孫可明，王婷婷，翟 誠(chéng),2，辛利偉，范 楠

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001)

0 引 言

天然氣水合物是在低溫高壓條件下，天然氣的氣體分子與水結(jié)合形成的結(jié)晶化合物[1]。全球天然氣水合物在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的儲(chǔ)量為21×1015m3。水合物能量密度高、儲(chǔ)量大，開采利用水合物獲取天然氣將成為全球有效的能源供給途徑[2-4]。2017年5月，中國(guó)南海神狐海域的天然氣水合物開采實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)1個(gè)月以上，成為第一個(gè)實(shí)現(xiàn)海域天然氣水合物試采且能連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)的國(guó)家[5]。天然氣水合物的開采方法有降壓法、熱激法、注抑制劑法、CO2置換法等[6]，其中，熱激法具有提供熱量直接、作用效果迅速、水合物分解效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，可作為未來開采水合物的有效方法[7-9]。熱激法開采水合物分解界面的位置變化與水合物開采效率密切聯(lián)系，因此，研究水合物分解界面的變化規(guī)律對(duì)提高開采效率，實(shí)現(xiàn)合理化開采設(shè)計(jì)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前，水合物沉積物現(xiàn)場(chǎng)取心難度大、原位試驗(yàn)技術(shù)成本高，對(duì)熱激法開采水合物分解過程中的特性變化規(guī)律研究集中在水合物生成樣品的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方面[10]。唐良廣等[11]通過天然氣水合物注熱鹽水開采實(shí)驗(yàn)得出溫壓的時(shí)域變化規(guī)律；萬麗華等[12]通過熱鹽水分解天然氣水合物實(shí)驗(yàn)，得到氣體產(chǎn)出過程分為自由氣產(chǎn)出、水合物分解及分解結(jié)束后常規(guī)氣藏的氣體產(chǎn)出階段；Jeonghwan[13]通過水合物注熱開采實(shí)驗(yàn)研究鹽度和滲透率對(duì)開采的影響，認(rèn)為滲透率是決定水合物開采的重要參數(shù)；李淑霞等[14]進(jìn)行注熱鹽水開采水合物藏實(shí)驗(yàn)，分析不同初始水合物條件和注熱水參數(shù)對(duì)水合物分解效果的影響。目前相關(guān)研究均未對(duì)熱激法開采水合物過程中分解界面變化規(guī)律進(jìn)行討論，實(shí)驗(yàn)研究側(cè)重分析產(chǎn)氣過程及初始條件對(duì)水合物分解效果的影響，忽視水合物加熱分解界面的研究，而分解界面是影響水合物開采效率的主要因素之一。

自制水合物加熱分解界面測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置，主要分析不同初始飽和度條件水合物沉積物分解界面的變化規(guī)律，并結(jié)合數(shù)值模擬分析水合物加熱分解界面變化規(guī)律及其關(guān)鍵影響因素，為天然氣水合物藏?zé)峒しㄩ_采提供必要的理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及材料

