天然氣水合物微波輔助開采模擬研究

＊王佳琪 周昕霖 葛坤

（1.哈爾濱工程大學(xué) 黑龍江 150001 2.哈爾濱工程大學(xué)青島創(chuàng)新發(fā)展基地 山東 266400）

引言

面對(duì)世界能源問(wèn)題，我國(guó)作出碳達(dá)峰、碳中和的重大戰(zhàn)略決策，也是我國(guó)未來(lái)能源發(fā)展的方向[1]。為了實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，提高低碳能源在能源結(jié)構(gòu)中的占比，新型清潔能源的開發(fā)利用迫在眉睫。在眾多清潔能源中，天然氣水合物不僅能量密度源高于傳統(tǒng)煤炭和天然氣，同時(shí)釋放的硫化物、煙塵等比煤炭、石油小得多，因此天然氣水合物作為替代能源而言具有廣闊的開發(fā)前景，對(duì)于我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義[2]。

天然氣水合物工業(yè)化開采的主要技術(shù)之一是微波加熱法[3]，在微波加熱過(guò)程中熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)共同作用下，水合物分解效率更高。和其他加熱方式相比，微波加熱具有選擇性吸收、加熱速度快、能量利用率高、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[4]。雖然微波加熱具有顯著優(yōu)勢(shì)，但由于微波發(fā)生設(shè)備價(jià)格等原因，微波加熱開采的經(jīng)濟(jì)性較低[5]。因此為提高微波加熱開采天然氣水合物的經(jīng)濟(jì)性，提升微波加熱的能量利用率，開展微波加熱方向的研究是至關(guān)重要的。

Zhao等[6]建立了微波加熱水合物分解模型，對(duì)微波加熱過(guò)程中水合物分解特性進(jìn)行了研究，模擬結(jié)果表明在微波加熱過(guò)程中微波滲透深度下降，導(dǎo)致儲(chǔ)層出現(xiàn)溫度梯度，儲(chǔ)層上部水合物分解較快。Davletshina等[7]研究了天然氣水合物分解過(guò)程中介質(zhì)和微波參數(shù)對(duì)分解過(guò)程的影響，得到了不同參數(shù)下水合物分解前沿坐標(biāo)隨時(shí)間的變化關(guān)系，并研究了微波加熱過(guò)程中甲烷水合物的分解特征，模擬結(jié)果表明，儲(chǔ)層內(nèi)的溫度和壓力隨著微波源距離的增大而逐漸減小[8]。

在本研究中，基于研究南海神狐海域水合物沉積物物性特征，建立了微波加熱分解天然氣水合物數(shù)值模型，模擬分析不同加熱方式下天然氣水合物在微波場(chǎng)中的分解規(guī)律，并對(duì)比分析了不同開采方式下的產(chǎn)氣特性和能量利用率，為提高微波加熱天然氣水合物開采的經(jīng)濟(jì)性提供理論依據(jù)。

1.模擬方法

(1)水合物分解模型建立

①質(zhì)量守恒方程

氣、水和水合物三組分的質(zhì)量守恒方程為[6]：

式中，r為模型徑向坐標(biāo)長(zhǎng)度，m；y為軸向坐標(biāo)長(zhǎng)度，m；ρi分別是氣體、水及水合物的密度，kg/m3；viy是滲流速度，m/s；是邊界水和氣體變化量，kg/m3；分別是產(chǎn)水率、分解產(chǎn)氣率以及水合物分解消耗率，kg/（s·m3）。

三相飽和度關(guān)系：

氣相和液相符合達(dá)西定律：

式中， Si為各項(xiàng)飽和度； k0為不含水合物多孔介質(zhì)絕對(duì)滲透率，mD；N為滲透衰減指數(shù)； kri為相對(duì)滲透率，相對(duì)滲透由經(jīng)驗(yàn)常數(shù)控制；K是儲(chǔ)層滲透率mD。

