天然气水合物储层性质对微波加热后储层温度的影响

摘要：为了弥补降压法开采后期储层结冰、水合物二次生成等方面的不足，运用微波加热技术向储层进行能量补充。选用漏泄同轴天线作为微波加热装置，根据装置结构设计天然气水合物储层微波加热工艺方案，并且建立水合物储层微波加热仿真模型，通过试验验证仿真模型的准确性，并分析储层性质对微波加热后储层温度的影响规律。结果表明：储层微波加热工艺方案能够有效提升储层温度，储层初始温度为2 ℃，微波加热后储层最高温度为26.22 ℃，平均温度为5.19 ℃；储层温度随着损耗因子的增大而增大，随着介电常数的增大而减小；随着储层密度和比定压热容的增大，储层升温效果变差；随着储层导热系数的增大，储层温度分布更加均匀。

关键词：天然气水合物； 储层性质； 微波加热； 储层温度； 微波天线

中图分类号：P 744 """"文献标志码：A

引用格式：樊燊，王旱祥，张辛，等.天然气水合物储层性质对微波加热后储层温度的影响［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2025，49（1）：112-119.

FAN Shen， WANG Hanxiang， ZHANG Xin，et al. Effect of gas hydrate reservoir properties on reservoir temperature after microwave heating［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2025，49（1）：112-119.

Effect of gas hydrate reservoir properties on reservoir temperature after microwave heating

FAN Shen1，2， WANG Hanxiang1，2， ZHANG Xin1，2， LIU Yanxin1，2， SUN Bingyu1，2，

GE Jiawang2， GE Chengcai2， LIU Bo2， KHROUSTALEV Boris3， GUAN Bing3

（1.National Engineering Research Center of Marine Geophysical Prospecting and Exploration and Development

Equipment， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China;

2.College of Electromechanical Engineering， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China;

3.Shandong Weima Pumps Manufacturing Company Limited， Jinan 271100， China）

Abstract： Microwave heating can be used to supplement energy to gas hydrate reservoir in order to prevent icing and secondary hydrate formation in the late stage of depressurization for gas production. In this study， a leaky coaxial antenna was selected as the microwave heating device， and a microwave heating scheme of gas hydrate reservoir was designed according to the structure of the device. The effectiveness of the microwave heating was verified by experiments， and the influence of reservoir properties on reservoir temperature after heating was analyzed. The results show that the microwave heating technique can effectively increase the reservoir temperature. When the initial temperature of the reservoir is 2 ℃， the maximum temperature of the reservoir after the heating can reach to 26.22 ℃， and the average temperature is of 5.19 ℃. The reservoir temperature increases with the increase of loss factor and decreases with the increase of dielectric constant. With the increase of reservoir density and specific heat capacity， the heating effect is reduced. With the increase of reservoir thermal conductivity， the distribution of the reservoir temperature becomes more uniform.

Keywords： natural gas hydrate; reservoir properties; microwave heating; reservoir temperature; microwave antenna

收稿日期：2024-04-19

基金项目：中央高校基本科研业务费专项（24CX02019A）；海洋物探及勘探开发装备国家工程研究中心开放基金项目（24CX02019A）；中石油重大科技项目（ZD2019-184-004）

第一作者：樊燊（1998-），男，博士研究生，研究方向为天然气水合物能量补充技术。E-mail：2094496807@qq.com。

通信作者：张辛（1987-），女，副教授，博士，研究方向为石油机械、非常规油气装备。E-mail：zxin0927@163.com。

文章编号：1673-5005（2025）01-0112-08""" doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2025.01.011

