雙層連續(xù)管固態(tài)流化開(kāi)采水合物的內(nèi)管分析

楊 雁， 白建超， 王國(guó)榮， 蔡明杰， 毛良杰

(1. 西南石油大學(xué)理學(xué)院，成都 610500; 2. 宜賓學(xué)院理學(xué)部，宜賓 644000;3. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610500)

0 引言

水合物是在高壓、低溫的條件下，由天然氣與水結(jié)合而成的一種清潔能源[1]。世界水合物資源儲(chǔ)量豐富，約為1 890 億噸，主要分布于凍土以及海洋深水之中。我國(guó)南海儲(chǔ)藏著豐富的水合物資源，遠(yuǎn)景資源約為680 億噸，但70%左右儲(chǔ)藏在深水中[2–3]。傳統(tǒng)的水合物開(kāi)采方法主要基于注熱、降壓、以及注劑[4–5]。注熱開(kāi)采法存在效率低、成本高的缺點(diǎn)；降壓開(kāi)采法存在堵塞滲透路徑的缺點(diǎn)，影響長(zhǎng)期開(kāi)采效率；注劑開(kāi)采法存在化學(xué)劑費(fèi)用昂貴、對(duì)天然氣水合物的作用緩慢、影響環(huán)境等缺點(diǎn)[6–7]。鑒于傳統(tǒng)方法的不足，周守為院士提出了固態(tài)流化開(kāi)采技術(shù)，該方法主要技術(shù)原理步驟為：利用水合物在深水淺層下的溫度和壓力，保證水合物的穩(wěn)定性，即通過(guò)采掘設(shè)備對(duì)水合物以固態(tài)形式進(jìn)行開(kāi)發(fā)；將含天然氣水合物的沉積物粉碎成細(xì)小顆粒后，再與海水混合并采用封閉管道對(duì)其輸送至海面鉆井船[7]。2017 年，中國(guó)在南海神狐海域成功進(jìn)行了天然氣水合物試采，這次試采是中國(guó)首次也是世界首次成功實(shí)現(xiàn)資源量占全球90%以上、開(kāi)發(fā)難度最大的泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物安全可控開(kāi)采[8]。

天然氣水合物的固態(tài)流化開(kāi)采已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)水合物開(kāi)采的研究熱點(diǎn)。趙金洲等[9]基于固態(tài)流化開(kāi)采的技術(shù)原理建立了世界首個(gè)大型物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠模擬水深為1 200 米的水合物固態(tài)流化開(kāi)采全過(guò)程。對(duì)于固態(tài)流化開(kāi)采區(qū)安全性評(píng)價(jià)研究，伍開(kāi)松等[10]利用有限元分析方法對(duì)水合物藏固態(tài)流化采空區(qū)進(jìn)行了安全性評(píng)價(jià)；Liu 等[11]對(duì)深水氣井鉆井過(guò)程中井筒水合物形成及堵塞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與預(yù)防進(jìn)行了研究。對(duì)于水合物破碎參數(shù)優(yōu)化的研究，皮興強(qiáng)和伍開(kāi)松等[12]研究了PDC 單片切削破碎天然氣水合物參數(shù)優(yōu)選，并得出了鉆頭的最佳切削傾角等參數(shù)；王國(guó)榮等[13]首次研究了固態(tài)流化采掘海洋天然氣水合物藏破碎參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并得出噴嘴直徑、泵壓排量等關(guān)系曲線。對(duì)于井下工具的研究，王國(guó)榮等[14–15]研究了天然氣水合物射流破碎工具以及其它配套工藝技術(shù)；宋震等[16]研究了深水淺層非成巖天然氣水合物固態(tài)流化開(kāi)采的傘式工具。對(duì)于水合物開(kāi)采非平衡相模擬研究，李蜀濤等[17]研究了固態(tài)流化采掘水合物的水平管段固相顆粒運(yùn)移特征，并指出水平管段的壓力降主要受液相速度的影響較大；孫萬(wàn)通[18]研究了天然氣水合物藏固態(tài)流化采掘多相非平衡管流，并提出了相應(yīng)的水合物分解模型以及多相流的各輔助方程；魏納等[19–20]建立了多相非平衡管流的相關(guān)模型，提出了基于多相非平衡管流特征的現(xiàn)場(chǎng)施工措施；王志遠(yuǎn)[21]研究了含天然氣水合物相變的環(huán)空多相流轉(zhuǎn)化機(jī)制，分析了環(huán)空多相流的特性曲線以及影響規(guī)律等。文獻(xiàn)[22]研究了水合物隨著壓力的變化其流變性的改變，這也為多相流摩阻計(jì)算提供了新的理論參考。

