韋文娜，李波，陳玲玲，張婷婷，萬青翠

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶，400044；2.重慶大學(xué)資源與安全學(xué)院，重慶，400044)

全球能源供應(yīng)任務(wù)艱巨，能源短缺仍是發(fā)展面臨的重大問題之一。2011—2020年是有記錄以來最暖的十年，全球氣候持續(xù)變暖是人類面臨的另一重大挑戰(zhàn)，因此，全球能源結(jié)構(gòu)急需轉(zhuǎn)向清潔化。天然氣水合物(簡稱水合物)具有儲量巨大、分布廣泛、且高效清潔的特點，被認(rèn)為是未來全球能源發(fā)展的制高點[1]，產(chǎn)業(yè)化開發(fā)天然氣水合物不僅有望成為解決能源危機、緩和溫室效應(yīng)的可行途徑，而且對于降低我國天然氣對外依存度、保障我國能源安全也具有重大戰(zhàn)略意義。

新型能源水合物以固體形式封存于沉積物中，其生產(chǎn)方法不同于常規(guī)的油氣資源。開采水合物需要改變儲層條件，打破相平衡，使其失穩(wěn)分解產(chǎn)氣。但自然界中天然氣水合物多埋藏于海底或陸域凍土層中，開采不當(dāng)可能會引發(fā)地質(zhì)塌陷、海底滑坡、地震和全球變暖等地質(zhì)與環(huán)境災(zāi)害，因此，水合物的安全高效開采仍是最大的技術(shù)難題。目前天然氣水合物室內(nèi)模擬實驗和實地試采實驗中主要運用的開采技術(shù)包括比較傳統(tǒng)的降壓法[2-3]、熱激法[4-6]、化學(xué)抑制劑法[7]，比較新型的CO2置換法[8-10]、固體開采法[11]以及以上2種或多種方法相結(jié)合的聯(lián)合開采法[12-14]等，其中研究較多的是降壓聯(lián)合熱激法。不同方法優(yōu)缺點如表1所示。

表1 不同開采方法的優(yōu)缺點Table 1 Advantages and disadvantages of different mining methods

多年凍土區(qū)開采天然氣水合物可能比在深海沉積物中更容易且更安全[15]。一些凍土層的孔隙由水合物、冰和氣體填充，這里的水合物通常被冰層凍結(jié)[16]，這種被冰凍結(jié)的水合物-冰-氣系統(tǒng)可稱之為“冰凍型”水合物系統(tǒng)。冰的存在對儲層滲流、傳熱以及水合物分解動力學(xué)都有極大的影響，使水合物分解過程中的相變、多相流動、傳熱傳質(zhì)等物理化學(xué)過程變得更加復(fù)雜。有關(guān)水合物-水-氣系統(tǒng)的研究結(jié)果可能不適合應(yīng)用于凍結(jié)沉積物，因此，有必要研究冰存在時的水合物分解特性。

YU 等[17]運用數(shù)值模擬分析了274 K 時水合物儲層產(chǎn)氣的動態(tài)過程，發(fā)現(xiàn)在水合物分解過程中，在生產(chǎn)井附近很快會有冰生成，冰的形成不僅干擾了甲烷水合物分解，還會降低水合物的滲透率和瞬時產(chǎn)氣速率；LI等[18]運用降壓法和熱激法對冰凍型甲烷水合物在冰點以下的分解行為進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)由于冰的阻礙作用，降壓開采冰點以下多孔介質(zhì)中冰凍型甲烷水合物的產(chǎn)氣速率極慢，而井筒加熱可有效打破冰凍型天然氣水合物的自保護特性；WANG 等[19]發(fā)現(xiàn)水合物在四相點以下分解產(chǎn)生的水可能立即凍結(jié)成冰，同時儲層中的孔隙水可轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，而冰的形成可以大幅提高水合物的分解速率，且較低的初始儲層溫度有利于冰的形成，“水飽和”儲層中冰的形成速率較“氣飽和”儲層慢。此外，熱刺激對在四相點以下水合物的分解影響很小[20]。ZHOU等[21]從微觀上觀察了在聚乙烯吡咯烷酮-K90(PVP-K90)和聚乙內(nèi)酰胺(PVCap)冰點以下時的甲烷水合物分解動力學(xué)特征，發(fā)現(xiàn)二者都能夠抑制冰點以下甲烷水合物分解時的自保護效應(yīng)。

