天然气水合物储层的开采方法

天然气水合物储层的开采方法

0笼形化合物的储量天然气水合物是在低温和高压下形成的一种非化学盐酸盐（主要成分为甲烷）。目前，估计该储量是传统碳能源（煤、石、天然气等）的两倍。面对当前日益严峻的能源短缺形势,天然气水合物的开采已经成为近年来的研究热点之一。1水合物储层精细研究自20世纪60年代在苏联的Messoyakha气田发现天然气水合物的存在以来,各国的科研工作者就将研究的重心从预防天然气输运管道中水合物的形成转向了对自然界中天然气水合物的储藏区域、储量以及开采的研究,并取得了巨大的进展。近年来,随着能源需求的急剧增长,天然气水合物的商业开采也已提上了日程。目前在世界范围内,对在加拿大西北区的Mallik区、美国的阿拉斯加北坡区以及日本的东南海域的Nankai区的水合物储藏区进行了研究,确定了这些区域水合物储藏区的面积和储量,对水合物层进行了钻井样品取心,同时在实验井进行了试开采研究。在这些区域的研究发现,天然气水合物的储层主要有三种情形:①整个储层区分为上下两区,上层区域为水合物多孔介质储层区(区域内水合物饱和度较高,水、气渗透率低),下层区为含游离天然气。这种情形下,水合物层的底部温度压力条件与其相平衡条件是一致的;②同样是两相区,不同之处在于水合物储层区下方为含水层区,不包含游离自由气;③整个储层区为水合物存在区。天然气水合物储集方式不同,开采方法也不同。目前提出的天然气水合物的开采方法有:热力开采、注入化学分解促进剂开采和降压开采。前两者是通过对含气体水合物的地层注入热水、蒸汽或者化学试剂,破坏水合物的平衡,造成气体水合物分解。降压开采法是通过泵吸作用降低气体水合物储层的压力,促使气体水合物分解。水合物三相平衡曲线及开采方式如图1所示。相对而言,在大规模的工业开采中,降压开采不需要更多的投入,无疑是一种比较廉价而经济的开采方法。2降压开采的数学模型研究天然气水合物资源巨大,目前各国都在加速对其实用开采方案的研究,数值模拟是对开采方案进行评价的一种重要手段。即使在目前对水合物储层的开采动态认识还不是很清楚的情况下,数值模拟也可以为水合物储集层开采方案的确定提供重要依据。特别是认识开采过程中各因素的敏感性、对水合物储集层的产气量进行初步估计等都具有重要意义。一直以来,鉴于降压开采经济廉价的优点,吸引了各国科研工作者的关注,建立了许多数学模型来模拟降压开采过程,并取得了极大的进展。到目前为止,关于水合物降压开采的数学模型研究主要分为两类:解析解模型和数值解模型。解析解是解的形式可以表达为一个显式函数的表达式的解,能够很直观地体现各参数之间的关系,对于定性分析是很重要的;数值解其解的形式不能表达为显式函数,只能通过数值计算的方式求解,得到的是一系列离散的数值。对于大多数问题是得不到解析解的,只能得到数值解。2.1采用多相模型来描述储层中的气水两相运动Selim和Sloan在他们的一维模型中考虑了对流传热和传导传热,假设储层中水是保持静止和井温是保持恒定,就可得到储层中温度分布的解析式。Makogon研究了在多孔介质中传热的影响,使用能量方程来描述在多孔介质中天然气的热状态,研究了传导传热和对流传热以及节流过程的影响,通过主控方程线性化得到了一维的温度和压力曲线的解析表达式,但该模型忽略了分解前缘的热平衡。Tsypkin也认为在水合物降压分解时存在一个分解前缘把水合物气藏分解成水合物区和分解区。他运用一个一维多相模型来描述储层中的气和水的运动,考虑了在分解区和水合物区的气体、水和水合物的质量守恒和能量守恒,式(1)为能量守恒方程,在分解前缘处,通过式(2)和式(3)建立了分解前缘的热平衡和质量守恒,式(2)为分解前缘处的水合物存在平衡方程,式(3)中的+、-号分别指分解前缘的左右侧。他通过使用扰动方法得到了温度和压力分布的相似解。Ji等在他们的新模型中,建立了水合物区和分解区的关于气体压力的连续方程,公式(4)中的1、2分别为分解区和水合物区,考虑了分解前缘的气体质量守恒,如式(5)所示,式(6)为两区内的能量守恒方程,包括了气体的对流和热传导,以及气体的节流效应,但是没有考虑水的流动和传热。通过线性化主控方程后得到了一组压力和温度的自相似解。模型的结论得出了在分解前缘处的一系列藕合代数方程式以及前缘的温度和压力,这一系列的方程式通过迭代法来求解。该模型还得到了在水合物气藏中温度和压力随时间变化的数值解以及分解前缘的位置和天然气的产量。Hong等在他们的简单的解析模型中认为,水合物分解区的传热、水合物内在的分解动力反应以及气水两相的流动为水合物分解的3种基本的控制机理,控制机理如图2所示。在研究中只考虑了其中的一种因素的影响,而忽略了其它的两种影响,建立了半无限水合物区降压分解的解析解数学模型,以此来确定分解反应控制机理,并研究了3种机理的相对重要性,认为在降压开采过程中气水两相流动的影响是比较小的。