多孔介质天然气水合物开采的基础研究

摘要

天然气水合物作为一种广泛蕴藏于深海沉积层与陆地冻土带的水合物藏，以其巨大的资源储量引起了科学界的广泛关注，对水合物相关技术的研究应用正方兴未艾，这其中，天然气水合物的合成、分解与原位开采的理论与技术多年来一直是水合物相关研究领域的焦点所在，其本质原因，一方面是因为其温和的制备条件和相对较高的储气能力越来越受到人们的重视，希望通过研究拓展应用空间;另一方面，也是由于当前社会发展日新月异，对能源的需求日渐增大，而不可再生资源的逐步减少使人们滋生了对未来新型能源的强烈渴求，等等。然而，受制备工艺、生长速度和最终储气量等方面的制约，水合物合成技术一直未得长足发展;在资源开采利用方面，也因为成藏条件复杂、储层物性参数不明、开采过程不确定因素较多、水合物分解和运移机理复杂等方面的原因一直停滞不前。
　　本文以气体水合物的强化制备工艺、分解开采理论为课题，在综合分析前人研究成果的基础上，独创性的设计并建立了首个适合于工业生产条件下的小型天然气水合物喷雾强化合成实验平台，并利用该平台对气体水合物强化合成工艺进行了探索性研究，深入分析了其强化的技术和机理，在此基础上，展开了多孔介质中气体水合物的合成及分解过程的CT扫描实验研究工作，并对具备下覆游离气层的天然气水合物藏降压开采以及海底水合物藏的原位注热水驱替开采理论和技术进行了详细研究，主要研究内容及成果如下:
　　(1)进行了天然气水合物强化合成工艺研究。研制了适合工业生产的雾化型合成设备，可通过一次装样配合增压泵实现恒压不等容试验，或者封闭装样的恒容不等压试验，还可以通过补充或排出气体或水，实现恒压等容试验方式等。应用本套设备可研究工业化生产条件下各宏观可控因素如气体组成、气水混合方式、温度压力条件、水的成分等对水合物生成过程的具体影响及其作用机理，分析、研究气体水合物生成过程中热力学、动力学原理。
　　(2)探寻了雾化平台下气体水合物合成的强化机理及关键因素。研究表明，雾化系统中诱导现象不明显，生长速度极快、含气量极高;整个生长过程受传质条件主导，传热条件不理想会严重影响生长速度，但传质条件不理想将首先导致反应过程缓慢、最终含气量大幅降低;在保证良好的传热条件下，生长速度对压力依赖明显，并且表现出明显的递增关系，压力越高，速度越快，过冷过压能有效加快生长进程;此外，活性剂、晶种、重复生成等都能显著加快反应进程，提高最终含气量。
　　(3)展开了多孔介质水合物合成实验研究。多孔介质中气体水合物形成条件类似水溶液中，其气耗随时间变化可以分为三个阶段，称为起始合成段、快速合成段、合成完成段。起始合成段压力和温度波动较小，气耗也较小;快速合成段气体消耗速率快，温度和压力变化极为频繁，均系气体大幅度由气态向结晶态转化造成;合成完成段气耗率极低，以极低的速率延续至反应停止。多孔介质中生成水合物并不是仅限在试件表面，而是在试件内部的孔隙中全部生成和赋存，而且是均匀分布的，这是多孔介质天然气水合物的一个重要特征。
　　(4)进行了多孔介质中水合物分解的CT扫描实验研究。多孔介质水合物分解时，随粒径的增大，其水合物分解的垂向移动量逐渐增大，对应的变形平均0.953％，这就是散体砂粒组成的多孔介质水合物分解的垂向变形量。垂向变形与砂粒直径呈指数变化规律，Uz=0.0032exp(0.4318d)。
　　(5)研究了降压开采理论及技术。基于多相渗流理论与水合物分解动力学，建立了适合于开采具备下覆游离气层的水合物藏的降压开采过程的数学模型，并针对问题的强非线性，首次引入全隐式方法对控制方程进行了离散，给出了详细的差分解法，该法隐式程度高，求解过程更稳定，适用范围较常见的IMPES方法更为广泛，并应用FORTRAN语言编制了相应的计算程序，验证了数学模型及离散方法的准确性，运用该程序能准确获得开采过程中各场变量在各时刻的空间分布情况，获得其开采前缘移动位置及气、水的产出与运移规律。
　　(6)探寻了降压开采过程中水合物分解和气水运移的本质规律。通过对降压开采的数值模拟结果表明，降压开采过程储层压力下降较为平缓，开采过程稳定性较好，通过降低井底流压可有效提高水合物藏开采速率，通过调整井底流压也能够兼顾开采速度与储层稳定性之间的平衡。从气水的产出运移过程来看，开采效率高低与储层绝对渗流率有较大关系，其值越大，运移越快，生产效率越高;相同绝对渗透率条件下，运移过程受渗透率下降指数的取值影响相对较小。
　　(7)研究了注热驱替开采过程的固、流、热、分解的多场耦合理论。针对深海中水合物藏开采问题，建立了能够准确描述多孔介质中气体水合物注热开采过程的多场耦合数学模型。采用有限元和有限差分法结合对方程进行了离散，给出了其数值解法。通过编制计算程序，对海底水合物藏原位注热水驱替开采过程进行了数值模拟，验证了数学模型的准确性。通过模拟，能够准确的获得流体压力、介质温度、固体位移及变形等场变量的空间分布。
　　(8)研究了注热驱替开采过程中耦合作用规律。从数值模拟的结果来看，典型的注采过程一般可分为前期的降压引导、中期的注热驱替及后期的缓慢分解三个阶段。中间的注热驱替过程水合物分解极快，气水产量很大，前期、后期的分解过程相对缓慢。注采过程存在一个极其明显的、呈带状分布的分解前沿，该带型区域内相态变化剧烈，水合物分解极快，是主导整个注采过程的关键阶段，大部分的水合物分解在该分解带的推进过程中完成。注热开采过程中压力提升较快、水的驱替作用明显。通过提高注入温度，可有效提高开采速度和最终产气量。综合分析表明，单纯的注热开采将在储层中产生较大的热量损耗，这是影响注采过程经济性的一个重要因素，可通过优化井网布置，合理配置注入剂量，施行降压注热结合的方式予以解决。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 国内外研究历史、现状及问题

