不同飽和度天然氣水合物加熱分解界面變化規(guī)律

孫可明，王婷婷，翟 誠,2，辛利偉，范 楠

(1.遼寧工程技術(shù)大學，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工業(yè)大學，遼寧 錦州 121001)

0 引 言

天然氣水合物是在低溫高壓條件下，天然氣的氣體分子與水結(jié)合形成的結(jié)晶化合物[1]。全球天然氣水合物在標準狀態(tài)下的儲量為21×1015m3。水合物能量密度高、儲量大，開采利用水合物獲取天然氣將成為全球有效的能源供給途徑[2-4]。2017年5月，中國南海神狐海域的天然氣水合物開采實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)1個月以上，成為第一個實現(xiàn)海域天然氣水合物試采且能連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的國家[5]。天然氣水合物的開采方法有降壓法、熱激法、注抑制劑法、CO2置換法等[6]，其中，熱激法具有提供熱量直接、作用效果迅速、水合物分解效果明顯等優(yōu)點，可作為未來開采水合物的有效方法[7-9]。熱激法開采水合物分解界面的位置變化與水合物開采效率密切聯(lián)系，因此，研究水合物分解界面的變化規(guī)律對提高開采效率，實現(xiàn)合理化開采設計具有重要的應用價值。

目前，水合物沉積物現(xiàn)場取心難度大、原位試驗技術(shù)成本高，對熱激法開采水合物分解過程中的特性變化規(guī)律研究集中在水合物生成樣品的室內(nèi)實驗方面[10]。唐良廣等[11]通過天然氣水合物注熱鹽水開采實驗得出溫壓的時域變化規(guī)律；萬麗華等[12]通過熱鹽水分解天然氣水合物實驗，得到氣體產(chǎn)出過程分為自由氣產(chǎn)出、水合物分解及分解結(jié)束后常規(guī)氣藏的氣體產(chǎn)出階段；Jeonghwan[13]通過水合物注熱開采實驗研究鹽度和滲透率對開采的影響，認為滲透率是決定水合物開采的重要參數(shù)；李淑霞等[14]進行注熱鹽水開采水合物藏實驗，分析不同初始水合物條件和注熱水參數(shù)對水合物分解效果的影響。目前相關(guān)研究均未對熱激法開采水合物過程中分解界面變化規(guī)律進行討論，實驗研究側(cè)重分析產(chǎn)氣過程及初始條件對水合物分解效果的影響，忽視水合物加熱分解界面的研究，而分解界面是影響水合物開采效率的主要因素之一。

自制水合物加熱分解界面測量實驗裝置，主要分析不同初始飽和度條件水合物沉積物分解界面的變化規(guī)律，并結(jié)合數(shù)值模擬分析水合物加熱分解界面變化規(guī)律及其關(guān)鍵影響因素，為天然氣水合物藏熱激法開采提供必要的理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗裝置及材料

實驗在恒容條件下進行，自制水合物加熱分解界面測量裝置，主要包括壓力反應釜、恒溫冷水箱、MIK-P 300壓力傳感器和PT 100溫度傳感器以及數(shù)據(jù)采集儀等。實驗材料：質(zhì)量分數(shù)為3.0%的自制鹽水，NaCl純度不低于99.5%；CH4純度為99.9%；石英砂粒徑為70～100目。進口端配有供氣裝置，出口端配有回壓裝置和氣液分離裝置，利用數(shù)據(jù)采集儀記錄不同時刻的溫度、壓力等參數(shù)，實驗前期經(jīng)多次試壓，確保實驗裝置具有良好的氣密性。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗步驟

實驗步驟主要包括：①填砂。將質(zhì)量為3 000 g的石英砂和不同質(zhì)量的鹽水混合后根據(jù)設定的孔隙度充填反應釜。②注氣。利用真空泵將反應釜抽至真空狀態(tài)，通過供氣裝置向反應釜內(nèi)注入甲烷氣體，當反應釜內(nèi)壓力滿足預定值，將入口閥門關(guān)閉，停止注氣。③水合物生成。進行恒容降溫生成水合物，設定恒溫冷水箱工作溫度為1 ℃，當反應釜內(nèi)壓力大幅度下降并穩(wěn)定不變時，進行二次補壓，當系統(tǒng)壓力與時間變化無關(guān)時，即認為水合物等容生成完成。④水合物分解。設定溢流閥壓力與反應釜內(nèi)壓力相同，打開出氣口閥門，使加熱帶工作，進行熱激法開采水合物分解實驗，設置工作溫度為45 ℃(滿足水合物分解條件)，測量并記錄壓力、溫度、產(chǎn)氣速度和累計產(chǎn)量，當產(chǎn)氣量不再增長后，停止記錄數(shù)據(jù)。⑤重復上述步驟進行不同初始飽和度水合物加熱分解界面測量實驗。

