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。     

天然气水合物注热开采近井储层变形破坏的数值模拟研究

为了研究海洋地层中天然气水合物注热开采条件下,水合物沉积层近井储层的力学性质变化规律和变形破坏规律,基于多场耦合理论,考虑水合物分解产生的水、气形成的超静孔隙压力对地层有效应力的影响,建立了能够反映水合物注热分解条件下水合物沉积层温度场、渗流场和变形场耦合作用关系的热流固耦合弹塑性模型,并以ABAQUS软件为开发平台,在Fortran语言环境下编制子程序进行数值模拟。结果表明:注热温度越高,近井储层力学性质劣化的区域与有效应力减小的幅度越大,发生塑性变形破坏的范围和产生的等效塑性应变值也越大;井口最小水平地应力方向的有效应力值最小,等效塑性应变值和体积应变值最大,是首先发生变形破坏的关键位置;井口同一位置的有效应力随注热温度的升高而减小,而体积应变则随注热温度的升高而增大。     

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。     

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。     

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。     

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。     

天然气水合物开采研究现状

随着天然气水合物基础研究的不断深入,天然气水合物开采研究空前活跃.在技术方法方面,传统的热激发开采法、减压开采法与化学抑制剂注入开采法获得了不断的发展与改进;新型开采技术如CO2置换法与固体开采法引起了学者们的极大关注;最近我国还研制出适合于海洋天然气水合物开采的水力提升法.在开采研究实践方面,全世界已在3处冻土区进行了天然气水合物试采研究.介绍了天然气水合物开采技术的研究进展与冻土区天然气水合物试采研究结果,分析了天然气水合物开采研究中可能涉及的环境问题,展现了现阶段天然气水合物开采研究领域的最新成果,总结了这一领域取得的经验与认识,强调了国际天然气水合物开采研究对我国天然气水合物研究的启示.     

天然气水合物分解和开采的机理及数学模型研究综述

回顾了25年来国内外水合物开采数值模拟研究的进展,分析了影响水合物开采过程的主要机理,即传热、气液流动和水合物分解。将已有的模型分为热力开采、降压开采和综合3种模型,并对各种模型所具有的特点进行了讨论。综合分析认为,TOUGH Fx/HYDRATE模型充分考虑了多相多组分并借鉴上述3类开采方式,可模拟开采过程中气液流动和相态变化,具有较高的应用价值。最后探讨了目前模型的主要问题以及发展方向,认为水合物矿藏岩石的绝对渗透率、相对渗透率、热传导系数等关键参数的测量及确定是精确模拟水合物开采过程的重要因素。     

不同类型天然气水合物真空分解过程实验研究

在放置于恒温室内的真空装置内,对合成的冰粉-气体水合物(包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷-氮气、异丁烷、混合气水合物)、冰粉-不同粒度多孔介质甲烷水合物和祁连山冻土区及南海神狐海域天然气水合物进行了分解实验研究,初步探讨了不同气体水合物分解动力学特征和分解规律。实验结果表明,合成的冰粉-气体水合物的分解过程相似,除丙烷水合物和异丁烷水合物外,分解压力基本呈单调增长,均未出现明显的自保护效应;不同粒度多孔介质中甲烷水合物分解过程,压力增长呈现“快→慢→快”的特点,主要原因可能是多孔介质中的水合物尺寸较大,分解时更易产生自保护效应;祁连山冻土区天然气水合物的分解压力曲线与不同粒度多孔介质中甲烷水合物的相似,总体呈现“快→慢→快”的特点,水合物自保护效应明显;南海神狐海域天然气水合物分解气体压力变化虽然总体与祁连山冻土区天然气水合物压力增长过程相似,但同时呈现“阶梯状”增长,这可能与两种不同水合物岩心的岩性和水合物在岩心中的分布模式和赋存状态有关。     

三维实验模拟双水平井联合法开采天然气水合物

为研究联合法开采天然气水合物,在水合物三维实验开采模拟平台中利用双水平井进行降压联合注温水开采水合物实验,得到温度和压力分布、产气、产水、三相饱和度变化与开采方法的传热特性。整个开采过程可以分为自由气释放阶段、静置阶段、降压开采阶段和注热开采阶段。研究结果表明在自由气释放阶段和静置阶段有二次水合物生成。在注热阶段,水合物在降压和注热的协同作用下进行分解。反应釜中的水合物最终被完全分解,并且本研究的能效比高于前人利用垂直井进行降压联合热吞吐分解水合物的能效比,表明利用双水平井进行降压联合注温水是一种有效的分解水合物的方法。     

天然气水合物储集类型的测井响应特征

通过木里煤田聚乎更煤矿区四井田、哆嗦公马、雪霍立三个矿区（井田）大量测井资料的分析和研究,并结合祁连山冻土区天然气水合物DK-1科学试验孔测井资料的综合对比和解释,对煤田常规测井参数在天然气水合物储集层上的响应特征进行了分析。根据该区常年冻土（岩）的勘探成果及测井曲线响应特征,将陆源天然气水合物储集层分为生气层与储集层的相对位置、纵向位置、空间位置、储集介质等四大类,上生下储、下生上储、自生自储、冻土（岩）带内、增温带内等11个亚类。在此基础上建立了与富冰型、煤层自储型、孔隙型、裂隙型等多种储集模式对应的典型测井曲线响应特征。利用测井方法识别天然气水合物储集层的方法,可为青藏高原研究、评价、勘查、开发天然气水合物提供可靠的解释依据。     

