李淑霞，李 杰，徐新華，李小森

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580;2.中國科學(xué)院可再生能源與天然氣水合物重點實驗室，廣東廣州510640)

天然氣水合物的開采方法主要有注熱法、降壓法、注化學(xué)劑法、CO2置換法以及固體開采法等［1-4］。在注熱開采方面，Kamath［5］、Ullerich［6］、Wonmo［7-8］、Uchida［9］等試驗研究了注熱開采動態(tài);唐良廣［10］、萬麗華［11］、孫建業(yè)等［12］、李淑霞等［13］、郝永卯等［14］也進行了沉積物中天然氣水和物(NGH)的注熱試驗研究，但上述研究對注熱開采的能量效率及敏感因素分析不夠。因此，筆者通過正交設(shè)計試驗［15］，對水合物藏注熱水開采的地質(zhì)因素和注熱參數(shù)進行敏感性分析，為不同水合物藏的注熱開采提供指導(dǎo)。

1 試驗設(shè)備及方法

1.1 試驗設(shè)備

采用自制的天然氣水合物開采模擬試驗系統(tǒng)，其具體試驗流程見圖1。其中一維試驗管尺寸為Φ80 cm×80 cm，工作壓力20 MPa。沿試驗管軸向設(shè)計有11套梯度取壓、測溫裝置和電極系。填砂管的注入端配有供液和供氣設(shè)備，出口端設(shè)有回壓裝置和氣、液分離裝置，利用數(shù)據(jù)采集處理軟件自動采集不同時刻的溫度、壓力、產(chǎn)氣、產(chǎn)水等參數(shù)。

圖1 天然氣水合物開采模擬試驗裝置示意圖Fig.1 Sketch map of experimental system simulating NGH exploitation

1.2 試驗材料及步驟

試驗中注入水為配置的質(zhì)量分數(shù)為2.0%的鹽水，其中蒸餾水自制，NaCl純度≥99.5%;試驗用CH4氣純度為99.9%。填砂管填入粒徑為300～450 μm的石英砂，填砂后測得孔隙度為33.4%，滲透率為 1.2 μm2。

試驗操作步驟如下:

(1)NGH等容生成。NGH生成具體步驟參見文獻［16］。當(dāng)一次水合物的生成不能達到所需要的飽和度時，需要進行二次注水或注氣，然后繼續(xù)降溫合成，直至達到設(shè)計的NGH飽和度。

(2)注熱水開采。①加熱預(yù)熱罐中的鹽水，使其達到預(yù)定的注熱溫度，之后打開管線保溫帶，其設(shè)定溫度與預(yù)熱罐的溫度一致;②調(diào)節(jié)出口端回壓閥的壓力，使其與試驗管中的壓力達到一致，之后打開出口閥門;③打開進水閥門，用平流泵按照預(yù)定的注熱速度向填砂管內(nèi)注入熱鹽水，記錄注熱過程中的產(chǎn)氣產(chǎn)水量及壓力、溫度的變化;④當(dāng)達到設(shè)定的注熱時間時，停止注熱水，等待氣體不再產(chǎn)出后，逐步降低回壓閥的壓力到大氣壓，使填砂管中的剩余氣體產(chǎn)出。

2 注熱水開采敏感因素試驗

2.1 正交設(shè)計試驗結(jié)果

目前已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物藏水合物飽和度差別較大，從5% 到 95%［2-4，17］，但滲透率隨水合物飽和度呈指數(shù)遞減，在試驗條件下，當(dāng)水合物飽和度大于50%以后，滲透率已小于1×10－3μm2，使得注熱開采在技術(shù)上存在一定的難度，所以本組試驗水合物飽和度選取12%～48%;實際水合物藏的初始溫度變化范圍也比較大，從低于0℃到10℃以上，本次試驗選取－1～5℃;同時，根據(jù)實驗室前期做過的注熱分解試驗，確定注熱量的原則是:盡量使水合物最大程度的分解且盡量減少注入的熱量。根據(jù)以前試驗參數(shù)的合理范圍，選取注熱水的溫度為40～100℃，注熱水的時間為150～450 min，注熱水速度為9～18 mL/min。

采用五因素四水平正交設(shè)計試驗，分別在不同地質(zhì)因素和注熱參數(shù)下進行試驗，研究水合物飽和度A、初始溫度B、注熱水溫度C、注熱水時間D、注熱水速度E 5個參數(shù)對能量效率的影響，各因素取值見表1。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Parameters in orthogonal experiment

