南海神狐海域天然气水合物注热降压开采数值模拟研究

针对南海神狐海域天然气水合物成藏条件,利用pT+H软件和水平井技术对天然气水合物的注热和注热降压开采效果进行了模拟分析。重点讨论了注入热水温度为30、60、90℃时水合物饱和度以及CH4气体饱和度、CH4产气率、累积CH4产气量和产水量的变化规律,发现两种开采模式下水合物低饱和度分布范围随时间增长和温度升高而增大;CH4产气率在开采10 d内升高较快,之后逐渐减小。模拟结果表明:注热降压开采模式比单纯注热模式的效果有较大改善,而且温度对于提高CH4产气量效果不明显,但因为天然气水合物藏的低渗透性,神狐海域的天然气水合物的CH4产气量不大。研究结果可为南海神狐海域和类似地区天然气水合物开采提供参考。     

注蒸汽开采冻土区天然气水合物数值计算与野外应用

试开采研究是天然气水合物从理论研究走向商业化开采的必经之路。提出的注蒸汽开采是一种综合开采方法,是在降压开采的基础上,往孔内注入热蒸汽对水合物目标开采层进行激振往复式热激发。注蒸汽开采能够避免“自保护效应”,促进水合物进一步分解,理论上能够扩大开采范围、提高产气量。利用FLUENT数值模拟软件对蒸汽加热水合物层动态过程进行数值计算,通过模拟计算结果对比分析,在满足开采要求的前提下确定最佳的注蒸汽功率为20 kW,注热时长为38 h。在青海木里盆地天然气水合物试采项目中,注蒸汽开采进行了5.2 h开采试验,产气量为3.25 m3。     

不同注热水温度下水合物开采实验研究

天然气水合物(NGH)是目前备受关注的新型洁净优质能源,注热法是其有效开采方式之一。为了经济有效地进行注热开采,采用自制的一维天然气水合物开采模拟实验装置,在填砂模型中生成相同初始条件的天然气水合物藏, 然后注入热盐水进行开采模拟实验,分析不同注热水温度对开采动态的影响。结果表明：注热水温度越高,水合物开始分解的越早,注热阶段的平均产气速率也越大;不同注热水温度下,热前缘的移动接近于线性,注热温度从40 ℃到100 ℃时,平均热前缘移动速度从015 cm/min增加到02 cm/min,说明注热水温度对热前缘的移动影响不大。注热前期,注热水温度越高,能量效率越高,但注热后期,注热水温度越高,能量效率反而越低。在本组实验条件下,注热水温度从40 ℃增加到100 ℃时,注热开采的能量效率由67减小到24,而平均热前缘移动速度并没有明显降低。因此,为保证注热开采的经济有效,建议在注热前期注高温水,在中后期采用低温水驱替。     

天然气水合物开采方法及海域试采分析

天然气水合物分布广、埋藏浅、清洁无污染、储量巨大,被视为油气领域最有潜力的替代清洁能源。全球目前有5个国家进行了8次天然气水合物试采工作,特别是2017年5月中国神狐海域天然气水合物试采取得了巨大成功,创造了产气时间和产气总量两项世界纪录,但是由于天然气水合物特殊的物理力学性质和赋存状态,技术经济开采还面临诸多难题。在分类总结天然气水合物开采方法的基础上,分析了中日两国的海域天然气水合物试采情况及试采数据,得出了如下结论与建议:（1）天然气水合物开采方法可归纳为两大类:原位分解法和地层采掘法;（2）海域天然气水合物试采数据表明:压力和温度条件都是影响产气速率的主要因素与约束条件,在生产不同阶段,影响产气能力的主要因素不同;（3）对日本第1次天然气水合物试采数据分析表明,压力驱动力、温度驱动力与产气速率均有较好的相关性,提出了表征温度压力耦合关系的指标相态平衡距,研究了产气速率与相态平衡距的分段线性关系,建立了天然气水合物储层分解动力学模型范式;（4）分析了降压开采方法中大幅快速降压与分段缓慢降压两种降压方式的优劣,提出有效供热是实现天然气水合物降压开采的长期高产的必要条件,集成页岩气开发中的水平井压裂技术与干热岩地热开发中热量对流交换循环的原理,提出对流注热降压开采方法。     

