天然气水合物注热、降压开采可行性实验研究

陈克 段林林 尹洪超 杨硕 辛伟明

摘要：天然气水合物是一种新型的化石能源，它的效率很高，一般都埋藏在距离地表很近的地方，它分布很广。现在能源越来越少，需要对水合物的开采进行相应的研究，本文主要通过设计天然气水合物合成和分解的实验来对其进行了研究。并对水合物注热降压开采的这些方式进行了模拟，從而选择了合适的方法，根据实验结果进行对比，选出较好的开采方法。

关键词：天然气水合物;注热开采;降压开采;井位布置方式

目前能源十分紧张，现在已经迫切的需要去寻找那些可以稳定优质的能源。天然气水合物是一种新型能源，已经受到了社会和人民的广泛关注，天然气水合物分布很广并且资源丰富比较容易获取，它是一种具有很大潜力的可替代资源。我国对天然气水合物的研究已经有了两百年的历史。应该不断地采取试验去进行探索，获取相关的信息，在研究时需要考虑到全球气候的变化以及海洋地质的情况，都要对其进行研究，现在在开采水合物主要的方法有常规注热法，降压法等等这些方法。分析了这些方法，并选择了与其相对应的井位布置方式对实验结果进行了详细的分析，为未来水合物的开采提供了一定的基础。目前一种比较有效的开采技术NCH技术，但是却需要对其相关的理论和工艺进行深入的研究。

一、实验设备和方法

这些步骤主要有供液、供气、生成、开采、模拟环境、计量、采集数据并进行处理等这些模块。将多孔介质当中的NCH进行合成并对其进行处理，然后对其进行加热，采取多种试验并进行观察。在试验中所选用的砂石为石英砂。在进行填砂时需要逐层的进行压实，控制好孔隙的大小，经过测试它具有一定的渗透率。开展实验时要利用水和盐分调配好比例，控制好它的质量比，然后制作好蒸馏，水要求氯化钠的程度要大于99.5%。在实验过程当中，为了避免热量流失，需要采取专业的容器来进行保管，主要是使用保温海绵管来保护注热管路和填砂管，将其进行包裹，避免热量散失。实验的步骤主要有第一合成NCH等容，第二，当完成合成后，需要采取措施来保持恒温箱的温度，不要发生变化，要调整回压阀的压力，与系统压力保持一致。之后再打开阀门口，设定好预热罐的温度。当温度稳定不会再发生变化之后，由其他的阀门来向内加入热水对管路进行预热。预热完成之后，需要关闭旁边的阀门，打开入口阀向内注入热水，但是在注入的过程当中需要控制好速度不要发生变化，并记录相关的曲线，主要是注水、产气、产水的曲线。根据这些曲线来对其进行研究，当系统无法运行的时候，要将压阀里面的压力放出直到大气压。同时也要计算系统当中所存在的剩余气量。第四要改变预热管，提前设定好的温度，再重复以上的步骤进行新的等容合成，同时也要进行注热开采的实验。

二、实验结果分析

通过改变预热管提前设定好的温度，然后再对其进行四个周期的实验，获取到了相关的结果。

1.系统温度场

在对NCH进行注热开采时，开采的过程当中必须要控制好温度场的分布和传播，根据相关的实验来看，在不同的测点当中，它们的温度变化都是先快后慢，然后稳定在一定的水平，就是因为在注入热水之前填砂管的温度都比较低，当热水注入之后，会波及到其中的一个位置，在这一地方的温度就会升高，并且也会加强和外界环境的交换，当达到一定程度之后，热水介质和外部之间的温度就会呈现一种平衡。这样这处的温度就会稳定，在实验室注水的速度为一分钟11ml，管内的热水推进速度为一分钟97cm。按照这样的速度和推进速度来看，计算的热前缘推进速度和注水速度应该是一样的，这就说明推进是由注入热水的渗流速度来决定的，并不是受到了热传导的作用。

