海洋天然氣水合物藏開采若干問題研究_圖文

1、廣東理工職業(yè)學(xué)院學(xué)生實習(xí)(訓(xùn)手冊實習(xí)（訓(xùn)）名稱系、專業(yè)、年級姓名學(xué)號指導(dǎo)教師實習(xí)（訓(xùn)）日期教務(wù)處制（試用）目錄1.實習(xí)（訓(xùn)）日志2.實習(xí)（訓(xùn)）總結(jié)報告3.實習(xí)（訓(xùn)）鑒定表4. 實習(xí)（訓(xùn)）任務(wù)書（指導(dǎo)教師填寫）說明1、本手冊適用于單獨設(shè)置的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)和畢業(yè)實習(xí)、實訓(xùn)。2、根據(jù)廣東理工職業(yè)學(xué)院實習(xí)（訓(xùn)）教學(xué)暫行管理規(guī)定，凡進(jìn)入實習(xí)（訓(xùn)）教學(xué)階段的學(xué)生均按實習(xí)（訓(xùn)）教學(xué)大綱和實習(xí)（訓(xùn)）計劃的要求，在實習(xí)（訓(xùn)）過程中認(rèn)真做好實習(xí)（訓(xùn)）日志，完成實習(xí)（訓(xùn)）報告（設(shè)計）等工作任務(wù)。3、認(rèn)真填寫各項內(nèi)容記錄，若某項內(nèi)容的紙張不夠填寫可另附紙張。實習(xí)（訓(xùn)）結(jié)束后，應(yīng)將本手冊交指導(dǎo)教師。4、各專業(yè)的實習(xí)（訓(xùn)）

2、要求不盡相同，若手冊中的實習(xí)（訓(xùn)）報告格式不適用于某專業(yè)實習(xí)（訓(xùn)）報告（設(shè)計）的要求，可另行確定報告（設(shè)計）的格式。5、學(xué)生實習(xí)（訓(xùn)）日志、實習(xí)（訓(xùn)）報告等材料是實習(xí)（訓(xùn)）教學(xué)的重要資料，將作為教師指導(dǎo)實習(xí)（訓(xùn)）工作檢查和考核的依據(jù)，請各系（部）注意收集保存。內(nèi)容包括實習(xí)（訓(xùn)）內(nèi)容、指導(dǎo)教師指導(dǎo)情況、心得體會等。注：時間集中安排的實習(xí)（訓(xùn)），日志每周記錄一次；時間分散安排的實習(xí)（訓(xùn)），不超過12學(xué)時記錄一次。每一次記錄完以后交指導(dǎo)教師審閱。內(nèi)容包括實習(xí)（訓(xùn)）內(nèi)容、指導(dǎo)教師指導(dǎo)情況、心得體會等。 , 26=g0k m ax k cwg L 2g k dmax 3 ,(1627=K h L 2p

3、g p k d C h k m ax 3, 28= co s p g p 0k max , 29=W , 30=L式(16 中, k rg 、k r w 分別為氣相和水相的相對滲透率; k c w g 為束縛水條件下的氣相滲透率; k r gw 為殘余氣條件下的水相滲透率, k max 、k 分別為最大絕對滲透率和絕對滲透率; s g i 為初始?xì)怏w飽和度; s w r 、s gr 分別為束縛水和殘余氣飽和度; 為氣-水界面張力; 為潤濕角; L 、 W 、H 分別為水合物藏的特征長度、特征寬度和特征厚度。各個相似準(zhǔn)數(shù)都有一定的物理意義 :1、2 表示歸一化的氣相、水相相對滲透率; 3表示地層

4、無因次絕對滲透率; 4、5 表示水合物密度、巖層密度與標(biāo)準(zhǔn)條件下天然氣的密度比;6 表示水密度和水合物密度之比;7、 8、9表示氣、水合物、巖層熱傳導(dǎo)系數(shù)與水熱傳導(dǎo)系數(shù)之比;10、 11、12表示氣、水合物、 巖層比熱和水比熱之比 ;13表示無因次水合物分解熱;14、 15、16表示水合物平衡壓力、初始?xì)怏w壓力、 水參考壓力和生產(chǎn)井底壓力之比; 17 表示無因次初始溫度分布 ;18表示無因次初始?xì)怏w飽和度; 19、20 表示生產(chǎn)井底壓力條件下, 水和巖石體積的相對變化量; 21為初始水合物飽和度分布; 22、23 分別表示殘余氣、束縛水飽和度; 24 表示水合物完全分解后的地層孔隙度;25 表