由此可見，前人關(guān)于凍土層內(nèi)被冰層凍結(jié)的“冰凍型”水合物的研究還很少，人們對于冰點以下冰凍型水合物的分解特性及相關(guān)開采技術(shù)尚缺乏深入認(rèn)識。因此，本文作者采用井下原位加熱技術(shù)，開展不同方法與條件下冰凍型甲烷水合物的開采實驗，以期為未來我國凍土區(qū)水合物的商業(yè)化開發(fā)提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。

1 實驗裝置及步驟

1.1 實驗裝置

冰凍型甲烷水合物生成與開采實驗系統(tǒng)裝置主要包括注氣注液系統(tǒng)、生成與開采模擬系統(tǒng)、氣液收集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等子系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system device structure

高壓反應(yīng)釜(cuboid pressure reactor，CPR)是整個模擬實驗系統(tǒng)的核心部分，置于-5～30 ℃的水浴冷卻系統(tǒng)中，可在水合物形成和分解過程中提供穩(wěn)定的溫度條件，圖2所示為CPR內(nèi)部的生產(chǎn)井和溫度傳感器的配置示意圖。由圖2可見：CPR為一個圓柱體不銹鋼壓力容器，其內(nèi)部是一個長×寬×高為100 mm×100 mm×150 mm 的長方體空腔，可以承受的最大壓力為30 MPa。在反應(yīng)釜的底部和頂部裝有2個壓力傳感器，分別測量入口和出口的壓力。

圖2 高壓反應(yīng)釜內(nèi)部生產(chǎn)井及溫度傳感器配置示意圖Fig.2 Schematic diagram of production well and temperature sensor configuration inside high pressure reactor

生產(chǎn)井位于反應(yīng)釜的中心軸線上，有效長度為120 mm，半徑為5 mm，生產(chǎn)井井壁上均勻開設(shè)了4 個注采槽，槽寬約250 μm，小槽四周包裹著過濾網(wǎng)，防止石英砂等固體顆粒隨氣液流入井筒內(nèi)堵塞管道。生產(chǎn)井內(nèi)表面均勻分布電阻絲，被絕緣薄膜密封且外接一個供壓范圍為0～180 V的直流穩(wěn)壓電源，開啟電源后電阻絲能夠迅速、直接且安全地提供恒定能量。

9 個熱電偶式溫度傳感器(T1～T9)被放置在A，B和C這3個水平面上，均為邊長為80 mm的正方形，將反應(yīng)釜等分成4 個相同的區(qū)域，其中T5 處于反應(yīng)釜中心軸線上并與生產(chǎn)井外表面緊密貼合。

1.2 實驗材料

本研究所用材料及主要參數(shù)如表2所示。用氮氣對整個實驗系統(tǒng)裝置進行檢漏，將石英砂作為甲烷水合物生成的模擬礦床。甲烷氣體為甲烷水合物生成提供氣源，去離子水用于清洗設(shè)備、石英砂以及生成水合物。乙二醇與水以一定體積比例混合后可防止冰凍過程中浴液凍結(jié)成冰。

表2 實驗所用材料及主要參數(shù)Table 2 Materials and main parameters used in experiment

1.3 水合物生成

甲烷水合物的生成實驗主要包括反應(yīng)釜填砂、系統(tǒng)檢測、注水注氣和降溫生成4個部分。

1)用去離子水將一定量的石英砂和反應(yīng)釜反復(fù)洗凈并烘干，將石英砂均勻緊密地填充到反應(yīng)釜中，密封反應(yīng)釜并置于18.00 ℃的恒溫水浴中；