天然气水合物具有资源量大、能量密度大、低碳清洁等优点，被认为是具有巨大潜力的未来化石能源［1-4］。根据世界上多次天然气水合物试采工程的结果，降压法被认为是一种经济有效的水合物开发方式［5-8］。但是在降压开采的后期，由于水合物分解是吸热反应，储层无外部热量供应，开采过程中储层能量不足，需要通过热激法进行能量补充，为水合物分解提供驱动力［9-10］。相比于常规的热激法，微波加热技术通过物质内极性分子的高速旋转对物体进行空间加热，可以提供快速、均匀的热量［11-13］。近年来，微波加热技术已被应用在石油工业领域中，漏泄同轴天线等被作为微波加热装置促进了各类油气资源的开发［13-15］。微波加热促进水合物分解的研究开始于20世纪末［16］。Li等［17］进行了一系列试验，结果表明微波加热能够促进水合物的分解，且水合物分解速度与微波功率成正比；Zhao等［18］根据Li等的试验装置建立了数值模型研究微波刺激下水合物的分解，研究结果表明高初始水合物饱和度、低的储层比定压热容具有较高的产气速率；Cupta等［19］通过建立水合物储层微波加热模拟多层辐射传热模型研究了储层径向范围内水合物的分解情况；Wang等［20］通过改进Zhao等［18］的数值模型发现间歇加热模式能量效率更高。众多研究表明，微波加热技术能够通过提升储层温度促进水合物分解，提高产气速率。然而现有的研究中采用微波发生器直接对水合物储层进行微波辐射加热，数值模拟采用井筒内理想的微波源，仍然缺少对水合物储层微波加热方案的研究；此外储层温度作为水合物分解的热量来源［21］，微波加热过程中储层的温度分布规律尚未被揭示。因此笔者选用漏泄同轴天线作为水合物储层微波加热装置，设计天然气水合物储层微波加热工艺方案，建立天然气水合物储层微波加热仿真模型，通过室内储层微波加热试验验证仿真模型的准确性，研究储层性质（介电特性、密度、比定压热容和导热系数）对微波加热后储层温度的影响。

1" 天然气水合物储层微波加热工艺方案

如图1所示，设计一种天然气水合物储层微波加热工艺方案，对水合物储层进行能量补充，提高产气速率和产气量。该工艺方案分为生产井和注热井，磁控管和微波天线经过密封处理后连同PTFE保护管下入到注热井中，由于金属对微波具有屏蔽作用，加热装置井段采用非金属套管完井，井下磁控管由海上采油平台的供电系统通过电缆供电。微波天线结构采用漏泄同轴天线［13］，磁控管产生微波能量，通过天线外导体的槽孔向储层辐射，提高储层的温度，为水合物分解提供驱动力，促进水合物储层产气。所设计的微波加热工艺在储层实现原位加热，微波能量直接辐射到水合物储层，减少了能量损耗。

gas hydrate reservoir

微波天线向外辐射微波能量后水合物储层内部的电磁能量分布可以用频域的麦克斯韦方程表示为

×μ-1r（×E）-k20εr-jσωε0E=0.（1）

其中

εr=ε′ - jε ″.

式中，E为电场强度，V/m；μr为相对磁导率；k0为自由空间波数；ω为角频率，rad/s；σ为电导率，S /m；ε0为真空介电常数，F/m；

εr为相对介电常数;ε′为介电常数，反映材料储存电磁能量能力；ε″为介电损耗因子，反映被加热材料将电磁能转化为热能的能力。

天然气水合物储层具有复介电常数的特征，即它们是损耗介质。微波在有介电损耗的介质中传播时，部分电磁能转化为介质的热能［22］。产生的热能密度可表示为

Q=2πfε0ε′tan δE2.（2）

其中tan δ=ε″ε′ .

式中，Q为产生的热能密度，W/m3；f为微波频率，Hz；

对水合物储层进行微波加热的过程中，温度分布可由传热方程表示为

ρcp=Tt=k2T+Q.