實(shí)驗(yàn)在恒容條件下進(jìn)行，自制水合物加熱分解界面測(cè)量裝置，主要包括壓力反應(yīng)釜、恒溫冷水箱、MIK-P 300壓力傳感器和PT 100溫度傳感器以及數(shù)據(jù)采集儀等。實(shí)驗(yàn)材料：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%的自制鹽水，NaCl純度不低于99.5%；CH4純度為99.9%；石英砂粒徑為70～100目。進(jìn)口端配有供氣裝置，出口端配有回壓裝置和氣液分離裝置，利用數(shù)據(jù)采集儀記錄不同時(shí)刻的溫度、壓力等參數(shù)，實(shí)驗(yàn)前期經(jīng)多次試壓，確保實(shí)驗(yàn)裝置具有良好的氣密性。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟主要包括：①填砂。將質(zhì)量為3 000 g的石英砂和不同質(zhì)量的鹽水混合后根據(jù)設(shè)定的孔隙度充填反應(yīng)釜。②注氣。利用真空泵將反應(yīng)釜抽至真空狀態(tài)，通過供氣裝置向反應(yīng)釜內(nèi)注入甲烷氣體，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)壓力滿足預(yù)定值，將入口閥門關(guān)閉，停止注氣。③水合物生成。進(jìn)行恒容降溫生成水合物，設(shè)定恒溫冷水箱工作溫度為1 ℃，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)壓力大幅度下降并穩(wěn)定不變時(shí)，進(jìn)行二次補(bǔ)壓，當(dāng)系統(tǒng)壓力與時(shí)間變化無關(guān)時(shí)，即認(rèn)為水合物等容生成完成。④水合物分解。設(shè)定溢流閥壓力與反應(yīng)釜內(nèi)壓力相同，打開出氣口閥門，使加熱帶工作，進(jìn)行熱激法開采水合物分解實(shí)驗(yàn)，設(shè)置工作溫度為45 ℃(滿足水合物分解條件)，測(cè)量并記錄壓力、溫度、產(chǎn)氣速度和累計(jì)產(chǎn)量，當(dāng)產(chǎn)氣量不再增長(zhǎng)后，停止記錄數(shù)據(jù)。⑤重復(fù)上述步驟進(jìn)行不同初始飽和度水合物加熱分解界面測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 天然氣水合物初始飽和度

為確定天然氣水合物生成實(shí)驗(yàn)后水合物初始飽和度，采用引入壓縮因子的氣體狀態(tài)方程，計(jì)算反應(yīng)起始與結(jié)束時(shí)間段內(nèi)消耗甲烷氣體物質(zhì)的量，具體計(jì)算方法見式(1)，不考慮天然氣水合物生成過程中反應(yīng)釜內(nèi)部孔隙體積改變。

(1)

式中：p為沉積物的孔隙壓力，Pa；T為沉積物的溫度，K；Z為甲烷氣體壓縮因子；R為氣體常數(shù)，取8.314 ；Δng為甲烷氣體生成前后的變化量，mol；下標(biāo)1、2分別為天然氣水合物生成前、后時(shí)刻；Vp為天然氣水合物沉積物的總孔隙體積， m3。

反應(yīng)釜內(nèi)生成水合物的物質(zhì)的量可由水合物生成反應(yīng)平衡方程計(jì)算得出：

天然氣水合物初始飽和度是指多孔介質(zhì)孔隙中水合物體積與總孔隙體積的比值，運(yùn)用式(2)計(jì)算實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)釜內(nèi)的天然氣水合物初始飽和度 ：

(2)

式中：Mh為水合物相對(duì)摩爾質(zhì)量，118.6g/mol；nh為實(shí)驗(yàn)生成水合物的物質(zhì)的量，mol；ρh為水合物密度，0.91g/cm3。

1.2.3 天然氣水合物開采分解界面的判斷依據(jù)

天然氣水合物開采過程實(shí)際是一個(gè)分解界面的移動(dòng)過程，沉積層被分解界面劃分成2個(gè)區(qū)域，一個(gè)是水合物分解區(qū)，該區(qū)域內(nèi)壓力均低于相平衡壓力；另一個(gè)是水合物未分解區(qū)，該區(qū)域內(nèi)壓力要高于相平衡壓力。采用Makogon[15-17]提出的水合物相平衡關(guān)系，依據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得水合物分解過程中反應(yīng)釜內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度T來計(jì)算各測(cè)點(diǎn)平衡壓力 ，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的對(duì)應(yīng)壓力pe作比較，來判定水合物分解界面位置：當(dāng)滿足p=pe時(shí)，該測(cè)點(diǎn)即為水合物分解界面所處位置：

lgpe=A(T-T0)+B(T-T0)2+C

(3)

式中：pe為平衡壓力，Pa ；T0=273.15 K，A=0.0342 K-1，B=0.000 5 K-2，C=6.480 4。

2 結(jié)果與討論

為研究不同初始飽和度水合物開采分解界面的變化規(guī)律，采用加熱帶作熱源進(jìn)行熱激法開采天然氣水合物分解實(shí)驗(yàn)，加熱時(shí)間為150 min，以生成天然氣水合物初始飽和度分別為3%、6%、10%的一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)見表1。

