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冻土区天然气水合物蒸汽法开采系统数值模拟与野外试验

李宽  
【摘要】:天然气水合物作为一种洁净的、具有巨大潜力的新型替代能源,具有储量大、分布广、埋藏浅、能量密度大等特点,对缓解人类面临的能源危机具有举足轻重的作用。天然气水合物实现从理论研究到现实替代能源跨越的必经之路就是开展试生产研究。与海域环境相比,冻土区天然气水合物赋存于较低的温压条件下,在开采工艺与施工作业方面都更易于进行试生产试验研究。 天然气水合物开采的一般思路是人为的打破水合物赋存的相平衡条件,促使水合物分解,然后将分解的天然气运至地表。在开采理论研究方面,开采方法主要有加热法、降压法、化学试剂法、CO_2置换法等,但每种方法都有自己的适用性和局限性。本文通过对天然气水合物分解机理的研究,参考国外天然气水合物开采理论与实践研究成果,并结合青海祁连冻土带天然气水合物赋存情况,提出了注蒸汽法开采冻土带天然气水合物。 蒸汽法开采是热激法和降压法的综合开采方法。首先利用潜水泵抽取井内的地下水,将水位控制在水合物层以下,水合物层的压力降低实现降压法开采;同时为防止天然气水合物的自保护作用,往孔内注入高温高压热蒸汽对水合物层进行热激发,促进水合物进一步分解。 蒸汽开采数值模拟的目的是为地表加热装置的设计与野外试验参数的选择提供依据。根据开采方案,设定注入蒸汽的温度为180℃,压力为1MPa,拟开采层厚度为20m,拟开采半径为0.5m,开采温度为10℃。利用FLUENT数值模拟软件对蒸汽加热水合物层动态过程进行数值模拟计算,通过模拟计算结果对比分析,在满足开采要求的前提下选定蒸汽最佳功率为20KW,需连续注热38h。 根据开采方案设计的开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降压及孔口采气装置三部分组成。加热装置的核心部件为蒸汽发生器,为孔底水合物分解提供热源。地表产生蒸汽对水合物层加热过程中,在管路中流动时会伴随有热损失。传热学理论计算得到蒸汽地表管路热损失为21.35W/m,垂直段径向热损失为28.67W/m。根据公式计算和模拟结果确定功率为40KW;加热装置采用脉冲式排气,相比于连续排气,脉冲蒸汽压差大、蒸汽温度高、管路热损失少,有利于水合物的分解和热量在地层中的扩散,扩大了开采范围。地表采气与点火装置是将孔内分解的天然气运至地表并对分解的天然气进行分离、过滤、瞬时流量监控、流量积算、气体采集和点火试验等。 根据设计方案对开采系统加工与选型,并进行了室内的调试。共进行了四组室内试验,通过实验数据对比分析,确定最佳的开启压力为1.5MPa,关闭压力为0.5MPa,此条件下蒸汽压差大、温度高、注热时间长、热量高且管路热损失少,有利于水合物的进一步分解。 蒸汽法开采系统在青海木里盆地中国冻土水合物一号试采井中进行了野外应用。根据勘探先导孔地质资料,开采井选定10个水合物层位下入花管进行试开采。开采试验首先进行降压法开采,共进行75h,产气量为72.6m~3;之后进行了降压法和太阳能加热或电磁加热联合开采,共进行19h,产气量为10.0m~3。当水合物分解速率较慢时,使用蒸汽法开采。设定蒸汽出口开闭压力为1.0MPa和0.5MPa,共进行了12次注热过程。蒸汽法开采共进行了0.7h,开采出3.25m~3天然气,并成功进行了点火试验。野外试验证明蒸汽法开采可以使水合物进一步分解。 蒸汽法开采系统在室内调试和野外试验中发现很多不足之处,单井吞吐法开采能量利用率较低,载热剂与水合物层热传递缓慢。采用对接水平井、地层压裂技术等可扩大水合物开采范围、增加产气量。新型开采技术,如CO_2置换开采等,需要进一步研究。


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