李蜀濤 魏 納 李海濤 龐維新 席永釗 鄭利軍 付 強(qiáng),

1.西南石油大學(xué) 2.中海油研究總院有限責(zé)任公司

0 引言

中國《國家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》將“天然氣水合物開發(fā)技術(shù)”部署為27項(xiàng)前沿技術(shù)之一；國家《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃》提出加大天然氣水合物（以下簡(jiǎn)稱水合物）勘探開發(fā)技術(shù)攻關(guān)力度，積極推進(jìn)試采工程；國家《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》提出突破水合物勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，開展先導(dǎo)鉆探和試采試驗(yàn)。因此，水合物特別是海洋深水水合物的安全、高效開發(fā)是當(dāng)前世界的前沿創(chuàng)新技術(shù)領(lǐng)域[1-3]。

周守為院士于2012年提出了海洋水合物藏固態(tài)流化開采技術(shù)[4-5]是一種安全、高效開采海洋水合物藏的創(chuàng)新方法。海洋水合物固態(tài)流化采掘在水平段和垂直段的運(yùn)移規(guī)律各有不同，其中水平段面臨的主要問題有：水合物和巖屑在二次破碎以后進(jìn)入水平管段的運(yùn)移規(guī)律與一般鉆水平井存在鉆桿攪動(dòng)[6]的作用的運(yùn)移特征不同；水合物與巖屑之間的凝聚力較大，相比于常規(guī)鉆水平井而言，更易形成巖床，所以迫切需要分析天然氣水合物在固態(tài)流化采掘條件下水平管段的運(yùn)移規(guī)律，并據(jù)此指導(dǎo)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工。

1 水合物固態(tài)流化采掘水平段固相顆粒運(yùn)移模型

在開采的過程中，水合物固相顆粒在水平管段中的運(yùn)移方式主要有蠕移、躍移、懸移三種方式，蠕移指水合物藏固相顆粒在受到相對(duì)較小的力的作用情況下，沿管壁平行滑動(dòng)或者滾動(dòng)的方式運(yùn)移；躍移指隨著水合物固相顆粒速度的增大，固相顆粒以跳躍的方式運(yùn)移；懸移指水合物固相顆粒受到的浮力大于重力時(shí)，以懸浮的形式在水平管段運(yùn)移。針對(duì)天然氣水合物固態(tài)流化開采過程中，水平管段固相顆粒的實(shí)際運(yùn)移情況，建立了水平段固相顆粒運(yùn)移模型如下。

1.1 數(shù)學(xué)模型

1.1.1 連續(xù)方程

式中ρm表示混合相密度，kg/m3；m表示混合相速度，m/s；n表示相數(shù)；αk表示第k相的體積分?jǐn)?shù)；ρk表示第k相的密度，kg/m3；k表示第k相的速度，m/s。

1.1.2 動(dòng)量守恒方程

由牛頓第二定律可知[7]，液固兩相流動(dòng)的動(dòng)量守恒方程：

式中p表示壓力，Pa；F表示體積力，N/m3；g表示重力加速度，m/s2；m表示混合物黏度，Pa·s；T表示時(shí)間，s；k表示k相的黏度，Pa·s；dr,k表示第k相的運(yùn)移速度，m/s。

1.1.3 能量守恒方程

根據(jù)能量守恒定律，液固兩相流動(dòng)滿足能量守恒方程：

式中Ek表示第k相的內(nèi)能，J/kg；λeff表示有效熱傳導(dǎo)率，W/(m·K)；T表示溫度，K；SE表示體積熱源相，J/(m3·s)。

1.2 固相顆粒受力模型

水平管段形成的水合物巖屑床的破壞主要以巖屑床表層固相顆粒的臨界起動(dòng)為判斷條件，水合物藏固相顆粒的起動(dòng)是指巖屑床表層的固相顆粒由靜止轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)的臨界狀態(tài)，在力學(xué)方面主要受到其自身性質(zhì)和顆粒受力的影響。固相顆粒受力主要包括重力、浮力、流動(dòng)拖曳力、壓力梯度力、流動(dòng)舉升力、塑性力、粒間凝聚力、巴塞特力、附加質(zhì)量力和馬格努斯效應(yīng)力等，其計(jì)算參閱本文參考文獻(xiàn)[8-15]。