淺層水合物進(jìn)行固態(tài)流化開(kāi)采存在地層漏失嚴(yán)重以及開(kāi)采效率低等問(wèn)題。目前國(guó)外同心鉆桿、以及隔水管充氣雙梯度鉆井技術(shù)是解決上述難題的有效手段，但其費(fèi)用昂貴，且對(duì)國(guó)內(nèi)技術(shù)封鎖壟斷[23]。雙層連續(xù)管具有柔性剛度、自動(dòng)化程度高且價(jià)格低廉，可用于常規(guī)鉆井[24–25]。基于以上問(wèn)題，王國(guó)榮等人[23]考慮到雙層連續(xù)管的優(yōu)越性，首創(chuàng)一種基于雙層連續(xù)管雙梯度的深水水合物固態(tài)流化開(kāi)采新工藝。而要解決開(kāi)采工藝的井控安全以及環(huán)境污染方面等問(wèn)題，首先需要對(duì)連續(xù)管內(nèi)管流動(dòng)特性進(jìn)行理論數(shù)值研究。因此，本文主要研究雙層連續(xù)管內(nèi)管舉升水合物時(shí)，雙層連續(xù)管內(nèi)管壓力以及溫度等相關(guān)特性的數(shù)值模擬問(wèn)題。建立了采用雙層連續(xù)管固態(tài)流化開(kāi)采天然氣水合物的井筒多相流動(dòng)模型；通過(guò)模型求解，分析了雙層連續(xù)管內(nèi)管多相流特性曲線和影響特性曲線的相關(guān)規(guī)律。研究結(jié)果可為采用雙層連續(xù)管內(nèi)管舉升水合物工藝提供理論支撐。

1 雙層連續(xù)管固態(tài)流化開(kāi)采天然氣水合物工藝流程

雙層連續(xù)管固態(tài)流化開(kāi)采天然氣水合物工藝流程、原理如圖1 所示。首先，在裸眼井中下接雙層連續(xù)管井下破碎工具系統(tǒng)以及舉升工具系統(tǒng)；然后，將鉆井液泵入連續(xù)管環(huán)空，經(jīng)橋式通道將鉆井液分流到井下工具環(huán)空，通過(guò)射流噴嘴對(duì)水合物進(jìn)行破碎；最后，破碎后的水合物顆粒經(jīng)井下吸入口進(jìn)入連續(xù)管內(nèi)管，并被舉升至海面鉆井船。在舉升的過(guò)程中，分離器將對(duì)水合物顆粒中的泥沙進(jìn)行分離并回填，橋式通道則將工具內(nèi)管的水合物顆粒混合液分流至連續(xù)管內(nèi)管。

圖1 雙層連續(xù)管固態(tài)流化開(kāi)采天然氣水合物示意圖

雙層連續(xù)管固態(tài)流化開(kāi)采天然氣水合物時(shí)，連續(xù)管外管環(huán)空內(nèi)為鉆井液?jiǎn)蜗蛄鳎鲃?dòng)規(guī)律簡(jiǎn)單；連續(xù)管內(nèi)管內(nèi)則為多相流，當(dāng)舉升至一定高度時(shí)，水合物發(fā)生分解反應(yīng)將會(huì)形成水合物相、液相、氣相的三相流動(dòng)。因此，雙層連續(xù)管井筒的流動(dòng)分析的關(guān)鍵在于內(nèi)管內(nèi)的多相流動(dòng)分析，本文將研究雙層連續(xù)管內(nèi)管中壓力分布、氣相流動(dòng)規(guī)律，并分析排量、溫度梯度、鉆井液密度等對(duì)雙層連續(xù)管內(nèi)管中壓力分布、氣相流動(dòng)規(guī)律的特性影響，這些研究有助于提高雙層連續(xù)管固態(tài)流化開(kāi)采天然氣水合物工藝的井控安全。

