The Simulation of Gas Production from Hydrates by Depressurization at a Constant Pressure

Abstract

A general-purpose simulator for gas production from hydrates is developed, which considers kinetics of dissociation, heat, and multiphase fluid flow. Production behavior of the Class I hydrate reservoir by depressurization technique is studied. The results suggest gas production rate at the well is higher than gas release rate in the reservoir and most water released is left in pores. With continuous dissociation of hydrate, average hydrate saturation, reservoir temperature, and pressure decrease continuously. In addition, the closer to gas layer, the faster the hydrate dissociation. Results of gas production simulations can provide theoretical basis for the development of hydrates in the future.     

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目前从天然气水合物中开采天然气的方法，主要有热激发法、化学试剂法和减压法。文章通过适当简化，从理论上推导出减压法开采天然气的数值模型和水合物分解前缘边界曲面离井筒距离表达式，并对推导出的偏微分方程经过线性简化和自相似原理，推导出多孔介质水合物地层中压力和温度的分布方程和天然气产量方程。通过实例，研究了多孔介质水合物地层中压力和温度的分布规律,即离井筒越近，压力和温度越小。进行了影响水合物分解前缘边界曲面离井筒距离各影响因素的敏感性分析，得到了减小井筒压力和增大地层温度可以使离井筒越远地方的水合物层分解释放出天然气,天然气的产量随着开采时间的增大而逐渐减小但最终趋于一稳定值的结论。     

置换减压法开发天然气水合物工艺及数值模拟

天然气水合物是能源领域尚未开发的领域之一,有巨大的潜力来满足未来的能源需求,降压、热刺激、碳交换和抑制剂注入是其生产过程中涉及的四种开采方法。文章提出了采用双水平井降压 ＋二氧化碳置换法开采天然气水合物,应用油藏模拟器 ＣＭＧ对矿藏条件下水合物进行数值模拟分析,模拟了多组分、多相流体和热流在地下的流动和传输,以及甲烷饱和度和温度分布,估算了水合物解离产气量和出砂量。模拟结果表明,随着开采的进行,甲烷饱和度降低,顶部的水合物优先开始分解,二氧化碳置换区域地层温度提高 ２～５℃,温度升高促进甲烷持续解离,形成了一个连续交换和生产的循环过程;同时随着甲烷产量的增加,生产井出砂量也随之增加。采用双水平井开采技术,扩大了水合物储层的波及面积,有效增加了产气量,达到商业开采价值规模。研究结果为科学评价天然气水合物开采技术的可行性、经济性提供了理论依据。     

多孔介质中甲烷水合物形成与分解实验研究

基于实际海洋水合物资源的赋存状态及温度、压力条件，在人工多孔介质中物理模拟海底水合物稳定带的水合物藏进行了水合物的形成与分解的实验研究。分析甲烷水合物在多孔介质中的形成与降压开采过程，揭示了其温度、压力和产气速率的变化规律。采用逐步降压的方法测定了多孔介质中水合物在特定温度下最小分解推动力，比较了不同降压模式下的累计产气量。结果表明，水合物形成过程中通过不断注水保持系统压力，甲烷可完全生成水合物，最终水合物藏中仅有水和水合物两相；实验条件下水合物的分解主要受压差影响，压差越大，分解速率越大，累计产气量越高；在一定温度下水合物的分解需有一个最小推动力。比较不同降压模式发现，累计产气量只与压差有关，而与降压模式无关。     

饱和孔隙流体作用下甲烷水合物降压分解机制及实验研究

Sediment-hosted hydrate reservoir often contains saturated pore fluid, which changes the heat transfer and mass transfer characteristics of the hydrate reservoir. The exploitation of hydrate under saturated pore fluid using depressurization is simulated experimentally to investigate the influence of particle size of porous media, dissociation temperature, pressure drop and injected fluid type on gas production behavior. Homogeneous methane hydrate was firstly formed in frozen quartz sand. With the formed hydrate sample, hydrate dissociation experiments by depressurization were conducted. The test results showed that the gas production rate of hydrate under saturated pore fluid was substantially influenced by the particle size, the pressure drop and the injected fluid type, while it was influenced little by the dissociation temperature. The hydrate dissociates faster under larger pressure drop and in the presence of smaller porous media within the experimental region. The dissociation rate increases with an increasing fluid salinity in the initial stage, while it decreases in the later stage. The increase of gas diffusion resistance resulted from ionic hydration atmosphere in saturated chloride solution impeded the dissociation of hydrate. It can be solved by increasing the pressure drop and decreasing the fluid salinity in the process of gas recovery from hydrate reservoir.     