5、示殘余氣條件下水流度和束縛水條件下氣流度之比;26表示單位面積上流過的氣體質(zhì)量流量和水合物分解所產(chǎn)生的質(zhì)量流量之比 ; 27表示單位時間內(nèi), 水合物通過熱傳導(dǎo) 方式傳遞的熱量和分解了的水合物所含有的能量之比;28 表示平均孔喉半徑條件下的毛管力和井底壓力之比; 29為長、寬之比;30為厚度和長度之比。在物理模擬實驗中, 若模型能夠完全滿足這些相似參數(shù), 則模型和原型在相同的無因次時空點(x D , y D , z D , t D 上, 具有同樣的無因次因變量p gD 、T D 、 s w 、 s g 、 s h 。4 天然氣水合物藏開采方法研究4. 1 降壓法開采單一天然氣水合物藏研究考慮底層

6、和該層均為非滲透層的天然氣水合物藏, 一口生產(chǎn)井鉆到水合物層, 通過降低井底壓力, 使水合物發(fā)生分解, 物理模型如圖3所示, 基本參數(shù)如表2所示。采用所建模型對該方法進(jìn)行分析, 圖4給出了三維水合物藏在開采第46天時藏中各相飽和度、壓力和溫度分布, 其中, 生產(chǎn)井位于最左邊的角上。可見, 隨著井底壓力降不斷地向地層中傳遞, 水合物逐漸分解, 地層溫度降低, 氣相、水相飽和度增加, 層中逐漸有冰形成。圖3 降壓法開采天然氣水合物藏物理模型F ig . 3 Physica lm ode l of gas product i on fro m hydrate reservoir by depress

7、 u riza ti on表2 模型中基本參數(shù)取值Tab le 2 Va l ues of ma i n physi cal para m eters 參數(shù)取值參數(shù)取值c w /Pa-15. 0 10-10n G 1. 5c /Pa-18. 0 10-10n w 4. 0K w /(W K -1 m -1 0. 56 3. 0K g /(W K -1 m -1 0. 07 00. 3K r /(W K -1 m -1 3k 0/m 23. 97 10-14K h /(W K -1 m -1 0. 49s w i 0. 1K I /(W K -1 m -1 3. 4s hi 0. 4C w /(

8、J kg -1 K -1 4211p i /Pa6. 0 106C r /(J kg -1 K -1 840p g p /Pa1. 0 106C h /(J kg -1 K -1 1800 I /(kg m -3900C V g /(J kg -1 K -12206 r i /(kg m-3 2. 5 103C I /(J kg -1 K -12100 g /(Pa s1. 0 10-5T i /K280. 0r g /m0. 1k 0i /(m ol m -2 Pa -1s-13. 6 104h /(kg m-3 910圖4 在開采第46天時水合物藏中各相飽和度、壓力及溫度的分布F i g

9、. 4 Th e d istr i bu ti ons of pressure , te mp eratu re , and saturat i on on the 46th day i n 3-D hydrate reservoir p rodu ced by depressurization i n which the production w ell is located at the corner of the left hand si de N ote :H ere sy mbols pg , s w , sh , sg , si and t d enote p re ssure ,

10、 water saturation , gas hydrate saturati on ,gas saturation ,i ce s aturat i on and te m perature , respec ti vely注:其中圖標(biāo)中pg 、s w 、sh 、sg 、si 和t 分別代表壓力, 水、水合物、氣、冰飽和度及溫度。生產(chǎn)井位于圖中的最左邊的角上5期圖5、圖6分別給出了三維水合物藏產(chǎn)氣、產(chǎn)水速度隨時間的變化規(guī)律?？梢? 產(chǎn)氣速度可分為三個階段, 第一個階段是快速增長的階段(本算例從第110天; 第二階段為緩慢下降階段(從第1080天左右, 該階段持續(xù)的時間比較長; 第三個階段為