2 連續(xù)內(nèi)管流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)雷諾運(yùn)輸定律：在任意時(shí)刻，質(zhì)量體內(nèi)物理量的隨體導(dǎo)函數(shù)等于該時(shí)刻形狀、體積相同的控制體內(nèi)物理量的局部導(dǎo)數(shù)與通過(guò)該控制體表面的運(yùn)輸量之和[21]。本文將選取連續(xù)內(nèi)管的某一控制單元建立流動(dòng)模型進(jìn)而分析連續(xù)內(nèi)管的流動(dòng)特性。建立的內(nèi)管多相數(shù)學(xué)模型包括內(nèi)管溫度分布模型、內(nèi)管連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程，其中通過(guò)水合物動(dòng)態(tài)分解模型與連續(xù)方程耦合之后得到為溫度分布方程以及動(dòng)量守恒方程提供各的相含量、各相密度、各相速度。設(shè)計(jì)相應(yīng)的求解算法，利用有限差分原理進(jìn)行求解。

2.1 內(nèi)管多相流數(shù)學(xué)模型

2.1.1 溫度分布模型

為模擬計(jì)算深水雙層連續(xù)管內(nèi)管溫度分布，可認(rèn)為該雙層連續(xù)管內(nèi)管的實(shí)際傳熱與環(huán)空實(shí)際傳熱規(guī)律相同。根據(jù)能量守恒定律，基于文獻(xiàn)[19]，建立雙層連續(xù)管內(nèi)管的溫度場(chǎng)方程其中ρm為雙層連續(xù)管內(nèi)管混合流體密度(kg/m3)；νm為混合流體速度(m/s)；cm為混合流體比熱容(J/(kg·K))；Api為雙層連續(xù)管內(nèi)管橫截面面積(m2)；Tm為混合流體溫度(K)；L為雙層連續(xù)管的長(zhǎng)度(m)；qw為海水與井筒間的交換熱(W/m)；qf為混合流體摩擦產(chǎn)生的熱量(W/m)；qh為水合物的相變熱(W/m)。cm、qw、qh、qf的計(jì)算可參考文獻(xiàn)[19—20]，該式中Tm、ρm、νm為未知變量。

2.1.2 動(dòng)量守恒方程

為計(jì)算和模擬雙層連續(xù)管內(nèi)管壓力分布，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，基于參考文獻(xiàn)[21]建立動(dòng)量守恒數(shù)學(xué)模型

其中ρg、ρl、ρh分別為氣相、液相、固相水合物的密度(kg/m3)；P為雙層連續(xù)管內(nèi)管壓力(MPa)；Eg、El、Eh分別為氣相、液相、固相水合物所在單位體積內(nèi)的體積分?jǐn)?shù)，無(wú)因次；vg、vl、vh分別為氣相、液相、固相速度(m/s)；Pf為雙層連續(xù)管內(nèi)管摩阻(MPa)；α為管段與豎直方向的夾角(rad)。Pf、Eg、El、Eh的計(jì)算參考文獻(xiàn)[26]，該式中各相體積含量、各相密度、各相速度、內(nèi)管摩阻以及內(nèi)管壓力為未知變量。

注2 該工藝?yán)碚撋现话ㄘQ直段和水平段。因此，文獻(xiàn)中α為0°和90°；即整個(gè)連續(xù)管內(nèi)管的cos(α)為1。

2.1.3 連續(xù)性方程

為了計(jì)算各相含量，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，可建立雙層連續(xù)管內(nèi)管的氣、液、固三相連續(xù)性方程

