海洋天然氣水合物固態流化開采大型物理模擬實驗

趙金洲 李海濤 張烈輝 孫萬通 伍開松李清平 趙 軍 呂 鑫 王國榮

1.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·西南石油大學 2.中海油研究總院有限責任公司

0 引言

天然氣水合物（以下簡稱水合物）被認為是21世紀最有潛力的接替能源。國土資源部等勘探初步圈定了我國南海11個潛在水合物賦存區域，遠景資源量約680×108t[1]。《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》將“天然氣水合物開發技術”部署為27項前沿技術之一。較之于常規油氣儲層，海洋水合物賦存區域大多具有埋藏深度淺、礦藏疏松、弱膠結或未膠結、不穩定、無致密蓋層、無發育完備的生儲蓋組合等特征（非成巖水合物占比超過85%[2]）。目前，開采海洋水合物主要采用降壓、注熱、注劑、置換等方法[3-7]，并且國內外已實施的水合物試采多以前者為主。采用降壓法開采，水合物無序分解且不可控，將面臨5種風險：①泥砂大量入井堵塞停產；②大量分解天然氣逸散到海水中，資源浪費、采氣率和產量均低；③生產裝備失穩失控；④大量逸散天然氣破壞海洋生態并產生溫室效應；⑤水合物礦體潰散塌陷引發海底滑坡[8-13]。為此，筆者所在的由中國海洋石油集團有限公司、西南石油大學、四川宏華石油設備有限公司等單位組成的聯合項目組（以下簡稱聯合項目組）歷經多年的協同攻關，提出了海洋水合物固態流化開采原理，研發了具有完全自主知識產權的全球首個海洋水合物固態流化開采大型物理模擬實驗系統[8-13]。

固態流化開采整個工業過程在海底水合物礦區進行，未改變海底水合物的溫度、壓力條件，不會引發其大量分解，從而實現了原位固態開發，避免了水合物分解可能帶來的工程地質災害和溫室效應；同時，該方法利用了水合物在傳輸過程中溫度、壓力的自然變化，實現了水合物在密閉井筒范圍內的可控有序分解。因此，該方法可以有效破解常規開采方法所面臨的井底出砂、水合物無序分解等難題[11]。2017年5月25日，聯合項目組在中國南海北部荔灣3站位成功實施了全球首次海洋淺層非成巖水合物固態流化試采作業，在海洋淺層水合物的安全、綠色試采方面進行了創新性的探索。這也標志著我國水合物勘探開發關鍵技術已取得歷史性突破[4]。

依托前述實驗系統，筆者研發了海洋非成巖水合物固態流化開采模擬實驗方法及技術，實現了1 500 m水深、4 500 m管長水合物固態流化開采的全過程模擬，包括：①水合物大樣品快速制備、高效破碎、漿體調制“三位一體”實驗方法和技術，20 h內可制備1 062 L目前世界最高產量的水合物樣品；②水合物漿體保真運移方法和技術；③水平段56 m垂直段30 m分段組合、逐點加密、多次循環、多次降壓、多次升溫的水合物顆粒、泥砂、分解氣、配制海水復雜漿體管輸模擬實驗方法和技術。基于該模擬實驗方法和技術，開展了海洋非成巖水合物固態流化開采快速制備、高效破碎及管輸物理模擬實驗，驗證了海洋非成巖水合物固態流化開采相關理論模型的準確性，揭示了海洋非成巖水合物固態流化開采過程中的關鍵參數變化規律。通過實驗模擬，證明了固態流化開采原理的科學性和開采工藝的可行性，指導制訂固態流化試采方案和設計工藝流程，確保了全球首次水合物固態流化試采的成功。

1 海洋非成巖水合物固態流化開采大型物理模擬實驗系統簡介

聯合項目組原始創新自主設計、自主研發并建成了全球首個海洋非成巖水合物固態流化開采大型物理模擬實驗系統[9]，如圖1所示。該實驗系統能夠模擬1 500 m水深的全過程海洋非成巖水合物固態流化開采工藝過程。主體功能包括：①水合物大樣品快速制備；②水合物樣品物性測試；③水合物礦體破巖規律研究；④水合物固態流化攜巖能力評價。

圖1 非成巖水合物固態流化開采大型物理模擬實驗系統示意圖

2 海洋非成巖水合物固態流化開采實驗模擬

2.1 關鍵實驗方法和技術

2.1.1 提出了海洋非成巖水合物大樣品快速制備與破碎模擬實驗方法及技術

1）突破了水合物大樣品快速原位制備的技術瓶頸：模擬壓力介于0～16 MPa、溫度介于 －10～5 ℃環境，采用“三位一體”（攪拌法—鼓泡法—噴淋法）的方法，最大樣品制備量達1 062 L、制備時間小于20 h。