圖1為水合物沉積層溫度變化曲線。由圖1可知：開采結(jié)束后沉積層內(nèi)溫度隨分解距離逐漸遞減；同一位置，水合物初始飽和度越低，沉積層內(nèi)溫度越高，能量利用效率越高。距熱源0.5 m之外沉積層溫度影響效果不明顯，實(shí)測(cè)溫度為5 ℃。

表1 實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)

圖2為水合物分解界面位置變化曲線。由圖2可知：水合物初始飽和度越高，達(dá)到相同分解距離所需時(shí)間越長(zhǎng)；相同加熱時(shí)間，初始飽和度越高，水合物分解距離越短；水合物開采過程中分解界面移動(dòng)速率隨時(shí)間逐漸降低。當(dāng)水合物初始飽和度為3%時(shí)，開采結(jié)束后水合物分解距離為0.66 m，分解界面移動(dòng)速率由起始0.035 0 m/min降至0.004 4 m/min，降幅為87%；當(dāng)水合物初始飽和度為10%，開采結(jié)束后水合物分解距離為0.55 m，分解界面移動(dòng)速率由起始的0.019 0 m/min降至0.003 3 m/min，降幅為83%。水合物分解界面移動(dòng)距離與沉積層的力學(xué)性質(zhì)劣化區(qū)域密切相關(guān)，開采過程中水合物因其相平衡狀態(tài)打破分解，釋放沉積層孔隙空間，滲透率顯著增加。

圖1 水合物沉積層溫度變化

圖2 水合物分解界面位置變化

水合物分解距離與分解界面移動(dòng)時(shí)間的算數(shù)平方根之間近似呈線性正相關(guān)關(guān)系：

(4)

式中：X為水合物分解距離，m；t為分解界面的移動(dòng)時(shí)間，min；k為線性擬合常數(shù)，m/min0.5。

3 力學(xué)模型建立

3.1 能量守恒方程

建立熱激法開采天然氣水合物藏力學(xué)模型時(shí)，加熱僅考慮熱傳導(dǎo)方式，水合物和沉積層骨架瞬間達(dá)到熱平衡[18-20]。

(5)

式中：φ為水合物沉積層孔隙度；ρ為密度，kg/m3；C為比熱容，J/(kg·K)；S為水合物沉積層飽和度；Kc為沉積層熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；Qh為水合物的相變潛熱，J/(m3·s)；Qin為外界熱量補(bǔ)給，J/(m3·s) ；下標(biāo)s、h、g、w分別為固體骨架、水合物、氣和水相。

3.2 天然氣水合物分解動(dòng)力學(xué)方程

基于Kim-Bishoni動(dòng)力學(xué)模型，天然氣水合物分解產(chǎn)氣速率為：

mg=KdMgAdec(fe-fg)

(6)

式中：mg為水合物分解產(chǎn)氣速率，kg/(m3·s)；Kd為水合物分解速率常數(shù)，8 060 mol·m-2·(pa·s)-1；Mg為甲烷氣體的摩爾質(zhì)量，16 g/mol；Adec為單位體積沉積層水合物分解表面積，m-1；fe、fg分別為反應(yīng)平衡逸度、局部氣體逸度，Pa，在實(shí)際計(jì)算中通常采用局部氣體壓力pg和反應(yīng)平衡壓力pe代替。

水合物反應(yīng)平衡關(guān)系為：

(7)

(8)

式中：mh為水合物分解速率，kg/(m3·s)；mw為水合物分解的產(chǎn)水速率，kg/(m3·s)；Mw為水的摩爾質(zhì)量，18 g/mol；Nh為水合物系數(shù)，取5.7。

4 模型求解與驗(yàn)證

為便于分析水合物加熱分解界面的變化規(guī)律，基于ABAQUS二次開發(fā)功能，運(yùn)用Fortran語言自主開發(fā)天然氣水合物分解量與沉積層的密度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)及熱膨脹系數(shù)之間變化規(guī)律的場(chǎng)變量子程序。與實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)照，天然氣水合物沉積物模型長(zhǎng)度為1 m，直徑為53 mm，加熱溫度為311 K，利用力學(xué)參數(shù)對(duì)熱激法開采水合物分解界面變化過程進(jìn)行數(shù)值模擬(表2)。

