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多孔介质中水合物开采影响因素的实验和数值模拟研究

阮徐可  
【摘要】:天然气水合物分布广泛、资源大、能量密度高,被视为一种新型的清洁能源,已引起全世界的广泛关注。本文通过实验和数值模拟方法对开采过程中的水合物分解特征、产气影响因素及开采技术评价等进行了研究。 在实验室水合物生成和分解实验模拟系统上,首先进行了多孔介质中不同初始水饱和度下的水合物生成实验研究,发现初始水量将直接影响水合物的生成特性。在此基础上,进行了不同饱和度下含水合物多孔介质的渗透率测量实验,并研究了多孔介质内水合物赋存形式与饱和度之间的关系,提出了考虑水合物赋存形式的渗透率权重(W-P)模型,该模型可以较好地描述多孔介质内水合物赋存形式、水合物饱和度和渗透率之间的相互关系。 在考虑多孔介质内水合物赋存形式的基础上,通过实验和数值模拟结合的方法研究和确定了多孔介质内两种水合物赋存形式(孔隙填充型(Pore Filling)(?)口颗粒包裹型(Grain Coating))条件下的水合物分解比表面积表达式。 建立了基于不同算法的1D和2D水合物开采数学模型,研究了不同水合物赋存形式、不同模拟尺度、不同初始水饱和度等因素对水合物降压分解产气的影响,分析和评价了不同降压方式和降压联合井壁加热开采方式下的水合物产气效果。 研究结果表明:实验室尺度水合物分解从径向和轴向分步向前推进,径向的水合物要先于轴向发生分解;不同水合物赋存形式下的产气情形,包裹型的水合物降压产气整体要优于填充型;绝对渗透率对水合物在多孔介质内降压分解产气的影响存在临界值(50md左右),当低于临界值时绝对渗透率对水合物分解产气的影响较大,而当高于临界值时,绝对渗透率对产气变化几乎没有影响;模拟尺度L/D50情况(长度与直径之比)下水静止流动的假设对产气变化的影响不大,而在L/D50情况下水静止流动假设模型高估了其累积产气量变化;在Sw,e(初始水饱和度)Swr(束缚水饱和度)以及Sw,eSwr情形下水合物分解产气过程分别受不同控制机理主导,其中Sw,eSwr情形下流体在体系内的流动特性主导了水合物分解产气的快慢。 不同开采方式下的产气效果表明:压力降幅对最终产气量的影响较大,而不同降压速率只影响产气持续时间的长短,并不影响最终的产气量大小;在相同的降压幅度下,降压速率越慢,累积产气量越高;降压与井壁加热联合开采方式下的产气情况要明显高于单纯降压和单纯井壁加热开采形式下的产气;单纯的井壁加热条件下不同加热温度对产气率的影响不是很大,井壁加热的热量向水合物分解区域传递的范围十分有限;在降压与井壁加热联合开采方式下,初始水合物饱和度对产气的影响较大,初始温度和初始压力对水合物分解产气的影响较小


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