天然气水合物分解动力学研究进展

人们对气体水合物的实质性研究始于对天然气管道运输中遇到的天然气水合物堵塞问题。由于在油气生产与运输及未来能源产业中的重大价值,近年来有关天然气水合物的性质及其生成和分解过程成了人们关注和研究的热点。目前,关于水合物的相平衡理论、热力学性质、生成预测方法及其结构的研究已经相当深入;而关于其分解过程的研究相对来说起步较晚。国内天然气水合物分解动力学的研究基本上还处于空白状态,国外也是在1987年才开始。但是从实际生产的角度考虑,天然气水合物分解动力学的研究是很有实际意义的。本文试图对近年来国外在天然气水合物分解动力学研究方面取得的进展做出分析和评价,并提出今后的发展方向。     

海底天然气渗漏区热传递对天然气水合物形成的影响

天然气水合物的沉淀/分解作用是一种放热/吸热反应，海底天然气渗漏是从高温区向低温区运移而且携带热量，这2种热量（水合物生成热和渗漏天然气热容热）会导致海底温度场的变化并影响水合物的形成。以美国墨西哥湾布什山水合物丘为例，应用渗漏天然气形成水合物的动力学模型，探讨了水合物生成热和渗漏天然气热容热对水合物稳定性的影响：在布什山，水合物天然气渗漏量为1.8 kg/（m²·a）和10%的渗漏天然气沉淀为水合物条件下，10 ka内水合物生成热和渗漏天然气热容热使海底表层的地温梯度增加了3℃/km，在1 km深处的沉积层地温梯度则降低了1.4℃/km左右,温度最大的扰动发生于400 m左右深的沉积层里(增加了0.4℃)，这样的温度场变化使水合物稳定带厚度减少了12 m，使0.06 kg/m ²的水合物分解。     

海洋天然气水合物的分解释放对全球气候的影响

低温高压背景下的海底和陆地永久冻土地带蕴藏着大量自然形成的天然气水合物,而且天然气水合物的笼形晶体结构中充填着高比例的甲烷,从而被视作潜在的替代能源而受到世界各国的重视。随着对天然气水合物研究的逐渐深入,人们意识到天然气水合物的分解释放有可能会对全球气候产生巨大影响。通过对海洋天然气水合物的形成模式、其分解进入大气圈的方式以及天然气水合物对环境变化的反馈机制的研究,分析了海洋天然气水合物分解释放进入大气圈并影响全球气候的可能性。     

海洋天然气水合物藏钻探环空相态特性

海洋天然气水合物藏钻探过程中,水合物钻屑随钻井液向上返出,随着温度升高、压力降低,水合物钻屑上升至一定位置开始分解,使井筒流动变为环空复杂气液固多相流,这对井下流动安全产生严重威胁。考虑井筒温度、压力与水合物分解的耦合作用与影响,建立了海洋天然气水合物钻井过程中井筒温度模型、井筒压力模型、水合物动态传质分解模型和复杂环空多相流模型。通过模型求解,数值分析了井筒温度、环空压力和水合物分解在不同钻井工况下的变化规律。结果表明:增大钻井液排量,井筒中井底处循环钻井液温度升高,环空中井口处返出钻井液温度降低,分解起始位置下移;增大钻井液密度,环空压力升高,分解起始位置上移;增大钻井液入口温度,井筒温度升高,分解起始位置下移;增大机械钻速,分解起始位置不变。     

海洋CSEM探测海底天然气水合物的有效异常研究

鉴于海洋CSEM响应对海底地层的电性变化比较灵敏,故可以依据水合物储层和围岩沉积层的CSEM响应差异,确定海底天然气水合物储层的分布范围。在考虑噪声情况下,通过建立一维含水合物储层模型,正演计算获得CSEM响应,进而求得有效异常、综合分析有效异常与发射频率及收发距的关系。研究表明,电磁响应的有效异常可用于确定合适的勘探频率,并由此获得相应的归一化振幅比和相位差曲线,利用有效异常对水合物储层电阻率变化十分灵敏的特性,寻找水合物储层,证明海洋CSEM探测海底天然气水合物的可行性。     

深水井开采制度对天然气水合物分解的影响

深水井生产过程中,当地层高温流体流向井口时,由于温差的存在,会通过井筒向地层传递热量,破坏水合物地层的原始温度和压力环境,诱发水合物分解并产生大量甲烷气,导致突增的附加高压直接作用于水泥环,甚至会引发地层失稳、海底滑坡等灾害,严重威胁深水井的井筒完整性.鉴于此,基于传热学理论建立了井筒温度场模型,计算水泥环第二胶结面温...     