1.2.2 天然氣水合物初始飽和度

為確定天然氣水合物生成實驗后水合物初始飽和度，采用引入壓縮因子的氣體狀態(tài)方程，計算反應起始與結(jié)束時間段內(nèi)消耗甲烷氣體物質(zhì)的量，具體計算方法見式(1)，不考慮天然氣水合物生成過程中反應釜內(nèi)部孔隙體積改變。

(1)

式中：p為沉積物的孔隙壓力，Pa；T為沉積物的溫度，K；Z為甲烷氣體壓縮因子；R為氣體常數(shù)，取8.314 ；Δng為甲烷氣體生成前后的變化量，mol；下標1、2分別為天然氣水合物生成前、后時刻；Vp為天然氣水合物沉積物的總孔隙體積， m3。

反應釜內(nèi)生成水合物的物質(zhì)的量可由水合物生成反應平衡方程計算得出：

天然氣水合物初始飽和度是指多孔介質(zhì)孔隙中水合物體積與總孔隙體積的比值，運用式(2)計算實驗中反應釜內(nèi)的天然氣水合物初始飽和度 ：

(2)

式中：Mh為水合物相對摩爾質(zhì)量，118.6g/mol；nh為實驗生成水合物的物質(zhì)的量，mol；ρh為水合物密度，0.91g/cm3。

1.2.3 天然氣水合物開采分解界面的判斷依據(jù)

天然氣水合物開采過程實際是一個分解界面的移動過程，沉積層被分解界面劃分成2個區(qū)域，一個是水合物分解區(qū)，該區(qū)域內(nèi)壓力均低于相平衡壓力；另一個是水合物未分解區(qū)，該區(qū)域內(nèi)壓力要高于相平衡壓力。采用Makogon[15-17]提出的水合物相平衡關(guān)系，依據(jù)實驗測得水合物分解過程中反應釜內(nèi)各測點溫度T來計算各測點平衡壓力 ，并與實驗測定的對應壓力pe作比較，來判定水合物分解界面位置：當滿足p=pe時，該測點即為水合物分解界面所處位置：

lgpe=A(T-T0)+B(T-T0)2+C

(3)

式中：pe為平衡壓力，Pa ；T0=273.15 K，A=0.0342 K-1，B=0.000 5 K-2，C=6.480 4。

2 結(jié)果與討論

為研究不同初始飽和度水合物開采分解界面的變化規(guī)律，采用加熱帶作熱源進行熱激法開采天然氣水合物分解實驗，加熱時間為150 min，以生成天然氣水合物初始飽和度分別為3%、6%、10%的一組對比實驗為例進行分析，實驗基本參數(shù)見表1。

圖1為水合物沉積層溫度變化曲線。由圖1可知：開采結(jié)束后沉積層內(nèi)溫度隨分解距離逐漸遞減；同一位置，水合物初始飽和度越低，沉積層內(nèi)溫度越高，能量利用效率越高。距熱源0.5 m之外沉積層溫度影響效果不明顯，實測溫度為5 ℃。

表1 實驗基本參數(shù)

圖2為水合物分解界面位置變化曲線。由圖2可知：水合物初始飽和度越高，達到相同分解距離所需時間越長；相同加熱時間，初始飽和度越高，水合物分解距離越短；水合物開采過程中分解界面移動速率隨時間逐漸降低。當水合物初始飽和度為3%時，開采結(jié)束后水合物分解距離為0.66 m，分解界面移動速率由起始0.035 0 m/min降至0.004 4 m/min，降幅為87%；當水合物初始飽和度為10%，開采結(jié)束后水合物分解距離為0.55 m，分解界面移動速率由起始的0.019 0 m/min降至0.003 3 m/min，降幅為83%。水合物分解界面移動距離與沉積層的力學性質(zhì)劣化區(qū)域密切相關(guān)，開采過程中水合物因其相平衡狀態(tài)打破分解，釋放沉積層孔隙空間，滲透率顯著增加。

圖1 水合物沉積層溫度變化

圖2 水合物分解界面位置變化

水合物分解距離與分解界面移動時間的算數(shù)平方根之間近似呈線性正相關(guān)關(guān)系：

(4)

式中：X為水合物分解距離，m；t為分解界面的移動時間，min；k為線性擬合常數(shù)，m/min0.5。

3 力學模型建立

3.1 能量守恒方程

建立熱激法開采天然氣水合物藏力學模型時，加熱僅考慮熱傳導方式，水合物和沉積層骨架瞬間達到熱平衡[18-20]。

(5)

式中：φ為水合物沉積層孔隙度；ρ為密度，kg/m3；C為比熱容，J/(kg·K)；S為水合物沉積層飽和度；Kc為沉積層熱傳導系數(shù)，W/(m·K)；Qh為水合物的相變潛熱，J/(m3·s)；Qin為外界熱量補給，J/(m3·s) ；下標s、h、g、w分別為固體骨架、水合物、氣和水相。

3.2 天然氣水合物分解動力學方程

基于Kim-Bishoni動力學模型，天然氣水合物分解產(chǎn)氣速率為：

mg=KdMgAdec(fe-fg)

(6)

