天然气水合物开采三维实验模拟技术研究

调研了国内外天然气水合物开采技术研究进展,基于无量纲相似分析方法研制了三维可视天然气水合物开采模拟实验系统。以甲烷、水和石英砂为实验介质,开展了降压、注热、注剂等天然气水合物开采方法三维实验模拟分析。根据室内模拟实验和数值模拟分析结果,提出了海上天然气水合物试采的技术思路,以期为天然气水合物试采及深水工程的研究提供借鉴。     

海洋天然气水合物固态流化开采大型物理模拟实验

天然气水合物是继页岩气、致密气、煤层气等之后潜力巨大的接替能源,国内外天然气水合物开采技术研究和试采工程以降压法为主,均借鉴常规油气开采工艺,由于试采时间短,回避了长期开采存在的环境安全、装备安全、生产安全以及工程地质等风险。为此,由西南石油大学、中国海洋石油集团有限公司、四川宏华石油设备有限公司等单位组成的联合项目组历经多年协同攻关,提出了海洋非成岩天然气水合物固态流化开采原理,发明了基于该原理的模拟实验方法和技术,研制和开发了具有完全自主知识产权的全球首个海洋天然气水合物固态流化开采大型物理模拟实验系统。基于上述实验系统,开展了与海洋非成岩天然气水合物固态流化开采相关的天然气水合物样品快速制备、高效破碎及管道输送等物理模拟实验,验证了海洋非成岩天然气水合物固态流化开采相关理论模型的准确性,揭示了海洋非成岩天然气水合物固态流化开采过程中关键参数的变化规律。该项研究成果为全球首次海洋天然气水合物固态流化试采的成功开展奠定了重要的基础。     

不同形式天然气水合物藏开采技术的选择研究综述

天然气水合物已越来越成为油气工业关注的热点。近年在资源领域的研究和实地勘探、试采以及模拟研究中得到较快发展。通过分析目前几种水合物开采技术的优缺点,探讨了不同天然气水合物储藏形式下的开采方式,并介绍了国外实地试采研究中几种开采技术的使用情况和国内水合物藏不同开采方式的模型模拟研究,为今后天然气水合物的开采和研究提供了一定的方向和启示。     

天然气水合物注热开采数学模型

根据热力学第一定律及天然气水合物分解机理，在合理假设基础上，建立了包括物质守恒方程、能量守恒方程、分解动力学方程及辅助方程的天然气水合物注热开采数学模型。对数学模型进行差分处理得到差分方程组，采用隐式求解压力、显式求解饱和度（IMPES）的方法，考虑天然气水合物分解的压力、温度平衡条件，对模型进行求解，据此编制了数值模拟器。数值模拟器很好地拟合了注热开采实验的产气速率和温度分布，验证了数学模型的有效性。数值模拟及注热开采实验分析表明，天然气水合物注热开采可分为自由气释放、水合物分解及边界效应3个阶段，水合物分解存在分解前缘，注入端一侧水合物大部分已经分解，出口端一侧水合物分解较少，饱和度较高。图5表1参11     

注蒸汽法天然气水合物试采系统高温管路保温设计与试验

基于对天然气水合物分解机理的研究,提出了注蒸汽法开采陆域冻土带天然气水合物。开采原理是通过控制地下水位对水合物层降压的同时,注入高温高压蒸汽对水合物层进行热激发。注蒸汽法试采系统主要包括地表加热装置、地表采气及点火装置和孔内装置。为了提高能量利用率,需对地表和井筒蒸汽流动管路进行保温处理。文章重点对地表蒸汽管路的保温进行设计,首先进行传热理论分析,然后利用ANSYS模拟软件进行数值模拟计算,最终结合现场施工情况,确定蒸汽管路保温层厚为18mm,可以满足保温要求。     