其中qg為氣體生成速率(kg/(m2·s))；－qh為水合物分解速率(kg/(m3·s))；Xg為水合物中液相所占百分比，無(wú)因次。對(duì)應(yīng)計(jì)算可參考文獻(xiàn)[19—21]，該式中qg、－qh為未知變量。

2.2 輔助方程

為了計(jì)算出雙層連續(xù)管內(nèi)管多相流相關(guān)特性曲線需要建立水合物相平衡模型、動(dòng)態(tài)分解模型、流態(tài)判別模型的輔助方程。

2.2.1 水合物相平衡模型

這里采用文獻(xiàn)[21]中所用的相平衡模型來(lái)判斷水合物是否發(fā)生分解

其中nhy為單位體積內(nèi)水合物顆粒物質(zhì)的量(mol)；Pg為雙層連續(xù)管內(nèi)管在某一位置的壓力值(MPa)；kd為水合物分解速率常數(shù)，無(wú)因次；As為水合物粒子總面積(m2)；φ表示球形度，無(wú)量綱；Mhy為水合物摩爾質(zhì)量(kg/mol)；ρhy為水合物密度(kg/m3)。kd、φ、As的計(jì)算參考文獻(xiàn)[26]。

2.2.3 流體流態(tài)判別準(zhǔn)則

水合物發(fā)生分解后，將水合物固相、氣相、液相的多相流混合物，各相流速不同，且在不同流態(tài)下的流體產(chǎn)生的摩阻不同。本文采用現(xiàn)有的四大流態(tài)判別準(zhǔn)則[26]。

上式中，vsg為氣相折算速度(m/s)；vsl為液相折算速度(m/s)；vm為混合物速度(m/s)；d為管徑(m)；g為重力加速度(m/s2)；f為摩阻系數(shù)，無(wú)因次；δ為氣液相間界面張力(N/m)；ρl、ρg分別為氣、液相密度(kg/m3)；v0∞為單個(gè)氣泡在無(wú)限大介質(zhì)中的上升速度。vsg、vsl、v0∞的計(jì)算參考文獻(xiàn)[26]。

2.3 模型求解

2.3.1 邊界條件以及初始條件的建立

為了對(duì)雙層連續(xù)管內(nèi)管多相流的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，本文假設(shè)井底初始?jí)毫榫讐毫Γ纂p層連續(xù)管內(nèi)管溫度為海底溫度，初始水合物運(yùn)移速度為鉆井液移動(dòng)速度

其中P(L，0)為井底初始?jí)毫?MPa)，Tm(L，0)為海底雙層連續(xù)管內(nèi)管初始溫度(℃)。

2.3.2 模型求解方法

本文利用限差分法求解以上建立的多相流模型，具體求解流程圖如圖2 所示。

圖2 雙層連續(xù)管內(nèi)管多相流模型求解流程圖

2.3.3 網(wǎng)格收斂性分析

本文研究連續(xù)管內(nèi)管的數(shù)值計(jì)算，考慮到連續(xù)管內(nèi)管的物理模型，采用人工劃分的均勻正方形網(wǎng)格。選取某實(shí)際工藝相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)格收斂分析。設(shè)置邊界值，海底(泥線下)溫度40.19 ℃。設(shè)置兩組網(wǎng)格數(shù)，第一組為第二組的二分之一。通過(guò)迭代計(jì)算溫度場(chǎng)模型，可知均近似收斂至該邊界值。由此可見(jiàn)該網(wǎng)格是收斂的。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及實(shí)例分析

選取中國(guó)南海某口井為對(duì)象，研究雙層連續(xù)管內(nèi)管多相流的流動(dòng)特性并進(jìn)行影響因素分析。雙層連續(xù)管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3 所示，雙層連續(xù)管以及其它相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，南海某口井的相關(guān)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 中國(guó)南海某口井計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)表

圖3 雙層連續(xù)管設(shè)計(jì)工藝示意圖

表1 連續(xù)管以及其它相關(guān)參數(shù)表

本文模擬計(jì)算了1 600 米水合物開(kāi)采深度的相關(guān)特性曲線，根據(jù)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)比例，泥線位置為1 200 米處。泥線以下的管外傳熱系數(shù)為0.359 W/(m·K)，泥線以上管外傳熱系數(shù)為0.62 W/(m·K)。