（3）

式中，ρ为密度，kg/m3；cp为比定压热容，J/（kg·K）；T为温度，℃；t为加热时间，s；k为导热系数，W/（m·K）。

2" 储层微波加热仿真与试验

2.1" 储层微波加热仿真模型建立

为了模拟微波加热过程中水合物储层的温度分布，结合储层微波加热试验平台，建立如图2所示的水合物储层微波加热仿真模型，采用COMSOL Multiphysics软件中的有限元方法进行求解。仿真模型包含水合物储层、PTFE保护管、微波天线和空气，其中微波天线是铜制的，微波从微波端口输入。材料的热力学和电磁学参数如表1所示。模型求解时，微波频率为2.45 GHz，功率为3 kW，因试验在室内进行，水合物储层的初始温度为20 ℃，微波加热时间为60 min，储层边界设置为热绝缘边界。

2.2" 室内储层微波加热试验

为了验证天然气水合物储层微波加热仿真模型的正确性，根据设计的天然气水合物储层微波加热能量补充工艺方案，改进了储层微波加热试验平台［13］，用聚四氟乙烯管作为微波天线的保护管。储层微波加热试验平台如图3所示。由岩性测井资料显示，中国南海神狐海域的水合物储层沉积物主要为泥质粉砂，泥质粉砂中主要成分为粉砂［23，28］。因此试验中采用石英砂代替储层沉积物［29-30］，粒径为125～210 μm。在试验测试中，将石英砂紧密地填充在储层容器中。从微波天线上部端口输入微波能量。微波频率为2.45 GHz，功率为0～3 kW，储层容器底部的16个温度传感器插入试验储层中，用于测量储层中不同位置的温度。

3" 结果讨论

3.1" 仿真模型验证

3.1.1" 仿真与试验结果对比

为了保证仿真模型的准确性，进行储层微波加热试验，储层容器温度传感器的位置如图4（a）所示，温度测量点的高度为142.5 mm。水合物储层沉积物中16个测量点的温度随时间的变化如图4（b）所示。加热60 min后，测量点P1～P4、P9～P12对应微波天线的槽孔处，天线向外辐射的微波能量多，因此加热后温度比其余8个测量点高，储层的最高温度在第9点为47.2 ℃。与仿真结果相比，试验测量的温度明显更高。水合物储层中测点P1～P16温度的均方根误差分别为4.59、2.76、1.11、0.73、2.37、2.21、0.69、0.77、4.98、2.76、0.58、0.66、3.13、1.89、0.53、0.84 ℃。误差的原因主要包括水合物储层内含有少量水和测量点的位置误差。试验过程中填充石英砂时会混合空气中的水分，水的介电常数很高，容易吸收微波能量导致温度快速升高；填充石英砂的过程中温度传感器偏移，导致测点的位置变化。

3.1.2" 水合物储层温度分布

为了研究微波加热过程中更大范围水合物储层的温度分布，将仿真模型推广到半径1 m、高度1 m的尺度，材料的热力学和电磁学参数如表1所示。模型求解时水合物储层初始温度为2 ℃［31］，微波加热时间为10 h。天然气水合物储层微波加热10 h后的温度分布如图5（a）所示。由于微波天线的槽孔处向外辐射的微波能量更多，因此储层内在对应槽孔的方向上温度更高，即xz（y=0 mm）平面上的温度更高。微波加热后储层温度有所提高，最高温度达26.22 ℃，出现在点（-0.12， -0.03， 0）处；最低温度为2.45 ℃，出现在点（-0.14， -0.99， 0）处；储层整体平均温度为5.19 ℃，温度标准差为4.57 ℃。以xz（y=0 mm）平面为例，该平面上的温度分布如图5（b）所示，温度从储层中心向外围呈下降趋势，且下降速度较快。选取图5（a）棕色虚线，查看储层温度随微波加热时间的变化曲线，如图5（c）所示，随着微波加热时间的增加，储层的温度不断上升，温度的扩散范围逐渐增大。如图5（d）所示，微波加热后水合物储层的等温面分布类似圆柱形状，储层内温度分布较为均匀。

3.2" 不同储层性质的影响

由微波加热机制可知，天然气水合物储层的性质不仅会影响储层对微波的吸收与损耗，还会影响储层的升温特性和传热速率，进而影响储层的温度分布。因此通过模拟计算，研究天然气水合物储层介电特性、密度、比定压热容、导热系数等参数对微波加热后储层温度的影响。