1.3 物理模型

根據(jù)全球首次海洋水合物固態(tài)流化射流破碎現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試采目標(biāo)區(qū)的基本參數(shù)和儲(chǔ)層性質(zhì)：水深1 310 m、埋深117～192 m、泥質(zhì)粉砂、平均孔隙度43%、飽和度40%，利用SolidWorks建立水平管段巖屑運(yùn)移物理模型，根據(jù)實(shí)際施工參數(shù)建立固態(tài)流化開采水平段巖屑運(yùn)移模型，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為：內(nèi)徑70 mm，外徑100 mm，長(zhǎng)度2 000 mm，采用四面體與六面體混合單元各對(duì)所建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模擬水深1 300 m，海底溫度為276.15 K，海底壓力為13.7 MPa的海洋環(huán)境下，分析水合物固相顆粒在不同豐度、粒徑、管徑、速度條件下的固相顆粒運(yùn)移特性，如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分圖

2 模擬結(jié)果

在水平管段內(nèi)運(yùn)移的水合物固相顆粒受鉆井液返排速度、進(jìn)入水平管段的水合物豐度以及固相顆粒粒徑等因素的影響，其在不同的條件下，呈現(xiàn)出來的運(yùn)移情況各有不同，具體分析如下：

2.1 不同進(jìn)口流速對(duì)固相顆粒運(yùn)移的影響

在水合物藏固相顆粒直徑為5 mm，鉆井液黏度為1.672 8 mPa·s，水合物豐度為70%的情況下，分別模擬研究進(jìn)口速度為0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s和2.5 m/s的固相顆粒運(yùn)移情況，得到不同進(jìn)口速度固相單顆粒的運(yùn)移軌跡（圖2-a）。由圖2-a可知，單顆粒固相顆粒最開始進(jìn)入管道內(nèi)時(shí)，以跳躍運(yùn)移為主，隨著進(jìn)口速度的增加，跳躍距離越遠(yuǎn)，隨后以蠕移和跳躍運(yùn)移的方式在管道中流動(dòng)，流體速度越大，跳躍運(yùn)移越明顯。

由圖2-b可知，水合物固態(tài)流化采掘的過程中，當(dāng)進(jìn)口速度為0.5 m/s時(shí)，固相顆粒會(huì)在進(jìn)口處逐漸堆積，運(yùn)移方式以躍移和蠕移為主，懸移為輔；隨著進(jìn)口速度的增加，固相顆粒在管道底部的沉積量越少，運(yùn)移方式以躍移和懸移為主，蠕移為輔。

圖2 不同進(jìn)口速度下固相顆粒在水平管道中的運(yùn)移軌跡及分布圖

由圖3-a可知，在水平管道中，流體的流速呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢(shì)，管道中心流速最大，靠近管壁面流速最小，且隨著流體進(jìn)口速度的增加，管內(nèi)的最大流速向管壁延伸，管壁附近的流速隨進(jìn)口速度的增加而增加。由圖3-b可知，隨著進(jìn)口速度的不斷增加，管道內(nèi)壓力下降速度增加且滿足達(dá)西滲流。因此，由圖2、3可知，在實(shí)際使用固態(tài)流化方式開采水合物的過程中，在確保舉升泵設(shè)備負(fù)荷的前提下，提高井口排量，使固相顆粒盡可能地在管道中保持懸移和躍移，有利于流體攜帶水平段固相顆粒，提高水平管段內(nèi)凈化效果。

2.2 不同水合物豐度對(duì)固相顆粒運(yùn)移的影響

在水合物藏固相顆粒直徑為5 mm，鉆井液黏度為1.672 8 mPa·s，鉆井液進(jìn)口速度為0.5 m/s的情況下，分別模擬研究水合物豐度為10%、30%、50%、70%和80%情況下固相顆粒運(yùn)移情況，得到不同水合物豐度情況下單顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡（圖4-a）。