3.1 實(shí)例計(jì)算分析

在實(shí)際作業(yè)中，為保證井控安全，需要及時(shí)監(jiān)控的多相流特征數(shù)據(jù)包括壓力、溫度分布及含氣率。根據(jù)本文所建立的(1)～(3)式，模擬出該工況下，雙層連續(xù)管內(nèi)管溫度分布、雙層連續(xù)管內(nèi)管壓力分布、雙層連續(xù)管內(nèi)管含氣率、雙層連續(xù)管內(nèi)管氣相速率的多相流特性曲線。

在深水鉆井過(guò)程中受海水傳熱以及水合物相變的作用，隨著流體上升，雙層連續(xù)管內(nèi)管溫度逐漸降低；通過(guò)雙層連續(xù)管內(nèi)管壓力以及含氣率的變化值可以看出，在海底1 600 米至700 米時(shí)，含氣率為0，此時(shí)固相含量以及液相含量相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)流體上升至700 多米的高度時(shí)，固相水合物開(kāi)始逐漸分解。

由圖4(a)可以看出，由計(jì)算可知連續(xù)管內(nèi)管溫度起初由于地溫梯度的原因，溫度逐漸下降，當(dāng)?shù)竭_(dá)泥線位置時(shí)，由于海洋溫度梯度原因，溫度會(huì)上升，此時(shí)由于水合物在壓力降低的主要原因下，發(fā)生分解。因此，分解吸熱導(dǎo)致管內(nèi)溫度持續(xù)下降。由于太陽(yáng)照射的原因，越接近海面溫度下降率越低。由圖4(b)可以看出，隨著流體的上升，管內(nèi)壓力逐漸降低。這說(shuō)明，隨著流體的上升導(dǎo)致靜液柱壓力降低；圖4(c)顯示當(dāng)水合物顆粒在700 米以后流體中的含氣率逐漸增大，這說(shuō)明水合物在一定高度會(huì)發(fā)生分解；圖4(d)顯示隨著多相流向上運(yùn)移，氣相速率逐漸增大，這說(shuō)明水合物分解產(chǎn)生氣相之后，隨著流體的上升，氣泡受到的壓力逐漸降低。

圖4 雙層連續(xù)管固態(tài)流化開(kāi)采天然氣水合物內(nèi)管多相流特性曲線

3.2 影響因素分析

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)以及陸井實(shí)驗(yàn)可知，影響連續(xù)管內(nèi)管壓力、溫度分布、含氣率的因素有鉆井液排量、溫度梯度(海水)和鉆井液密度。為進(jìn)一步分析這些影響因素對(duì)內(nèi)管多相流特性曲線的影響規(guī)律，以下選取了4 種鉆井液排量、5 種鉆井液密度和5 種溫度梯度分別進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.2.1 鉆井液排量對(duì)雙層連續(xù)管內(nèi)管多相流特性的影響分析

假設(shè)鉆井液密度為1.1 g/cm3，鉆井液排量分別為30 L/s、40 L/s、50 L/s、60 L/s 和70 L/s，通過(guò)計(jì)算，井底壓力分別為16.8 MPa、17.0 MPa、17.6 MPa、17.9 MPa 和18.2 MPa。通過(guò)改變鉆井液排量，根據(jù)本文所建立的式(1)溫度場(chǎng)方程、式(2)動(dòng)量守恒方程、式(3)連續(xù)性方程，模擬出雙層連續(xù)管內(nèi)管特性曲線影響規(guī)律圖。由圖5(a)可以看出，隨著排量的增加，內(nèi)管溫度降低；這說(shuō)明排量的增大，會(huì)使得連續(xù)管內(nèi)管傳熱的范圍越大，從而導(dǎo)致溫度擴(kuò)散更明顯。由圖5(b)可以看出，隨著排量的增大，含氣率降低；這說(shuō)明排量增大使得管內(nèi)壓力增大，從而抑制了水合物的分解，導(dǎo)致含氣率降低。由圖5(c)可以看出，排量對(duì)氣相速率的影響較小，這說(shuō)明排量只改變流體流動(dòng)摩阻，且產(chǎn)生的摩阻較小。因此，對(duì)氣相速率的影響不顯著。由圖5(d)可以看出，隨著排量的增加，管內(nèi)壓力將增大，排量過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)使得井底壓力超出安全窗口；這說(shuō)明排量的增加，導(dǎo)致管內(nèi)壓力增大，抑制了水合物的分解。因此，在雙層連續(xù)管開(kāi)采水合物的固態(tài)流化工藝工程中，合理的選擇鉆井液排量，從而提高井控安全。