LHCX凝析气田水合物形成预测及防止措施研究

天然气水合物是采气过程中经常遇到的一个重要问题。在生产过程中，水合物的生成可导致气体输送管线及加工设备的堵塞而影响正常生产。文章针对LHCX凝析油气田，对水合物的形成条件进行了论述，采用统计热力学方法对该气田不同压力条件下水合物形成的温度进行了预测，计算出了M1井、M3井不同产量条件下井口流动温度及M1井、M3井地面给定输出压力下的井口节流温降情况。根据计算结果得知：该气田气井在产量10×10₄m₃/d、压力大于5.0 MPa时，井筒中不会形成水合物；在地面给定输出压力下，M1井通过气嘴节流后的气流温度高于水合物形成温度，不会形成水合物，而M3井通过气嘴节流后的气流温度低于水合物形成温度，将形成水合物。另外，还对水合物的预防及清除方法进行了讨论，针对LHCX凝析油气田情况，建议采用加注甲醇（己二醇）和地面加热升温措施以防止水合物的形成。     

南海北部天然气水合物藏垂直井网降压开采数值模拟

为了提高南海北部低渗透率、泥质粉砂型天然气水合物（以下简称水合物）储层降压开采的气产量和采收率，基于我国2017年水合物试采W17站位水合物层含有少量游离气且下伏泥层的条件，根据实际试采数据，针对单垂直井和垂直井网两种布井方式，利用TOUGH+HYDRATE软件进行了水合物层降压开采数值模拟，研究了开采井产气/产水特征及开采区温度场、压力场、水合物饱和度场的变化特征，进而分析了渗透率、井间干扰对压力场、温度场及流场变化的影响机制。研究结果表明：①低渗透率泥质粉砂型水合物层在降压开采过程中，水合物的分解使水合物沉积层渗透率增大，从而使气、水产量增加；②在降压开采初始阶段，开采井的气、水产量短时达到峰值后急剧减小，水合物迅速分解、吸热及游离气的涌入使得井筒附近温度降低，而后随着开采时间的延续，气、水渗流阻力增加，压降传播速率降低，水合物分解气产量和井口气产量不断降低，水产量则缓慢上升；③水合物的分解由压降和周边流体渗流、传热联合控制，井筒附近及水合物层上下界面处的水合物优先分解，井口产出的天然气有较大部分来自于周边水合物层中的游离气和孔隙水溶解气；④采用垂直井网进行水合物开采，每口井的控制面积减少，单井的产气/产水速率及累计产气/产水量均明显低于单垂直井，但垂直井网开采总的气产量更大、水合物采收率更高；⑤井距决定了每口井的控制面积和最终累计产气量，井间压降叠加效应加速了水合物的分解，井间区域的压力及温度显著低于单井，但井间对称流场的干扰会阻碍气液流动，在井间中心区域将形成“静止区”。结论认为，多井联合开采可以提高井场总的气产量，但需要根据钻井成本、水合物层渗透率、预计生产周期、井场总气产量和水合物采收率等指标来综合确定合理井距。     

天然气水合物下伏游离气垂直单井开发数学模型及其应用

天然气水合物下伏游离气是水合物系统天然气资源的重要组成部分，具有巨大的开发利用价值。通过构建水合物下伏游离气藏垂直单井开发的数学模型，用有限元节点上的气体密度和密度增量来计算天然气开发中气藏压力变化和井孔气体产能。利用Dako试验气田的产能记录对模型进行了验证，反映了其良好的可靠性。模型显示气体产能与气藏压力、气体饱和度以及采气时间都有很好的正相关，而气体累计产量与采气时间呈近似线性关系，降低井孔流体输出压力有利于提高产能。模拟计算表明布莱克海台水合物下伏游离气藏具有很高的开发价值，对于平均气体饱和度为20％的气藏，计算的单井产气率为46％，69 m厚的气层10 a可产天然气9.6×10⁴ t。     

天然气水合物储气量及分解安全性研究

利用可视化实验设备，研究了表面活性剂T40、T80及其复配溶液构成的5组反应体系中Ⅱ型气体水合物的储气及其分解情况，利用定温压力搜索法测定了水合物分解热平衡条件，并运用含气率、分解速度及分解热理论对实验数据进行了计算。结果表明，合成的天然气水合物样品含气率高、分解速度小。从传质和传热两方面分别分析了表面活性剂和水合物分解热对实验体系中气体-溶液-天然气水合物三者界面之间物质和热量传递过程的影响；分析结果表明：适当表面活性剂的加入有利于提高天然气水合物的储气量，水合物的高分解热是其分解速度低的主要原因。水合物的高储气性和分解安全性为天然气水合物储运技术的实践奠定了基础。     

Dissociation of Methane Hydrate by Hot Brine

Natural gas hydrate has been regarded as a potentially unconventional natural gas resource. It is widely distributed in the world. Many methods are proposed to dissociate hydrate, among which heat injection is one of the most effective ones. So, the investigation of production performance under different heat injection modes provides theoretical basis for actual hydrate production. An experimental study on hydrate dissociation and gas production behavior by hot brine injection was conducted with a self-designed 2D sand-packed system. Two patterns of heat injection (continuous heat injection and intermittent heat injection) are studied and the gas production, water production, and temperature variation are analyzed. Results show that the gas produced by continuous heat injection is notably more than that by intermittent heat injection; with the same heat injected, the temperature variation of continues heat injection is larger than that of intermittent heat injection; during the process of heat injection, the water production rate is slightly larger than that of water injection, which is mainly influenced by water injection rate, heat injection patterns and water production from hydrate dissociation. Under the conditions of experiment, the result of continuous heat injection is superior than that of intermittent heat injection.