海洋天然气水合物试采关键技术

针对海洋天然气水合物开发技术与常规海洋油气开发技术的异同,分析了海洋天然气水合物储层特性和试采面临的挑战,介绍了天然气水合物试采关键技术,包括控压钻井技术、套管钻井技术、抑制性钻井液、钻井液冷却系统、低温低放热水泥浆体系、完井技术、开采方式优选和储层及环境监测技术等,指出了我国海洋天然气水合物试采应围绕水合物物理力学性质、安全成井、连续排采与防砂、开采方法适应性评价、试采过程储层参数和地层形变监测等技术难题开展研究,通过示范工程,形成海洋天然气水合物试采技术体系,为我国海洋天然气水合物的高效开发提供技术支撑。      

天然气水合物勘探与开采进展

目前,天然气水合物以能量密度高、储量大和分布广等特点,被公认为是21世纪的重要后续能源。各国纷纷加大天然气水合物勘探和开发的研究力度。现有天然气水合物开采方法主要有注热开采法和非注热开采法两种,都不同程度地存在一些问题。本文在对现有开采方法优缺点进行分析的基础上,对注热开采天然气水合物方法进行了重点阐述,分析了采用注热开采方法的几种不同形式,为经济有效的开采天然气水合物提供依据。图5参5     

海域天然气水合物试采实践与技术分析

天然气水合物作为当下备受关注的潜在新型清洁能源资源,绝大部分赋存于水深大于300 m的海底沉积层中,日本与中国相继应用深水钻井船和半潜式平台进行了海域天然气水合物的试采实践,均取得一定成果。中国南海海域天然气水合物储量丰富,进一步探究行之有效的方法与工艺,实现安全、稳定、高效的商业化开采,对于解决日益严峻的能源紧缺及环境恶化问题具有重要意义。通过国内外技术调研,对降压、注热、注剂等开采方法进行研究,结合日本海域天然气水合物的试采实践,对其试采的前期准备、设计准则与难点、工艺方案、生产测试系统关键组成部分以及存在的气液分离效率、出砂、流动保障等问题进行深入分析,并提出了相关的优化改进建议,为后续海域天然气水合物试采设计和施工提供借鉴。     

天然气水合物试采技术

天然气水合物试采期间,储层分解可能导致井筒失稳,井筒中水合物的二次生成易造成管柱堵塞、套管破坏、井喷等生产事故。基于1965年前苏联陆地冻土天然气水合物试采到我国南海海域天然气水合物试采所取得的成果,分析了热注法、降压法、化学剂注入法、气体置换法等试采方法的原理、应用及其优缺点,同时介绍了近年水合物试采实验研究新方法新理论。分析表明,降压法是目前水合物试采中最成熟的试采方法,建议与其他试采方法联合使用,进一步提高天然气水合物的试采产量。     

深水浅层天然气水合物固态流化绿色开采技术

天然气水合物主要分布在极地和深水陆坡区,约95%储存在深水区,目前冻土和海域试采目标区为成岩天然气水合物矿体并多伴有下覆游离气,可采用降压、注热、注剂和CO_2置换等方法进行开发;储存在深水浅层的细粒裂隙型、分散型天然气水合物虽总量大,但因其埋深浅、非成岩、胶结性差,开采方法尚属空白。根据世界其他海域和我国海域天然气水合物取样进展,首次提出了深水浅层天然气水合物固态流化绿色开采技术,即将深水浅层不可控的非成岩天然气水合物藏通过海底采掘、密闭流化、气液固多相举升系统变为可控的天然气水合物资源,从而保证生产安全,减少浅层水合物分解可能带来的环境风险,达到绿色可控开采的目的。文中重点论述了该技术提出的背景、技术原理、数学分析方法及主要技术核心等,以期为深水浅层天然气水合物开采提供借鉴。     

