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(kāi)采研究是天然氣水合物從“永無(wú)休止的政府研發(fā)類項(xiàng)目”走向商業(yè)開(kāi)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(kāi)采工藝與施工作業(yè)方面都更易于進(jìn)行試開(kāi)采研究[3]。

1 天然氣水合物開(kāi)采研究現(xiàn)狀

天然氣水合物開(kāi)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(kāi)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(kāi)采法、綜合開(kāi)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(kāi)采工程采用的是降壓法和化學(xué)試劑法聯(lián)合開(kāi)采，經(jīng)理論計(jì)算，從天然氣水合物中共開(kāi)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(kāi)采層進(jìn)行降壓開(kāi)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(kāi)展了水合物試開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)采能量利用率較低，很難將熱量直接作用于擬開(kāi)采層，經(jīng)濟(jì)性較差;降壓法開(kāi)采是最經(jīng)濟(jì)的開(kāi)采方法，但是單一的降壓開(kāi)采過(guò)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(kāi)采的基礎(chǔ)上提出了注蒸汽開(kāi)采，開(kāi)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(kāi)采層以下實(shí)現(xiàn)降壓開(kāi)采;同時(shí)，地表產(chǎn)生的高溫高壓熱蒸汽通過(guò)雙壁鉆桿輸送至目標(biāo)層位，對(duì)擬開(kāi)采層進(jìn)行激振往復(fù)式熱激發(fā)。注蒸汽開(kāi)采具有降壓法開(kāi)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(kāi)采從理論上可以增大開(kāi)采范圍，延長(zhǎng)穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間，保證開(kāi)采的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

圖2 注蒸汽開(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)采層密度2476 kg/m3，開(kāi)采層比熱容1.125 kJ/(kg·℃)，開(kāi)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(kāi)采溫度為10℃，從溫度云圖可得到4種功率條件下的開(kāi)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(kāi)采半徑

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)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(kāi)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(kāi)采半徑基本相同，滿足開(kāi)采需求;50 kW時(shí)可增大開(kāi)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(kāi)采溫度10℃、擬開(kāi)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(kāi)采野外應(yīng)用

在青海祁連凍土區(qū)天然氣水合物試開(kāi)采項(xiàng)目中，首先進(jìn)行降壓法開(kāi)采，降壓開(kāi)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(yáng)能加熱/電磁加熱聯(lián)合開(kāi)采;當(dāng)上述開(kāi)采方法產(chǎn)氣量較少時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行注蒸汽開(kāi)采。

注蒸汽開(kāi)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^(guò)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(kāi)采能夠使水合物進(jìn)一步分解。

4.2 采氣階段

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

(2)通過(guò)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(kāi)采要求的條件下，需連續(xù)注熱38 h。

(3)注蒸汽開(kāi)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(kāi)采試驗(yàn)，采氣量為3.25 m3。

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

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