11、快速下降階段(第80天以后 。在初始階段, 降壓使得在井底附近產(chǎn)生很大的壓力梯度, 氣體迅速流進(jìn)井筒; 另外, 水合物的快速分解也在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量氣體, 這造成了產(chǎn)氣速度快速增加并在較短時間內(nèi)達(dá)到最大值。在第二個階段, 由于初期水合物快速分解, 消耗了地層中的能量, 水合物層溫度降低, 從而水合物的分解速度變慢; 另外, 近井區(qū)域自由氣體在初始階段已快速流出, 而遠(yuǎn)區(qū)域自由氣體由于地層壓力梯度的變緩不能快速地流向井底, 從而產(chǎn)氣速度有所下降。在第三階段, 由于大量的水合物已經(jīng)分解完畢, 藏中溫度壓力降低, 產(chǎn)氣速度迅速下降, 當(dāng)水合物分解完畢后, 壓力梯度很小, 產(chǎn)氣速度很低?？梢? 僅依靠

12、降壓開采可能導(dǎo)致水合物藏內(nèi)結(jié)冰嚴(yán)重, 開采能量供給不足。產(chǎn)水速度可分為三個階段:第一個階段為上升階段(本算例從開始產(chǎn)水到第50天; 第二階段為緩慢下降階段(第5080天; 第三階段為快速下降階段(第80100天 。雖然水合物在第一個階段分解產(chǎn)生一定量的水, 但由于水流度低于氣流度, 因而氣體先產(chǎn)出, 水則有一小部分流向井筒。當(dāng)氣體流動的優(yōu)勢逐漸減弱, 水逐漸占據(jù)了流動空間, 產(chǎn)水速度越來越大, 最后達(dá)到最大值。而后, 隨著水合物分解產(chǎn)水量逐漸減少, 產(chǎn)水速度開始緩慢下降。產(chǎn)水速度下降的另一個原因是地層中的水逐漸形成冰。第三階段為產(chǎn)水速度快速下降階段, 在該階段水合物分解水有限, 層中的壓力衰減

13、嚴(yán)重, 水滲流壓力梯度也變小, 再加上冰的大量形成, 導(dǎo)致了產(chǎn)水速度的迅速降低?？梢? 在降壓法開采應(yīng)考慮一定的水處理設(shè)備。4. 2 下伏氣的天然氣水合物藏開采研究下伏氣的天然氣水合物藏最有可能首先實現(xiàn)商業(yè)性開采。圖7給出了降壓開采下伏氣的天然氣水合物藏示意圖。在開采氣藏時, 生產(chǎn)井鉆穿水合物層到達(dá)自由氣藏, 通過開采水合物層之下的游離氣來降低儲層壓力, 使得與天然氣接觸的水合物變得不穩(wěn)定而發(fā)生分解。還可以通過調(diào)整氣井的產(chǎn)量, 控制水合物的分解速度, 提高了水合物開采的安全性。通過模擬計算, 圖8給出了井底壓力為1 MPa圖5 三維條件下產(chǎn)氣速度隨時間的變化規(guī)律Fig . 5 The var

14、i ation of gas rate w ith ti m ei n 3-D hydra te reservoir圖6 三維條件下產(chǎn)水速度隨時間的變化規(guī)律F ig . 6 T he variati on of w ater rate w ith t i m ei n 3-D hydra te reservoir圖7 下伏氣的天然氣水合物藏開采示意圖Fig . 7 S che m atic d i agra m of gas p rodu cti onfro m a hydrate reservoir underlai nby a free gas zone時, 總產(chǎn)氣速度和水合物分解產(chǎn)氣速度