2）突破了水合物原位破碎的技術瓶頸：發明了上、下可移動和旋轉的破碎工具，實現了水合物原位破碎模擬。

3）突破了水合物漿體調制的技術瓶頸：定量混合海水及泥砂，精確調制水合物漿體。

2.1.2 發明了海洋非成巖水合物漿體高效管輸模擬實驗技術

為保障水合物樣品經碎化、注水調制成漿體后保真運移至水合物管輸系統，發明了保溫、保壓、保粒度、保安全運移的海洋非成巖水合物漿體保真運移方法及技術：①利用穩壓、制冷系統向管輸系統循環高壓、低溫海水，使管道內的溫度和壓力與制備釜的溫度和壓力相同；②利用穩壓系統對制備釜進行自動補壓；③利用濾網系統保證水合物粒徑為實驗所需的粒徑；④利用壓差解堵系統自動解堵，以保證水合物漿體的安全運移。

2.1.3 提出了海洋非成巖水合物漿體高效管輸模擬實驗方法

1.1 一般資料 回顧性分析2017年11月至2018年2月期間于北京醫院內分泌科門診就診并接受微創治療的出血型甲狀腺囊性結節患者15例。其中男性6例，女性9例；年齡（53.7±13.9）歲；囊性結節單發14例，多發1例，大小范圍4.9～59.5 mL，大小（17.41±13.84）mL。本研究獲得全部患者的知情同意。

1）突破了物質平衡條件下溫度、壓力連續調節全過程模擬的技術瓶頸：采用水平段56 m、垂直段30 m多次循環（每次模擬水合物漿體向上管輸的高度）、多次降壓（由海底高壓逐級降低至海面低壓條件）、多次升溫（由海底低溫逐級升高至海面常溫環境）模擬實驗方法，實現了1 500 m水深、4 500 m管長海洋非成巖水合物固態流化開采管輸全過程模擬（海底至海面）。

2）突破了相變非平衡模擬的技術瓶頸：模擬水合物自然解析、氣態舉升，實現了多相復雜漿體非平衡分解及對其相變規律的研究。

3）突破了保溫保壓相含量測試的技術瓶頸：采用保溫保壓直接取樣，實現了對水合物及其分解產物的分離、計量和分析。

4）突破了混輸泵高滑脫、高固相、高吸入口壓力的技術瓶頸：采用螺桿泵降低滑脫、高偏心定—轉子實現大粒徑高固相含量輸送、機械與旋轉密封提高入口壓力，滿足了水合物1 500 m水深管輸的要求。

2.1.4 發明了動態圖像捕捉、數據采集及安全控制模擬實驗方法及技術

突破了水合物大樣品快速制備與成藏物理模擬、水合物破碎與漿體保真運移模擬、水合物漿體高效管輸特性與分離模擬等技術瓶頸，實現了動態圖像的自動采集與存儲，以及不同模擬環境下實驗所需壓力、壓差、溫度、排量、流速、質量流量、體積流量、相含量、鉆壓、扭矩、轉速等數據的精確模擬。

2.2 模擬實驗方案

2.2.1 實驗目的及意義

2.2.2 實驗總體方案及流程

1）根據海洋水合物的組成，模擬預制水合物（含砂）樣品；制備釜中形成水合物礦體后，將其原位破碎，破碎時加入定量海水，精確配制實驗所需的水合物漿體，并將其保溫、保壓、保粒度、保安全運移至水合物漿體高效管輸與分離模塊。

2）通過多次循環（每次模擬固態流化開采垂直管線中上升30 m的高度）、多次調壓（由海底的12 MPa至海面的0.1 MPa）、多次換熱升溫（由海底的2 ℃至海面的40 ℃），綜合每組實驗數據完成全過程管流模擬。

3）自動采集與存儲實驗全過程中的動態圖像及溫度、壓力、流量、粒度等實驗數據，并進行實驗分析及處理。

2.3 水合物大樣品快速制備模擬實驗

采用噴淋法—鼓泡法—攪拌法“三位一體”的水合物樣品快速制備方法，在制備釜內快速制備水合物大樣品（直徑950 mm×長度1 500 mm、最大制備量1 062 L）。依托該制備釜制備的非成巖水合物大樣品如圖2所示，測試分析得到水合物在不同孔隙飽和度下偏應力與應變的變化曲線，不同孔隙飽和度下的楊氏模量、體積模量、剪切模量和泊松比變化曲線，不同顆粒及粒徑下的楊氏模量、體積模量、剪切模量和泊松比變化曲線（圖3），以及巖電參數與聲波速度的變化規律（圖4）。這為水合物高效破碎工具的設計提供了重要的理論依據。

