天然氣水合物儲層的開采方法

天然氣水合物儲層的開采方法

0籠形化合物的儲量天然氣水合物是在低溫和高壓下形成的一種非化學(xué)鹽酸鹽（主要成分為甲烷）。目前，估計(jì)該儲量是傳統(tǒng)碳能源（煤、石、天然氣等）的兩倍。面對當(dāng)前日益嚴(yán)峻的能源短缺形勢,天然氣水合物的開采已經(jīng)成為近年來的研究熱點(diǎn)之一。1水合物儲層精細(xì)研究自20世紀(jì)60年代在蘇聯(lián)的Messoyakha氣田發(fā)現(xiàn)天然氣水合物的存在以來,各國的科研工作者就將研究的重心從預(yù)防天然氣輸運(yùn)管道中水合物的形成轉(zhuǎn)向了對自然界中天然氣水合物的儲藏區(qū)域、儲量以及開采的研究,并取得了巨大的進(jìn)展。近年來,隨著能源需求的急劇增長,天然氣水合物的商業(yè)開采也已提上了日程。目前在世界范圍內(nèi),對在加拿大西北區(qū)的Mallik區(qū)、美國的阿拉斯加北坡區(qū)以及日本的東南海域的Nankai區(qū)的水合物儲藏區(qū)進(jìn)行了研究,確定了這些區(qū)域水合物儲藏區(qū)的面積和儲量,對水合物層進(jìn)行了鉆井樣品取心,同時在實(shí)驗(yàn)井進(jìn)行了試開采研究。在這些區(qū)域的研究發(fā)現(xiàn),天然氣水合物的儲層主要有三種情形:①整個儲層區(qū)分為上下兩區(qū),上層區(qū)域?yàn)樗衔锒嗫捉橘|(zhì)儲層區(qū)(區(qū)域內(nèi)水合物飽和度較高,水、氣滲透率低),下層區(qū)為含游離天然氣。這種情形下,水合物層的底部溫度壓力條件與其相平衡條件是一致的;②同樣是兩相區(qū),不同之處在于水合物儲層區(qū)下方為含水層區(qū),不包含游離自由氣;③整個儲層區(qū)為水合物存在區(qū)。天然氣水合物儲集方式不同,開采方法也不同。目前提出的天然氣水合物的開采方法有:熱力開采、注入化學(xué)分解促進(jìn)劑開采和降壓開采。前兩者是通過對含氣體水合物的地層注入熱水、蒸汽或者化學(xué)試劑,破壞水合物的平衡,造成氣體水合物分解。降壓開采法是通過泵吸作用降低氣體水合物儲層的壓力,促使氣體水合物分解。水合物三相平衡曲線及開采方式如圖1所示。相對而言,在大規(guī)模的工業(yè)開采中,降壓開采不需要更多的投入,無疑是一種比較廉價而經(jīng)濟(jì)的開采方法。2降壓開采的數(shù)學(xué)模型研究天然氣水合物資源巨大,目前各國都在加速對其實(shí)用開采方案的研究,數(shù)值模擬是對開采方案進(jìn)行評價的一種重要手段。即使在目前對水合物儲層的開采動態(tài)認(rèn)識還不是很清楚的情況下,數(shù)值模擬也可以為水合物儲集層開采方案的確定提供重要依據(jù)。特別是認(rèn)識開采過程中各因素的敏感性、對水合物儲集層的產(chǎn)氣量進(jìn)行初步估計(jì)等都具有重要意義。一直以來,鑒于降壓開采經(jīng)濟(jì)廉價的優(yōu)點(diǎn),吸引了各國科研工作者的關(guān)注,建立了許多數(shù)學(xué)模型來模擬降壓開采過程,并取得了極大的進(jìn)展。到目前為止,關(guān)于水合物降壓開采的數(shù)學(xué)模型研究主要分為兩類:解析解模型和數(shù)值解模型。解析解是解的形式可以表達(dá)為一個顯式函數(shù)的表達(dá)式的解,能夠很直觀地體現(xiàn)各參數(shù)之間的關(guān)系,對于定性分析是很重要的;數(shù)值解其解的形式不能表達(dá)為顯式函數(shù),只能通過數(shù)值計(jì)算的方式求解,得到的是一系列離散的數(shù)值。對于大多數(shù)問題是得不到解析解的,只能得到數(shù)值解。2.1采用多相模型來描述儲層中的氣水兩相運(yùn)動Selim和Sloan在他們的一維模型中考慮了對流傳熱和傳導(dǎo)傳熱,假設(shè)儲層中水是保持靜止和井溫是保持恒定,就可得到儲層中溫度分布的解析式。Makogon研究了在多孔介質(zhì)中傳熱的影響,使用能量方程來描述在多孔介質(zhì)中天然氣的熱狀態(tài),研究了傳導(dǎo)傳熱和對流傳熱以及節(jié)流過程的影響,通過主控方程線性化得到了一維的溫度和壓力曲線的解析表達(dá)式,但該模型忽略了分解前緣的熱平衡。