式中：mg為水合物分解產(chǎn)氣速率，kg/(m3·s)；Kd為水合物分解速率常數(shù)，8 060 mol·m-2·(pa·s)-1；Mg為甲烷氣體的摩爾質(zhì)量，16 g/mol；Adec為單位體積沉積層水合物分解表面積，m-1；fe、fg分別為反應平衡逸度、局部氣體逸度，Pa，在實際計算中通常采用局部氣體壓力pg和反應平衡壓力pe代替。

水合物反應平衡關(guān)系為：

(7)

(8)

式中：mh為水合物分解速率，kg/(m3·s)；mw為水合物分解的產(chǎn)水速率，kg/(m3·s)；Mw為水的摩爾質(zhì)量，18 g/mol；Nh為水合物系數(shù)，取5.7。

4 模型求解與驗證

為便于分析水合物加熱分解界面的變化規(guī)律，基于ABAQUS二次開發(fā)功能，運用Fortran語言自主開發(fā)天然氣水合物分解量與沉積層的密度、比熱容、熱傳導系數(shù)及熱膨脹系數(shù)之間變化規(guī)律的場變量子程序。與實驗條件相對照，天然氣水合物沉積物模型長度為1 m，直徑為53 mm，加熱溫度為311 K，利用力學參數(shù)對熱激法開采水合物分解界面變化過程進行數(shù)值模擬(表2)。

表2 水合物沉積層力學參數(shù)

4.1 初始飽和度對水合物分解影響規(guī)律分析

圖3為飽和度為10%的水合物開采實驗與模擬沉積層溫度變化對比曲線。由圖3可知：水合物沉積層溫度逐漸降低，呈負加速形式，溫度由311.000 K降至282.428 K。數(shù)值模擬結(jié)果表明，溫度下降幅度逐漸變緩，與實驗結(jié)果相同。

熱激法開采結(jié)束后，不同初始飽和度下水合物沉積層內(nèi)剩余水合物飽和度變化見圖4。由圖4可知：當水合物初始飽和度為3%～10%，加熱150 min后，水合物分解距離為0.50～0.64 m，分解界面移動速率為0.003 3～0.004 3 m/min；水合物初始飽和度越高，分解界面移動距離越近。

將數(shù)值模擬結(jié)果得出分解界面的變化規(guī)律與實驗結(jié)果相對照(圖2)可知：熱激法開采水合物分解界面的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果變化趨勢相同，水合物初始飽和度越高，模擬軟件適用性越好。將實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果分別進行擬合，可得出水合物初始飽和度與分解界面移動距離近似呈線性負相關(guān)關(guān)系。

圖3 飽和度為10%的水合物開采實驗與模擬溫度變化對比

圖4 不同飽和度下的剩余水合物飽和度與分解距離的關(guān)系

4.2 加熱溫度對水合物分解影響規(guī)律分析

為分析溫度對開采水合物分解界面變化規(guī)律的影響情況，以水合物初始飽和度為10%、加熱時間為150 min、加熱溫度分別為311、321、331 K進行數(shù)值模擬分析。圖5為不同開采溫度下水合物分解界面位置變化和分解界面移動速率的曲線。由圖5可知：加熱溫度越高，相同時間內(nèi)水合物分解距離越長，分解界面移動速率越快，且移動速率下降幅度隨時間逐漸變緩。溫度升高1 K，分解距離增加0.004 m。加熱溫度為311 K時，水合物分解界面從0.00 m移動至0.50 m，分解速率從0.010 00 m/min降至0.003 33 m/min；加熱溫度為331 K時，水合物分解界面從0.00 m移動到0.62 m，分解速率從0.020 00 m/min降至0.004 13 m/min。適當?shù)厣呒訜釡囟瓤捎行г黾铀衔锏姆纸饩嚯x，提高分解速率，提高開采效率。水合物分解界面移動速率過快將導致水合物過量分解，導致儲層變形而破壞，影響水合物藏的安全高效開采，因此，合理控制水合物分解界面移動速率至關(guān)重要。

圖5 不同溫度水合物分解界面位置及移動速率變化

5 結(jié)論及建議

(1) 水合物分解界面的移動距離與初始飽和度之間近似呈線性負相關(guān)關(guān)系，與其作用時間的算術(shù)平方根近似呈線性正相關(guān)關(guān)系，初始飽和度是影響水合物藏開采能效的重要參數(shù)之一。

(2) 水合物分解界面的移動速率隨初始飽和度升高逐漸降低，隨加熱溫度升高逐漸加快，其下降幅度隨時間呈遞減趨勢；合理控制水合物開采過程中分解界面的移動速率對水合物藏安全高效開采至關(guān)重要。

(3) 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果擬合較好，反映水合物開采過程中分解界面的位置變化過程，且水合物飽和度越高，模擬軟件適用性越好。

(4) 為增加開采效率，建議在技術(shù)可行的范圍內(nèi)適當升高開采溫度，或結(jié)合降壓法等開采方法提高開采效率。