天然气水合物微波辅助开采模拟研究

为了提高天然气水合物开采效率及能量利用率,本文采用微波加热辅助开采,并根据南海神狐海域的水合物储层物性特征,建立了天然气水合物微波加热开采数值模型,模拟分析了不同微波加热方式下天然气水合物分解速率和能量利用率的变化情况。模拟结果表明：在使用纯微波加热开采水合物时,持续微波加热能够有效提升储层平均产气速率,而缩短微波加热时间能够有效提高能量利用率;在相同加热时间下,单循环加热的平均产气速率和能量利用率都要高于双循环加热。     

不同饱和度的天然气水合物降压分解实验

天然气水合物作为一种新能源已得到世界各国的关注,降压是水合物藏的一种有效开采方式。采用自制的天然气水合物开采模拟实验装置,在多孔介质中生成不同饱和度的天然气水合物,之后进行缓慢降压开采实验。结果表明:降压开采可分为自由气产出、水合物降压分解产气和最后降压产出已分解气三个阶段。在降压分解阶段,当水合物饱和度从16%增加到48%时,平均产气速率先增加后减小,说明水合物饱和度对降压分解产气速率的影响是非线性的。降压分解时,水合物饱和度越大,温度下降幅度越大。实验研究范围内,中等饱和度(32%)的水合物藏降压分解产气速率比较大,降压开采效果较好。     

不同饱和度的天然气水合物降压分解实验

天然气水合物作为一种新能源已得到世界各国的关注,降压是水合物藏的一种有效开采方式。采用自制的天然气水合物开采模拟实验装置,在多孔介质中生成不同饱和度的天然气水合物,之后进行缓慢降压开采实验。结果表明：降压开采可分为自由气产出、水合物降压分解产气和最后降压产出已分解气三个阶段。在降压分解阶段,当水合物饱和度从16%增加到48%时,平均产气速率先增加后减小,说明水合物饱和度对降压分解产气速率的影响是非线性的。降压分解时,水合物饱和度越大,温度下降幅度越大。实验研究范围内,中等饱和度（32%）的水合物藏降压分解产气速率比较大,降压开采效果较好。     

多孔介质中甲烷水合物不同分解方法实验研究

冻土区天然气水合物是未来能源的重要补充,然而冻土区天然气水合物的开采研究还处于初级阶段。本文利用一维水合物分解实验装置,在1.24～1.35 ℃以及2.83～2.89 MPa温度压力条件下,模拟冻土区天然气水合物降压定压分解以及注热水定压分解实验研究,分析降压分解及注热水分解过程中温度、压力、产水以及产气随时间变化特性及能量效率。研究结果表明,分解过程产气可分为自由气释放、水合物分解以及残余气体产出3个阶段,实验过程中温度先降后升,降压分解过程与注热水分解自由气产出阶段基本没有水产出,而在水合物分解阶段,产水速率与注水速率相等。注热分解过程中能量效率先升后降,注热量越大,能量效率越低。     

CO2置换开采天然气水合物方法及模拟研究进展

天然气水合物作为一种储量丰富的高效清洁新能源,将在社会生产中有广阔的应用背景,因此研究天然气水合物的开采方法将有深远意义。通过比较研究传统开采法和新型开采法的优点,提出了二氧化碳置换开采法是一种有效的开采方式,并基于热力学和动力学论证了其开采法的可行性。此外,分析归纳目前已开展的置换开采实验研究,证明相同温度和压力下CO_2浓度越高,置换效率越高。并通过模拟软件构建分子模型验证得出加热降压可以高效用二氧化碳置换出甲烷。     