天然气水合物藏品质评价的多级模糊综合评判

天然气水合物作为一种储量巨大的后备能源,近年来已受到广泛关注。建立与天然气水合物藏开发相适应的品质评价模型是其商业开采的前提。针对天然气水合物藏的特点,在文献调研和数值模拟研究的基础上,运用多级模糊综合评判法,对影响天然气水合物藏品质的主要因素进行层次划分和权重统计,建立天然气水合物藏品质评价的多级模糊综合评判模型。最后应用该模型,对4个模拟天然气水合物藏的品质进行了分析,证实了该评价模型的适用性。     

天然气水合物粉晶X射线衍射测试参数优化及分析方法

天然气水合物是由烃类气体和水在低温高压下形成的一种非化学计量的笼型晶体水合物,在常温常压下极易分解,需要在低温条件下对其进行测试。本文针对天然气水合物这一特殊样品,重点研究其粉晶X射线衍射测试条件,系统地探讨了步长、扫描速度、累加次数及测试温度等因素对测试结果的影响,优化了仪器参数,建立了粉晶X射线衍射测试天然气水合物晶体结构的方法,并应用到实验合成的甲烷水合物和我国南海珠江口盆地钻获的天然气水合物样品的晶体结构测试中。结果表明,我国南海珠江口盆地的天然气水合物样品与实验合成的甲烷水合物结构相同,均属立方晶系,为典型的Ⅰ型水合物,晶胞参数分别为11.9309×10~(-10)m和11.9135×10~(-10)m。该技术可准确获得天然气水合物的结构信息,为我国天然气水合物的深入研究提供技术支撑。     

低温固体氧化物燃料电池法开采天然气水合物

热开采法、抑制剂刺激法等传统天然气水合物开采方法将破坏水合物地层,不能有效地解决海底地层破坏和开采使用化石燃料燃烧后所存在的碳储存和碳捕捉问题.介绍了低温固体氧化物燃料电池法开采天然气水合物的方法.该方法利用CO2置换天然气水合物地层中的甲烷,运送到低温固体氧化物燃料电池的阳极,在阴极通入空气,发生电化学反应,产生电能,并将产出的CO2通入到天然气水合物地层,置换出甲烷.该方法简单、实用,克服了传统开采方法所存在的问题,发电效率较传统发电方法大幅提高.     

冲绳海槽天然气水合物稳定带厚度的计算

水合物稳定带（HSZ）的研究对天然气水合物的成矿与分布规律以及资源评价研究都具有重要的指导意义，文章根据天然气水合物的相平衡条件和相应的压力-温度方程，参照有关的身体算法，讨论了海底天然气水合物稳定带厚度的理论计算方法，并根据稳定带厚度的理论计算方法，在Windows中文平台上编制了简单实用的程序，利用该程序对冲绳海槽水合物稳定带的厚度进行了计算，并讨论了冲绳海槽水合物稳定带厚度的分布特征。     

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.     

Origin of the Gas Hydrate and Free Gas in the Qilian Permafrost,Northwest China: Evidence from Molecular Composition and Carbon Isotopes

The Qilian permafrost of the South Qilian Basin (SQB) has become a research focus since gas hydrates were discovered in 2009.Although many works from different perspectives have been conducted in this area,the origin of gas from gas hydrate is still controversial.Molecular composition and carbon isotope of 190 samples related to gas hydrates collected from 11 boreholes allowed exploration of genetic type,thermal maturity, biodegradation,as well as gas-source correlation of alkane gases from gas hydrates and free gases.Results indicate that alkane gases biodegraded after the formation of natural gas.According to differences in carbon isotopes of methane and their congeners (CH4,C2H6,C3H8),the thermal maturity (vitrinite reflectance,VRo) of most alkane gases ranges from 0.6% to 1.5%,indicating a mature to high mature stage.The thermal maturity VRo of a small part of alkane gas (in boreholes DK5 and DK6) is higher than 1.3%,indicating a high mature stage.Alkane gases were mainly produced by secondary cracking,consisting of crude oil-cracking gases and wet gases cracking to dry gases.Genetic types of alkane gases are primarily oil-type gases generated from shales and mudstones in the upper Yaojie Formation of Jurassic,with less coal-type gases originated from the mudstones in the Triassic Galedesi Formation and the lower Yaojie Formation of Jurassic.Carbon dioxides associated with alkanes from gas hydrates and free gases indicate the thermal decomposition and biodegradation of organic matter.The origins of natural gases from gas hydrates and free gases shed light on the evaluation of petroleum resource potential,deeply buried sediments,and petroleum resource exploration in the SQB.