圖5 排量對(duì)雙層連續(xù)管內(nèi)管多相流影響規(guī)律

3.2.2 溫度梯度對(duì)雙層連續(xù)管內(nèi)管多相流特性的影響分析

假設(shè)地溫梯度分別為0.035 ℃/m、0.04 ℃/m、0.45 ℃/m、0.50 ℃/m 和0.55 ℃/m，井底壓力為17.53 MPa。因此，通過(guò)改變溫度梯度，根據(jù)本文所建立的式(1)溫度場(chǎng)方程、式(2)動(dòng)量守恒方程、式(3)連續(xù)性方程，模擬出雙層連續(xù)管內(nèi)管特性曲線影響規(guī)律圖。由圖6(a)可以看出，隨著溫度梯度的增加，水合物分解的臨界高度降低；這說(shuō)明溫度梯度增高連續(xù)管內(nèi)管溫度升高的快，從而促進(jìn)了水合物的分解。由圖6(b)可以看出，隨著溫度梯度的增加，氣相速率增高；這說(shuō)明溫度的增加導(dǎo)致管內(nèi)多相流的密度降低，從而使得上升速率增大。由6(c)可以看出，隨著溫度梯度的增大管內(nèi)壓力會(huì)降低。這說(shuō)明溫度梯度的增加使得管內(nèi)多相流密度降低。由圖6(d)可以看出，海水溫度梯度越大，雙層連續(xù)管內(nèi)管溫度越大，這說(shuō)明海水溫度大于連續(xù)管內(nèi)管溫度，且受到傳熱作用。當(dāng)海水溫度梯度增大時(shí)，雙層連續(xù)管內(nèi)管溫度也隨之增大。

圖6 地溫梯度對(duì)雙層連續(xù)管內(nèi)管多相流影響規(guī)律

3.2.3 鉆井液密度對(duì)雙層連續(xù)管內(nèi)管多相流特性影響分析

假設(shè)鉆井液密度分別為1.10 g/cm3、1.15 g/cm3、1.20 g/cm3、1.25 g/cm3和1.30 g/cm3，井底壓力為17.53 MPa。因此，通過(guò)改變鉆井液密度，根據(jù)本文所建立的式(1)溫度場(chǎng)方程、式(2)動(dòng)量守恒方程、式(3)連續(xù)性方程，模擬出雙層連續(xù)管內(nèi)管特性曲線影響規(guī)律圖。由圖7(a)可以看出，在同一井深位置時(shí)，隨著鉆井液密度的增加，含氣率逐漸降低；這說(shuō)明密度的增加導(dǎo)致管內(nèi)壓力增大，從而抑制水合物的分解。由圖7(b)可以看出，含氣率會(huì)隨密度的增加而降低；這說(shuō)明密度的增大使得水合物分解速率降低。由圖7(c)可以看出，密度過(guò)小或者過(guò)大，都會(huì)使得井底壓力超出安全窗口；這說(shuō)明密度的增加導(dǎo)致管內(nèi)壓力降低。由圖7(d)可知，隨著鉆井液密度的增加，連續(xù)管內(nèi)管的溫度會(huì)顯著下降；這說(shuō)明密度的增加導(dǎo)致多相流流速降低，從而會(huì)降低摩阻產(chǎn)生的摩擦熱。因此，在雙層連續(xù)管開(kāi)采水合物的固態(tài)流化工藝工程中，合理的選擇鉆井液密度，從而提高井控安全。