Tsypkin也認(rèn)為在水合物降壓分解時存在一個分解前緣把水合物氣藏分解成水合物區(qū)和分解區(qū)。他運(yùn)用一個一維多相模型來描述儲層中的氣和水的運(yùn)動,考慮了在分解區(qū)和水合物區(qū)的氣體、水和水合物的質(zhì)量守恒和能量守恒,式(1)為能量守恒方程,在分解前緣處,通過式(2)和式(3)建立了分解前緣的熱平衡和質(zhì)量守恒,式(2)為分解前緣處的水合物存在平衡方程,式(3)中的+、-號分別指分解前緣的左右側(cè)。他通過使用擾動方法得到了溫度和壓力分布的相似解。Ji等在他們的新模型中,建立了水合物區(qū)和分解區(qū)的關(guān)于氣體壓力的連續(xù)方程,公式(4)中的1、2分別為分解區(qū)和水合物區(qū),考慮了分解前緣的氣體質(zhì)量守恒,如式(5)所示,式(6)為兩區(qū)內(nèi)的能量守恒方程,包括了氣體的對流和熱傳導(dǎo),以及氣體的節(jié)流效應(yīng),但是沒有考慮水的流動和傳熱。通過線性化主控方程后得到了一組壓力和溫度的自相似解。模型的結(jié)論得出了在分解前緣處的一系列藕合代數(shù)方程式以及前緣的溫度和壓力,這一系列的方程式通過迭代法來求解。該模型還得到了在水合物氣藏中溫度和壓力隨時間變化的數(shù)值解以及分解前緣的位置和天然氣的產(chǎn)量。Hong等在他們的簡單的解析模型中認(rèn)為,水合物分解區(qū)的傳熱、水合物內(nèi)在的分解動力反應(yīng)以及氣水兩相的流動為水合物分解的3種基本的控制機(jī)理,控制機(jī)理如圖2所示。在研究中只考慮了其中的一種因素的影響,而忽略了其它的兩種影響,建立了半無限水合物區(qū)降壓分解的解析解數(shù)學(xué)模型,以此來確定分解反應(yīng)控制機(jī)理,并研究了3種機(jī)理的相對重要性,認(rèn)為在降壓開采過程中氣水兩相流動的影響是比較小的。在降壓開采過程中,水合物分解區(qū)的傳熱、水合物內(nèi)在的分解動力學(xué)和氣水兩相在多孔介質(zhì)中的流動是同時發(fā)生的,且相互影響,相互耦合,顯然這種模型的考慮不太合理。2.2基于接觸問題的水合物儲集層模擬Holder等人模擬了在一個底部是游離天然氣區(qū)、頂部是水合物的氣藏降壓過程中的質(zhì)量和熱傳遞。在這個模型中,假設(shè)水合物分解只發(fā)生在頂部水合物與底部游離天然氣之間的界面上,用以描述底部天然氣區(qū)溫度分布的能量方程只有熱傳導(dǎo)項(xiàng)。連續(xù)性方程用以描述天然氣的流動,達(dá)西定律連接了壓力梯度和天然氣的流速之間的關(guān)系。該模型建立起了頂部水合物與底部游離天然氣之間界面上的熱平衡,并確定了水合物的分解速度。Yousif等人使用Kim-Bishnoi模型來描述了在Berea砂巖里甲烷水合物降壓分解過程,式(7)中氣體分解量mg與反應(yīng)動力常數(shù)kd、反應(yīng)面積As以及局部壓力與平衡壓力差(pe-p)成正比,在一維模型里水合物分解過程被假設(shè)為恒溫的。在氣和水各自的連續(xù)性方程中都考慮了氣和水的流動,式(8)中的g、w、h分別代表氣相、液相和水合物相,式(9)為多孔介質(zhì)中的達(dá)西定律,式(10)毛管壓力pc連接了氣相壓力pg和水壓力pw之間的關(guān)系。模型考慮了水合物分解過程中砂巖滲透率和孔隙度的變化,計(jì)算了壓力和水合物飽和度的分布變化以及水合物分解面的移動速度,實(shí)驗(yàn)得到的產(chǎn)氣和產(chǎn)水量與數(shù)學(xué)模型計(jì)算的結(jié)果匹配的非常好。Moridis等在TOUGH通用模擬軟件中添加了EOSHYDR模塊,可以通過求解物質(zhì)和能量守恒方程,模擬各種復(fù)雜地層情況下天然氣水合物儲集層的氣體不等溫釋放、相特征、流體流動和熱量變化,EOSHYDR模塊考慮了水合物形成和分解的平衡和動力學(xué)模型,而且考慮了氣相中的Klinkenberg效應(yīng)和分子擴(kuò)散。模型中考慮4相(氣、液、冰、水合物)、9組分(水合物、水、天然甲烷、水合物中分離出來的甲烷、第二種天然碳?xì)浣M分、從水合物中分解出來的第二種碳?xì)浣M分、鹽、水溶性抑制劑和擬組分熱焓),各組分存在于各相中,其熱物理性質(zhì)可低到-110℃。