圖3 不同進(jìn)口速度下水平管道流體流速變化和壓力分布圖

圖4 不同水合物豐度下固相顆粒在水平管道中的運(yùn)動(dòng)軌跡及分布圖

由圖4-a可知，單顆粒固相顆粒最開始進(jìn)入管道內(nèi)時(shí)，以跳躍運(yùn)移為主，且豐度越大，躍移的距離越遠(yuǎn)，隨后以蠕移和跳躍運(yùn)移的方式在管道中流動(dòng)，固相顆粒豐度越大，跳躍運(yùn)移越明顯。

由圖4-b可知，水合物固態(tài)流化采掘的過程中，當(dāng)水合物豐度為10%時(shí)，固相顆粒會(huì)在進(jìn)口處逐漸堆積，運(yùn)移方式以躍移和蠕移為主，懸移為輔；隨著水合物豐度的增加，固相顆粒在管道底部的沉積量越少，運(yùn)移方式以躍移和懸移為主，蠕移為輔。

由圖5-a可知，在水平管道中，流體的流速呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢(shì)，管道中心流速最大，靠近管壁面流速最小，水合物豐度的增加對(duì)液相流速的影響較小。由圖5-b可知，不同的水合物豐度條件下，管道內(nèi)壓力下降速度變化很小，可以忽略豐度對(duì)管道壓力降的影響。因此，由圖4、5可知，在實(shí)際使用固態(tài)流化方式開采水合物的過程中，不同的水合物豐度的管道流體在水平管道內(nèi)的運(yùn)移方式各有不同，水合物豐度越高，越有利于水合物固相顆粒在管道內(nèi)的運(yùn)移，同時(shí)，水合物豐度對(duì)管道內(nèi)液相流速和壓力降影響較小。應(yīng)根據(jù)水合物豐度設(shè)定相應(yīng)的施工參數(shù)，有利于提高水平管段內(nèi)的凈化效果。

圖5 不同水合物豐度下水平管道流體流速變化和壓力分布圖

2.3 不同水合物粒徑對(duì)固相顆粒運(yùn)移的影響

在鉆井液黏度為1.672 8 mPa·s，鉆井液進(jìn)口流速為0.5 m/s，水合物豐度為70%的情況下，分別模擬研究固相顆粒粒徑為1 mm、3 mm、5 mm、7 mm和9 mm的運(yùn)移情況，得到不同固相顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡（圖 6-a）。

由圖6-a可知，單顆粒固相顆粒最開始進(jìn)入管道內(nèi)時(shí)，以跳躍運(yùn)移為主，且粒徑越大，躍移的距離越近，隨后以蠕移和跳躍運(yùn)移的方式在管道中流動(dòng)，固相顆粒粒徑越大，蠕移越明顯。其中對(duì)比粒徑為1 mm，3 mm與9 mm水合物固相顆粒的運(yùn)移軌跡可知，在粒徑較小的時(shí)，運(yùn)移方式主要是懸移和躍移，在粒徑逐漸增大的過程中，運(yùn)移方式由懸移逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檐S移最后變成蠕移。

由圖6-b可知，水合物固態(tài)流化采掘的過程中，當(dāng)水合物粒徑為1 mm時(shí)，固相顆粒主要以懸移的方式在水平管段中運(yùn)移，隨著水合物粒徑的不斷增加，運(yùn)移的過程中逐漸出現(xiàn)躍移和蠕移的運(yùn)移方式，當(dāng)水合物粒徑達(dá)到時(shí)，固相顆粒已經(jīng)在水平管段底部大量堆積，不利于固相顆粒的運(yùn)移。

