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。     

天然气水合物开采数值模拟的参数敏感性分析

天然气水合物是储量巨大的一种新型能源,如何有效地开采是关键问题。基于降压开采的机理,建立了一维数学模型,利用自编的数值模拟软件进行了天然气水合物开采过程中的参数敏感性分析;通过与Yousif研究结果进行对比,验证了本模型的正确性。在此基础上,分析了渗透率、初始天然气水合物饱和度及生产压力对开采效果的影响。研究发现,渗透率越大、初始饱和度越低、生产压力越低,天然气水合物分解越快,分解前缘的移动速度越快。研究结果对天然气水合物的实际开采提供了理论支持。     

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。     

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。     

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。     

热脉冲探针-时域反射技术测量含水合物沉积物的热导率及水合物饱和度

我国在海洋和冻土区都已发现天然气水合物资源区并成功获取实物样品。含水合物沉积物的热导率是估算水合物资源量、设计合理开采方案的关键性数据之一。受水合物稳定条件和测量技术的限制,水合物热导率测定尚不完善。本文通过自主研制的天然气水合物热物理参数测量系统,开展了海洋沉积物中天然气水合物热导率与饱和度测量研究。实验使用取自南海神狐海域的沉积物作为反应介质,在压力7.8 MPa、温度2℃的条件下合成甲烷水合物,并利用热脉冲探针与时域反射技术联合测量的方式获得沉积物中水合物形成过程的热导率和饱和度等实验数据。结果表明,当水合物饱和度从0增加至49%时,体系热导率出现了先升高后降低的变化趋势。分析发现体系热导率随水合物饱和度的变化特征与水合物在沉积物中的填充方式有关,在实验选用的南海沉积物中,水合物优先选择在颗粒孔隙间成核生长,并最终与沉积物颗粒胶结共存。     

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。     

天然气水合物地层渗透率研究进展

天然气水合物开采涉及传热、水合物分解相变、多相渗流和地层变形4个物理过程。多相渗流过程伴随着对流传热,影响传热效率;多相渗流过程影响孔隙压力的消散速率,引起有效应力改变而影响地层变形;多相渗流过程影响传热的效率和孔隙压力的消散速率,使温度和压力条件发生变化,影响水合物的分解。多相渗流过程中,某相流体的有效渗透率不仅与该相流体的饱和度有关,还与地层绝对渗透率有关。地层绝对渗透率是多相渗流过程的关键参数之一。概述不同贮存状态水合物、地层孔隙率、水合物饱和度和地层有效应力对地层绝对渗透率影响的研究内容。以国内外天然气水合物地层绝对渗透率研究成果为基础,将来的研究重点主要包括粉细砂、黏土类地层和各向异性地层多相渗流研究,以及地层有效应力对绝对渗透率影响研究。     

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。     

Sensitivity Analysis of Multi-phase Seepage Parameters Affecting the Clayey Silt Hydrate Reservoir Productivity in the Shenhu Area, South China Sea

Natural gas hydrate (NGH) is an important future resource for the 21st century and a strategic resource with potential for commercial development in the third energy transition. It is of great significance to accurately predict the productivity of hydrate-bearing sediments (HBS). The multi-phase seepage parameters of HBS include permeability, porosity, which is closely related to permeability, and hydrate saturation, which has a direct impact on hydrate content. Existing research has shown that these multi-phase seepage parameters have a great impact on HBS productivity. Permeability directly affects the transmission of pressure-drop and discharge of methane gas, porosity and initial hydrate saturation affect the amount of hydrate decomposition and transmission process of pressure-drop, and also indirectly affect temperature variation of the reservoir. Considering the spatial heterogeneity of multi-phase seepage parameters, a depressurization production model with layered heterogeneity is established based on the clayey silt hydrate reservoir at W11 station in the Shenhu Sea area of the South China Sea. Tough + Hydrate software was used to calculate the production model; the process of gas production and seepage parameter evolution under different multi-phase seepage conditions were obtained. A sensitivity analysis of the parameters affecting the reservoir productivity was conducted so that: (a) a HBS model with layered heterogeneity can better describe the transmission process of pressure and thermal compensation mechanism of hydrate reservoir; (b) considering the multi-phase seepage parameter heterogeneity, the influence degrees of the parameters on HBS productivity were permeability, porosity and initial hydrate saturation, in order from large to small, and the influence of permeability was significantly greater than that of other parameters; (c) the production potential of the clayey silt reservoir should not only be determined by hydrate content or seepage capacity, but also by the comprehensive effect of the two; and (d) time scales need to be considered when studying the effects of changes in multi-phase seepage parameters on HBS productivity.     

