基于有限体积法的天然气水合物温度场分布影响因素研究

天然气水合物是 21 世纪最具潜力的清洁能源,对其进行注热开采被认为是最行之有效的开采方 法。 以某冻土区天然气水合物拟开采矿区为例,在水合物分解动力学模型的基础上,建立了基于有限体 积法的天然气水合物分解热力学模型,并对天然气水合物温度场分布的影响因素进行了分析。 结果表 明：在其他条件不变的情况下,随着注水速度的增加,天然气水合物的高温区域逐渐增大,且分解速度加 快;随着孔隙度的逐渐增大,天然气水合物高温区域的变化趋势基本相同;随着注水温度的增加,天然气 水合物高温区域的变化趋势也基本相同,但作用在天然气水合物表面的温度随着注水温度的增加而增 加。 对该矿区进行注热开采时,当注水速度为 6 m/s、注水温度为 80 ℃ 时,天然气水合物的分解速度最 快,具有较好的经济效益,该结论可为注热开采实践提供理论依据。     

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     

天然气水合物加热分解储层变形破坏规律研究

为避免开采天然气水合物导致储层变形破坏,引起环境灾害,研究加热法开采天然气水合物过程中水合物饱和度、储层物性参数、超静孔隙压力变化对储层变形破坏的影响。建立了反映水合物分解引起储层力学物性劣化规律的热流固耦合模型,基于ABAQUS二次开发功能编写场变量子程序,对南海神狐海域水合物加热开采诱导储层变形破坏规律进行数值模拟分析。结果表明:天然气水合物储层分解区和力学性质劣化区范围随温度升高呈扩大趋势;未采气条件下,储层超静孔隙压力以加热井为顶点随分解影响距离呈抛物线型分布,超静孔隙压力过大是导致天然气水合物盖层变形破坏的主要因素;储层塑性变形影响范围随温度升高逐渐扩大,先出现在水合物储层与盖层、储层与下伏层接触界面。该研究为天然气水合物安全开采提供了借鉴。     

天然气水合物射流破碎工具及其配套工艺技术

针对中国海洋天然气水合物(以下简称水合物)储藏埋藏浅和胶结性弱的特点,急需开发一系列保障水合物安全、经济、绿色、高效开采的工艺技术和配套工具。为此,提出了一种在不改变水合物储层温度和压力条件下的射流破碎流化开采水合物的技术思路,同时,开展了射流破碎水合物配套喷嘴工具的设计、室内实验与优化。进而基于室内实验探索了喷嘴射流破碎工作压降、排量、上提下放喷嘴速度和趟数等施工参数与破碎水合物孔眼直径和破碎速率之间的关系,建立了水合物射流破碎流化开采工艺现场施工工程图版。在中国南海荔湾3井采用该方法进行了生产验证。结果表明:(1)水合物射流破碎流化开采工艺技术提高了水合物开采生产效率、保护了储层底层安全,降低了水合物开采能耗;(2)水合物射流破碎喷嘴工具破碎形成的孔径规整、破碎颗粒返排效果好,无领眼时喷嘴射流破碎下放速度不超过7.1 m/h;(3)水合物射流破碎流化开采工程图版解释了射流破碎工况和施工参数对射流破碎水合物孔径和破碎速率的影响规律,为水合物试采施工工艺参数选择提供了参考;(4)水合物射流破碎流化工艺在荔湾3井试采成功,验证了射流破碎流化开采工艺的可行性和其应用于水合物商业开采的广阔前景。     

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。     

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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。     

高压天然气多孔节流效应及冲蚀特性分析

基于欧拉 拉格朗日多相流模型方法,采用RNG k ε湍流模型和Sutherland viscosity law可压缩流体黏度修正模型及改进的冲蚀模型,对高压天然气单孔和多孔节流过程进行数值模拟。通过高压天然气单孔节流数值模拟质量流率变化规律,与理论计算结果对比,验证了所采用的模型和计算方法的准确性,并考察了高压天然气流经单孔和多孔突缩结构的不同节流效应及冲蚀特性。计算结果表明,天然气流经多孔固定节流油嘴降压后,体积膨胀形成的最高流速值明显低于单孔固定油嘴,同时多孔均匀射流减少了单孔射流形成的卷吸冲蚀损伤,并在多股射流下的搅混作用下,冷核心能迅速混合,在后续油嘴腔体内更易实现压力回升和速度稳定现象,相比单孔节流可以有效地抑制冲蚀损伤及天然气水合物生成几率。     

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。     

天然气水合物二次生成及渗透率变化对降压开采的影响

在 考虑天然气水合物二次生成及渗透率变化的基础上,建立了实验室尺度下的天然气水合物降压开采数学模型。利用该数学模型,对天然气水合物降压开采过程中的水合物二次生成进行了模拟,并分析评价了水合物二次生成及渗透率变化对水合物分解产气的影响。模拟结果表明:水合物二次生成主要局限于降压产气出口附近,二次水合物现象会引起局部水合物饱和度及温度、压力等发生明显变化;同时,水合物二次生成会导致产气速率大幅降低、产气持续时间延长和系统压力急剧增加,但累积产气量不受其影响。研究发现,不同于纯降压产气过程,在水合物二次生成的情形下,产气受出口压力的影响较大,而初始温度对产气的影 响较小。