多孔介质中天然气水合物降压开采影响因素实验研究

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2007年　第31卷　　　　　　中国石油大学学报(自然科学版)　　　　　　　　Vol.31　No.4　第4期　　　　　　　　JournalofChinaUniversityofPetroleum　　　　　　　　Aug.2007

　　文章编号:167325005(2007)0420056204

李淑霞,陈月明,郝永卯,杜庆军

(中国石油大学石油工程学院,山东东营257061)

摘要:使用自制的一维天然气水合物开采模拟实验装置,对天然气水合物降压开采进行了物理模拟实验研究,考察了降压幅度、降压速度对开采效果的影响。实验结果表明,降压幅度主要影响最终产出气体的总量,降压幅度越大,累积产气量百分比越大。降压速度越大,产气速率越高,当最终压力相同时,降压速度只影响开采持续时间,最终产气量百分比基本一致;降压速度越慢,当压力降到相同水平时累积产气量百分比越大,特别在降压初期这一现象更明显。

关键词:天然气水合物;降压开采;影响因素;降压速度;降压幅度中图分类号:TE375　　　文献标识码:A

Experimentalresearchoninfluencefactorsofnaturalgashydrate

productionbydepressurizinginporousmedia

LIShu2xia,CHENYue2ming,HAOYong2mao,DUQing2jun

(CollegeofPetroleumEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Dongying257061,

ShandongProvince,China)

Abstract:Thephysicalsimulationexperimentsofnaturalgashydrate(NGH)productionbydepressurizinginsand2packedporousmediawerecarriedoutusinganewtypeofapparatusself2designed.Differentinfluencefactorswereanalyzed.Undertheexperimentalconditions,thedepressurizingrangemainlyaffectstheaccumulativegasproduction,andthehigherthede2pressurizingrangeis,thehigherthepercentoftheaccumulativegasproductionis.Andthehigherthedepressurizingrateis,thehigherthegasproductionrateis.Thedepressurizingratejusthaseffectonthecontinuedtimeofproductionwhentheulti2matepressureiscertain.Theslowerthedepressurizingrateis,thehigherthepercentofaccumulativegasproductioniswhentheultimatepressureiscertain,especiallyintheinitialstagesofdepressurizing.

Keywords:naturalgashydrate;depressurizingproduction;influencefactors;depressurizingrate;depressurizingrange

　　天然气水合物(naturalgashydrate,NGH)被认为是21世纪的一种优质、洁净能源,因为其储量大、能量密度大、在全球范围分布广,目前已引起广泛关注,对NGH开采技术的研究具有重要的理论和现实意义。已经提出的水合物开采方法主要包括

[122]

水合物藏的开采,在苏联麦索亚哈气田曾进行过降压开采,另外加拿大西北部的马更些三角洲Mallik

气藏进行过降压法和热力法的生产实验。国内外一些研究者已经进行了水合物在沉积物中形成与分解

[324]

的相关模拟实验。Yousif和Sloan等用Berea固结岩心进行了NGH的合成及降压分解实验,用电阻率测量了水合物分解速率及分解前缘位置,另外还建立了一个NGH降压分解的解析模型,并对实验结

[5]

果进行了拟合计算。Kono等进行了沉积物中的天然气水合物的合成与降压分解实验,并计算了水

降

压法、热力法和注入化学剂法。此外,近年来一些学者还提出了其他新型开采方法,如CO2置换法,通过注入液态CO2,将水合物中的天然气置换出来,形成CO2水合物以永久储存CO2;开矿法,将水合物以固态形式从海底提升上来而不是原地分解。对实际

收稿日期:2007-05-21

基金项目:国家“863”计划资助项目(2006AA09A209)和国家自然科学基金资助项目(50404003)

作者简介:李淑霞(1970-),女(汉族),河南偃师人,副教授,博士,主要从事油藏数值模拟、天然气水合物开采机理研究。

第31卷　第4期　　　　　　　李淑霞,等:多孔介质中天然气水合物降压开采影响因素实验研究

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合物分解的表观动力学参数。WonmoS.等

[628]