天然气水合物原位补热降压充填开采方法三维数值模拟研究

天然气水合物是未来极具潜力的新型高效清洁替代能源。在分析水合物开采面临的瓶颈问题的基础上,提出了一种全新的天然气水合物开采方法——原位补热降压充填开采法。该方法将氧化钙(CaO)粉末注入天然水合物储层,降压开采天然气,天然气水合物分解产生的水和氧化钙粉末迅速反应,产生的大量热量补充天然气水合物的分解热。本文利用基于有限体积法的新型天然气水合物模拟器,构建三维地质模型对该方法进行产能数值模拟评价。模拟结果表明相较于常规水平井方法以及水平井结合压裂开采方案,该方法对生产的促进效应明显,尤其是与水平井结合压裂开采方案相比该方法的累积产气量明显提高,但累积产水量没有显著变化,开采效率显著提升。施工工艺中裂缝等效渗透率和氧化钙注入量两个关键参数的敏感性分析结果表明在压裂过程中,压裂技术的增产效果会随着等效渗透率的提高而逐渐减弱。除此之外,氧化钙注入量越大,增产效应越明显,并且提高氧化钙注入量只会提高产气量,不会显著提高产水量,所以理论上注入量越大,产气效率越高。与此同时,该方法在不同渗透性能的天然气水合物储层中均有一定的适用性,其中针对低渗储层的促进效应更为显著。综合上述结论,本文从三维模型理论计算的角度定量化验证了原位补热降压充填开采方法的潜在价值,期待为将来的水合物试采工作提供一定参考。     

降压开采导致天然气水合物系统状态演化模拟实验

天然气水合物是一种重要的潜在替代能源,降压法是现阶段水合物开采的首选方法。水合物降压开采涉及传热、多相渗流、分解相变和储层变形等多个相互影响的物理效应,深入理解其在降压开采过程中的演化规律,对于促进水合物开采效率、实现商业化开发具有重要的指导意义。本文基于一维实验模拟系统,开展了水合物降压开采储层多物理场演化模拟实验,在非均匀温度条件下采用过量气法合成水合物,分析了水合物非均匀性分布特征,探讨了降压过程中样品孔隙压力和温度的演化规律,对比了产气过程与传热演化过程的对应关系。结果表明:水合物合成后温度分布呈两侧高中间低的抛物线形状,水合物分布具有中间多而两侧无的非均匀性特征,且温度回升具有由两侧向中间发展的特点;降压分解产气过程与传热演化过程具有良好的对应性,稳态产气阶段由传热效应控制。控制降压模式、以对流换热替代热传导等方式有益于提升水合物开采产气效率。     

天然气水合物注热水开采热前缘移动规律实验研究

注热水开采是天然气水合物的有效开采方式之一,其中热前缘的移动决定了分解速率的大小,是决定注热水开采效果好坏的重要参数。采用自制的一维天然气水合物开采模拟实验装置,首先在填砂模型中生成水合物,然后对不同条件的水合物进行注热水开采实验,分析热前缘移动规律。结果表明：水合物饱和度越大,热前缘移动速率越小;随着初始温度的增加,热前缘移动速率略有增加;注热水温度越高,注热水速度越大,热前缘移动速率越大。水合物饱和度和注热水速度对热前缘移动速率的影响最大,注热水温度次之,而初始温度对热前缘影响较小。为了提高开采速度,建议在技术可行的情况下适当增加注热水速度,同时适当降低注热水温度,虽然开采速度略有降低,但开采经济可行性会增加。     

考虑热传导开采天然气水合物藏的可行性研究:以南海神狐海域为例

天然气水合物作为一种新型替代能源,如何有效开发成为当前研究的热点,热激发被认为是除降压法外天然气水合物开采的另一重要途径;然而,目前对于天然气水合物热开采效率及其经济可行性仍没有清楚的认识。本项研究构建了天然气水合物注热开采的模型,该模型经过理想简化,忽略了开采过程中热对流和压力差的影响,只考虑热作用对水合物分解的影响;进一步计算了水合物注热开采的热消耗效率和天然气的能量效益、可研究水合物开采的最大产出效率。通过对南海北部神狐海域天然气水合物藏特征以及钻井取心相关重要参数的研究,计算了天然气水合物的注热开发潜力,并通过相关参数的敏感性计算和分析研究,论证了神狐海域天然气水合物注热开采效率和可行性。研究结果显示,神狐海域水合物藏的单位长度生产井段3 a的最大累积产气量为509 m3,远低于工业开发标准。水合物热激发分解速度缓慢,注热开采水合物生产成本较高,经济效益低下;因此,基于热传导开采南海神狐海域天然气水合物不具备工业应用的可行性。     

南海神狐海域水合物三相混合层测井评价方法研究

天然气水合物降压试采过程中,水合物、游离气和水的三相混合层中的游离气首先被采出,从而提高降压效率,促进水合物分解;因此利用岩心刻度测井的方法开展南海神狐海域水合物三相混合层测井评价方法研究,对水合物矿体储量计算以及产业化开采具有重要意义.三相混合层与水合物层相比,其密度和中子孔隙度值均减小,纵波速度明显下降;与气层相比...     