天然气水合物钻采一体化模拟实验系统及降压法开采初步实验

现有的天然气水合物(以下简称水合物)开采技术实验研究通常在较小尺寸的模拟实验装置中进行,由于反应釜样品尺寸较小,导致明显的边界效应且实验结果难以在现场中得到应用,因而研发大尺寸水合物综合开采实验系统刻不容缓。为此,针对我国南海神狐海域泥质粉砂型水合物储层,基于降压法开采思路和工艺流程,研发了一套水合物钻、采一体化模拟实验系统,主要包括主体高压装置、钻采一体化、气液供给、围压加载、回压控制、气液固分离及在线监测、温度控制、数据测控与后处理等模块;利用该系统进行了冰点附近CO_2水合物初步开采模拟实验;基于实验结果建立了数据获取及分析的基本流程,初步获得了在降压法开采CO_2水合物过程中储层的温度、压力场变化以及产气、产水规律。实验结果表明:①该实验系统可模拟实际地质条件制备接近海洋水合物储层的样品,通过电阻层析成像技术实时监测水合物成藏与分布情况;②该实验系统还可模拟钻井、降压开采工艺与过程,实时监测出砂与管道流动等过程中产气量、产水量、产砂量、温度、压力等多个物理参数的变化情况,实现试采全过程的实验模拟。结论认为:①在出口压力一定的情况下,CO_2水合物的产气、产水速率具有很大的波动性;②CO_2水合物分解过程中储层温度分布不均匀,最大的温度降幅为5℃,表明水合物分解呈现出非均一性与随机性。     

天然气水合物藏注热开采敏感参数分析

天然气水合物作为一种潜在的未来能源,其开采已经成为天然气工业新的研究热点。基于水合物藏热力开采的机理,建立了数学模型并编制了软件,对影响水合物藏注热开采效果的参数进行了敏感性分析。结果表明,分解前缘移动速度和累积产气量主要受孔隙度、注热温度、初始水合物饱和度、水合物藏初始温度、分解区导热系数和热扩散系数的影响,而未分解区的热力学参数对注热开采影响不大,该研究对今后水合物藏的注热开采具有一定的指导意义。     

天然气水合物注蒸汽开采影响因素研究

天然气水合物的开采是目前各国需要攻克的难题,热激法是一种行之有效的开采方法。该文运用CFD方法对天然气水合物注蒸汽开采过程进行数值模拟,建立了基于有限体积法的天然气水合物分解热力学模型并进行求解,获得天然气水合物的温度场分布,对注蒸汽温度、注蒸汽速率和孔隙度等影响因素进行研究。分析结果表明:注蒸汽温度增加不会影响水合物高温区域但会增加水合物表面温度;注蒸汽速度增加,使得水合物分解加快,有利于水合物开采;孔隙度增大不会引起水合物高温区域变化但会增大气、水两相在多孔介质中的流动性,有利于水合物开采。研究结果对天然气水合物注蒸汽开采,指导天然气生产,具有积极的意义。     

天然气水合物酸化-自生热气开采技术研究

天然气水合物储层多为黏土、钙质含量高的疏松砂岩,易产生出砂及污染堵塞等问题。为解决储层污染问题,提高产能,综合考虑天然气水合物储层解堵与自生热气的助采、增能、助排等机理,提出了天然气水合物酸化-自生热气开采技术,并进行了酸液体系、自生热气体系、施工工艺配套技术研究。结果表明：改性硅酸酸液体系具有密度适中、岩屑溶蚀率适度、缓速、对岩石骨架无破坏、抑制二次沉淀等性能,适于天然气水合物储层的解堵增产;氯化铵+亚硝酸钠自生热气体系能产生氯化钠、氮气和大量热,安全性高,有利于天然气水合物开采和残酸返排;严格控制泵注压力,采用多级段塞式泵注和残酸返排工艺有利于天然气水合物储层的施工作业。该技术基于南海神狐海域某探井天然气水合物试采工作而研发,对类似储层的开发具有借鉴意义。     