甲烷水合物再汽化分解动力学模型建立

针对水合物法储运气体技术,实验研究了水合物再汽化分解过程,考察了加热温度、初始分解压力和反应器中水合物量等因素对水合物再汽化分解速率的影响。实验结果表明,当反应器中水合物量较多时存在分解速率缓冲现象,减慢了水合物的分解速率,而排气降压可以有效地提高水合物的分解速率。根据实验现象分析了水合物再汽化分解机理,认为水合物的分解速率主要取决于分解推动力的大小,而分解推动力又受传热速率和分解压力等条件的影响。结合传热和水合物分解速率方程,建立了水合物的再汽化分解模型,计算了不同热水温度、不同流量和不同压力等条件下水合物再汽化分解的产气速率,并与实验结果进行了对比,两者总体吻合较好,对存在的误差进行了原因分析。     

第一类水合物藏降压开采实验模拟

我国南海含下伏游离气的水合物储层具有实现下伏游离气和水合物分解气“两气合采”的地质条件,开采该类型水合物藏能够增加产气量,提高经济性。但目前该类型储层的开采模拟室内实验研究较少,开采规律认识不足。本文采用实验室自行搭建的三维水合物模拟装置,建立了一套含有游离气层的第一类水合物储层制备新方法,研究了水合物藏降压开采过程的产气产水特性。结果表明,采用甲烷水合物四相点以下的生产压力能有力地加快水合物分解进程,提高开采效率,当开采压力从2.95MPa降低到2.14MPa,快速产气阶段气体采收率增加10%,总开采时间缩短约38%,总采收率从73%提高到81%。当开采井井孔位于水合物层时,可能会在井孔附近出现水合物二次生成现象,从而导致开采产气速率显著降低,相比于开采井井孔位于气层,相同累积产气量的情况下生产时间延长30%左右。对比第一、三类水合物藏发现,第一类水合物藏的快速产气阶段持续20min以上,比第三类水合物藏延长一倍多,但总的气体采收率稍低。本文塑造的是气饱和的第一类水合物藏,对实际海洋水合物藏的模拟具有一定局限性,今后研究还需从实验装置尺度、分区控温方法、实验介质筛选、储层重塑稳定性等方面着手,解决储层重塑关键技术问题,为我国含下伏游离气的泥质粉砂型天然气水合物藏开采提供基础数据参考。     

基于机器学习的深海能源土降压开采沉降预测

天然气水合物开采可能诱发的海洋沉降是海洋开发必须面对的重要问题,对于降压开采条件下的深海能源土进行沉降预测显得尤为重要。在预测降压开采天然气水合物可能导致的海床沉降时,循环神经网络等预测方法由于不能充分考虑温度和孔压等不确定因素影响,因此预测精度较低、误差较大。基于机器学习提出了一种主参数优化的长短时记忆网络方法对深海能源土降压开采沉降进行预测,并同南海神狐海域降压开采天然气水合物导致海床沉降观测数据进行了比较,结果表明：模型实际测量值与预测值之间存在着较好的一致性,模型误差能够满足期望精度,可以应用于深海能源土降压开采沉降预测。     

祁连山冻土区水合物多井系统降压联合热盐水增产数值模拟

基于模拟软件TOUGH+HYDRATE对祁连山冻土区水合物藏的产气行为进行数值研究,采用五点水平井降压联合热盐水注入开采水合物藏,分析了储层关键物性参数的空间演化规律和产气产水以及能量效率等的变化规律。结果表明,生产前期热盐水的注入加快了产气速率。但后期热盐水可流经储层从生产井产出,限制了抑制剂在储层中的作用范围,使得水合物主要在降压和热刺激的作用下分解,产气速率也随之降低。此外,热盐水的注入可有效避免因二次水合物和冰的生成而抑制产气的现象。     