2.4 水合物高效破碎實驗

2.4.1 實驗現象

圖2 海洋水合物制備過程及樣品實物照片

圖3 偏應力—應變（a）、不同孔隙飽和度（b）和不同顆粒及粒徑下（c）的楊氏模量、體積模量、剪切模量與泊松比變化曲線圖

首先將冷卻海水、石英砂和甲烷氣體置于制備釜內形成類白色固態水合物沉積物并淹沒在冷卻的海水中。然后液壓缸下放刀盤至水合物表面，水合物沉積物表面開始發生局部粉碎及塑性變形。在開啟電機帶動刀盤旋轉時，水合物沉積物在刀盤作用下發生崩碎，變成顆粒狀，破碎后的水合物沉積物中呈現圓形破碎坑。最后破碎后得到的水合物沉積物顆粒漿體在刀盤旋轉帶動下旋轉，并向刀盤中心靠近，沿空心鉆桿被泵送至出口閥門。

2.4.2 實驗數據及分析

研究模擬并評價了1 200 m水深條件下，不同機械破碎工藝參數（下放速度介于0.02～0.12 m/min，轉速介于40～120 r/min）、刀盤直徑（介于500～800 mm）等因素對非成巖水合物破碎的影響規律，建立了海洋非成巖水合物樣品機械破碎工程圖版，如圖5所示。從圖5可以看出：①當刀盤轉速固定時，鉆壓隨下放速度的增加而逐漸增大，并且隨轉速的增加，鉆壓隨下放速度遞增的速率逐漸下降；②當下放速度固定時，刀盤破碎水合物的鉆壓隨轉速的增加而逐漸降低；③當刀盤轉速固定時，扭矩隨下放速度的增加而逐漸增大，并且隨轉速的增加，扭矩隨下放速度遞增的速率逐漸下降；④當下放速度固定時，刀盤破碎水合物的扭矩隨轉速的增加而逐漸降低。

2.5 水合物漿體高效管輸實驗

2.5.1 實驗現象

水合物漿體高效管輸實驗中，模擬泥砂顆粒所用的固相顆粒如圖6所示。

分別得到了垂直循環和水平循環管輸實驗中水合物分解前后不同液相排量下的實驗現象，分述如下。

2.5.1.1 垂直循環管輸實驗現象

垂直循環管輸實驗中，調節泵的排量使其自0逐漸增大的過程中，得到了粒徑分別為2 mm、5 mm的固相顆粒在不同液相排量下的實驗現象（表1、圖7）。

從表1和圖7中可以看出，隨著排量的增大，固相顆粒在垂直管線中依次經歷了下移→部分懸浮→懸浮→部分上移→上移→大量上移幾種運動狀態；粒徑2 mm的固相顆粒在臨界排量0.912 L/s時發生懸浮，粒徑5 mm的固相顆粒則需要在臨界排量1.440 L/s時才能發生懸浮。由此說明垂直管輸過程中，固相顆粒粒徑越小，越容易被輸送。

圖4 不同壓實程度下水合物沉積物的巖電參數及聲波速度變化曲線圖

圖5 機械破碎水合物中鉆壓、扭矩隨轉速和下放速度的變化圖（刀盤直徑800 mm）

圖6 實驗模擬泥砂顆粒所用的固相顆粒圖

2.5.1.2 水平循環管輸實驗中不同液相排量下的實驗現象

水平循環管輸實驗中，調節泵的排量使其自0逐漸增大的過程中，得到了不同粒徑的固相顆粒在不同液相排量下的實驗現象，如表2和圖8所示。

從表2和圖8中可以看出，隨著排量的增大，固相顆粒在水平管線中依次經歷了沉積→小顆粒起動→大顆粒起動→大、小顆粒均運移→大量顆粒快速運移幾種運動狀態；粒徑2 mm的固相顆粒在排量0.960 L/s時臨界起動，粒徑5 mm的固相顆粒則需要在排量1.200 L/s時才能臨界起動。由此說明水平管輸過程中，固相顆粒粒徑越小，越容易被輸送。

2.5.2 實驗數據分析

不同液相排量下的水合物漿體垂直循環管輸實驗中，單次循環模擬垂直管流上升30 m高度，以實驗過程中所監測的垂直管路最高點處的溫度、壓力、各相含量、各相速度為記錄點，得到了不同液相排量條件下的實驗數據；采用所建立的氣液固多相非平衡管流系統數學理論模型及數值計算方法，基于實驗模擬參數，通過理論計算得到了對應排量下的井筒溫度、井筒壓力、各相含量、各相速度。同時，根據實驗監測記錄數據，對比理論計算值，得到不同排量下井筒流動參數實驗與理論計算結果對比曲線。本文以液相排量6 L/s為例說明，對比結果如圖9所示。