3.2.1" 介电特性

模拟过程中储层介电常数ε′的取值为2.3～3.9，损耗因子ε″的取值为0.1～0.7［27］，其他的材料特性参数不变，按表1设置，加热时间设置为10 h。仿真结果如图6所示。从图6（a）和（b）可以看出，储层的最高温度Tmax和平均温度Tavg的变化规律基本一致。由于介电损耗系数ε″反映了电磁能转化为热能的能力，因此储层微波加热后的温度（Tmax和Tavg）随着ε″的增大而增大。当ε″不变时，温度随介电常数ε′的增加略有下降，这是由于ε′增大，电磁波在空间中的衰减减慢，即单位路程内转化为热能的电磁能量就减少，因此储层温度略有下降。当εr=2.3-0.7j时，该储层的Tmax和Tavg达到最大，分别为86.50和5.57 ℃。由图6（c）可知，储层的温度标准差Tsd随着ε″增大而增大，储层内的温度分布越来越不均匀，储层内的温度梯度会随之增大，这会导致储层内产生微小裂纹［11，32］，增加储层的渗透率，有利于提高水合物产气速率和产气量。因此在微波加热工艺的应用过程中，可以向储层注入一些添加剂（如活性炭、金属颗粒等）来改变其介电特性，提高微波加热工艺的效果。

3.2.2" 密度与比定压热容

根据南海钻探沉积物比重测量结果，在研究不同水合物储层沉积物密度对微波加热效果的影响时，密度取2.65～3.13 g/cm3［23-24］。一般天然的储层，如砂或黏土，其比定压热容为830～1380 J/（kg·K），因此模拟时比定压热容取840～1380 J/（kg·K）［26］，其他参数不变。仿真结果如图7所示。微波加热后储层的最高温度和平均温度均随着密度和比定压热容的增加而降低，当水合物储层沉积物的密度为2.65 g/cm3、比定压热容为840 J/（kg·K）时储层的最高温度和平均温度最大，分别为28.81和5.75 ℃。随着最高温度和平均温度的降低，温度标准差也不断减小，储层内的温度分布更均匀。水合物储层沉积物的密度影响了微波在储层的穿透作用，从而影响储层的微波加热效果。水合物储层沉积物的密度越大，微波不容易穿透，甚至会对微波有一定的反射作用，导致密度大的储层升温幅度小。同样，水合物储层沉积物的比定压热容也影响其微波加热后的升温效果。相同条件下，比定压热容大的储层沉积物升高相同的温度所需的热量多，因此随着比定压热容的增大，储层升高的温度降低。

3.2.3" 导热系数

天然气水合物储层沉积物的矿物成分主要为石英、黏土矿物，导热系数取1.4～8 W/（m·K） ［25］进行模拟，这个范围符合一般的储层沉积物到纯石英的导热系数。其他参数假设不变，结果如图8所示。

reservoir temperature after microwave heating

随着天然气水合物储层沉积物的导热系数k的增加，

加热10 h后储层的最高温度Tmax逐渐降低，温度标准差Tsd逐渐减小，而平均温度保持不变（Tavg=5.19 ℃）。当k=8 W/（m·K）时，最高温度Tmax为12.76 ℃，Tsd=2.11 ℃，这是由于温差的存在会使加热产生的热量从近井地带向储层远端传导，当储层导热系数增加时，向远端传导的热量增多，导致位于近井地带的最高温度有所降低，储层远端的低温区域温度得到提升，储层的温度分布更均匀，温度标准差逐渐减小。但假设储层的介电常数不变，转化成热能的电磁能量是一定的，因此整个储层的平均温度不变。

4" 结束语

选用漏泄同轴天线作为水合物储层微波加热装置，设计了一种天然气水合物储层微波加热工艺方案，对水合物储层进行能量补充，提高产气速率和产气量。建立水合物储层微波加热仿真模型，通过室内储层微波加热试验验证了仿真模型的准确性。储层温度随着损耗因子的增大而增大，随着介电常数的增大而减小；随着储层密度和比定压热容的增大，储层升温效果变差；随着储层导热系数的增大，储层温度分布更加均匀。

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（编辑" 李志芬）