2)連通實驗系統(tǒng)各個部分，利用真空泵對系統(tǒng)進行排空并對實驗裝置進行檢漏；

3)在此溫度下對系統(tǒng)再次抽真空，利用高壓平流泵將去離子水注入到反應(yīng)釜中，打開甲烷氣瓶、增壓泵、平衡釜和甲烷閥門，通過PID控制器向反應(yīng)釜中注入甲烷氣體，當(dāng)系統(tǒng)壓力達到預(yù)定值時停止注氣，關(guān)閉甲烷氣瓶及各儀器和閥門并記錄數(shù)值；

4)為使水合物生成更順利，將水浴溫度設(shè)定為預(yù)定值(7.80 ℃)，反應(yīng)釜內(nèi)的溫度和壓力逐漸降低，甲烷水合物開始生成，約18 d，當(dāng)系統(tǒng)壓力逐漸降低到預(yù)定值(11.00 MPa 左右)時，水合物生成過程結(jié)束。

1.4 水合物開采

冰凍型甲烷水合物開采主要包括釋放自由氣、系統(tǒng)冷卻和生產(chǎn)3個階段。本研究采用4種開采方法進行6 組實驗，命名為實驗組1～6，其中，釋放自由氣和系統(tǒng)冷卻階段操作步驟基本相同，而生產(chǎn)階段略有不同。

1)釋放自由氣階段。首先打開出口閥門，利用回壓閥將反應(yīng)釜中的自由氣和水安全釋放，當(dāng)系統(tǒng)壓力降至5.50～6.00 MPa時(約為7.80 ℃時的相平衡壓力)，關(guān)閉出口閥門。

2)系統(tǒng)冷卻階段。包括注水和冷卻2 個步驟。首先打開高壓平流泵和注水閥門，根據(jù)放自由氣階段的產(chǎn)水情況，向反應(yīng)釜中注入等量的水；然后，將水浴溫度冷卻至-1.00 ℃，確保反應(yīng)釜中的所有液相水都變成了固相冰。

3)生產(chǎn)階段。包括降壓和開采，降壓步驟與釋放自由氣的操作相同，其目的是將系統(tǒng)壓力降低至開采壓力PW。開采步驟根據(jù)開采方法的不同操作也有所不同：在純降壓法(PD)中只需調(diào)節(jié)出口閥門使系統(tǒng)壓力PW在±0.05 MPa 范圍內(nèi)(即保持系統(tǒng)恒壓)；在純電加熱法(PH)和降壓聯(lián)合電加熱法(SDH)中需開啟直流穩(wěn)壓電源對水合物儲層加熱，同時保持系統(tǒng)恒壓；在熱吞吐法(H&P)中開采步驟是若干個加熱、燜井和產(chǎn)氣循環(huán)交替，當(dāng)系統(tǒng)壓力降低到PW后關(guān)閉出口閥門，對水合物儲層持續(xù)加熱一定時間，隨后停止加熱，使熱量在儲層中自由擴散，再重新打開出口閥。待系統(tǒng)壓力再次降低至PW時，進入下一輪循環(huán)，當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)沒有氣體產(chǎn)出時生產(chǎn)階段結(jié)束。

本研究主要關(guān)注水合物在凍結(jié)狀態(tài)下的解離行為，所以，只研究開采過程中的相關(guān)特性。水合物在開采過程中的主要實驗參數(shù)和結(jié)果見表3。

表3 冰凍型水合物生產(chǎn)階段的主要實驗參數(shù)與結(jié)果Table 3 Main parameters and results during exploitation of frozen gas hydrate in production stage

2 實驗結(jié)果

2.1 系統(tǒng)壓力特性

圖3所示為實驗組1～6冰凍型甲烷水合物在開采過程中系統(tǒng)壓力的變化曲線。在實驗組1～4開采實驗過程中系統(tǒng)壓力穩(wěn)定為PW幾乎不變，這是因為通過調(diào)節(jié)回壓閥和出口閥門控制氣體產(chǎn)出使得系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在PW附近；實驗組5和6的系統(tǒng)壓力呈周期變化：在加熱和燜井過程中，隨著水合物的分解而不斷升高，在產(chǎn)氣過程中隨著氣體和水的產(chǎn)出而降低，并且系統(tǒng)壓力在周期性循環(huán)過程中幅值不斷減小，這是因為隨著反應(yīng)的持續(xù)進行，剩余水合物質(zhì)量不斷減少，1個循環(huán)周期內(nèi)水合物分解產(chǎn)生的甲烷氣體也不斷減少，即實驗組1～4冰凍型水合物開采實驗過程中為恒壓開采，實驗組5和6為非恒壓開采。

