度都随温度升高而降 低 , 而且分解速率降低了几个数量级 [29]。另外 , 甲 烷水合物的分解速率在水的冰点以下 51℃ 时最 低 , 在实验中 80体积的甲烷水合物在此温度范围 及 011M Pa 的压力下可以保持 20h , 而这种现象究 竟是不是因为产生的水形成冰以后抑制了水合物的 分解还有待于进一步研究 。 传热行为和水合物分解的驱动力依赖于相平衡 温度和相平衡压力 , 因此 , 相平衡计算非常重要 。 尽 管已经发展了数学模型来预测水合物三相稳定区 域 , 并且满足一定的精度 [4], 但这仍然需要进一步研 究 , 主要是因为缺少在注入水合物抑制剂条件下的平 衡数据和模型 , 尤其是在复杂多相流体存在的情况 下 , 而且平衡模型通常没有考虑多孔介质的条件。 一 些学者认为 , , 毛 , 气体组 , 以及化学 4 流固耦合研究 在自然条件下 , 水合物在地层中的存在形式有 很多种 , 如水合物作为胶结物质充填在沉积物孔隙 中 , 水合物以膜状覆盖在沉积物颗粒表面上 , 水合物 以块状或结状存于地层中 , 水合物存在裂缝中 , 等 等 。 可以说水合物在地层中的存在形式是非常复杂 的 , 在不同的存在条件下水合物的分解会对地层产 生不同的影响 。在含有水合物的地层中 , 水合物作 为胶结基质的一部分 , 对沉积层的胶结强度有一定 的作用 , 水合物的分解将会导致地层沉陷或者其他 地质力学问题 , 例如水合物分解可能导致井壁坍塌 、 套管损坏或者海底床面沉降而使生产平台不稳定 , 因此 , 在未来的水合物开采模型中 , 应该包括对上述 因素的考虑 , 这样才能对水合物开采进行科学的预 测和分析 。 参 考 文 献 [1] BU RSH EARS M ,O ’ BREIEN T J ,MALON E R D. 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However , t he researches o n modeling of several parameter s such as flowing , t hermal flowing , kinetics and t hermodynamics and o n fluid2 solid co upling need to be quickly f urt her imp roved. Key words gas hydrate ; dep ressurizatio n ; t hermal stimulatio n ; exploitatio n model ; research advance http// [ 24 ] KAMA T H V A. A perspective on gas production hy2 [ 25 ] AMAL UDDIN A K , KALO GERA KIS N ,BISHINOI P R. J [ 26 ] SEL IM M S , SLOAN E D. Hydrate dissociation in sediment [ C] . SPE 16859 ,1990 2452251 . [ 27 ] 吴江华编译 . 一种新的气水合物分解技术 [J ] . 天然气地球科 [ 28 ] ME HRAN P D. Gas p roduction f ro m hydrate reservoirs and [ 29 ] S TERN L A , SU SAN C , SE TP H EN H K , et al . Tempera2 Bai Yuhu1 Ye Changming2 Qingping1 Li Yu Xicho ng1 1 . CN OOC Resea rch Center , B ei j i n g , 100027 ; 2 . D aqi n g Oi l f iel d Com p any L i mite d , Pet roChi na , Hei lon g j i an g ,163414 “self ” preservation of gas hydrate[J ] . 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