圖6 不同水合物粒徑下固相顆粒在水平管道中的運(yùn)動(dòng)軌跡及分布圖

由圖7-a可知，在水平管道中，流體的流速呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢(shì)，管道中心流速最大，靠近管壁面流速最小，隨著水合物顆粒粒徑增加到7 mm、9 mm時(shí)，固相顆粒開始在進(jìn)口處堆積，水平管段井口端的液相速度逐漸偏離正態(tài)分布，越靠近上管壁附近，液相速度越大，越靠近下管壁附近，液相速度較小。由圖7-b可知，不同的水合物顆粒粒徑條件下，管道內(nèi)壓力下降速度變化很小，可以忽略水合物粒徑對(duì)管道壓力降的影響。因此，由圖6、7可知，不同的水合物固相顆粒粒徑對(duì)水合物在管道內(nèi)的運(yùn)移方式影響較大，水合物顆粒粒徑越小，越有利于水合物固相顆粒在管內(nèi)的運(yùn)移，同時(shí)，由于固相顆粒在管底的堆積會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)液相的流場(chǎng)發(fā)生變化，影響固相顆粒的運(yùn)移方式，即在水合物顆粒堆積的波峰處液相流速較大，在波谷處液相流速較低，此外，水合物顆粒粒徑對(duì)管道內(nèi)的壓力降影響較小。在實(shí)際使用固態(tài)流化方式開采水合物的過程中，應(yīng)該研發(fā)高效的二級(jí)破碎工具，降低水合物顆粒粒徑，有利于提高水平管段內(nèi)的凈化效果。

2.4 不同水合物粒徑、管徑對(duì)液相攜水合物固相顆粒運(yùn)移速度的影響

圖7 不同水合物粒徑下水平管道流體流速變化和壓力分布圖

在鉆井液黏度為1.672 8 mPa·s，水合物固相顆粒粒徑為1 mm、3 mm、5 mm、7 mm、9 mm時(shí)，分別模擬水合物顆粒在管徑為30 mm、50 mm、70 mm的管道中運(yùn)移，得到正常泵送水合物固相顆粒所需的液相速度，如圖8所示。由圖8可知，水合物固相顆粒粒徑越大、水平段管徑越大所需液相運(yùn)移速度越大。因此，在實(shí)際使用固態(tài)流化方式開采水合物的過程中，要根據(jù)二級(jí)破碎設(shè)備破碎顆粒大小和舉升泵額定負(fù)荷，選擇能夠滿足生產(chǎn)需求的泵輸水平管管徑，有利于提高水平管段內(nèi)的凈化效果。

3 水合物固態(tài)流化采掘水平段固相顆粒運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證CFD仿真結(jié)果的正確性，運(yùn)用西南石油大學(xué)已有的全球首個(gè)海洋非成巖水合物固態(tài)流化開采大型物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，模擬海洋水深1 300 m，壓力13.7 MPa，溫度276.15 K環(huán)境，水合物固相顆粒在不同液相排量下的運(yùn)移規(guī)律。

圖8 泵送水合物固相顆粒液相速度圖

3.1 實(shí)驗(yàn)方案及流程

1）水合物大樣品快速制備、破碎及漿體調(diào)制模塊中，根據(jù)海洋水合物組分，模擬預(yù)制水合物（含砂）樣品；制備釜中形成水合物礦體后，將其原位破碎，破碎時(shí)加入定量海水，精確配制實(shí)驗(yàn)所需的水合物漿體，并將其保溫、保壓、保粒度、保安全運(yùn)移至水合物漿體高效管輸模塊。

2）通過多次調(diào)節(jié)液相排量，完成不同排量下水合物固相顆粒群的運(yùn)移模擬實(shí)驗(yàn)。

3）自動(dòng)采集與存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)過程中的動(dòng)態(tài)圖像及溫度、壓力、流量、粒徑等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析及處理。

3.2 水合物大樣品快速制備

利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的低溫高壓反應(yīng)釜制備實(shí)驗(yàn)所需的水合物樣品（如本期趙金洲文中圖2所示），并利用釜體內(nèi)的水合物破碎刀片將反應(yīng)釜內(nèi)生成的水合物破碎成實(shí)驗(yàn)所需粒徑尺寸（2～5 mm）。然后通過砂漿泵將釜體內(nèi)的水合物泵送到水平管段。