圖3 冰凍型甲烷水合物開采過程中系統(tǒng)壓力變化曲線Fig.3 Change curves of system pressure during exploitation of frozen methane hydrate

2.2 系統(tǒng)溫度特性

圖4所示為6組水合物分解過程中反應(yīng)釜內(nèi)中心溫度T5和平均溫度T的曲線圖。由圖4可見：實驗組1 中心溫度始終與環(huán)境溫度(-1.00 ℃)保持一致，這是由于純降壓法沒有外界熱量注入，冰凍型甲烷水合物受到冰的自保護效應(yīng)無法分解；在其余5組實驗中，反應(yīng)釜內(nèi)中心溫度在開始加熱后都有較大幅度提高，這表明電加熱可以削弱冰凍型甲烷水合物的自保護效應(yīng)，促進水合物的分解。對比中心溫度與平均溫度曲線，除實驗組1 之外，實驗組2～6中平均溫度與中心溫度差距較大，在開采結(jié)束時實驗組3和4的中心溫度接近50 ℃，而平均溫度僅約11 ℃，這表明電加熱效果明顯，與熱源接觸的中心區(qū)域升溫迅速，但冰點以下的冰凍型水合物分解時傳熱速率較慢，因此，周圍溫度上升緩慢。

圖4 水合物分解過程中反應(yīng)釜內(nèi)中心溫度T5和平均溫度T曲線圖Fig.4 Curves of central temperature T5 and average temperature T in reactor during hydrate decomposition

此外，在采用連續(xù)電加熱的實驗組2～4中，反應(yīng)釜內(nèi)中心溫度的溫度前期迅速上升，之后平緩上升。這是因為前期反應(yīng)釜內(nèi)存在較多固體冰和大量未分解的水合物，熱量在這些固體顆粒間以熱傳導(dǎo)的形式傳遞，傳遞速率較低，因此，在反應(yīng)前期熱量集中在中心加熱井附近，未能快速傳遞到周圍沉積物中，導(dǎo)致中心上升速率快；但在反應(yīng)后期固體冰被融化成液態(tài)水，大部分水合物顆粒分解為液態(tài)水和氣態(tài)甲烷，這時對流換熱對熱量傳遞起到了較好的促進作用，熱量被快速傳遞到周圍沉積物中，中心溫度上升速率不明顯。在實驗組5和6中反應(yīng)釜內(nèi)中心溫度的循環(huán)波動緩慢上升：在電加熱過程中由于外界熱量的注入而迅速上升，在燜井和產(chǎn)氣過程中熱量一部分被冰和水合物吸收或被產(chǎn)出的甲烷氣體帶走，因而溫度持續(xù)下降。

啟示：這句諺語告訴我們，人生的道路并不是暢通無阻的，要坦然面對阻礙和困境，事到臨頭，必定會有解決的辦法。但辦法不會自己出現(xiàn)，還需要我們開動腦筋，主動思考：遇到山，要會迂回前進，尋找出路；遇到水，要會積極應(yīng)變，尋找渡水的手段，這樣才能達到既定的目標(biāo)。