神狐水合物藏降压开采产气量预测及增产措施研究北大核心CSCD

南海神狐海域是我国最具天然气水合物开发潜力的区域之一,但目前尚未达到商业化开采的产气量水平。采用水合物开采模拟软件TOUGH+HYDRATE,建立了神狐水合物藏的储层地质模型,并在此基础上开展降压法试开采产量历史拟合及长期开采的产量预测,对比分析了直井降压、水平井降压、直井降压联合压裂、直井降压联合注热和直井降压联合井壁加热等增产措施的效果。研究结果表明,神狐水合物藏基于直井降压试采预测的长期开采日均产气量低于商业开采要求,须借助增产措施;神狐水合物藏开采最佳增产措施为水平井降压,其次为直井降压联合压裂。本文研究结果可为神狐水合物藏的开采提供一定借鉴。     

天然气水合物开采研究获进展

在研制天然气水合物一维开采实验模拟系统的基础上，中国科学院广州能源研究所天然气水合物开采技术团队成功研制出国内第一套天然气水合物二维开采实验模拟系统。初步测试结果表明，该系统能有效模拟海底天然气水合物的生成及分解过程，可以对现有的开采技术进行系统的模拟评价。较之一维开采模拟系统，该系统采用更加先进的手段测量多孔介质中气、液、固（水合物）的含量及分布，并能够更加真实的模拟实际水合物地层特征。     

降压法开采天然气水合物藏物理模拟相似准则分析

考虑降压法开采天然气水合物藏中所涉及到的水合物分解动力学过程、多相渗流过程、相变及传热等几个重要因素,推导出了三维降压法开采水合物藏物理模拟实验应满足的相似准则,并对各个相似参数的物理意义进行了分析。     

双层分支水平井注热海水开采海底天然气水合物经济性评价

开展了对天然气水合物经济、安全可行的开采方法探索,提出双层分支水平井注热海水开采法。该方法是基于日本九州大学能源学院Kyuro Sasaki和Shinji Ono等人的"双水平井注热水开采法"研究成果,利用海水源热泵加热、浅层分支水平井钻井及高温盐水分解天然气水合物等优势技术提出来的一种全新的开采方法。充分利用分支水平井的选择性钻进和有效控制面积大等特性,通过在双层分支水平井中注入热海水形成"热水腔"实现储层的多点沟通,以下注上采模式完成天然气水合物的立体开采。该开采法安全可行、环境友好,且具有较好的经济效益,是实现未来天然气水合物商业化开采的一种积极探索。     

深水水合物试采过程中地层沉降及井口稳定性研究

在深水非成岩地层天然气水合物试采过程中,随着试采时间增长,大面积弱固结地层中的水合物分解后,可能造成海底地层沉降,损坏井口和海底管汇,导致试采工程失败。为此,建立了非成岩地层水合物试采过程中的海底地层沉降和井口稳定性分析模型,分析认为水合物分解后产生的负摩阻力和下拉载荷是导致井口失稳的主要因素,并采用有限元强度折减法模拟研究了水合物分解对地层沉降和井口稳定性的影响,结果发现,水合物分解后管柱周围的负摩阻力主要分布于表层导管底部向上约1/3的区域,且水合物分解半径越大、水合物饱和度越高,负摩阻力越大。自主研发了天然气水合物开采井口模拟试验装置,进行了水合物分解对井口稳定性影响的室内模拟试验,负摩阻力的模拟试验结果与数值模拟结果相比,相对误差在10%以内,验证了计算模型和数值模拟结果的可靠性。研究成果可为深水非成岩地层水合物试采时间控制和井口安全评估提供理论参考。      

天然气水合物勘探开发技术发展综述

为探索我国天然气水合物资源利用的发展策略和方向,回顾了国际天然气水合物资源利用技术发展的历史,并对麦索亚哈和阿拉斯加等目前已进行或正在进行的5个天然气水合物开发/试采联合工业项目进行了详细介绍。在此基础上,结合我国天然气水合物资源开发技术研究现状,对今后的天然气水合物开发技术发展提出了建议:做好基础技术储备,一旦天然气水合物开采技术取得突破,其开采具有经济价值,可迅速投入该领域;加入国际天然气水合物JIP发展项目,以较小成本分享国际最新的研究成果。