3.3 水平管段中不同液相排量下水合物固相顆粒運(yùn)移分析

3.3.1 進(jìn)口小排量下固相顆粒臨界運(yùn)移

將液相進(jìn)口排量分別設(shè)置為0.720 L/s、0.960 L/s、1.200 L/s、1.440 L/s，其顆粒的運(yùn)移情況記錄如表1所示，利用高速攝像機(jī)和可視化高壓承壓水平管段可以監(jiān)測(cè)到水合物在水平管段中的運(yùn)移情況如本期趙金洲文中圖8所示。

表1 不同液相進(jìn)口小排量下固相顆粒運(yùn)移實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄表

由上述圖表可以看出，排量為0.720 L/s時(shí)，管段中的水合物固相顆?；緵]有發(fā)生運(yùn)移，當(dāng)液相排量逐漸增加時(shí)，顆粒粒徑較小的水合物固相顆粒開始發(fā)生運(yùn)移，當(dāng)排量達(dá)到1.440 L/s后，管段中所有的水合物固相顆粒都開始運(yùn)移，即管段中液相排量越大，水合物顆粒粒徑越小，管段的水合物越容易運(yùn)移，越有利于提高水平管段內(nèi)的凈化效果。

3.3.2 進(jìn)口大排量下固相顆粒運(yùn)移

將液相排量分別提高到2.216 L/s、4.346 L/s、6.667 L/s、8.925 L/s、10.990 L/s，其顆粒的運(yùn)移情況記錄如表2所示，利用高速攝像機(jī)和可視化高壓承壓水平管段可以監(jiān)測(cè)到水合物在水平管段中的運(yùn)移情況，如圖9所示。

表2 不同液相進(jìn)口大排量下固相顆粒運(yùn)移實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄表

圖9 水平管段不同液相進(jìn)口大排量（速度）下固相顆粒運(yùn)移情況圖

由圖9和表2可以看出，當(dāng)排量為2.216 L/s時(shí)，管段中的水合物已經(jīng)開始整體運(yùn)移，但水平管底部會(huì)形成水合物床，并以蠕移和躍移的方式向前運(yùn)移。當(dāng)排量逐漸增加時(shí)，水合物固相顆粒運(yùn)移速度加快，且分布相對(duì)較為分散。當(dāng)排量達(dá)到10.990 L/s時(shí)，水合物固相顆粒最為分散，對(duì)水平管段內(nèi)凈化效果較好。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)很好的驗(yàn)證的Fluent和EDEM仿真模擬結(jié)果。

4 結(jié)論

1）水合物在水平管道輸送過程中，單顆粒水合物以躍移和蠕移運(yùn)移為主，而水合物顆粒群的運(yùn)移方式受水合物豐度、液相速度、水合物固相顆粒粒徑影響較大。當(dāng)水合物豐度較低、顆粒粒徑較大、液相流速較低時(shí)，固相顆粒運(yùn)移方式主要以躍移、蠕移為主；當(dāng)水合物豐度較高、顆粒粒徑較小、液相流速較大時(shí)，固相顆粒運(yùn)移方式主要以懸移為主。

2）提高液相進(jìn)口速度，是提高水平管內(nèi)凈化效果的有效辦法。

3）水平管道內(nèi)，液相流場(chǎng)受水合物固相顆粒粒徑影響較大，水合物固態(tài)流化開采應(yīng)選用破碎效果較好的二級(jí)破碎工具，將水合物破碎成適合于液相攜帶的固相顆粒粒徑群；或在滿足生產(chǎn)要求的條件下，配合較小管徑的水平管段，以此降低設(shè)備負(fù)荷，提高水平管內(nèi)凈化能力。

4）水合物固態(tài)流化開采水平管段內(nèi)壓力降主要受液相流速影響較大，在滿足舉升泵設(shè)備負(fù)荷條件下，可調(diào)整適當(dāng)?shù)囊合嗨俣取?/p>