圖5所示為開采過程中各溫度測點變化曲線，其位置如圖2所示。由圖5可見：實驗組1 在整個開采過程中都與環(huán)境溫度相等，約為-1.00 ℃，遠高于1.50 MPa 時的相平衡溫度-16.35 ℃，這也進一步說明純降壓法無法實現(xiàn)冰點以下冰凍型水合物的開采。在實驗組2～4中可以觀察到每條溫度曲線都出現(xiàn)了1個明顯拐點，這主要是由于固態(tài)冰和水合物轉(zhuǎn)化成液態(tài)水和氣態(tài)甲烷后，對流換熱作用促進了熱量傳遞，并且在拐點之前與中心垂直井距離相等的溫度傳感器的溫度變化曲線大致相同，但在拐點之后差異較大，例如T8低于T2和T6；T9大于T7，T7大于T3。這主要是因為在重力作用下，自由水向下部流動，反應(yīng)釜內(nèi)下部水的飽和度大于上部水的飽和度，因此，下部溫度上升速率也就低于上部溫度上升速率。此外，處于同一水平面且與中心垂直井距離相同的T2和T6的溫度變化趨勢雖然非常接近但仍略有差異，這是因為水合物和冰在反應(yīng)釜中不均勻分布引起了傳熱速率和傳熱量略有不同。在實驗組5和6中各溫度傳感器的變化趨勢以及各溫度傳感器之間的差異規(guī)律與實驗組2～4的相同。

圖5 水合物分解過程中各溫度測點曲線Fig.5 Curves of each temperature measurement point during hydrate decomposition

2.3 累積產(chǎn)氣量及水合物剩余質(zhì)量

圖6所示為水合物開采過程中的累積產(chǎn)氣量Vp曲線。由圖6可見：實驗組1在整個開采過程中僅有0.189 L甲烷氣體產(chǎn)出，可以認(rèn)為純降壓開采時，即使在低于相平衡的條件下，冰凍型甲烷水合物也難以分解。這是因為在系統(tǒng)降溫冷卻后，甲烷水合物的表面被冰膜覆蓋，這阻礙了甲烷分子從水合物相擴散到氣相。由于固相冰對孔隙通道的堵塞，導(dǎo)致部分孔隙壓力無法真正降至設(shè)定開采壓力，水合物顆粒仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在冰點以下，冰的形成導(dǎo)致水合物自保護效應(yīng)。這是阻礙冰凍型甲烷水合物順利開采的主要不利因素，利用純降壓法開采冰凍型甲烷水合物的商業(yè)價值不大。

圖6 水合物開采過程中累積產(chǎn)氣量Vp曲線Fig.6 Cumulative gas production Vpcurves in process of gas hydrate exploitation

在實驗組2～4中Vp持續(xù)增加，而在實驗組5和6 中Vp呈階梯上升趨勢，這是因為實驗組5 和6 只有產(chǎn)氣過程會打開出口閥釋放甲烷氣，而在加熱和燜井過程出口閥是關(guān)閉的，沒有甲烷氣體產(chǎn)出。這表明在開采冰凍型甲烷水合物時，井筒加熱可以消除冰膜對水合物的保護作用，促進其分解。降壓結(jié)合持續(xù)性注熱法的實驗組3和4累積產(chǎn)氣量多且產(chǎn)氣速率也較高，單純電加熱開采的實驗組2最終的累積產(chǎn)氣量最少，為48.97 L。這說明開采冰凍型甲烷水合物時降壓結(jié)合持續(xù)性電加熱模式下的產(chǎn)氣量最大，并且在電加熱的基礎(chǔ)上，將生產(chǎn)壓力從相平衡以上降低到相平衡以下能夠進一步促進水合物的分解。

圖7所示為水合物開采過程中剩余水合物質(zhì)量mH曲線。對比圖6和圖7可見：在開采過程中，實驗組2的mH曲線位于最上方、Vp曲線位于最下方；實驗組4的mH曲線位于實驗組3的上方、Vp曲線位于實驗組3 的下方，但實驗組3 和4 的mH曲線、Vp曲線較為接近。這表明在電加熱的基礎(chǔ)上，將開采壓力降低到相平衡以下能夠有效促進冰凍型水合物分解從而提高產(chǎn)氣速率，但當(dāng)生產(chǎn)壓力降低到相平衡以下時，冰凍型甲烷水合物對環(huán)境壓力不敏感。因此，在四相點以下時，冰凍型水合物的分解效率不依賴于生產(chǎn)壓力，而更主要取決于加熱過程中熱量的傳遞和水合物分解。對比熱吞吐法中不同加熱時間的冰凍型甲烷水合物開采實驗中累積產(chǎn)氣量Vp，發(fā)現(xiàn)實驗組6的Vp曲線位于實驗組5 的Vp曲線之上，這表明采用間歇加熱法時，較長加熱時間對于冰點以下的冰凍型水合物的分解更有利。