先对验数据见文献[10]中的表2。

实验时将出口端最终压力分别定为011,110和

210MPa,开采前压力分别为3.663,3.535,3.584MPa,因此相应的降压幅度分别为31563,21535和11584MPa。

理论上讲,只要在实验过程中控制出口端压力的下降速度相同,降压幅度对各次实验的产气速率应该没有影响。降压幅度主要影响产出气体的总量。又由于各次实验中合成水合物前的初始注气量不同,为便于对比,作出了3个降压幅度下的累积产气量百分比(累积产气量占初始注入总气量的百分数)曲线,见图1。图1中3条曲线出现时间上的差异,是由于在3次降压幅度实验中,出口端回压阀的灵敏性和实验操作的误差,使得出口端压力下降速度不同而造成的。

从图1可以看出,降压幅度越大,累积产气量百分比越大,这与理论分析是一致的。因此,对实际NGH藏的开采,压力降低幅度与累积产气量密切相

Berea岩心的NGH相平衡条件进行了研究,随后又

分别利用降压、注入甲醇和注热水的方法对多孔介质中的水合物进行分解,并对分解后的气体与水的

[9]

流动特性进行了研究。唐良广等对天然气水合物的注热盐水开采进行了实验研究。但迄今为止,对水合物开采效果的影响因素研究还未见报道,笔者对天然气水合物降压开采效果影响因素进行实验研究,为今后实际水合物藏的开采提供基础认识。

1　实验方法与步骤

111　实验材料

利用自制的一维天然气水合物开采模拟实验系[10]统,进行NGH的合成与分解。实验用砂为普通石英砂,粒径为200～400μm。实验管填砂时逐层2

夯实,孔隙度为3218%,水测渗透率为1111μm。

实验用水为配制盐水,质量分数为210%,其中蒸馏水自制,NaCl纯度大于9915%。实验用气体为天津赛美特特种气体公司所产CH4,纯度为991999%。112　实验步骤

(1)填砂管饱和盐水,关闭出口阀门。

(2)由入口阀门以一定流量匀速向管内注CH4,当管内压力达到预定值时,关闭入口阀门,停

关。

止注气,并记录注气量。

(3)设定恒温箱预定温度,使密闭填砂管内温度缓慢降低到预定温度并保持恒定,进行NGH等容合成实验,记录系统压力、温度随时间的变化曲线。当系统压力不再降低时,即认为NGH等容合成已经完成。

(4)进行降压开采实验,研究不同降压幅度和降压速度对开采效果的影响。

图1　不同降压幅度下的累积产气量百分比曲线

为进一步分析降压幅度与累积产气量之间的关系,这里作出了各次实验的累积产气量百分比与不同出口端压力的关系曲线,见图2。

2　降压开采影响因素分析

211　降压幅度的影响

实验思路为:NGH合成后,保持恒温箱内环境温度恒定不变,先调节回压阀压力与系统内压力一致,然后打开出口阀门,连续快速降低回压阀压力,到预定压力后保持恒定,记录产气、产水量;当系统不再产气、产水时,将回压阀逐步泄压至大气压,注意计量系统中剩余的气量;改变回压阀稳定压力,重复以上步骤,进行下一个NGH等容合成与降压开采实验。通过改变回压阀稳定压力,共进行了3个周期的NGH等容合成与不同降压幅度开采实验,基本实

图2　不同降压幅度下累积产气量百分比与

出口端压力的关系曲线

由图2可以看出,3次实验的累积产气量百分比曲线变化规律类似,随着出口端压力的逐渐降低,累积产气量百分比先是缓慢增加,接着有一个快速增长段,然后增长幅度又逐渐变缓,这与瞬时产气规

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律是一致的。累积产气量百分比在降压时存在一个快速增长段,说明只要压力降低到系统温度对应的平衡压力以下,NGH就开始大量分解。

对图2降压开采实验的累积产气量百分比数据进行拟合,得到不同压力下累积产气量百分比表达式为

wg=117467p-111784p+2016p-301782p+

因此,利用式(2)可以对NGH藏在压力降低到不同水平时的产气量进行初步估计,这对NGH藏的开采具有十分重要的指导意义。212　降压速度的影响

实验思路为:NGH合成后,保持恒温箱内环境温度恒定,先调节回压阀压力与系统内压力一致,然后打开出口阀门,缓慢分阶段降低回压阀压力直到等于大气压,记录产气、产水曲线,直到产量基本为零后结束。改变降压速度,重复以上步骤,进行下一个NGH等容合成与降压开采实验。

通过改变回压阀压力的下降速度,共进行了3个周期的NGH等容合成与不同降压速度开采实验,其基本数据见表1。

100132.(1)

由此,可以推论,NGH累积产气量百分比与压力的关系式可以表示为

432

(2)wg=Ap-Bp+Cp-Dp+E.