該模型可描述水合物分解的所有機(jī)理,包括降壓、注熱、加入抑制劑和刺激劑的效應(yīng)。并利用此模塊研究了在三種不同的水合物儲集層情形下的天然氣水合物開采的數(shù)學(xué)模擬。研究表明,從第一類到第三類,降壓開采的應(yīng)用逐漸減小,而熱刺激法逐漸增加。Ahmadi改進(jìn)了Ji等人的模型,通過運(yùn)用數(shù)值模擬方法求解新模型,并引入了分解前緣的能量守恒方程,但是新模型還是只對天然氣單相進(jìn)行了研究而沒有考慮水的流動。XuefeiSun等提出了一維非等溫模型,考慮了在整個水合物區(qū)的熱平衡、動力學(xué)反應(yīng)以及氣水兩相流動的影響。在模型中采用了與Yousif相同的質(zhì)量守恒方程和動力學(xué)反應(yīng)方程,與Yousif不同的是,他認(rèn)為水合物在整個分解反應(yīng)過程中是不等溫的,采用焓的形式考慮了在整個區(qū)域(包括分解前緣)的能量平衡,見式(11),其中H表示各相的焓值,下標(biāo)s表示多孔介質(zhì)相。通過有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算模擬了多孔介質(zhì)中水合物的分解過程,同時研究了在分解反應(yīng)過程中流動、傳熱和動力學(xué)反應(yīng)等各種因素的影響。他們研究認(rèn)為,在實(shí)際生產(chǎn)中降壓開采過程主要受氣體流動所限,而在實(shí)驗(yàn)室研究中整個過程受分解動力反應(yīng)所控制。2.3多孔介質(zhì)中水合物的開解顯然在上述的水合物降壓開采的數(shù)學(xué)模型中,將水合物的儲集層區(qū)分為3個區(qū)域:分解區(qū)、分解前緣和未分解區(qū),如圖3所示。在求解過程中,要同時考慮在三個區(qū)域能量和質(zhì)量平衡,而在分解前緣不僅需要考慮流體流動、熱量傳遞,還要考慮水合物分解內(nèi)在動力反應(yīng)。許多研究對多孔介質(zhì)中水合物的分解反應(yīng)提出了分析解或者數(shù)值解求解模型。表1對各種開采模型進(jìn)行了比較。從表1中可以看到,Moridis和XuefeiSun的模型,考慮比較全面,實(shí)用性強(qiáng)。3對成研究地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造影響的模擬盡管在一些地方已經(jīng)進(jìn)行了天然氣水合物降壓開采的初步試驗(yàn),但是數(shù)值計(jì)算仍然是目前研究的主要手段。從前文可知,Moridis和XuefeiSun提出的模型是比較可行的。同時在求解過程中所采取的參數(shù)還不是十分準(zhǔn)確,如在水合物存在的情況下,多孔介質(zhì)中的滲透率、熱傳導(dǎo)系數(shù)等需要通過更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)測量,同時在多孔介質(zhì)中水合物的分解反應(yīng)動力學(xué)理論需要進(jìn)一步完善發(fā)展。目前我國的中國石油大學(xué)和廣州能源研究所在此方面已經(jīng)取得了一些進(jìn)展,但總體發(fā)展還是滯后的。同時應(yīng)該指出成藏區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造,在水合物分解時的變化,對開采的安全性有重要的影響,在數(shù)值模擬中必須考慮這些因素的影響。符號說明:m——水合物分解改變的物質(zhì)的量,kg·s-1·m-3;kd——水合物分解本征速度常數(shù),mol·m-2·Pa-1·s-1;As——反應(yīng)比表面積,m2;P——壓力,Pa;Pe——水合物相平衡壓力,Pa;Pc——毛細(xì)壓力,Pa;T——水合物藏溫度,K;Te——水合物相平衡溫度,K;T0——參考溫度,K;S——各相的飽和度;k——多孔介質(zhì)絕對滲透率,mD;kr——各相相對滲透率;t——時間,s;x——距離,m;ρ——密度,kg·m-3;μ——粘度,Pa·s;Φ——孔隙度,%;ν——各相滲流速度,m·s-