對比圖7(a)與圖6可見，Vp曲線與mH曲線變化趨勢是對稱的，mH曲線不斷下降，Vp曲線不斷上升，Vp曲線不再增加對應(yīng)于水合物完全分解，這說明水合物分解是產(chǎn)氣的唯一來源。實驗組1 中mH幾乎沒有減少，這同樣說明純降壓法無法實現(xiàn)冰點以下的冰凍型水合物的開采。實驗組2～4這3組持續(xù)電加熱的開采實驗中mH曲線平滑下降，但非連續(xù)電加熱的實驗組5和實驗組6中mH曲線呈循環(huán)波動下降趨勢。

圖7 水合物開采過程中剩余水合物質(zhì)量mH曲線Fig.7 mH curves of residual hydrate mass in process of hydrate exploitation

由圖7(b)可見：水合物剩余質(zhì)量在加熱和燜井過程下降，在產(chǎn)氣過程先升高再下降。出現(xiàn)這種波動表明在產(chǎn)氣過程中由于氣水流動強化傳質(zhì)，促進了氣液接觸，引起了水合物的二次生成。此外，在開采結(jié)束時，實驗組2，5 和6 中mH并沒有下降到零，這表明純電加熱法和熱吞吐法開采冰點以下的冰凍型甲烷水合物時水合物無法完全分解。

3 討論

根據(jù)各組冰凍型甲烷水合物開采實驗在生產(chǎn)過程的系統(tǒng)壓力、溫度、產(chǎn)氣量和剩余水合物質(zhì)量特征，認(rèn)為純降壓法在冰點以下開采冰凍型水合物的商業(yè)可行性不大，因此，僅對實驗組2～6的能量收益效率作相關(guān)討論。

3.1 獲得的總能量Etotal、消耗能量Ec和凈能量Enet

定義Etotal為將甲烷燃燒熱轉(zhuǎn)化為電能后的總能量(轉(zhuǎn)化效率取33%[22])，Ec為電加熱過程中累積注入的能量，Enet為獲得的總能量與消耗的總能量之差。Etotal，Ec和Enet的計算公示如下：

式中：ΔH為甲烷燃燒產(chǎn)生的總的燃燒焓，kJ；QW為加熱功率，W；Δt為電加熱持續(xù)的時間，s。

在0.1 MPa 和25 ℃狀態(tài)下，甲烷的燃燒焓為889.6 kJ/mol，因此，ΔH由下式計算得出：

式中：n為在時間t內(nèi)產(chǎn)生的甲烷氣體的物質(zhì)的量，mol。

圖8所示為實驗組4 在分解過程中的能量曲線。由圖8可見：Etotal曲線呈階梯上升趨勢，且變化速率前期較快，后期減慢并逐漸趨于平穩(wěn)，這一變化趨勢與圖6中累積產(chǎn)氣量一致。由Etotal的定義可知產(chǎn)氣量越多，所獲得的甲烷氣體燃燒焓就越多，產(chǎn)氣速率越快，獲得能量的速率也越快。Ec曲線隨著熱吞吐循環(huán)在加熱過程持續(xù)增加，在燜井和產(chǎn)氣過程中保持不變；由于每個循環(huán)的加熱功率和時間都相等，每個循環(huán)中Ec增量相同。開采后期水合物產(chǎn)氣量減少，Enet曲線呈類“齒輪”狀循環(huán)變化，逐漸增加達到最大值后又逐漸下降。

圖8 實驗組4在分解過程中的能量曲線Fig.8 Curves of total energy consumed energy and net energy in decomposition process of Run 4

