間壁換熱開采天然氣水合物注入溫度優化

陳 花 關富佳,2 張 杰 肖啟圣 程 亮

1. 長江大學石油工程學院, 湖北 武漢 430100; 2. 長江大學非常規油氣湖北省協同創新中心, 湖北 武漢 430100

0 前言

天然氣水合物(NGH)是一種由天然氣中分子量較小的氣體分子與水分子在低溫和高壓條件下形成的類冰狀籠形晶體結構[1]。水分子之間通過氫鍵相互作用,水分子與氣體分子間通過范德華力作用,形成I型、II型、H型和T型四種立體的晶體結構[2]。其中,水分子由于氫鍵連接形成籠形結構,包裹客體分子,保證了NGH能較大量地儲存天然氣。在標準狀態下,1 m3的NGH能儲存150～180 m3的天然氣[3]。NGH的地質儲量范圍為0.2×1015～3 053×1015m3[4],是全球陸上已探明的傳統化石能源總量的2倍,被認為是未來石油天然氣的替代品[5],其巨大的資源潛力已引起油氣工業界的普遍關注[6-7]。

1 數學模型

1.1 模型建立

考慮到熱力法開采水合物的過程中外界與反應釜體系不發生物質交換,本文從間壁換熱的角度出發,選用恒溫水槽浴進行熱量輸送,通過換熱盤管循環熱水瞬時對反應釜壁面進行升溫處理,換熱示意簡圖見圖1。

圖1 間壁換熱示意簡圖

基于本次選用的水合物合成反應釜體系為一圓柱體,溫度場關于中心軸對稱,壁面溫度僅沿徑向坐標r方向發生變化,即為一維非穩態傳熱過程。本次采用無限長圓柱體坐標系描述導熱微分方程,不考慮對流換熱,其溫度場滿足如下等式:

(1)

其中:

(2)

初始條件:

t=0T=T2(0≤x≤R)

(3)

邊界條件:

(4)

(5)

基于物質的材料成分、內部結構、密度、壓力、溫度和吸濕性等因素對導熱率的取值存在影響[14-16],本文從優選注入溫度的角度出發,單因素分析溫度對導熱率的影響。經驗公式顯示導熱率與溫度滿足二次方和三次方關系,考慮到計算復雜程度,將曲線回歸成線性關系,近似表示為[17]:

λ=λ0(1+bT)

(6)

θ(x,t)=T(x,t)-Tw

(7)

(8)

求得:

(9)

β=εR

(10)

將式(8)和式(10)帶入到式(9)中,獲得如下等式:

(11)

解得:

(12)

Qt=ρcV(Tw-T)

(13)

2 分析與討論

2.1 熱采能量利用率及熱效率

在傳統接觸注熱開采天然氣水合物過程中,注熱溫度、注熱速率、水合物藏初始溫度和水合物藏初始飽和度均對最終產氣速率存在較大影響[18]。后期加熱方式發展為微波加熱和太陽能加熱,在熱采過程中水合物藏與外界僅存在能量交換,有效提高了換熱過程中的能量利用效率[19]。本文從間壁換熱開采天然氣水合物的角度出發,在不考慮熱水運輸過程中熱損失和通過水合物上下蓋層散熱的情況下,綜合考慮注熱效率與水合物分解時的產氣速率,實時匹配生產動態,定義了以下參數:

1)水合物開采能量利用率,定義為用于分解水合物消耗的熱量與總的輸入熱量的比值。

2)熱效率,定義為單位產氣量下的水合物開采能量利用率。

(14)

(15)

2.2 熱采換熱過程分析

甲烷水合物合成過程結束后,首先循環熱水預熱換熱盤管管壁,再在反應釜內生成的水合物區傳熱。此過程中維持循環熱水溫度不變,保證熱量傳導至水合物區中心時,溫度高于甲烷水合物分解所需的相平衡溫度,確保水合物分解完全。

圖2 注入溫度與加熱時間關系曲線

2.3 溫度對熱效率的影響

注入溫度與熱效率關系曲線見圖3,熱效率隨著溫度的升高,先增大后減小,存在最優注入溫度和熱效率。這是由于,溫度較低時,水合物分解所需加熱時間較長,產氣速率慢,具有較低的開采效率,但此時的能量利用率高,熱損耗小;溫度較高時,有效能量利用率低,注入水在循環過程中熱損耗大,大部分熱量未用于儲層的升溫和水合物的分解,具有較低的熱采能量利用率。因此,注入溫度太低或太高均不利于間壁換熱開采甲烷水合物。對于整個甲烷水合物開采過程,通過理論計算出的熱效率介于0.431～0.536之間,即分解過程中,生產1 000 cm3的甲烷氣體在單位時間內消耗的熱量與注入的熱量之比為0.431～0.536。

圖3 注入溫度與熱效率關系曲線

3 結論

1)熱力學法開采天然氣水合物的過程主要存在以下兩個問題:一是在較低的換熱溫度條件下,表現為水合物產氣速率較低,開采過程持續時間長,經濟效益低,不具備工業產值;二是在較高換熱溫度條件下,表現為水合物產氣過程存在較大的能量消耗,用于開采水合物的有效能量較低,經濟成本較高。

2)新定義的熱效率綜合考慮了能量的有效利用率及水合物注熱分解所需時間,同時保證了兩者的合理性。建立的數學模型計算結果顯示,存在最優的注入溫度使得熱效率最高,其中最優注入溫度為65 ℃,熱效率為0.536。