利用正交設(shè)計方案進行注熱水開采試驗，分析各次試驗的能量效率，并進行參數(shù)敏感性分析及最優(yōu)方案組合，結(jié)果見表2。

表2中均值表示每個因素每個水平下的平均能量效率，極差表示每個因素各個水平平均能量效率的最大值與最小值的差?？梢钥闯觯瑢ψ崴_采能量效率影響由大到小的因素依次為注熱水溫度、水合物飽和度、初始溫度、注熱水時間、注熱水速度。能量效率最大的組合為水合物飽和度48%、初始溫度5℃、注熱水溫度40℃、注熱水時間350 min、注熱水速度12 mL/min，即為本組試驗中的第16次試驗，能量效率達到了6.74。

表2 正交設(shè)計試驗的基本數(shù)據(jù)及敏感因素分析Table 2 Basic data and sensitivity factors analysis in orthogonal experiment

2.2 敏感因素

各個因素對能量效率影響的趨勢見圖2。由圖2可以看出:

(1)水合物飽和度越大，注熱水開采的能量效率越大。這是因為當(dāng)其他條件相同時，水合物飽和度越大，水合物分解吸熱越多，熱損失相對越小，注入同樣的熱量時產(chǎn)出的氣體越多，所以能量效率越大。

圖2 能量效率隨各因素變化趨勢Fig.2 Variation of energy efficiency with various factors

(2)隨著初始溫度的增加，注熱水開采的能量效率增大。原因是當(dāng)其他條件相同時，初始溫度越高，水合物分解所需的溫差驅(qū)動力越小，從而用于水合物分解的熱量就相對越多，能量效率越大。

(3)隨著注熱水溫度的增加，能量效率逐漸減小。因為當(dāng)其他條件一致時，注入的熱水溫度越高，在注熱水過程中水合物已分解部位的溫度升高得越高，與周圍環(huán)境的溫差越大，向周圍散失的熱量越多，能量效率越低。

(4)對于注熱水時間而言，在注熱水前期(350 min以前)，能量效率變化不大，在注熱水后期(350 min以后)能量效率逐漸變小。這是由于注熱前期水合物沒有完全分解，當(dāng)其他條件不變時，水合物分解產(chǎn)氣量與注熱時間成正比，而注入的熱量也與注熱時間成正比，所以注熱前期能量效率變化較小。在注熱水后期，水合物已經(jīng)分解完畢，產(chǎn)氣速率變得很小，繼續(xù)注熱則能量效率逐漸變小。

(5)隨著注水速度的增加，能量效率先增加后減小。這是因為隨著注熱水速度的提高，熱前緣推進速度加快，水合物能有效分解，從而能量效率增加;但注水速度太大使得溫度升高加快，反應(yīng)釜內(nèi)外溫差加大，熱損失加大，能量效率降低。

2.3 注熱水開采

綜上分析可以看出:考慮水合物藏的地質(zhì)參數(shù)時，水合物飽和度越大，初始溫度越高，則能量效率越大，但水合物飽和度的影響遠大于初始溫度的影響。對實際水合物的開采，當(dāng)水合物飽和度高到一定程度后，水合物藏滲透率會急劇降低，從而會增大注水壓力，使注熱水開采的可行性變差。建議對高飽和度水合物藏首先進行相應(yīng)的地層處理，然后再進行注熱水開采。

為了獲得更大的能量效率，需要合理優(yōu)化各種注熱參數(shù)，本組試驗條件下，注熱水溫度對能量效率影響最大，注熱水溫度越小，能量效率越大。但對水合物藏的實際開采，當(dāng)注熱水溫度比較低時會影響水合物的分解速率，所以注入熱水的溫度不能過低;其次要選擇合適的注熱時間，使得注入的熱量剛好使水合物全部分解，避免注熱量過多，引起能量效率減少;當(dāng)注熱水速度過大或者過小時，都會影響水合物分解產(chǎn)氣量，所以需要合理優(yōu)化注熱水速度，使總的能量效率達到最大。

3 結(jié)論

(1)對水合物藏注熱水開采能量效率影響由大到小的因素依次為注熱水溫度、水合物飽和度、初始溫度、注熱水時間、注熱水速度。

(2)本試驗條件下能量效率最大的參數(shù)組合為水合物飽和度48%、初始溫度5℃、注熱水溫度40℃、注熱水時間350 min、注熱水速度12 mL/min，能量效率達到了6.74。

(3)為了獲得更高的能量效率，需要合理優(yōu)化注熱參數(shù):在確保水合物分解速度前提下，適當(dāng)降低注熱水溫度;優(yōu)化注熱水時間，使得注入的熱量剛好使水合物完全分解;優(yōu)化注熱水速度，使產(chǎn)氣量達到最大。

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