②能量守恒方程

水合物分解熱：

各相的焓與多孔介質(zhì)的焓為：

③反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程

水合物分解基于Kim-Bishnoi動(dòng)力學(xué)模型：

式中，Mg是氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol； kd是反應(yīng)常數(shù)；為水合物分解時(shí)單位體積產(chǎn)氣率；k0代表本征動(dòng)力學(xué)常數(shù)，k0=3.6×104mol/(m2·Pa·s)，ΔEa/ R=9752.73K，A為氣水與水合物接觸面積，m2。

④微波吸收轉(zhuǎn)化方程

儲(chǔ)層吸收微波能量產(chǎn)生熱量為：

式中，ε ′、 ε ′分別為相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)介電損耗因子；Ep為微波功率，W；Dp為微波滲透深度，m，表示微波能量密度由發(fā)射密度衰減到初始值的e-1的距離。

(2)模擬條件和巖心參數(shù)設(shè)置

本研究的模擬模型如圖1所示。產(chǎn)氣井位于軸線上。微波發(fā)射器安放在產(chǎn)氣井中，微波沿垂直于軸的方向輻射到各向同性的儲(chǔ)層。邊界條件設(shè)為絕熱無(wú)滑移。

圖1 水合物儲(chǔ)層示意圖

初始條件和邊界條件如下：

(3)模型驗(yàn)證

He等人[10]進(jìn)行了2.45GHz微波加熱下甲烷水合物在沉積物中分解實(shí)驗(yàn)，圖2中實(shí)線為He等人的兩組不同實(shí)驗(yàn)下累積產(chǎn)氣量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，點(diǎn)劃線為本研究建立模型的模擬數(shù)據(jù)，從對(duì)比圖中可以看出兩項(xiàng)數(shù)據(jù)誤差保持5%之內(nèi)，從而證明了本文建立的模型具有較高準(zhǔn)確性，可以進(jìn)行下一步研究。

2.不同微波加熱方式對(duì)水合物分解的影響研究

為提高微波加熱開采水合物分解的能量利用率及產(chǎn)氣速率，對(duì)不同微波加熱方式進(jìn)行對(duì)比分析，加熱方式如表1所示。

表1 不同微波加熱方式

(1)微波加熱下天然氣水合物分解特征

如圖3所示為不同加熱方式下天然氣水合物的產(chǎn)氣速率及產(chǎn)氣總量變化曲線。持續(xù)加熱及單循環(huán)加熱工況下的產(chǎn)氣速率在反應(yīng)前期均保持上升狀態(tài)，在上升至產(chǎn)氣速率峰值后，逐漸下降，直至反應(yīng)結(jié)束產(chǎn)氣速率降為零；雙循環(huán)加熱工況下的產(chǎn)氣速率達(dá)到兩次產(chǎn)期峰值，微波加熱時(shí)產(chǎn)氣速率上升，微波加熱結(jié)束后產(chǎn)氣速率下降，二次微波加熱結(jié)束后產(chǎn)氣速率逐漸降為零。產(chǎn)氣總量的變化則是在反應(yīng)前期快速上升，在反應(yīng)后期逐漸放緩，直至反應(yīng)結(jié)束，在雙循環(huán)加熱情況下微波加熱時(shí)產(chǎn)氣總量曲線快速上升，微波加熱停止時(shí)產(chǎn)氣總量變化趨勢(shì)變緩，直至反應(yīng)結(jié)束。

