天然氣水合物注熱、降壓開采可行性實驗研究

陳克 段林林 尹洪超 楊碩 辛偉明

摘要：天然氣水合物是一種新型的化石能源，它的效率很高，一般都埋藏在距離地表很近的地方，它分布很廣。現在能源越來越少，需要對水合物的開采進行相應的研究，本文主要通過設計天然氣水合物合成和分解的實驗來對其進行了研究。并對水合物注熱降壓開采的這些方式進行了模擬，從而選擇了合適的方法，根據實驗結果進行對比，選出較好的開采方法。

關鍵詞：天然氣水合物;注熱開采;降壓開采;井位布置方式

目前能源十分緊張，現在已經迫切的需要去尋找那些可以穩定優質的能源。天然氣水合物是一種新型能源，已經受到了社會和人民的廣泛關注，天然氣水合物分布很廣并且資源豐富比較容易獲取，它是一種具有很大潛力的可替代資源。我國對天然氣水合物的研究已經有了兩百年的歷史。應該不斷地采取試驗去進行探索，獲取相關的信息，在研究時需要考慮到全球氣候的變化以及海洋地質的情況，都要對其進行研究，現在在開采水合物主要的方法有常規注熱法，降壓法等等這些方法。分析了這些方法，并選擇了與其相對應的井位布置方式對實驗結果進行了詳細的分析，為未來水合物的開采提供了一定的基礎。目前一種比較有效的開采技術NCH技術，但是卻需要對其相關的理論和工藝進行深入的研究。

一、實驗設備和方法

這些步驟主要有供液、供氣、生成、開采、模擬環境、計量、采集數據并進行處理等這些模塊。將多孔介質當中的NCH進行合成并對其進行處理，然后對其進行加熱，采取多種試驗并進行觀察。在試驗中所選用的砂石為石英砂。在進行填砂時需要逐層的進行壓實，控制好孔隙的大小，經過測試它具有一定的滲透率。開展實驗時要利用水和鹽分調配好比例，控制好它的質量比，然后制作好蒸餾，水要求氯化鈉的程度要大于99.5%。在實驗過程當中，為了避免熱量流失，需要采取專業的容器來進行保管，主要是使用保溫海綿管來保護注熱管路和填砂管，將其進行包裹，避免熱量散失。實驗的步驟主要有第一合成NCH等容，第二，當完成合成后，需要采取措施來保持恒溫箱的溫度，不要發生變化，要調整回壓閥的壓力，與系統壓力保持一致。之后再打開閥門口，設定好預熱罐的溫度。當溫度穩定不會再發生變化之后，由其他的閥門來向內加入熱水對管路進行預熱。預熱完成之后，需要關閉旁邊的閥門，打開入口閥向內注入熱水，但是在注入的過程當中需要控制好速度不要發生變化，并記錄相關的曲線，主要是注水、產氣、產水的曲線。根據這些曲線來對其進行研究，當系統無法運行的時候，要將壓閥里面的壓力放出直到大氣壓。同時也要計算系統當中所存在的剩余氣量。第四要改變預熱管，提前設定好的溫度，再重復以上的步驟進行新的等容合成，同時也要進行注熱開采的實驗。

二、實驗結果分析

通過改變預熱管提前設定好的溫度，然后再對其進行四個周期的實驗，獲取到了相關的結果。

1.系統溫度場

在對NCH進行注熱開采時，開采的過程當中必須要控制好溫度場的分布和傳播，根據相關的實驗來看，在不同的測點當中，它們的溫度變化都是先快后慢，然后穩定在一定的水平，就是因為在注入熱水之前填砂管的溫度都比較低，當熱水注入之后，會波及到其中的一個位置，在這一地方的溫度就會升高，并且也會加強和外界環境的交換，當達到一定程度之后，熱水介質和外部之間的溫度就會呈現一種平衡。這樣這處的溫度就會穩定，在實驗室注水的速度為一分鐘11ml，管內的熱水推進速度為一分鐘97cm。按照這樣的速度和推進速度來看，計算的熱前緣推進速度和注水速度應該是一樣的，這就說明推進是由注入熱水的滲流速度來決定的，并不是受到了熱傳導的作用。