1．1．1 水合物研究历史

1．1．2 水合物的工业应用状况

1．1．3 天然气水合物研究现状

1．1．4 存在的问题

1．2 研究的目的、意义及主要内容

第二章 气体水合物强化合成技术及机理

2．1 天然气水合物雾化合成设备研制

2．2 雾化系统水合物生长现象及特性

2．2．1 实验概述

2．2．2 水合物生长特性

2．3 雾化系统中水合物动力学影响因素与作用机理

2．3．1 温度、压力(过冷过压)条件的影响

2．3．2 雾化系统中活性剂加速机理及最佳活性剂条件的确定

2．3．3 雾化条件对生长速度及含气量的影响

2．3．4 重复生成和晶种影响

2．4 本章小结

第三章 多孔介质天然气水合物合成与分解的实验研究

3．1 多孔介质天然气水合物的合成实验

3．1．1 水合物合成过程

3．1．2 水合物合成中温度、压力与气耗的变化特征

3．1．3 多孔介质天然气水合物细观结构显微CT研究

3．2 多孔介质水合物分解过程中多孔骨架的演化特征

3．2．1 实验概述

3．2．2 粒径0．85-1．18mm多孔介质水合物分解演化

3．2．3 粒径1．18-2．8mm砂粒多孔介质水合物的分解

3．2．4 粒径2．8-4．75mm砂粒多孔介质水合物的分解

3．2．5 水合物分解的变形分析

3．3 本章小结

第四章 海底水合物藏原位降压开采理论及技术

4．1 海底天然气水合物降压开采的数学模型

4．1．1 模型基本假设

4．1．2 基本控制方程

4．1．3 辅助方程

4．1．4 定解条件

4．2 离散分析方法

4．3 模型简化及数值模拟

4．4 本章小结

第五章 多孔介质中水合物注热水驱替开采过程的多场耦合数学模型及数值模拟

5．1 热解过程的多场耦合数学模型

5．1．1 基本假设

5．1．2 储层孔隙介质变形控制方程

5．1．3 孔隙流体渗流及水合物分解控制方程

5．1．4 储层孔隙介质及流体能量守恒方程

5．1．5 动态耦合参数

5．1．6 有限元及有限差分离散

5．2 数值模拟分析

5．2．1 数值计算模型

5．2．2 模型参数

5．2．3 计算结果分析

5．3 本章结论

第六章 结论与展望

6．1 主要研究成果与结论

6．2 应用前景展望

参考文献

致谢

攻读学位期问发表的学术论文与成果

博士学位论文独创性说明