圖3 不同加熱方式下產(chǎn)氣速率及產(chǎn)氣總量變化

在模擬1持續(xù)加熱情況下，產(chǎn)氣速率在前期快速上升，在1536s時(shí)達(dá)到峰值，之后緩慢下降至反應(yīng)結(jié)束。在模擬2單循環(huán)加熱情況下，產(chǎn)氣速率在1500s達(dá)到峰值，隨后緩慢下降。在模擬3雙循環(huán)加熱情況下，產(chǎn)氣速率在前期快速上升，在930s時(shí)達(dá)到峰值1.914Scm3/s，隨后在1386s降至峰谷，然后在1878s達(dá)第二峰值1.968Scm3/s，之后緩慢下降至反應(yīng)結(jié)束。在模擬4情況下，產(chǎn)氣速率在612s時(shí)到達(dá)產(chǎn)氣峰值0.6484Scm3/s，在990s時(shí)降至峰谷，在1860s時(shí)達(dá)到第二峰值2.649Scm3/s，隨后產(chǎn)氣速率緩慢下降至結(jié)束。在模擬5情況下，產(chǎn)氣速率在930s時(shí)到達(dá)產(chǎn)氣峰值1.914Scm3/s，在2196s時(shí)降至峰谷，在1860s時(shí)達(dá)到第二峰值1.8Scm3/s，隨后產(chǎn)氣速率緩慢下降至結(jié)束。

(2)不同加熱方式下天然氣水合物平均產(chǎn)氣速率及能量利用率對(duì)比

①持續(xù)加熱與單循環(huán)加熱對(duì)比

如圖4所示為不同模擬情況下天然氣水合物分解平均產(chǎn)氣速率及能量利用率變化曲線，從圖中可以看出，當(dāng)加熱條件由模擬1持續(xù)加熱至水合物完全分解調(diào)整為模擬2單循環(huán)加熱1500s，平均產(chǎn)氣速率由1.993Scm3/s降低至1.8914Scm3/s，能量效率由3.1686提升至4.2459。模擬1、模擬2對(duì)比可以看出，將微波加熱時(shí)間降為1500s，儲(chǔ)層水合物分解的產(chǎn)氣速率略微下降但能量利用率極大地提升，這是由于微波加熱前期為水合物分解提供了足夠的熱量并且儲(chǔ)層吸收了大量的微波能量提升儲(chǔ)層顯熱，因此在水合物分解后期停止微波加熱時(shí)，水合物可以吸收前期微波能量轉(zhuǎn)化的儲(chǔ)層顯熱作為分解熱量，保證分解繼續(xù)進(jìn)行。

圖4 水合物分解平均產(chǎn)氣速率及能量利用率變化

如圖5所示為模擬1和模擬2在水合物分解過(guò)程中的儲(chǔ)層溫度分布變化，對(duì)溫度分布場(chǎng)分析可知，前25min儲(chǔ)層溫度變化一致，在25min后，模擬1的儲(chǔ)層溫度繼續(xù)上升，模擬2的儲(chǔ)層溫度開始下降，原因是在25min后模擬2微波加熱停止，模擬2的儲(chǔ)層水合物分解依靠的是吸收自身的儲(chǔ)層顯熱，因此儲(chǔ)層溫度降低，而模擬1的儲(chǔ)層在微波加熱下持續(xù)吸收微波能量分解水合物的同時(shí)提升儲(chǔ)層顯熱，因此儲(chǔ)層溫度更高。這表明在水合物分解后期微波加熱的能量更多的用于提升儲(chǔ)層溫度而不是作用于水合物分解，所以為提升開采的能量利用效率，應(yīng)合理選用微波加熱時(shí)間以更加充分地利用微波能量。