圖9所示為實驗組2～6 在分解過程中能量曲線。由圖9可見：在Etotal曲線中，降壓聯(lián)合電加熱法開采冰凍型水合物Etotal整體都比純電加熱法和熱吞吐法的高。實驗組3 與4 的Etotal曲線非常接近，表明冰對水合物顆粒的保護作用下開采過程Etotal與開采壓力關(guān)系不大。實驗組2 在前期Etotal高于實驗組5 和6，但由于驅(qū)動力不足，在開采結(jié)束時實驗組2 的Etotal更小。實驗組2～4 中相同時間內(nèi)外界向釜內(nèi)注入的熱量相同，Ec線性增加并且重合。實驗組6 在熱吞吐循環(huán)的加熱持續(xù)時間(10 min)比實驗組5(5 min)的長，因而實驗組6 的Ec曲線在實驗組5 的Ec曲線之上。實驗組2～4 中水合物分解前期總能量的增量逐漸增大而電加熱消耗能量不變，故凈能量不斷增加；但后期水合物量減少且水合物分解界面后移，水合物分解產(chǎn)氣獲得能量增量減小，故凈能量增長速率減小甚至為負(fù)。實驗組5和6中凈能量(Enet)曲線呈類“齒輪”狀循環(huán)變化，Enet先逐漸增加，達到最大值后下降。

圖9 實驗組2～6分解過程中能量曲線Fig.9 Curves of energy in decomposition process of Run 2-6

3.2 能量效率η和熱效率ξ

定義能量效率η為甲烷水合物開采產(chǎn)氣過程中凈能量Enet與獲得的總能量Etotal之比，表征水合物分解過程中能量的凈收益率，是評價水合物生產(chǎn)效率的重要指標(biāo)之一，由式(5)描述[23]：

此外，天然氣水合物分解過程是一個吸熱過程，分析熱效率ξ對生產(chǎn)效率的評價也是十分重要的。定義熱效率ξ為水合物分解熱QH與消耗的能量Ec之比，表征水合物開采過程熱量的利用效率，由式(6)計算得到[24]：

式中：ΔHdiss為分解1 mol的甲烷水合物所需要的熱量，kJ/mol。

圖10所示為實驗組2～6 水合物分解實驗過程中能量效率η和熱效率ξ曲線。由圖10可見：實驗組2～4 中η迅速上升并很快到達1 個峰值，然后隨時間持續(xù)下降。實驗組5 和6 中η曲線在第1 循環(huán)的產(chǎn)氣過程中迅速上升至最大值，之后隨著加熱、燜井和產(chǎn)氣過程的循環(huán)而循環(huán)波動下降。這是因為開采前期電加熱使井筒附近水合物表面的冰膜融化，水合物快速分解，而開采后期剩余水合物質(zhì)量減少，水合物分解速率減小。開采結(jié)束時實驗組2～6 中η分別下降到-0.27，0.08，0，0.42 和0.31。這說明開采冰凍型水合物時，單純的電加熱法中能量凈收益率較低甚至為負(fù)，商業(yè)利用價值較?。唤祲郝?lián)合電加熱法中能量凈收益率前期較高但后期下降迅速直到接近零，并且更低開采壓力對能量收益影響不大；熱吞吐法中能量凈收益率相對較高，并且較短加熱時間可以獲得更大的能量效率。

圖10 實驗組2～6冰凍型甲烷水合物分解過程中能量效率和熱效率曲線Fig.10 Curves of energy efficiency and thermal efficiency during decomposition of Run 2-6 frozen methane hydrate

由圖10(b)可見：ξ曲線與η曲線的變化趨勢相似。這是因為生產(chǎn)前期垂直井的加熱面與水合物分解界面距離最近，傳熱阻力和熱量損失最小，注入的熱量中小部分用于融化固體冰，其余熱量都被用于水合物的分解，熱利用效率最高。而后期隨著水合物分解界面擴大，傳熱距離越來越遠，且越來越多的能量以沉積物吸收的顯熱和與低溫邊界的熱傳導(dǎo)的形式被消耗，另外，水合物分解后產(chǎn)生的水在冰點以下會凍結(jié)成冰，不僅會阻礙水合物的分解，而且在開采后期大量的固體冰融化成液體水需要消耗大量的熱量，因此，開采后期反應(yīng)釜內(nèi)熱傳遞阻力和熱量損失越來越大，所以，熱效率越來越低。