15、隨時間的變化規(guī)律。所謂總產(chǎn)氣速度是指生產(chǎn)井單位時間內(nèi)的產(chǎn)氣量(m3/d,而水合物分解產(chǎn)氣速度則是指單位時間內(nèi)由于水合物分解而產(chǎn)生的氣體量(m 3/d?？梢? 在生產(chǎn)初期, 總產(chǎn)氣速度很高, 而后下降進(jìn)入穩(wěn)產(chǎn)階段。而水合物分解產(chǎn)氣速度在初期呈逐漸上升趨勢, 這是因為氣層氣體不斷產(chǎn)出, 氣體壓力逐漸下降, 從而水合物分解的驅(qū)動壓力逐漸增大, 水合物分解逐漸增多。然而, 水合物分解吸熱導(dǎo)致了水合物層溫度降低, 使得水合物的相平衡壓力降低, 從而水合物分解驅(qū)動力并非一直隨著氣層壓力的降低而增加, 而是在某個階段達(dá)到最大值。圖中在40天時即達(dá)到了水合物最大的分解速度, 隨后水合物分解進(jìn)入了平穩(wěn)階段, 水

16、合物產(chǎn)氣速度基本維持在某個定值附近。當(dāng)氣層壓力接近井底生產(chǎn)壓力時, 水合物分解消耗了大量的能量, 分解驅(qū)動力則逐漸減小, 分解產(chǎn)氣速度降低。圖9給出了井底壓力為1MPa 時, 水合物瞬時產(chǎn)氣比率和累計產(chǎn)氣比率隨時間的變化規(guī)律。水合物瞬時產(chǎn)氣比率是指水合物分解產(chǎn)氣速度和總產(chǎn)氣速度的比值, 而累積產(chǎn)氣比率是指水合物分解的累積產(chǎn)氣量和總產(chǎn)氣量的比值?？梢? 瞬時產(chǎn)氣比率在40天時增加至0. 5, 然后進(jìn)入穩(wěn)定階段, 瞬時產(chǎn)氣比率約在170天時迅速下降至0. 2左右。從累積產(chǎn)氣比率看, 水合物分解提供的氣體占總產(chǎn)氣量的35%, 說明上覆的水合物層能夠很好地延長氣藏的壽命, 并增加氣藏的產(chǎn)量。圖8 水合

17、物分解產(chǎn)氣瞬時速度和總產(chǎn)氣速度的對比F i g . 8 The co m par isons of d issociati ongas rate and total gas4. 3 注溫水-降壓法聯(lián)合開采天然氣水合物藏研究 單一降壓法開采水合物藏過程中, 地層中結(jié)冰會堵塞地層, 影響生產(chǎn)。注熱法可以避免這種問題, 但單一加熱法能量損失大、效率低, 注入熱介質(zhì)溫度越高越如此13, 16。因此, 筆者提出了注溫水-降壓法聯(lián)合開采天然氣水合物藏方法, 充分利用降壓法和注熱法優(yōu)勢。圖10給出了注溫水-降壓法聯(lián)合開采天然氣水合物藏示意圖, 通過注入井1向水合物地層中注入溫水, 水合物吸收熱量后發(fā)生分解產(chǎn)

18、圖9 瞬時產(chǎn)氣比率和累計產(chǎn)氣比率Fig . 9 The co m par isons of i n stantaneous and cumu lative ratios of d issociati on gas vol um e生氣體和水。在高壓注入溫水和生產(chǎn)井2的降壓驅(qū)動下, 氣體和水流向距注入井一定距離的生產(chǎn)井2產(chǎn)出。利用上述三維數(shù)學(xué)模型, 對開采過程中各參 數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行分析。圖10 注溫水-降壓法聯(lián)合開采天然氣水合物藏示意圖Fig . 10Schemat i c d i agra m of gas hydrateexp l oitation by the co m b i na

19、tion of warm water flooding and dep re ssurization圖11給出了注溫水-降壓法聯(lián)合開采水合物藏的產(chǎn)氣速度隨時間的變化規(guī)律?？梢? 產(chǎn)氣速度大體上可以分為較為明顯的五個階段:第一個階段(第06天 非常短暫, 為產(chǎn)氣速度快速上升階段, 這是由于該階段內(nèi)生產(chǎn)井壓力下降, 地層中原始?xì)怏w流出加之部分水合物分解產(chǎn)生的; 第二個階段(第690天 為產(chǎn)氣速度快速下降并接近穩(wěn)定階段, 該階段內(nèi), 地層內(nèi)生產(chǎn)井附近的原始?xì)怏w已經(jīng)在初始的高壓力梯度下流出, 底層壓力下降, 從而水合物在降壓作用下發(fā)生分解產(chǎn)生氣體, 因此, 該階段主要是降壓產(chǎn)氣為主, 并且該產(chǎn)氣速度也