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。     

孔隙介质中天然气水合物相变过程的影响因素研究进展

天然气水合物储量巨大且富含甲烷,被视为21世纪最重要的潜在新型清洁能源之一.天然气水合物大多赋存在海底沉积物的孔隙介质中(少部分赋存于永久冻土层中),对其相变过程受孔隙介质影响规律的系统梳理和总结对未来的勘探开发具有重要意义.本文综合分析前人研究成果,将孔隙介质中天然气水合物的相变过程概化为水合物形成分解时的温压平衡条...     

RMR技术在海域天然气水合物钻探中的适应性分析

深水表层天然气水合物沉积体埋藏浅、地层软、未固结,泥浆密度窗口窄,使用常规隔水管泥浆循环钻进钻遇水合物分解会引起井周孔隙压力及储层水合物饱和度发生变化,导致水合物储层泥浆密度窗口更窄,引发井壁以及井口失稳等问题,并且时间长、成本高。文章介绍了无隔水管泥浆回收(RMR)技术原理,对该技术在深水表层海域天然气水合物钻探中的适应性进行了分析。结果表明,RMR技术利用双梯度原理,能有效解决目前深水表层钻井窄密度窗口难题;实时监控系统提高遇险机动性,严防硫化氢等气体发生泄漏;能够简化井身结构,缩短建井周期,降低建井成本;同时对海洋零排放,安全环保。     

中国南海天然气水合物开采储层水合物相变与渗流机理:综述与展望

【研究目的】中国地质调查局先后于2017年、2020年在南海北部神狐海域成功实施两轮水合物试采,创造了产气时间最长、产气总量最大、日均产气量最高等多项世界纪录,了解和掌握南海天然气水合物开采储层相变与渗流机理,有助于进一步揭示该类型水合物分解机理、产出规律、增产机制等,可为中国海域水合物资源规模高效开采提供理论基础。【研究方法】基于两轮试采实践,笔者通过深入研究发现,储层结构表征、水合物相变、多相渗流与增渗、产能模拟与调控是制约水合物分解产气效率的重要因素。【研究结果】研究表明,南海水合物相变具有分解温度低,易在储层内形成二次水合物等特点,是由渗流场-应力场-温度场-化学场共同作用的复杂系统;多相渗流作用主要受控于未固结储层的物性特征、水合物相变、开采方式等多元因素影响,具有较强的甲烷吸附性、绝对渗透率易突变、气相流动能力弱等特点;围绕南海水合物长期、稳定、高效开采目标,需要在初始储层改造基础上,通过实施储层二次改造,进一步优化提高储层渗流能力,实现增渗扩产目的。【结论】随着天然气水合物产业化进程不断向前推进,还需要着力解决大规模长时间产气过程中温度压力微观变化及物质能源交换响应机制以及水合物高效分解、二次生成边界条件等难题。创新点：南海水合物相变是由渗流场-应力场-温度场-化学场共同作用的复杂系统;南海泥质粉砂储层具有较强的甲烷吸附性、绝对渗透率易突变、气相流动能力弱等特点,多相渗流机理复杂。     

Multi-factor sensitivity analysis on the stability of submarine hydrate-bearing slope

There are many factors affecting the instability of the submarine hydrate-bearing slope (SHBS), and the interaction with hydrate is very complicated. In this paper, the mechanical mechanism of the static liquefaction and instability of submarine slope caused by the dissociation of natural gas hydrate (NGH) resulting in the rapid increase of pore pressure of gas hydrate-bearing sediments (GHBS) and the decrease of effective stress are analyzed based on the time series and type of SHBS. Then, taking the typical submarine slope in the northern South China Sea as an example, four important factors affecting the stability of SHBS are selected, such as the degree of hydrate dissociation, the depth of hydrate burial, the thickness of hydrate, and the depth of seawater. According to the principle of orthogonal method, 25 orthogonal test schemes with 4 factors and 5 levels are designed and the safety factors of submarine slope stability of each scheme are calculated by using the strength reduction finite element method. By means of the orthogonal design range analysis and the variance analysis, sensitivity of influential factors on stability of SHBS are obtained. The results show that the degree of hydrate dissociation is the most sensitive, followed by hydrate burial depth, the thickness of hydrate and the depth of seawater. Finally, the concept of gas hydrate critical burial depth is put forward according to the influence law of gas hydrate burial depth, and the numerical simulation for specific submarine slope is carried out, which indicates the existence of critical burial depth.