注蒸汽開采凍土區(qū)天然氣水合物數(shù)值計(jì)算與野外應(yīng)用

李 寬，張永勤，孫友宏，郭 威，李 冰

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000;2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026)

天然氣水合物具有分布埋藏淺、范圍廣、儲(chǔ)量大、能量密度高等突出特點(diǎn)[1]，而試開采研究是天然氣水合物從“永無休止的政府研發(fā)類項(xiàng)目”走向商業(yè)開采的必經(jīng)之路[2]。與海域環(huán)境相比，凍土區(qū)的天然氣水合物賦存于較低的溫壓條件下，在開采工藝與施工作業(yè)方面都更易于進(jìn)行試開采研究[3]。

1 天然氣水合物開采研究現(xiàn)狀

天然氣水合物開采的基本思路是人為打破水合物賦存的相平衡條件促使水合物分解(如圖1)，然后將分解的天然氣運(yùn)至地表[4]。天然氣水合物開采方法主要有加熱法、降壓法、化學(xué)試劑注入法、CO2置換法、固體開采法、綜合開采法等[5]。

圖1 天然氣水合物溫壓平衡曲線

在試采實(shí)踐研究方面，俄羅斯麥索亞哈氣田天然氣水合物開采工程采用的是降壓法和化學(xué)試劑法聯(lián)合開采，經(jīng)理論計(jì)算，從天然氣水合物中共開采出69億m3天然氣[6];2003年美國(guó)阿拉斯加北坡天然氣水合物試采項(xiàng)目，是將MDT(模塊式地層動(dòng)態(tài)測(cè)試器)下至目標(biāo)開采層進(jìn)行降壓開采[7];2002～2008年，加拿大馬更些地區(qū)天然氣水合物試采項(xiàng)目中，分別采取了降壓法和加熱法對(duì)水合物進(jìn)行了試生產(chǎn)試驗(yàn)[8];2011年我國(guó)首次在青海木里盆地開展了水合物試開采研究(本論文研究?jī)?nèi)容應(yīng)用項(xiàng)目)，采用的是降壓法和加熱法聯(lián)合開采;2013年日本首次從近海地層蘊(yùn)藏的天然氣水合物中分離出甲烷氣體。

2 注蒸汽開采方案

根據(jù)木里盆地天然氣水合物賦存特征，并參考相平衡曲線，采用單一的加熱法開采能量利用率較低，很難將熱量直接作用于擬開采層，經(jīng)濟(jì)性較差;降壓法開采是最經(jīng)濟(jì)的開采方法，但是單一的降壓開采過程中由于水合物分解的“自保護(hù)作用”，會(huì)阻止水合物進(jìn)一步分解;同時(shí)，水合物相變吸熱容易在裂隙中出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，堵塞天然氣逸出通道。

本文在降壓法開采的基礎(chǔ)上提出了注蒸汽開采，開采原理如圖2所示。首先，勘探先導(dǎo)孔確定水合物的層位，并在目標(biāo)層下入花管保證分解的天然氣逸出;然后，孔底的潛水泵將孔內(nèi)水位控制在目標(biāo)開采層以下實(shí)現(xiàn)降壓開采;同時(shí)，地表產(chǎn)生的高溫高壓熱蒸汽通過雙壁鉆桿輸送至目標(biāo)層位，對(duì)擬開采層進(jìn)行激振往復(fù)式熱激發(fā)。注蒸汽開采具有降壓法開采經(jīng)濟(jì)、有效的特點(diǎn)，同時(shí)可以防止水合物分解的“自保護(hù)效應(yīng)”，促進(jìn)了水合物的進(jìn)一步分解。注蒸汽開采從理論上可以增大開采范圍，延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間，保證開采的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

圖2 注蒸汽開采原理

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 基本假設(shè)與計(jì)算參數(shù)

利用FLUENT軟件對(duì)蒸汽對(duì)水合物層加熱數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)需做如下假設(shè):(1)流動(dòng)過程中蒸汽的溫度、壓力等不變，不考慮蒸汽的相變影響，對(duì)應(yīng)的蒸汽的熱物性參數(shù)為定值;(2)水合物賦存地層為各向同性，熱物理參數(shù)通過水合物和巖石的組分比值確定;(3)不考慮水合物分解對(duì)地層熱物性參數(shù)的變化。