3.3 最大能量收益

圖11所示為分解過程中最大凈能量(Enet,max)柱狀圖和獲得最大凈能量時能量效率、熱效率及水合物分解率圖。由圖11可見：實驗組2 獲得的Enet,max約為203.13 kJ，實驗組3，4和5中Enet,max較高(大于330 kJ)且較接近。此外，實驗組2，3 和4 在100 min內(nèi)可以獲得最大凈能量效率，實驗組5和6獲得最大凈能量效率對應(yīng)的開采時間分別為235.20 min 和165.97 min。這表明與間歇加熱模式相比，連續(xù)加熱模式下能夠在最短時間內(nèi)獲得最大凈能量。實驗組3～6獲得最大凈能量時對應(yīng)的能量效率、熱效率和水合物分解效率大致相同，分別約為0.56，0.41 和0.80。但實驗組2 在獲得最大凈能量時對應(yīng)的能量效率、熱效率和水合物分解效率與其余4組實驗相比都較低。

圖11 實驗組2～6分解過程中最大能量時能量效率、熱效率及水合物分解率圖Fig.11 Diagram of maximum energy efficiency and energy efficiency thermal efficiency and hydrate decomposition rate during Run 2-6 decomposition process

總體來說，冰點以下冰凍型水合物開采過程中，單純電加熱法獲得的最大凈能量以及對應(yīng)的能量效率、熱效率和水合物分解效率均比其他4組實驗的低；降壓聯(lián)合電加熱法和熱吞吐法差異不大，但連續(xù)加熱模式下能夠快速獲得最大凈能量。因此，綜合比較最大凈能量以及對應(yīng)的時間、能量效率、熱效率和水合物分解效率，認(rèn)為降壓聯(lián)合電加熱法在最大能量收益方面更具優(yōu)勢。

表4 冰凍型水合物不同開采方法下的主要實驗參數(shù)與結(jié)果Table 4 Main parameters and results under different mining methods of frozen gas hydrate

4 結(jié)論

1)冰凍型水合物分解過程中熱量主要依靠冰、水合物以及多孔介質(zhì)顆粒之間的導(dǎo)熱進行傳遞，當(dāng)冰被融化并產(chǎn)生氣體和水時，對流換熱對熱量傳遞起到較好的促進作用。

2)在冰點以下，冰的形成導(dǎo)致的水合物自保護效應(yīng)，這是阻礙冰凍型甲烷水合物順利開采的主要不利因素，純降壓法無法實現(xiàn)冰凍型水合物的有效分解。電加熱能夠為融化冰提供熱量，消除自保護效應(yīng)。因此，采用純電加熱法、降壓聯(lián)合電加熱法和熱吞吐法開采的冰凍型水合物實驗中，水合物能夠順利分解，且連續(xù)加熱對于破壞冰點以下冰凍型水合物的自保護效應(yīng)更具優(yōu)勢。

3)純電加熱法和熱吞吐法無法使冰凍型水合物分解完全，且純電加熱法中產(chǎn)氣速率最慢，累積產(chǎn)氣量最低，熱吞吐法中由于對流強化傳質(zhì)作用造成明顯的水合物二次生成，阻礙了水合物的快速分解，因而，降壓聯(lián)合電加熱法的產(chǎn)氣效率更高。

4)在電加熱的基礎(chǔ)上，將生產(chǎn)壓力從相平衡以上降低到相平衡以下能夠促進冰凍型水合物的分解。但當(dāng)開采壓力均低于相平衡壓力時，冰凍型甲烷水合物對環(huán)境壓力不敏感。此外，增加熱吞吐循環(huán)中加熱時間更有利于冰凍型水合物的分解。

5)在實際生產(chǎn)過程中，為獲得最大凈能量收益，應(yīng)當(dāng)在凈能量收益降低之前停止開采；綜合能量效率、熱效率、最大能量獲得時間以及水合物分解率等指標(biāo)，認(rèn)為降壓聯(lián)合電加熱法對于冰凍型水合物的商業(yè)化開采更有優(yōu)勢。