20、能維持在一定值, 持續(xù)時間長短與地層參數(shù)有關(guān); 第三個階段(第90120天 為產(chǎn)氣速度逐漸升高階段, 在該階段, 注入的溫水促使水合物不斷分解產(chǎn)生氣體流向5期 生產(chǎn)井, 因此, 該階段產(chǎn)出的氣體為降壓分解和注熱分解兩種方式; 第四個階段(第120390天 為平穩(wěn)產(chǎn)氣階段, 產(chǎn)出的氣體主要是以溫水致分解為主, 基本不存在降壓分解; 第五個階段(第390天以后 為產(chǎn)氣速度下降階段?？梢? 注溫水-降壓法聯(lián)合開采天然氣水合物藏具有穩(wěn)產(chǎn)時間較長、穩(wěn)產(chǎn)氣速度高的特點。 圖12給出了注溫水-降壓法聯(lián)合開采產(chǎn)水速度隨時間變化規(guī)律, 其中小圖是把低產(chǎn)水期進(jìn)行突出顯示?？梢? 注溫水-降壓法聯(lián)合開采產(chǎn)水速度大體

21、上可以分為4個階段:第一個階段(第010天, 該階段水速度快速增加達(dá)到一個小峰值, 主要是生產(chǎn)井的降壓初期地層壓力迅速降低而導(dǎo)致的水合物分解, 由于該階段水合物分解區(qū)域主要在生產(chǎn)井附近, 因此具有一定的水產(chǎn)出。第二階段(第1090天 為產(chǎn)水下降至穩(wěn)定值階段。在該階段內(nèi), 由于水合物降壓分解的范圍逐漸變大, 有較多的孔隙空間被釋放出來。因此, 相對于氣體而言, 水的流動性減弱, 因而產(chǎn)水速度有所降低, 但伴隨著水合物持續(xù)的降壓分解, 具有較為穩(wěn)定的水產(chǎn)出。第三個階段(第90420天 為產(chǎn)水逐漸上升階段, 在該階段內(nèi), 生產(chǎn)井周圍的水合物不斷分解產(chǎn)生了一定量的水, 這些水以及注入的溫水在壓力梯度的

22、作用下, 不斷地流向生產(chǎn)井, 該階段產(chǎn)出的水以水合物降壓分解產(chǎn)水以及水合物在溫水作用下分解產(chǎn)水為主。第四個階段(第420天以后 為產(chǎn)水快速上升階段, 該階段產(chǎn)水速度快速上升, 主要是因為生產(chǎn)井注入的溫水不斷地向生產(chǎn)井推進(jìn), 當(dāng)溫水前緣接近于生產(chǎn)井時, 產(chǎn)水速度迅速增加, 并導(dǎo)致最后以產(chǎn)水為主, 產(chǎn)氣基本停止。5 結(jié)語天然氣水合物儲量巨大、分布廣、清潔, 被認(rèn)為是一種重要的潛在能源, 各國研究者正在就如何安全、經(jīng)濟(jì)、有效地開采天然氣水合物開展積極的研究工作。天然氣水合物開采涉及一系列關(guān)鍵技術(shù), 本文闡述了筆者在其中一些關(guān)鍵基礎(chǔ)問題所取得的研究進(jìn)展, 包括天然氣水合物開采模型及數(shù)值模擬, 天然氣水