模擬計(jì)算所需要的主要計(jì)算參數(shù)為:蒸汽入口溫度180℃，蒸汽出口壓力0 MPa，蒸汽密度5.145 kg/m3，蒸汽比熱容4.417 kJ/(kg·℃)，蒸汽導(dǎo)熱系數(shù)1.54 W/(m·℃)，擬加熱長(zhǎng)度2.0 m，地層初始溫度0℃，開采層密度2476 kg/m3，開采層比熱容1.125 kJ/(kg·℃)，開采層導(dǎo)熱系數(shù)0.41 W/(m·℃)。

3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

加熱模型共進(jìn)行了4組數(shù)值計(jì)算，圖3(a)、(b)、(c)、(d)分別為 5、10、20 和 50 kW 的蒸汽注熱45 h后的溫度云圖;設(shè)定擬開采溫度為10℃，從溫度云圖可得到4種功率條件下的開采半徑如表1所示。

圖3 不同注熱條件下的溫度云圖

表1 不同注熱條件下的開采半徑

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過模擬計(jì)算結(jié)果分析可知，蒸汽溫度是影響熱傳遞的主要因素，蒸汽流速越快，進(jìn)出口溫差越小，開采半徑也越接近。與5、10 kW相比，20 kW時(shí)蒸汽進(jìn)出口溫差小，進(jìn)出口截面處開采半徑基本相同，滿足開采需求;50 kW時(shí)可增大開采半徑，但提高不明顯，能量利用率較低，最終選擇最佳注蒸汽功率為20 kW。根據(jù)蒸汽出口截面處地層溫度的變化，在滿足擬開采溫度10℃、擬開采半徑0.5 m的前提下，當(dāng)注蒸汽功率為20 kW時(shí)，所需注熱時(shí)長(zhǎng)為38 h。

4 注蒸汽開采野外應(yīng)用

在青海祁連凍土區(qū)天然氣水合物試開采項(xiàng)目中，首先進(jìn)行降壓法開采，降壓開采共進(jìn)行75 h，采氣量為82.6 m3;之后進(jìn)行降壓法與太陽能加熱/電磁加熱聯(lián)合開采;當(dāng)上述開采方法產(chǎn)氣量較少時(shí)，開始進(jìn)行注蒸汽開采。

注蒸汽開采分為注熱和采氣兩個(gè)階段，在注熱階段，天然氣出口關(guān)閉，為“悶井”階段;當(dāng)孔內(nèi)壓力上升至一定值時(shí)，停止注熱，機(jī)抽法將天然氣抽至地表，同時(shí)孔內(nèi)壓力的降低促進(jìn)了水合物進(jìn)一步分解。

4.1 注熱階段

注熱階段共持續(xù)4.5 h，蒸汽發(fā)生器連續(xù)工作，脈沖式往孔內(nèi)注入高溫高壓蒸汽對(duì)水合物層進(jìn)行熱激發(fā)，圖4和圖5為注熱階段孔底溫度和壓力變化曲線。

圖4 注熱階段孔底溫度變化曲線

圖5 注熱階段孔底壓力變化曲線

從溫度和壓力曲線可以看出:隨著蒸汽的注入，前1.2 h溫度略微降低，因?yàn)樗衔锵嘧優(yōu)槲鼰徇^程，這一段時(shí)期稱為“分解誘導(dǎo)期”。注熱1.2 h后孔底溫度緩慢升高，沿徑向地層中的水合物緩慢分解，孔底壓力隨之緩慢升高，為“分解加速期”。由此可知，注蒸汽開采能夠使水合物進(jìn)一步分解。

4.2 采氣階段

開采階段共持續(xù)0.7 h，累積流量為3.28 m3，同時(shí)在采氣階段成功進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)。圖6為采氣階段孔底壓力變化曲線，從圖6可以看出，隨著蒸汽的抽出，孔底壓力總體上呈下降的趨勢(shì)，但是下降比較緩慢，這是因?yàn)殡S著天然氣的排出，孔底壓力的降低促進(jìn)了水合物的進(jìn)一步分解。

圖6 采氣階段孔底壓力變化曲線

5 結(jié)論

(1)在降壓法開采的基礎(chǔ)上提出了注蒸汽開采，從理論上注蒸汽開采能夠促進(jìn)水合物進(jìn)一步分解，擴(kuò)大開采范圍，提高采氣量。

(2)通過數(shù)值模擬計(jì)算優(yōu)選出最佳注蒸汽功率為20 kW，在滿足開采要求的條件下，需連續(xù)注熱38 h。

(3)注蒸汽開采在青海木里天然氣水合物項(xiàng)目中共進(jìn)行了5.2 h開采試驗(yàn)，采氣量為3.25 m3。

(4)野外應(yīng)用證實(shí)注蒸汽開采能夠促進(jìn)水合物進(jìn)一步分解。

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