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降压法开采水合物的产气过程分析

 Analyzing the process of gas production for natural gas hydrate using depressurization

Zhao J , Zhu Z , Song Y , et al. Analyzing the process of gas production for natural gas hydrate using depressurization[J]. Applied Energy, 2015, 142:125-134.

图1

      在文献中,根据降压法实验结果,甲烷水合物的产气过程可分为三个主要阶段:游离气体释放; 储层显热维持的水合物分解; 环境传热驱动的水合物分解

      实验:在气浴约4摄氏度下,在2.2MPa,2.6MPa,3.0MPa的生产压力下,在三种多孔介质(石英砂,刚玉和碳化硅)中进行甲烷水合物分解实验,测得体系中压力、温度、产气率和累积产气量的变化,评价生产压力和导热系数等因素对水合物分解的影响。

       

图2 实验装置图

一.  石英砂岩介质中甲烷水合物分解过程中储层压力,温度,产气速率和产气率的变化

    

图3 2.6MPa生产压力下石英砂储层温度与压力的关系

       在(A-B)阶段,减压后游离气体释放,甲烷水合物保持稳定,观察到的轻微温度下降是由气体膨胀引起的。在(B-C)阶段水合物沿相平衡曲线分解,分解反应是吸热的,导致温度降低,在这一阶段储层的显热是维持水合物分解的主要热源。在(C-D)阶段,容器中的压力降低到生产压力,环境热传递为水合物分解的驱动力,容器中的温度逐渐升高到气浴的温度。


图4 装置中传感器分布位置


图5 不同生产压力下石英砂样品的反应容器内外环的温度变化

       三个生产压力下,内环和外环温度在前10分钟内都快速下降。在水合物解离50分钟后的一段时间内,内环温度(实线)超过外环温度(虚线)

      分析:储层的显热以及环境传递的热量不足以使容器内部的水合物吸热分解。2.2MPa时测量的温度比冰点温度低,比相应的水合物平衡温度高。因此,异常的温度趋势应归因于生产井附近的内部区域的冰的形成。


图6 不同生产压力下产气速度随时间变化



图7 不同生产压力下产气率随时间变化

       在前10分钟内以极高的速率产生气体,这主要是由于游离气体的释放和部分水合物的分解。对于2.2MPa,2.6MPa和3.0MPa的生产压力,平均产气速度分别为0.760sL / min,0.246sL / min和0.176sL / min,且随着生产压力的降低,总产气量增加。

       分析:当生产压力降低时,储层温度在水合物分解过程中会降得更低。储层与周围环境之间的温度梯度因此增加,导致周围环境传递更多热量驱动水合物分解。

二.   不同介质对水合物分解的影响


图8  2.6MPa下三种介质的反应容器内外环的温度分布

     刚玉和碳化硅样品的内外温度在50分钟后迅速上升,然后随着接近环境温度逐渐平稳,内部温度低于外部温度,表明环境热传递径向向生产井进行,甲烷水合物从外部区域一直分解到内部区域。

     与刚玉和碳化硅样品不同,在50分钟后石英砂样品的内部温度高于外部温度,这可能是因为石英砂的导热系数远低于刚玉或碳化硅的导热系数,当储层的显热耗尽时,周围环境的热量不能及时传递到容器的内部,产生了上述的结冰放热现象。


图9  2.6MPa下产气速度(左图)及产气率(右图)随时间变化

     前10分钟的天然气产量很高,这是由于游离气体的释放和部分水合物的分解。随着水合物分解,由于环境热传递不足,产气速度显着降低。石英砂,刚玉和碳化硅的产气结束时间分别为498.6分钟,340.5分钟和312.1分钟。石英砂,刚玉和碳化硅的平均产气速度分别为0.246 sL / min,0.434 sL / min和0.46sL / min。碳化硅的产气率比刚玉或石英砂的增加更快,石英砂是最慢的。

    分析:产气速度随着多孔介质的热导率而增加,但是最终产气率不受多孔介质的热导率的影响。

三.  储层显热的影响


表示储层显热与水合物分解热的比值,衡量储层显热对水合物分解的贡献

Cp- 储层的体积热容 ΔH-水合物分解热   φ-储层的孔隙度  ρ储层体积密度  ρh水合物密度


图10  不同生产压力下不同介质中水合物分解的Ste数

      同一介质中,Ste数随生产压力增加而降低,表明储层显热对水合物分解的影响减小,在2.6MPa和3MPa压力下ste数差不多,可能是因为储层温度的降幅较小造成的。

       2.2MPa时,Ste数很大,可能是由于冰的形成使得甲烷水合物分解成为甲烷气和冰,水合物分解热大幅降低,使Ste数增大。

       对于不同介质,随着导热系数增大,Ste数减小,表明外界环境的热传递降低了储层显热的影响。

四.  外部传热的影响


Sh-水合物的饱和度 S'h-初始的水合物饱和度 t-时间   Kd-分解速率常数


图11 不同生产压力下不同介质中水合物分解的分解速率常数

       对于同一种介质,分解速率常数随着生产压力增大而减小,可能是因为在较高的压力下温降幅度小,与外部环境形成的温度梯度小,外部传热量少,水合物分解慢。低生产压力下,温降幅度和温度梯度大,储层显热和外部热量迅速传入,水合物分解快。

      对于同一压力下,水合物分解速率常数随着介质导热系数增大而增大(传热效果好更多热量进入,促进水合物分解)。在低生产压力下,导热性质对速率常数影响很大,表明在具有较高导热系数的储层,应该采取较低的生产压力来提高生产速度。


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