表2 水合物沉積層力學(xué)參數(shù)

4.1 初始飽和度對(duì)水合物分解影響規(guī)律分析

圖3為飽和度為10%的水合物開采實(shí)驗(yàn)與模擬沉積層溫度變化對(duì)比曲線。由圖3可知：水合物沉積層溫度逐漸降低，呈負(fù)加速形式，溫度由311.000 K降至282.428 K。數(shù)值模擬結(jié)果表明，溫度下降幅度逐漸變緩，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。

熱激法開采結(jié)束后，不同初始飽和度下水合物沉積層內(nèi)剩余水合物飽和度變化見圖4。由圖4可知：當(dāng)水合物初始飽和度為3%～10%，加熱150 min后，水合物分解距離為0.50～0.64 m，分解界面移動(dòng)速率為0.003 3～0.004 3 m/min；水合物初始飽和度越高，分解界面移動(dòng)距離越近。

將數(shù)值模擬結(jié)果得出分解界面的變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)照(圖2)可知：熱激法開采水合物分解界面的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)相同，水合物初始飽和度越高，模擬軟件適用性越好。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果分別進(jìn)行擬合，可得出水合物初始飽和度與分解界面移動(dòng)距離近似呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 飽和度為10%的水合物開采實(shí)驗(yàn)與模擬溫度變化對(duì)比

圖4 不同飽和度下的剩余水合物飽和度與分解距離的關(guān)系

4.2 加熱溫度對(duì)水合物分解影響規(guī)律分析

為分析溫度對(duì)開采水合物分解界面變化規(guī)律的影響情況，以水合物初始飽和度為10%、加熱時(shí)間為150 min、加熱溫度分別為311、321、331 K進(jìn)行數(shù)值模擬分析。圖5為不同開采溫度下水合物分解界面位置變化和分解界面移動(dòng)速率的曲線。由圖5可知：加熱溫度越高，相同時(shí)間內(nèi)水合物分解距離越長(zhǎng)，分解界面移動(dòng)速率越快，且移動(dòng)速率下降幅度隨時(shí)間逐漸變緩。溫度升高1 K，分解距離增加0.004 m。加熱溫度為311 K時(shí)，水合物分解界面從0.00 m移動(dòng)至0.50 m，分解速率從0.010 00 m/min降至0.003 33 m/min；加熱溫度為331 K時(shí)，水合物分解界面從0.00 m移動(dòng)到0.62 m，分解速率從0.020 00 m/min降至0.004 13 m/min。適當(dāng)?shù)厣呒訜釡囟瓤捎行г黾铀衔锏姆纸饩嚯x，提高分解速率，提高開采效率。水合物分解界面移動(dòng)速率過快將導(dǎo)致水合物過量分解，導(dǎo)致儲(chǔ)層變形而破壞，影響水合物藏的安全高效開采，因此，合理控制水合物分解界面移動(dòng)速率至關(guān)重要。

圖5 不同溫度水合物分解界面位置及移動(dòng)速率變化

5 結(jié)論及建議

(1) 水合物分解界面的移動(dòng)距離與初始飽和度之間近似呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，與其作用時(shí)間的算術(shù)平方根近似呈線性正相關(guān)關(guān)系，初始飽和度是影響水合物藏開采能效的重要參數(shù)之一。

(2) 水合物分解界面的移動(dòng)速率隨初始飽和度升高逐漸降低，隨加熱溫度升高逐漸加快，其下降幅度隨時(shí)間呈遞減趨勢(shì)；合理控制水合物開采過程中分解界面的移動(dòng)速率對(duì)水合物藏安全高效開采至關(guān)重要。

(3) 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合較好，反映水合物開采過程中分解界面的位置變化過程，且水合物飽和度越高，模擬軟件適用性越好。

(4) 為增加開采效率，建議在技術(shù)可行的范圍內(nèi)適當(dāng)升高開采溫度，或結(jié)合降壓法等開采方法提高開采效率。