海底沉积物中天然气水合物生成和分解规律研究进展

对国内外有关海底沉积物中天然气水合物生成和分解规律方面的研究进行了详细调研,得到如下结论:天然气水合物的生成和分解条件在海底沉积物中与在井筒、管道中有明显不同,其主要原因是多孔介质中流体与孔隙壁面间的界面效应对海底沉积物中天然气水合物的形成条件会产生明显影响;在海底沉积物中天然气水合物生成和分解条件的数值模拟技术研究方面,研究者大都假设以天然气水合物作为盖层的成藏类型,借助常规油气藏数值模拟技术进行模拟研究;影响海底沉积物中天然气水合物生成和分解条件的因素很多,因此海底沉积物中天然气水合物生成和分解规律研究必须借助试验模拟、数值模拟和现场测试相结合的综合方式进行。该调研成果可为今后天然气水合物经济有效开采技术方案选择和进行天然气水合物危害控制等提供参考。     

海域天然气水合物的形成及其对钻井工程的影响

将气体生成水合物的条件与深水钻井井筒温度压力、地层温度压力分布相结合，证实了深水钻井过程中形成水合物和钻遇天然气水合物层的可能性。天然气水合物的形成会改变钻井液的性质、堵塞井筒、环空及防喷器；水合物层的分解会造成沉积物坍塌、井壁失稳，引起井漏、井喷等一系列问题，给钻井作业造成巨大的经济损失，甚至使钻进无法正常进行。国内外近几年在天然气水合物研究勘探方面的经验表明，解决水合物问题常用的方法是加入水合物抑制剂，或者是采取必要的措施来防止井喷，将钻井液中的气体循环出去。     

天然气水合物分解区演化数值分析

为了分析水合物试开采效率与水合物分解区时空演化过程的内在联系,对水合物沉积物中水合物降压-加热分解区演化过程进行了数值分析,获得了水合物分解区的时空演化规律和控制参数,找到了水合物分解效率的制约因素,提出了水合物分解过程的解耦分析方法。研究结果表明：水合物降压分解相变阵面和加热分解相变阵面的传播距离均与时间平方根成正比;气体渗流和热传导两者特征时间的比值为水合物分解区演化过程的控制参数;水合物分解区分为降压分解区和加热分解区,降压分解区扩展速度快,最大厚度大于水合物分解区最大厚度的90%,加热分解区扩展速度慢,最大厚度小于水合物分解区最大厚度的3%;水合物分解效率由热传导效应控制,由开采方式决定的传热效率低下是提高水合物分解效率的制约因素;砂土类等渗透性良好的沉积物中,水合物分解过程解耦分析可简化求解流程,提高计算精度。     

天然气水合物的钻井和开采技术

在日本近海深度为300m以下的海底地层中，储存着大量的甲烷水合物，这一点已渐渐明朗。预计日本将于两年后的1999年在距日本东海海面约50km的海域内，以甲烷水合物以及下层的自由气体层为对象，调查其储存状态等信息。     

海底天然气水合物开采的环境安全性探讨

在能源需求和环保要求的双重压力下,天然气的消费量大幅增长,对海底天然气水合物进行大规模开采是必然的。目前,海底天然气水合物的开采还处于初级阶段,没有找到公认的合适的开采方式,最主要的原因是担心开采天然气水合物会造成其瞬间大规模气化,引发环境灾难。从人们所担心的问题出发,通过分析天然气水合物的开采原理,调研天然气水合物的开采实践,指出开采天然气水合物的主要物理过程是气化,而气化需要吸收大量的热量,但地层传递热量的速度非常慢。为此,天然气水合物的开采速度非常低。天然气水合物在其开采过程中虽然不可避免的会对环境产生一定影响,但不会对环境造成灾难性影响。      

海域天然气水合物低温抑制性钻井液体系

针对海域天然气水合物钻探所面临的深水低温、浅层窄安全密度窗口、水合物生成与分解抑制、海洋作业环保要求等工程和技术难题,开发了低温抑制性钻井液体系。研发了热力学抑制剂KCl复配动力学抑制剂A2的水合物抑制技术,优选了低温流变稳定性能良好的高分子处理剂,开发的钻井液体系流变性能良好,膨润土含量为2 %,API滤失量为4 mL,密度为1.07 g/cm3;低温流变稳定性优良,4 ℃较25 ℃时钻井液当量循环密度最大增量为0.004 g/cm3,优良的流变学性能有利于深水浅部地层窄安全密度窗口井段的井壁稳定和井眼清洁。该体系还具有优异的水合物生成抑制性能,4 ℃、20 MPa、20 h内完全抑制水合物生成,陈化10 d及被钻屑污染后抑制性能保持良好,同时具备明显的水合物分解抑制性能。各处理剂重金属含量达标,钻井液体系生物毒性半有效浓度EC₅₀值及半致死浓度LC₅₀值均大于30 000 mg/L,满足我国一级海区环保要求。该钻井液的综合技术性能满足海域天然气水合物钻探技术要求。      