表1 垂直循環管輸實驗中不同粒徑固相顆粒在不同液相排量下的實驗現象記錄表

圖7 垂直循環管輸實驗中不同粒徑固相在不同液相排量下的實驗現象

表2 水平循環管輸實驗中不同液相排量下固相顆粒運移實驗現象記錄表

從圖9中可以看出，隨著液相排量的增大，井筒溫度降低、井筒壓力升高，水合物分解起始位置上移，持氣率降低、持液率增大、固相含量減小，氣、液、固相速度均增大；由于排量較高的條件下，各相流速均較大，井筒中的水合物顆粒未分解完全，因此井口處對應的累積分解產氣量減小。同時，從實驗結果與理論計算結果的對比曲線（圖9）中也可以看出，理論計算值與實驗值變化趨勢一致且誤差較小，均在10%以內。由此驗證了西南石油大學所建立的理論模型及數值求解方法的準確性。

最終，依托大型物理模擬實驗系統在全球首次系統開展了海洋非成巖水合物固態流化開采模擬實驗，證明了固態流化開采技術原理科學可行、開采工藝可行，為指導首次海洋水合物固態流化試采制訂技術方案、設計作業流程和研制海底水合物原位破碎工具提供了理論依據（高效破巖碎化理論、非平衡高效管輸理論、水合物層流化井控理論）和關鍵參數（大樣品快速制備參數、高效破巖碎化及流化行為控制參數、1 310 m水深復雜介質多相流動及優化運移參數、1 310 m水深水合物固相非平衡相態變化及控制參數、井控風險控制參數）。

圖8 水平循環管輸實驗中不同液相排量下固相顆粒運移實驗現象

圖9 井筒流動參數實驗值與理論值對比曲線（液相排量為6 L/s）

3 結論

1）研制和開發了具有完全自主知識產權的全球首個海洋水合物固態流化開采大型物理模擬實驗系統。通過實驗模擬，證明了固態流化開采原理的科學性和開采工藝的可行性，指導制訂固態流化試采方案和設計工藝流程，確保了全球首次固態流化法試采海洋非成巖水合物的成功。

2）突破大樣品快速原位制備瓶頸：模擬壓力介于0～16 MPa、溫度介于－10～5 ℃環境，采用“三位一體”方法（攪拌法—鼓泡法—噴淋法）形成目前世界上最大的水合物制備釜，最大制備水合物樣品量達1 062 L、制備時間小于20 h。

3）開展了海洋非成巖水合物高效破碎模擬實驗，當刀盤直徑為800 mm、下放速度介于0.02～0.12 m/min、轉速介于40～120 r/min時，得到了刀盤破碎水合物過程中鉆壓、扭矩隨下放速度及轉速的變化曲線。從該組變化曲線發現：①當刀盤轉速固定時，鉆壓隨下放速度的增加而逐漸增大，并且隨轉速的增加，鉆壓隨下放速度遞增的速率逐漸下降；②當下放速度固定時，刀盤破碎水合物的鉆壓隨轉速的增加而逐漸降低；③當刀盤轉速固定時，扭矩隨下放速度的增加而逐漸增大，并且隨轉速的增加，扭矩隨下放速度遞增的速率逐漸下降；④當下放速度固定時，刀盤破碎水合物的扭矩隨轉速的增加而逐漸降低。并且得到了刀盤破碎水合物過程中破碎礦體效率隨下放速度的變化曲線。從該變化曲線發現，破碎礦體效率隨下放速度的增加而線性增大。

4）開展了海洋非成巖水合物固態流化開采管輸物理模擬實驗。實驗結果發現，隨著排量的增大，固相顆粒在垂直管線中依次經歷了下移、部分懸浮、懸浮、部分上移、上移、大量上移等幾種運動狀態；粒徑為2 mm的固相顆粒在臨界排量為0.912 L/s時發生懸浮，粒徑為5 mm的固相顆粒則需要在臨界排量為1.440 L/s時才能發生懸浮，說明垂直管輸過程中，固相顆粒粒徑越小越容易被輸送。隨著排量的增大，固相顆粒在水平管線中依次經歷了沉積、小顆粒起動、大顆粒起動、大小顆粒均運移、大量顆粒快速運移等幾種運動狀態；粒徑2 mm的固相顆粒在液相排量為0.960 L/s時臨界起動，粒徑5 mm的固相顆粒則需要在液相排量為1.200 L/s時才能臨界起動，說明水平管輸過程中，固相顆粒粒徑越小越容易被輸送。