在降压开采过程中,水合物分解区的传热、水合物内在的分解动力学和气水两相在多孔介质中的流动是同时发生的,且相互影响,相互耦合,显然这种模型的考虑不太合理。2.2基于接触问题的水合物储集层模拟Holder等人模拟了在一个底部是游离天然气区、顶部是水合物的气藏降压过程中的质量和热传递。在这个模型中,假设水合物分解只发生在顶部水合物与底部游离天然气之间的界面上,用以描述底部天然气区温度分布的能量方程只有热传导项。连续性方程用以描述天然气的流动,达西定律连接了压力梯度和天然气的流速之间的关系。该模型建立起了顶部水合物与底部游离天然气之间界面上的热平衡,并确定了水合物的分解速度。Yousif等人使用Kim-Bishnoi模型来描述了在Berea砂岩里甲烷水合物降压分解过程,式(7)中气体分解量mg与反应动力常数kd、反应面积As以及局部压力与平衡压力差(pe-p)成正比,在一维模型里水合物分解过程被假设为恒温的。在气和水各自的连续性方程中都考虑了气和水的流动,式(8)中的g、w、h分别代表气相、液相和水合物相,式(9)为多孔介质中的达西定律,式(10)毛管压力pc连接了气相压力pg和水压力pw之间的关系。模型考虑了水合物分解过程中砂岩渗透率和孔隙度的变化,计算了压力和水合物饱和度的分布变化以及水合物分解面的移动速度,实验得到的产气和产水量与数学模型计算的结果匹配的非常好。Moridis等在TOUGH通用模拟软件中添加了EOSHYDR模块,可以通过求解物质和能量守恒方程,模拟各种复杂地层情况下天然气水合物储集层的气体不等温释放、相特征、流体流动和热量变化,EOSHYDR模块考虑了水合物形成和分解的平衡和动力学模型,而且考虑了气相中的Klinkenberg效应和分子扩散。模型中考虑4相(气、液、冰、水合物)、9组分(水合物、水、天然甲烷、水合物中分离出来的甲烷、第二种天然碳氢组分、从水合物中分解出来的第二种碳氢组分、盐、水溶性抑制剂和拟组分热焓),各组分存在于各相中,其热物理性质可低到-110℃。该模型可描述水合物分解的所有机理,包括降压、注热、加入抑制剂和刺激剂的效应。并利用此模块研究了在三种不同的水合物储集层情形下的天然气水合物开采的数学模拟。研究表明,从第一类到第三类,降压开采的应用逐渐减小,而热刺激法逐渐增加。Ahmadi改进了Ji等人的模型,通过运用数值模拟方法求解新模型,并引入了分解前缘的能量守恒方程,但是新模型还是只对天然气单相进行了研究而没有考虑水的流动。XuefeiSun等提出了一维非等温模型,考虑了在整个水合物区的热平衡、动力学反应以及气水两相流动的影响。在模型中采用了与Yousif相同的质量守恒方程和动力学反应方程,与Yousif不同的是,他认为水合物在整个分解反应过程中是不等温的,采用焓的形式考虑了在整个区域(包括分解前缘)的能量平衡,见式(11),其中H表示各相的焓值,下标s表示多孔介质相。通过有限差分数值计算模拟了多孔介质中水合物的分解过程,同时研究了在分解反应过程中流动、传热和动力学反应等各种因素的影响。他们研究认为,在实际生产中降压开采过程主要受气体流动所限,而在实验室研究中整个过程受分解动力反应所控制。2.3多孔介质中水合物的开解显然在上述的水合物降压开采的数学模型中,将水合物的储集层区分为3个区域:分解区、分解前缘和未分解区,如图3所示。在求解过程中,要同时考虑在三个区域能量和质量平衡,而在分解前缘不仅需要考虑流体流动、热量传递,还要考虑水合物分解内在动力反应。许多研究对多孔介质中水合物的分解反应提出了分析解或者数值解求解模型。表1对各种开采模型进行了比较。从表1中可以看到,Moridis和XuefeiSun的模型,考虑比较全面,实用性强。3对成研究地区的地质构造影响的模拟尽管在一些地方已经进行了天然气水合物降压开采的初步试验,但是数值计算仍然是目前研究的主要手段。从前文可知,Moridis和XuefeiSun提出的模型是比较可行的。同时在求解过程中所采取的参数还不是十分准确,如在水合物存在的情况下,多孔介质中的渗透率、热传导系数等需要通过更准确的实验测量,同时在多孔介质中水合物的分解反应动力学理论需要进一步完善发展。目前我国的中国石油大学和广州能源研究所在此方面已经取得了一些进展,但总体发展还是滞后的。同时应该指出成藏区的地质构造,在水合物分解时的变化,对开采的安全性有重要的影响,在数值模拟中必须考虑这些因素的影响。符号说明:m——水合物分解改变的物质的量,kg·s-1·m-3;kd——水合物分解本征速度常数,mol·m-2·Pa-1·s-1;As——反应比表面积,m2;P——压力,Pa;Pe——水合物相平衡压力,Pa;Pc——毛细压力,Pa;T——水合物藏温度,K;Te——水合物相平衡温度,K;T0——参考温度,K;S——各相的饱和度;k——多孔介质绝对渗透率,mD;kr——各相相对渗透率;t——时间,s;x——距离,m;ρ——密度,kg·m-3;μ——粘度,Pa·s;Φ——孔隙度,%;ν——各相渗流速度,m·s-