CO2/N2置换-降压强化开采天然气水合物

将天然气水合物中的CH₄置换为CO₂水合物是未来能源生产和温室气体控制的一种创新方法,但通常条件下CO₂对水合物中CH₄的置换效率较低,因此采用混合气联合降压强化置换的开采方法被提出。模拟(海底静水压力)在三轴应力约束状态下,通过注入固定比例[n(CO₂)∶n(N₂)=4∶1]的置换气体,研究降压强化置换过程中储层气相组分、CH₄开采率与CO₂封存率的变化。结果表明：CO₂+N₂联合降压强化置换法大幅度提高CH₄水合物置换效率,CH₄置换率相较于传统置换法的15.2%提升至35.22%,其中N₂直接贡献率占8.66%。通过降压强化,显著增强分解后期阶段气体扩散效果,提高CH₄开采率与CO₂封存率,对提高水合物转换开采具有良好的应用前景。     

Dissociation characteristics of methane hydrate using depressurization combined with thermal stimulation

Methane hydrate is considered as a potential energy source in the future due to its abundant reserves and high energy density. To investigate the influence of initial hydrate saturation, production pressure, and the temperature of thermal stimulation on gas production rate and cumulative gas production percentage, we conducted the methane hydrate dissociation experiments using depressurization, thermal stimulation and a combination of two methods in this study. It is found that when the gas production pressures are the same, the higher the hydrate initial saturation, the greater change in hydrate reservoir temperature. Therefore, it is easier to appear the phenomenon of icing and hydrate reformation when the hydrate saturation is higher. For example, the reservoir temperature dropped to below zero in depressurization process when the hydrate saturation was about 37%. However, the same phenomenon didn't appear as the saturation was about 12%. This may be due to more free gas in the reservoir with hydrate saturated of 37%. We also find that the temperature variation of reservoir can be reduced effectively by combination of depressurization and thermal stimulation method. And the average gas production rate is highest with combined method in the experiments. When the pressure of gas production is 2 MPa, compared with depressurization, the average of gas production can increase 54% when the combined method is used. The efficiency of gas production is very low when thermal stimulation was used alone. When the temperature of thermal stimulation is 11 °C, the average rate of gas production in the experiment of thermal stimulation is less than 1/3 of that in the experiment of the combined method.     

Warm water flooding of confined gas hydrate reservoirs

Large quantities of natural gas hydrate are present in marine sediments along the coastlines of many countries as well as in arctic regions. This research is aimed at assessing techniques to produce natural gas from marine hydrate deposits. A multiphase, multicomponent, thermal, 3D simulator is used, which can simulate production of hydrates both in equilibrium and kinetic modes. Three components (hydrate, methane, and water) and four phases (hydrate, gas, aqueous-phase, and ice) are considered in the simulator. In this work, we simulate warm water flooding and depressurization for hydrate production from a confined reservoir with a hydrate layer underlain by a water layer. Water flooding has been studied as a function of injection temperature, injection pressure and production pressure. For high injection temperature and high production pressure, warm water injection is preferred over depressurization; an increase in injection pressure increases the heat influx to the reservoir making the gas production faster. If a low pressure can be maintained at the production well or the injection temperature is not high, then just depressurization is the best method of production. As reservoir porosity and permeability increase and the heat transfer coefficient to the over- and under-burden decreases, the warm water injection process becomes more favorable.     

Methane hydrate dissociation experiment in a middle-sized quiescent reactor using thermal method

Dissociation kinetic behavior of methane hydrate was studied at 268.15 K using thermal method in a closed quiescent middle-sized reactor of 10 L, which with a multi-deck cell-type vessel as the internals and coiled copper tubes placed inside assuring hydrate form or dissociate in all cells of the vessel simultaneously to reduce or eliminate the scale-up effect. A dramatically reduced dissociation rate phenomenon - “buffered dissociation” due to the ice melting was observed. The influences of the water temperature, the heating rate, the quantity of hydrate, and the dissociation pressure upon the dissociation rate and the extent of the buffering effect were investigated experimentally to reveal the gas production mechanism from hydrate below the ice point. The experimental results indicate that the rate of heat transfer and the thermodynamic driving force were the key rate-limiting factors for hydrate dissociation in the closed reactor. The buffering effect of gas production can be eliminated and the dissociation rate can be increased by increasing the temperature of the heating water and lowering the dissociation pressure. However, the temperature buffering behavior cannot be eliminated.     