式中,wg为累积产气量百分比,%;p为出口压力(NGH藏平均压力),MPa;A,B,C,D,E为回归系数。实验编号

123

表1　不同降压速度下NGH开采实验基本数据

初始压力初始温度开采前压开采前温总水量总气量开采前含水NGH初始饱降压速度vp/最终产气量最终产水量

θpi/MPaVcw/mLVg/cm3饱和度Sw/%和度SNGH/%(MPa・h-1)Vcg/cm3i/℃力p1/MPa度θ1/℃Vw/mL

9.0008.5628.400

16.005.596.35

3.1003.2232.918

0.140.600.32

.5084.95.79

151001710012900

35.1029.6239.60

23.9026.5522.83

0.370.583.07

147861634912008

42.0049.6052.50

　　不同降压速度下的产气速率曲线见图3。可以看出,在本实验条件下,降压速度对产气速率影响较

大。降压速度越大,产气速率越高。这是因为本实验用填砂管模型,渗透率较高,在降压过程中入口压力和出口压力基本保持一致,即此时相当于零维系统,而且NGH成微粒状分散于石英砂中,分解比表面积很大,使得分解速度也较大,这就导致降压后整个填砂管的NGH能够快速分解,而且降压速度越快,分解速率也越快。

加快NGH分解速度;但如果降压速度太快,则会出现NGH的自保护效应,反而使开采时间变长。鉴于此,实际降压开采中一定要选择合适的降压速度。

不同降压速度下的累积产气量百分比曲线见图4。由图4可以看出,不同降压速度只是影响开采过程的持续时间,最终产气量百分比基本一致。本实验中降压速度0.37,0.58,3.07MPa/h对应的累积产气量百分比分别为9318%,9514%和9311%。

图4　不同降压速度下的累积产气量百分比曲线

图3　不同降压速度下的产气速率曲线

但考虑到降压开采实验中系统温度的变化,若降压速度太快,会导致NGH大量分解,系统温度大

幅度下降,此时若周围环境提供的热量不能满足水合物分解吸收的热量,就会出现NGH的自保护效应,反而阻碍了NGH的进一步分解,从而使整个水合物藏的分解速度减慢。因此,对实际NGH藏开采,降压速度太慢,开采时间就长;加快降压速度,会

不同降压速度下的累积产气量百分比与出口端压力关系曲线见图5。与图2对比可以看出,不同降压速度和不同降压幅度开采的累积产气量百分比曲线变化规律类似,都存在一个快速增长段,说明只要压力降到系统温度对应的平衡压力以下,NGH就开始大量分解。另外由图5还可以看出,降压速度越慢,压力降到相同水平时累积产气量百分比越大。由此可得,在同样的降压幅度下,降压速度越慢,累积产气量百分比越高,特别在降压初期这一现象更明显。如图5中当压力降低到210MPa时,降压速

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度从慢到快的累积产气量百分比分别为7119%,5816%和2712%。因此,对实际水合物藏的开采,

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在一定的降压幅度下,可适当降低降压速度,这样虽然延长了开采时间,但最终气体采收率较高。

图5　不同降压速度下累积产气量百分比与出口端压力的关系曲线dissociationbydepressurizing[J].2002,122(2):2392246.

PowderTechnol,

3　结　论

(1)降压幅度主要影响最终产出气体的总量。

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降压幅度越大,累积产气量百分比越大。

(2)回归得到本实验条件下累积产气量百分比与压力的关系,进而推广到水合物藏开采时两者的关系为:wg=Ap-Bp+Cp-Dp+E。利用该关系式,可以对NGH藏在压力降低到不同水平时的产气量进行初步估计,这对NGH藏的开采具有十分重要的指导意义。

(3)降压速度对产气速率影响较大。降压速度越大,产气速率越高。但当最终压力相同时,降压速度只影响开采过程的持续时间,最终累积产气量百分比基本一致。

(4)降压速度越慢,当压力降到相同水平时累积产气量百分比越大,特别在降压初期这一现象更明显。因此,对实际水合物藏的开采,在一定的降压幅度下,可适当降低降压速度,这样虽然延长了开采时间,但可得到较高的最终气体采收率。参考文献:

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(编辑　李志芬)

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