2.產氣規律

根據實驗研究的結果來看，產氣規律主要有以下這幾點，主要是三個階段。第一個階段是初始注熱階段。剛開始注熱之后它的速度會突然的升高，然后在短時間內就達到了最高點，但是也會很快回落到比較低的水平當中，這是因為在填砂管之內它含有自由的氣體，會受到影響。剛開始注熱的時候，自由氣都會在很多介質當中進行流動，并且它的速度與水的速度相比是很大的。當水注入之后會受到水的氣體作用，然后很快就會產出，但是水有一個滯后的啟動，這時候就會只產氣不產水。但是當介質當中的水開始向外流時，它會受到氣體和液體滲流的影響，這個時候長期的速度又會提高，達到最高點，然后就會快速的下降。這時候的產期規律就會受到自由氣的控制。第二個階段就是當產期的速度不斷上升之后，達到了一個比較穩定的狀態。速度不會出現大幅度的變化，但是隨著熱前緣的不斷推進，參與分解的NCH會越來越多，在此之后產氣的速度也會不斷地提高，當達到一定程度后也會平衡。同時，產氣的速度也會發生變化，產氣的速度會受到NCH分解的影響，它的速度關系到產氣的速度。最后一個階段就是它的產氣速度會不斷的減少，但是也會穩定在一個狀態，這時候的速度就比較小，然后慢慢的就會為零。從相關的溫度曲線上來看，注熱前緣已經推進到了填砂口，這時候，NCH的數量就會不斷地減少，產氣的速度也越來越慢，當它分解完成之后，就會變成自由氣和分解氣。這樣這兩股氣流比較穩定，互相滲流。它的速度也會形成一個穩定的低速。在多孔介質當中可以取締其他的氣，不斷的減少，它的速度也會隨之減少，最終成為零速度。填砂管只會剩一個束縛氣。

3.產水規律

在注水當中速度十分平衡，注水曲線比較平穩。剛開始會給預熱罐設定一個起始溫度，但是隨著它的溫度會不斷地升高，提高了換熱的效率，當達到160度時是最高的溫度，之后就會慢慢的降低，這是因為當注水溫度不斷提高時，系統的溫度也會隨之提高，并且升高的速度也在不斷的加快，熱前緣推進速度也在加快。這樣減少了總的注水量，但是會造成很大的熱量損失。在四個實驗當中它的換熱效率基本上都是一，說明在這種條件之下只從能量角度來進行評價，這是無法獲得準確結果的。從瞬時產水曲線來看，它在不斷地進行波動，這是因為氣體和液體在滲流過程當中沒有穩定的進行，同時也受到了回壓閥的影響，總體來說，采水曲線會圍繞著注水曲線不斷的進行波動，但是注水量和采水量基本上是平衡的。

4.能量效率

在NCH進行注入開采的過程當中，對技術沒有提出很高的要求。它具有經濟可行性，主要是從能量來進行分析，根據系統的溫度以及產生氣體的曲線可以看到，當測點的溫度上升到一定的數值之后，就可以將填砂管當中的NCH分解完成，如果繼續注水它的作用就會發生改變，變成一種可流動的氣體來驅替多孔介質當中氣體。這時候，NCH就轉化成一種天然的氣體，此時再繼續注入熱水時，它的意義就已經沒有了。這時候當溫度上升到5℃，就可以利用此時的溫度對所出現的氣量數據進行優化，同時在評價它的經濟可行性，在計算能量時需要按照一定的公式來進行。

結束語：根據試驗結果來看，再進行注熱和降壓開采時要注重開采的模式，可以將二者進行結合互相輔助，這樣可以取得良好的實驗效果，同時也要控制好開采的溫度以及開采時產氣的速度，會受到溫度場變化影響。同時也要控制好換熱的效率，為了提高效益要不斷的優化注入水的溫度，將注熱開采和降壓開采結合起來，引進相關的工藝減少損失。

參考文獻：

[1] 徐新華.天然氣水合物注熱開采可行性實驗研究[D].中國石油大學（華東），2018

[2] 李杰.天然氣水合物注熱、降壓開采可行性實驗研究[D].中國石油大學（華東），2018.

（作者單位：中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司）