天然气水合物热开采技术研究进展

对天然气水合物热开采技术的研究进展进行了综述,概括了热开采技术研究的基础实验和数值模拟,分析了天然气水合物分解动力学研究,传热、传质对分解的影响及多孔介质和水合物地层中水合物开采规律. 研究表明,热开采技术作为强化供热开采方案,可弥补常规开采效率低的缺点;对水合物分解热力学和动力学的实验研究已能满足对水合物热力分解认识的基本要求,但沉积物内的水合物热力学性能研究尚需深入;模型研究已从一维单相发展到复杂的三维多相数值模型,通过单个或多个模型的综合分析已能达到实际水合物藏开采计算的要求. 最后指出了热开采天然气水合物尚存在的问题和研究方向.     

中试装置内水合物注抑制剂的分解规律

单纯降压法开采天然气水合物容易遇到地层传热速率慢的问题导致体系温度压力长期处于相平衡状态,因而严重拉长了开采时间。为解决降压法开采过程中低温区域水合物分解过慢的问题,本文利用三维装置研究了注化学剂法开采过程中水合物分解和产气规律。根据反应釜内温度和压力的变化,全面分析了注入过程、焖井过程对水合物分解的影响。结果表明,对于单井吞吐法,在注入抑制剂阶段可以刺激水合物快速分解,但不宜采用过大的注入量和过多的注入次数,过大的注入量和注入次数会增大堵塞风险导致开采时间被大大延长。相较于小型实验装置,中试级别实验由于注入时间长,抑制剂在注入阶段已经得到较为充分的运移,因而焖井时间不能过长,控制在40min左右为宜。     

天然气水合物资源开采方法研究

自然界中存在大量的水合物,这些水合物已经被认为是将来重要的能源,本文分析了天然气水合物资源的特点,并综合介绍了现阶段提出的天然气水合物开采方法及模型,对比分析了典型开采方法,如热激发、降压和注抑制剂等的优缺点和经济性,评述了研究中存在的问题,并提出了今后研究的重点。     

水合物降压分解的实验及数值模拟

在天然气水合物一维分解模拟系统上进行模拟多孔介质中水合物降压分解的实验。在考虑天然气水合物分解动力学机理以及流体渗流模型的基础上;建立天然气水合物降压分解的数学模型。利用模型对降压实验进行拟合;获得了多孔介质内水合物分解本征速度常数数量级为10 mol·m^-2·Pa^-1·s^-1;比文献中测定的纯水中水合物分解本征速度常数低3个数量级。对模型进行了参数分析;发现对于实验室规模的一维系统;分解动力学过程控制整个分解过程;而对于现场规模的水合物藏;整个开采过程受水合物藏流动特性的控制;而受水合物分解过程的影响较小。     

An analysis of gas hydrate dissociation in the presence of thermodynamic inhibitors

The kinetic behavior of small cylindrical methane hydrate samples as they dissociate in the presence of thermodynamic inhibitors is investigated experimentally and theoretically. A one-dimensional time-domain representation of the thermal processes involved allows a simulation of the experimental procedure while testing several kinetic and heat transfer dissociation models at the decomposing hydrate surface. Preliminary calculations with constant convective (liquid side) heat transfer coefficients show that the inclusion of an intrinsic dissociation kinetic model from the literature leads to a substantial mismatch between data and predictions. This apparent difficulty suggests that the intrinsic dissociation formalism may not be applicable to situations when hydrates are not decomposed by depressurization. A simpler equilibrium assumption for the interface temperature yields significantly better results. When the convective heat transfer coefficient is expressed as a simple power of the dissociating front velocity, up to a multiplicative factor, the agreement between data and calculations can be further improved.