圖5 持續(xù)加熱和加熱1500s情況下水合物分解過(guò)程中的儲(chǔ)層溫度分布

②單循環(huán)加熱與雙循環(huán)加熱對(duì)比

如圖4所示的模擬2單循環(huán)加熱與模擬3雙循環(huán)加熱的平均產(chǎn)氣速率及能量利用率對(duì)比可知，在采用相同加熱時(shí)間情況下，單循環(huán)加熱與雙循環(huán)加熱相比，單循環(huán)加熱情況下的平均產(chǎn)氣速率更高，水合物完全分解所需時(shí)間更短；由模擬2單循環(huán)加熱1500s改為模擬3雙循環(huán)加熱，能量利用率不變，但平均產(chǎn)氣速率由1.993Scm3/s降低至0.9059Scm3/s。產(chǎn)生這種情況的原因是在單循環(huán)加熱情況下，水合物前期在微波加熱作用下快速分解，產(chǎn)生大量的水，而水作為一種具有較大介電損耗的極性分子，可以促進(jìn)儲(chǔ)層對(duì)微波能量的吸收轉(zhuǎn)化效率，將大量的微波能量轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)層顯熱為后期水合物分解提供熱量。而采用雙循環(huán)加熱情況下儲(chǔ)層水合物在第一次微波加熱結(jié)束后開始依靠自身儲(chǔ)層顯熱分解水合物，但第一次加熱時(shí)間較短，儲(chǔ)層熱量不足，導(dǎo)致分解速率下降，在第二次微波加熱開始后水合物分解速率開始回升。因此在相同加熱時(shí)間情況下，單循環(huán)加熱的平均產(chǎn)氣速率要高于雙循環(huán)加熱的平均產(chǎn)氣速率。

③雙循環(huán)加熱對(duì)比

A.不同加熱時(shí)間對(duì)比

模擬3、模擬4、模擬5所采用雙循環(huán)加熱方式，從圖3可以看出，當(dāng)微波加熱停止時(shí)，水合物分解速率持續(xù)下降，當(dāng)重新開始微波加熱時(shí)，水合物分解速率回升，這說(shuō)明微波加熱對(duì)于水合物分解具有較大的促進(jìn)作用。

從圖4可以得到，模擬3、模擬4均采用雙循環(huán)加熱方式，前期加熱時(shí)間由模擬3的900s降至模擬4的600s，平均產(chǎn)氣速率由0.9059Scm3/s降低至0.8867Scm3/s。相同熱量輸入的情況下，在雙循環(huán)加熱時(shí)，降低前期微波加熱時(shí)間會(huì)導(dǎo)致平均產(chǎn)氣速率降低。這是由于微波加熱時(shí)間越長(zhǎng)，儲(chǔ)層水合物分解的越充分，儲(chǔ)層分解出的水越多，儲(chǔ)層可以吸收微波能量轉(zhuǎn)化為的儲(chǔ)層顯熱更多，在停止加熱時(shí)用以水合物分解的熱量更多。因此降低前期微波加熱時(shí)間，儲(chǔ)層吸收的微波能量減少，間歇時(shí)可以為水合物分解提供的熱量少，水合物前期分解速率低。而延長(zhǎng)二次加熱時(shí)間，儲(chǔ)層吸收的微波能量增加，后期產(chǎn)氣速率提高。

B.不同間歇時(shí)間對(duì)比

模擬3、模擬5對(duì)比看出，對(duì)于相同循環(huán)的加熱方式，間隔時(shí)間越長(zhǎng)，平均產(chǎn)氣速率越低，間隔時(shí)間由300s增至600s，平均產(chǎn)氣速率由0.9059Scm3/s降低至0.8604Scm3/s；原因是在間歇時(shí)間內(nèi)水合物分解所需的能量由儲(chǔ)層顯熱提供，間歇時(shí)間越長(zhǎng)，消耗的儲(chǔ)層顯熱越多，水合物分解速率下降的幅度越大。

通過(guò)對(duì)比不同微波加熱方式可以看出，合理減少微波加熱時(shí)間能夠有效提升能量利用率，其中單循環(huán)加熱的平均產(chǎn)氣速率及能量利用率高于雙循環(huán)加熱，而采用雙循環(huán)加熱間歇時(shí)間越長(zhǎng)，平均產(chǎn)氣速率越低。

4.結(jié)論

持續(xù)加熱可以保證水合物的高速分解，但是大量微波能量被儲(chǔ)層吸收轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)層顯熱提升儲(chǔ)層溫度，能量利用率較低。和雙循環(huán)加熱相比單循環(huán)加熱對(duì)于微波能量轉(zhuǎn)化效率更高，所以單循環(huán)加熱作用下儲(chǔ)層水合物分解的平均產(chǎn)氣速率及能量利用率都要高于雙循環(huán)作用下的儲(chǔ)層水合物分解速率及能量利用率。