自生热开采天然气水合物的实验研究

摘要

天然气水合物具有分布广泛、储量大、能量密度高、清洁无污染等优点而被认为是未来的战略接替能源。天然气水合物开采方法主要有降压法、抑制剂注入法、热刺激法、二氧化碳置换法以及这些方法的组合。降压法产生的储层结冰及水合物二次生成问题、注热法中热流长距离运输热量损失的控制问题、原位加热法中储层的低导热系数、二氧化碳置换法的低置换率与置换反应速率问题使得目前的水合物开采面临着诸多难题与挑战。因此，进一步研究更有效的开采方法显得尤为必要，本文在自行设计实验设备基础上，尝试引入一种新型的水合物开采方法——“原位化学自生热体系注入法（简称自生热体系注入法）”以克服这些缺点。　　本文首先探究了自生热剂浓度、盐酸质量分数对自生热体系其生热能力的影响关系，通过纯石英砂分散体系的自生热实验对自生热开采水合物的注液参数进行了初选。根据初选参数首先进行合注形式下自生热体系热激法与自生热体系热吞吐法的水合物开采实验，分析了合注形式与自生热体系热激法的不足之处，结合分注形式的自生热体系热吞吐法探究了注入自生热体系开采水合物的可行性。通过对比三组分注形式的自生热特吞吐水合物开采实验，分析了水合物饱和度及水合物储层尺度对开采过程各个参数的影响，并初步评价了自生热开采的适用性及优势。研究成果主要包括：　　（1）自生热体系在纯石英砂分散体系中具有一定程度的产热滞后性，该滞后性本质是化学反应及热流的运输分散均存在时间过程。纯自生热体系与纯石英砂分散体系中温度峰值的巨大差异归因于（ⅰ）分注时自身热体系在反应釜内较低的混合效率和（ⅱ）集中状态的自生热体系被石英砂分散体系隔开而变成分散状态，导致生成热量分散。　　（2）合注时注液速率对反应釜釜内温度变化具有很大影响。较小的注液速率导致较长的注液时间和自生热试剂化学反应时间，因此自生热体系在注入反应釜前能达到较高的温度，注入反应釜后因热流的高温惯性而出现峰值，但较长的注液时间会造成注入过程较大的热量损失。反之，较大的注液速率使注液时间较短，自生热体系反应时间较短，因此注入釜内后温度不会出现峰值，注液过程中热损较低。　　（3）从能量效率及热效率角度来看，分注形式的热吞吐法优于合注形式的自生热热激法/热吞吐法。合注形式的热激法/热吞吐法、分注形式的热吞吐法开采过程中累计产气量均随开采时间的推进不断增大，说明自生热体系注入法对水合物开采具有可行性。热吞吐法焖井阶段的系统压力随时间增加也证实了注入自生热体系对水合物分解具有积极影响；采用分注形式的自生热热吞吐法开采水合物时，较高水合物饱和度的储层具有更持久的产气能力，进行多个开采循环仍能保证一定的产气量。全填砂尺度的水合物藏因具有较大质量的水合物同样具有持久的产气能力。　　（4）相较传统的热吞吐、注热盐水法，分注形式的自生热吞吐法在前几个开采循环具有较大的优势，且初步推断该法在大储层尺度、高水合物饱和度下的开采热效率会更高，前几个循环的开采优势更大，因此，应用自生热热吞吐法时对前几个开采循环进行优化可以得到更好的开采效果。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 天然气水合物特性

1.3 研究现状

1.3.1 天然气水合物开采技术研究

1.3.2 天然气水合物现场试开采

1.3.3 自生热体系油气开采研究

1.4 研究目的

1.5 研究内容及技术路线

2 天然气水合物开采模拟实验装置

2.1 实验装置

2.1.1 实验装置系统

2.1.2 反应釜内部布置

2.2 实验材料

3 自生热体系及其产热性能

3.1 原位化学自生热体系分类

3.1.1 铵盐与亚硝酸盐生热体系

3.1.2 尿素与亚硝酸盐生热体系

3.1.3 多羟基醛生热体系

3.1.4 过氧化氢生热体系

3.1.5 酸性催化剂

3.2 自生热产热实验方案

3.2.1 自生热体系及酸性催化剂的选择

3.2.2 自生热实验方案

3.2.3 实验步骤

3.3 实验结果及分析

3.3.1 自生热剂浓度影响

3.3.2 盐酸质量分数的影响

3.3.3 纯石英砂生热实验

3.3.4 自生热开采水合物注液参数初选

3.4 本章小结

4 自生热开采水合物的可行性分析

4.1 实验流程

4.1.1 水合物生成实验流程

4.1.2 自生热开采水合物实验流程

4.2 实验方案

4.3 合注形式的自生热开采

4.3.1 压力与温度变化

4.3.2 产气性能

4.3.3 能量效率与热效率

4.4 分注形式的热吞吐开采

4.5 本章小结

5 水合物饱和度及储层尺度对开采过程的影响

5.1 实验方案

5.2 实验结果及分析

5.2.1 产气规律

5.2.2 温度影响

5.2.3 热效率影响

5.2.4 自生热体系产生氮气的作用

5.2.5 自生热开采的适用性及优势

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

①水饱和度 对自生热开采水合物的影响关系

②自生热体系 混合效率 低下 及生热速率过慢的问题

③自生热体系 产生 氮气及氯化钠溶液的作用

④自生热 体系注入法开采 水合物造成的环境 问题

参考文献

附录

A. 作者在校攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在校攻读硕士学位期间申请的专利

C. 作者在校攻读硕士学位期间获得的奖励

D. 作者在校攻读硕士学位期间参与的科研项目

E. 学位论文数据集

致谢