2.产气规律

根据实验研究的结果来看，产气规律主要有以下这几点，主要是三个阶段。第一个阶段是初始注热阶段。刚开始注热之后它的速度会突然的升高，然后在短时间内就达到了最高点，但是也会很快回落到比较低的水平当中，这是因为在填砂管之内它含有自由的气体，会受到影响。刚开始注热的时候，自由气都会在很多介质当中进行流动，并且它的速度与水的速度相比是很大的。当水注入之后会受到水的气体作用，然后很快就会产出，但是水有一个滞后的启动，这时候就会只产气不产水。但是当介质当中的水开始向外流时，它会受到气体和液体渗流的影响，这个时候长期的速度又会提高，达到最高点，然后就会快速的下降。这时候的产期规律就会受到自由气的控制。第二个阶段就是当产期的速度不断上升之后，达到了一个比较稳定的状态。速度不会出现大幅度的变化，但是随着热前缘的不断推进，参与分解的NCH会越来越多，在此之后产气的速度也会不断地提高，当达到一定程度后也会平衡。同时，产气的速度也会发生变化，产气的速度会受到NCH分解的影响，它的速度关系到产气的速度。最后一个阶段就是它的产气速度会不断的减少，但是也会稳定在一个状态，这时候的速度就比较小，然后慢慢的就会为零。从相关的温度曲线上来看，注热前缘已经推进到了填砂口，这时候，NCH的数量就会不断地减少，产气的速度也越来越慢，当它分解完成之后，就会变成自由气和分解气。这样这两股气流比较稳定，互相渗流。它的速度也会形成一个稳定的低速。在多孔介质当中可以取缔其他的气，不断的减少，它的速度也会随之减少，最终成为零速度。填砂管只会剩一个束缚气。

3.产水规律

在注水当中速度十分平衡，注水曲线比较平稳。刚开始会给预热罐设定一个起始温度，但是随着它的温度会不断地升高，提高了换热的效率，当达到160度时是最高的温度，之后就会慢慢的降低，这是因为当注水温度不断提高时，系统的温度也会随之提高，并且升高的速度也在不断的加快，热前缘推进速度也在加快。这样减少了总的注水量，但是会造成很大的热量损失。在四个实验当中它的换热效率基本上都是一，说明在这种条件之下只从能量角度来进行评价，这是无法获得准确结果的。从瞬时产水曲线来看，它在不断地进行波动，这是因为气体和液体在渗流过程当中没有稳定的进行，同时也受到了回压阀的影响，总体来说，采水曲线会围绕着注水曲线不断的进行波动，但是注水量和采水量基本上是平衡的。

4.能量效率

在NCH进行注入开采的过程当中，对技术没有提出很高的要求。它具有经济可行性，主要是从能量来进行分析，根据系统的温度以及产生气体的曲线可以看到，当测点的温度上升到一定的数值之后，就可以将填砂管当中的NCH分解完成，如果继续注水它的作用就会发生改变，变成一种可流动的气体来驱替多孔介质当中气体。这时候，NCH就转化成一种天然的气体，此时再继续注入热水时，它的意义就已经没有了。这时候当温度上升到5℃，就可以利用此时的温度对所出现的气量数据进行优化，同时在评价它的经济可行性，在计算能量时需要按照一定的公式来进行。

结束语：根据试验结果来看，再进行注热和降压开采时要注重开采的模式，可以将二者进行结合互相辅助，这样可以取得良好的实验效果，同时也要控制好开采的温度以及开采时产气的速度，会受到温度场变化影响。同时也要控制好换热的效率，为了提高效益要不断的优化注入水的温度，将注热开采和降压开采结合起来，引进相关的工艺减少损失。

参考文献：

[1] 徐新华.天然气水合物注热开采可行性实验研究[D].中国石油大学（华东），2018

[2] 李杰.天然气水合物注热、降压开采可行性实验研究[D].中国石油大学（华东），2018.

（作者单位：中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司）