圖7 鉆井液密度對(duì)雙層連續(xù)內(nèi)管多相流影響規(guī)律

綜上所述，由雙層連續(xù)管多相流特性曲線結(jié)果分析可以看出，隨著混合流體的上升，水合物在某一位置發(fā)生分解，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生大量氣體，從而威脅到井控安全。因此，需要在井上實(shí)施一定的安保措施，或者抑制水合物分解的有效措施，從而達(dá)到安全的固態(tài)流化開(kāi)采工藝作業(yè)。

3.3 靈敏度分析

以上通過(guò)鉆井液密度、排量、以及地溫梯度做了對(duì)連續(xù)管內(nèi)管特性曲線的影響，主要判斷對(duì)壓力及溫度的影響。實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于某一特定的海域，無(wú)法改變地溫梯度或者影響成本的其它參數(shù)。因此，需要做出三個(gè)參數(shù)對(duì)連續(xù)管內(nèi)管壓力以及溫度的靈敏度分析，為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的參考。

為了對(duì)以上三個(gè)參數(shù)的靈敏度進(jìn)行分析，保持其它基礎(chǔ)參數(shù)不變，同時(shí)對(duì)井深高度為81.25 米這一瞬態(tài)進(jìn)行分析。如下表3 參數(shù)與內(nèi)管溫度靈敏度分析表，表4 參數(shù)與內(nèi)管壓力靈敏度分析表。

表3 參數(shù)與內(nèi)管溫度靈敏度分析

表4 參數(shù)與內(nèi)管壓力靈敏度分析

通過(guò)上述線性擬合可以看出，鉆井液密度參數(shù)與內(nèi)管的溫度及壓力的斜率較大。因此，在雙層連續(xù)管開(kāi)采水合物過(guò)程中，可主要調(diào)節(jié)鉆井液密度來(lái)實(shí)現(xiàn)控溫控壓調(diào)節(jié)操作。

4 結(jié)論

本文通過(guò)一系列的數(shù)值實(shí)驗(yàn)，對(duì)于后期海洋實(shí)驗(yàn)可提供一定的理論指導(dǎo)。針對(duì)雙層連續(xù)管的固態(tài)流化開(kāi)采工藝系統(tǒng)的內(nèi)管多相流段，建立了多相流動(dòng)模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并且對(duì)雙層連續(xù)管內(nèi)管壓力、溫度分布、以及氣相含量等進(jìn)行了分析，選取某海域?qū)嵗膮?shù)值作為初始值進(jìn)行數(shù)值求解，并得到如下結(jié)論。

1) 隨著鉆井液排量的增加，泥線以下壓力將大于破裂壓力。在本文研究的工況中，當(dāng)隨著排量大于70 L/s，泥線下壓力將大于破裂壓力。

2) 鉆井液密度會(huì)直接影響連續(xù)管內(nèi)管壓力，需要確保鉆井液密度在安全窗口內(nèi)。在本文所研究工況中，鉆井液密度需保持在1.1 g/cm3到1.30 g/cm3的安全窗口內(nèi)。

3) 隨著排量、溫度梯度、鉆井液密度的增加，水合物分解的臨界高度降低。隨著排量的增加，連續(xù)管內(nèi)管內(nèi)壓力將增大。隨著溫度梯度的增大，連續(xù)管內(nèi)管內(nèi)壓力降低。隨著鉆井液密度的增大，連續(xù)管內(nèi)管壓力顯著增大。

4) 利用雙層連續(xù)管固態(tài)流化開(kāi)采天然氣水合物時(shí)，若井底壓力低于或接近孔隙壓力時(shí)，可通過(guò)增大1%的鉆井液密度或者增大10%的鉆井液排量來(lái)調(diào)節(jié)；當(dāng)井底壓力接近或者大于破裂壓力時(shí)，可通過(guò)減少1%的鉆井液密度或者減少10%的排量來(lái)調(diào)節(jié)井底壓力，從而預(yù)防安全事故的發(fā)生。