23、合物開采物理模擬相似準(zhǔn)則, 天然氣水合物開采方法研究等。研究建立、完善了天然氣水合物開采的數(shù)學(xué)模型, 系統(tǒng)地考慮了氣-水-水合物-冰相多相滲流過程、水合物分解動力學(xué)過程、水合物相變過程、冰-水相變過程、熱傳導(dǎo)、對流過程等對圖11 注溫水-降壓法聯(lián)合開采天然氣水合物藏產(chǎn)氣速度變化規(guī)律F ig . 11 G as rate of hydrate reservo i r exp loited by th e co m b i nation of war m water flood i n gand d epressurization圖12 注溫水-降壓法聯(lián)合開采天然氣水合物藏產(chǎn)水速度變化規(guī)律F i

24、g . 12 W ater rate of hydrate re servoir exp l oited by the co m binati on of w arm water flooding and dep re ssurization 水合物分解以及產(chǎn)氣和產(chǎn)水的影響。并采用了基本變量轉(zhuǎn)換方法對整個耦合方程進(jìn)行求解, 通過實驗驗證了數(shù)學(xué)模型及數(shù)值模型的正確性?；谒〝?shù)學(xué)模型建立了三維降壓開采水合物物理模擬相似準(zhǔn)則, 并對各個相似參數(shù)的物理意義進(jìn)行分析。降壓法開采單一水合物藏, 在某些情況下會導(dǎo)致水合物藏內(nèi)結(jié)冰嚴(yán)重, 開采能量供給不足。因此, 需要額外提供給水合物分解所需的能量。此外,

25、天然氣水合物藏開采時還需要考慮對產(chǎn)出水的處理。對下伏氣的天然氣水合物藏降壓開采分析表明, 水合物能夠提供相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)氣量, 能夠提高氣井產(chǎn)量, 延長氣田穩(wěn)產(chǎn)時間。提出了注溫水-降壓法聯(lián)合開采天然氣水合藏方法, 能充分利用降壓法和注熱法的優(yōu)勢, 具有穩(wěn)產(chǎn)時間較長、穩(wěn)產(chǎn)氣速度高的特點。參考文獻(xiàn)1 Kven vol d en K A. A p ri m er on the geo l og i cal occu rrence of gas hyd rateJ.G eol Soc London, Spec . Pub. l , 1998, 137:9-30. 2 Bu rs h ears M, Ob ri

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34、.SPE 10832, 1982:373-379.St udy on several proble m s of oceanic gashydrate reservoir expl oitationBaiYuhu 1, 2, L iQ i ngpi ng1(1. State K ey Laboratory o fO ffshore O il Exp l o itation , Be ijing 100027, Ch i n a ; 2. Ch i n a N ationalO ffshore O il Corporati o n R esearch I nstitute , Beiji n g

35、 100027, ChinaAbstract Severa l funda m ent proble m s like the m athe m aticalm ode l and num erica l si m u lation of gas pro ducti o n fro m natural gas hydrate reser vo ir , si m ilarity princ i p le o f gas hydrate physica l si m ulation and exp l o itationm ethod o f gas hydrate reservo ir are

36、 researched . A m athe m atica lm ode l is developed to si m u l a te the hydrate d issoc i a ti o n i n hydrate-bearing porousm edi u m. The mode l can be used to analyze the effects of the flo w ofm ulti p hase fl u i d s , the i n tri n sic k i n etic pr ocess o f hydrate d issociati o n, the end

37、other m ic process of hydrate dissoc iation , ice-w a ter phase equili b riu m, the variati o n o f per m eability , the convecti o n and conduction on the hydrate d issociati o n and gas and w ater pr oducti o n . For a sing le gas hydrate reservo ir explo ited only by depressuriza ti o n , the stu

38、dy sho w s that w ater freezing appears i n the for m ation w ith the dissociation of gas hydrate under certain cond ition due to ener gy de ficiency for hydrate d issociation, w hich can lead to blockage of flo w path and stopp i n g o f gas pr oducti o n . Fo r a hy dra te reservo ir underlain by

39、a free gas zone explo ited by depressurizati o n, the results sho w that the overly i n g hydrate zone can supply an a m ount of gas to i m prove the outpu t o f production w e ll and evidentl y pro l o ng the lifespan o f gas reservo ir . The co mb i n ation m ethod ofw arn w ater fl o od i n g w ith depressurization is proposed , wh ich can co m prehen5期si v e l y utilize the advantage of ther m al sti m ulati o n and depressurizati o