松散沉积物中水合物降压分解阵面演化实验及数值模拟

水合物分解阵面是水合物 开采现场监测关注重点之一,其传播速率与水合物开采效率密切相关,但是目前松散沉积物中水合物降压分解阵面演化数据积累明显不足。进行了松散沉积物中水合物降压分解阵面演化实验 ,采用时域反射技术测量了水合物饱和度随时间的变化,分析了水合物分解阵面的传播规律;提出了轴对称水合物降压分解数学模型并进行了适用性验证,通过敏感性分析探讨了影响因素对 水合物分解阵面演化过程的影响关系。基于室内实验和数值模拟认为：(1)水合物降压分解阵面传播距离与其传播时间平方根呈近似线性关系;(2)水合物降压分解阵面传播速率随其传播距离 的增加而迅速减小;(3)水合物降压分解阵面传播速率随着绝对渗透率基准值、气体饱和度初始值和环境温度的增加而增大,随着水合物饱和度初始值、下降指数和出口压力的增加而减小。     

水合物储层伺服降压开采模型试验研究

深海水合物赋存于一定的温度和压力环境下,降压开采时降压速率对分解产气速率和储层变形特性影响显著。利用浙江大学自主研发的水合物降压开采试验装置,通过伺服控制降压速率,初步开展了水合物储层模型降压开采试验,研究了储层温度场、孔压场、产气量等的响应特性,探讨了降压速率对产气效率和储层变形特性的影响规律。试验表明：水合物竖井降压开采时,开采井周围储层温度率先下降,分解域由井周逐步向周围发展。适当提高降压速率能够提高储层开采效率,但降压速率过快时易导致水合物重生成,反而不利于水合物高效持续稳定开采,开采时应选择合理的降压速率以达到最优产气效率。开采过程中根据储层孔隙与外界连通程度,储层孔隙状态可分为完全封闭型、局部封闭型和开放型3种类型。储层开采试验完成后,浅层土体出现 3 种不同变形特征的区域：I 区为井周土层,呈漏斗型下陷;II 区土层平坦,无明显扰动痕迹;III 区为边界土层,该处水气产出受阻导致部分气体向上迁移引起土丘状隆起带出现。这些变形特征与气体在储层中的迁移路径和运移模式相关。通过相似性分析,给出了模型与原型分解时间和产气量等的对应关系。     

海底水合物矿藏降压开采与甲烷气体扩散过程的数值模拟

在深海条件下采用单井降压法开采的天然气水合物矿藏中,利用TOUGH+HYDRATE软件对其开采过程和甲烷气体扩散过程进行数值模拟。物理模型由上至下依次为上盖层、水合物沉积层和下盖层。将上、下盖层外边界的温度设为恒定,与含水合物沉积层之间有热量和质量交换,数值模型采用二维圆柱坐标网格。模拟结果表明开采过程中井口产气速率是一个升高—降低—波动升高的过程,水合物分解产生的气体有一部分通过上盖层溢出,能在一定程度上增加大气中温室气体的量。开采初期水合物分解速率降低的主要原因是水合物分解产生的甲烷气体在地层中大量累积,开采后期水合物分解速率产生波动的主要原因是发生"气穴现象"。井口附近由于压力变化较快水合物分解最为剧烈,其附近有个低温区存在。上、下盖层附近水合物分解速率也较快。     

Sediment permeability change on natural gas hydrate dissociation induced by depressurization

The permeability of a natural gas hydrate reservoir is a critical parameter associated with gas hydrate production. Upon producing gas from a hydrate reservoir via depressurization, the permeability of sediments changes in two ways with hydrate dissociation, increasing with more pore space released from hydrate and decreasing due to pore compression by stronger effective stress related to depressurization. In order to study the evolution of sediment permeability during the production process with the depressurization method, an improved pore network model (PNM) method is developed to establish the permeability change model. In this model, permeability change induced by hydrate dissociation is investigated under hydrate occurrence morphology of pore filling and grain coating. The results obtained show that hydrate occurrence in sediment pore is with significant influence on permeability change. Within a reasonable degree of pore compression in field trial, the effect of pore space release on the reservoir permeability is greater than that of pore compression. The permeability of hydrate containing sediments keeps increasing in the course of gas production, no matter with what hydrate occurrence in sediment pore.     