冰点以下甲烷水合物分解实验对天然气储运的影响

天然气水合物储运技术涉及水合物的生产、运输和再气化等过程,其中水合物的生产过程、运输过程是要解决的关键问题。实验采用6种不同粒径的冰颗粒形成甲烷水合物,并且在不同的温度条件下开展甲烷水合物分解实验。通过分析认为,冰颗粒对甲烷水合物形成过程有一定的影响,冰颗粒粒径越小越容易形成水合物,形成时间也较短;而在分解过程中,大粒径的冰颗粒形成的甲烷水合物在2种温度条件下均表现出较强的自保护效应,能长时间保持亚稳定状态而不发生分解反应。根据实验中出现的这些特性,提出对天然气水合物储运技术的设想,在水合物形成过程中选取一个最佳的粒径冰颗粒合成水合物,并且在-4℃的温度条件下进行储运。      

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。      

钻井隔水导管自振特性及对海上钻井作业安全的影响研究

本文针对自升式钻井平台隔水导管在钻井作业中的工作状态,采用结构力学多自由度系统的自由振动研究方法,建立了隔水导管与防喷器系统的集中质量悬臂杆体系.本文通过求解主振型的位移方程和频率方程,得到了隔水导管系统的自振频率.根据常用钻井条件下的钻井隔水导管和防喷器的工程参数,结合自升式钻井平台工作实际情况,计算结果考虑不同水深条件下自振频率和作业海域的波浪周期,对于在不同海域,提出了在可能发生谐振的海域和水深情况下,作业者从隔水导管串与防喷器设计到钻井作业过程中,应该注意采取的工程措施,为制订合理的设计和工程参数,避免隔水导管发生损坏,保障钻井作业安全,提供了科学的决策依据.     

多孔介质中天然气水合物分解热力学模型研究

天然气水合物具有能量密度高、分布广、规模大、埋藏浅、成藏物化条件优越等特点,是21世纪继常规石油和天然气能源之后最具开发潜力的替代能源.多孔介质中天然气水合物的分解热力学是目前研究的热点和难点问题.本文采用VPT状态方程计算流动相的逸度,采用改进Vander Waalsand Platteeuw模型计算水合物相态.同时,考虑毛细管力对相态逸度的影响,引入修正项改进了模型,并运用改进模型对CH4和CO2水合物相平衡分解条件进行预测,其预测结果和实验结果比较符合.     

海上天然气水合物试采过程中天然气 回收利用技术方案研究

水合物试采过程中的天然气基本以燃烧火炬的形式处理,造成能源浪费和环境污染。随着水合物试采气量 增多,有必要对水合物试采过程中天然气的回收利用工艺开展技术研究。本文基于南海某目标区块天然气水合物 分解后的天然气处理量(1.0×10 5 m 3/d)及组成特点,探索了适合于海上的高效紧凑天然气回收利用技术,完成了 天然气回收利用工艺集成设计。结果表明:推荐超重力脱酸作为预处理工艺方案,其占地面积仅为常规吸收塔面 积的1/7,大大缩小了设备的尺寸;推荐单氮膨胀作为液化工艺方案,其流程简单,设备数量少,没有易燃冷剂的储 存,适应海上恶劣环境,适合用于水合物试采过程中天然气的液化。     

天然气水合物钻井液冷却系统设计研究

天然气水合物钻井液冷却系统是天然气水合物钻井的关键技术装备之一,鉴于此,对天然气水合物钻井中钻井液冷却及温控系统进行了设计研究。系统整体采用模块化设计、一体化橇装结构,并采用闭式循环强制传热技术,系统核心部件换热器设计为人字形板式换热器,温度自动控制模块基于单片机进行设计。同时基于平均温差法完成换热器的热负荷和换热面积的理论计算。试验中系统能够实现钻井液冷却并在-4~4℃的范围之内动态恒温控制,能防止钻井液过冷冻结而堵塞换热器。设计的天然气水合物钻井液冷却系统可有效解决天然气水合物钻井中由于钻井液温度升高导致的井壁坍塌和天然气水合物分解的技术难题。