天然气水合物原位补热降压充填开采方法

天然气水合物资源量丰富,被公认为最有潜力的新型高效清洁替代能源,是未来能源革命的战略突破口。由于天然气水合物分解是伴随相变的复杂物理化学过程,安全经济地开采天然气水合物仍有许多瓶颈难题亟待解决。当前降压法是相对经济有效的开采方法,但天然气平均日产量远远达不到产业化开发的需求。在分析降压法规模化开采面临的瓶颈问题的基础上,提出了一种全新的天然气水合物开采方法原位补热降压充填开采法,重点剖析了该方法的3个基本原理,提出了该方法的开采技术方案、关键技术与工艺步骤。得出了如下结论:(1)天然气水合物降压法规模化开发需要突破“天然气水合物分解热补给”(补热)、“储层结构稳定性”(保稳)和“提高储层渗透率”(增渗)等3个方面的瓶颈难题;(2)基于“降压分解原理”、“原位补热原理”和“充填增渗原理”,提出了天然气水合物原位补热降压充填开采法,该方法将氧化钙(CaO)粉末注入天然气水合物储层,反应产生的大量热量补充天然气水合物的分解热,同时,反应生成的氢氧化钙(Ca(OH)2)既填充了天然气水合物分解后留下的空隙,多孔结构又提高了储层的渗透性;(3)提出了天然气水合物原位补热降压充填开采所涉及的具体技术方案、关键技术与工艺步骤。当前天然气水合物开采技术手段距离产业化开发的需求还有一定距离,未来需要加强国际科研合作,深度学科交叉,研发变革性技术,早日实现天然气水合物规模化开发。     

Numerical Study of Gas Production from a Methane Hydrate Reservoir Using Depressurization with Multi-wells

With the implementation of the production tests in permafrost and offshore regions in Canada, US, Japan, and China, the study of natural gas hydrate has progressed into the stage of technology development for industrial exploitation. The depressurization method is considered as a better strategy to produce gas from hydrate reservoirs based on production tests and laboratory experiments. Multi-well production is proposed to improve gas production efficiency, to meet the requirement for industrial production. For evaluating the applicability of multi-well production to hydrate exploitation, a 2D model is established, with numerical simulations of the performance of the multi-well pattern carried out. To understand the dissociation behavior of gas hydrate, the pressure and temperature distributions in the hydrate reservoir are specified, and the change in permeability of reservoir sediments is investigated. The results obtained indicate that multi-well production can improve the well connectivity, accelerate hydrate dissociation, enhance gas production rate and reduce water production as compared with single-well production.     

SAGD技术应用于陆域冻土天然气水合物开采中的理论研究

天然气水合物被誉为最有研究价值和开采价值的清洁能源,已经成为当今世界能源研究的热点。但到目前为止还未形成成熟稳定的天然气水合物开采技术体系,仍处于研究和试采阶段。陆域冻土天然气水合物开采与海域天然气水合物开采相比相对比较容易,在钻进过程中能够形成较稳定的孔壁。天然气水合物开采的主要方法有热激法、降压法、置换法和化学抑制剂法。SAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）技术也叫蒸汽辅助重力驱油技术,在重油、油砂开采中得到了迅速发展,取得了非常有效的成果,被认为是目前重油开采最有效的方法。对SAGD技术应用到陆域冻土天然气水合物开采中进行理论分析研究,经过分析发现将SAGD技术应用到天然气水合物开采中是可行的,但确定两口水平井之间的距离是关键,且在应用时要将上部井变为生产井,下部井变为注汽井。     

沉积物中天然气水合物减压分解实验

基于自行研发的天然气水合物开采实验装置,进行了沉积物中甲烷水合物减压分解实验研究,并用时域反射技术(TDR)实时监测水合物分解过程中其饱和度的变化。实验采用粒径为0.18~0.35 mm的干砂,003%的十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液和高纯甲烷气体。实验结果表明：水合物减压分解过程中不同层位的温度与水合物饱和度存在差异,体现了一定沉积环境下水合物的分解规律,位于沉积物上层与外侧的水合物先分解;TDR技术测量水合物饱和度时,压力迅速降低不会对TDR波形产生影响,TDR曲线变化仅由水合物分解引起;水合物分解时TDR技术测得其饱和度变化规律与根据分解气体总量计算的结果一致,说明该技术可以准确实时监测水合物饱和度变化。