王帥 梁海峰 蘆文浩 孫敏 趙彤彤 張凱

太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院

天然氣水合物因高發(fā)熱量、高儲(chǔ)量、無污染特點(diǎn)[1]，受到各國(guó)青睞，并且各國(guó)也投入巨資來推動(dòng)其發(fā)展。加拿大、日本[2]、中國(guó)[3]，都進(jìn)行了降壓法或注熱法的試采。降壓法、注熱法及兩者聯(lián)合法是最有前景的開采方法[4-5]。

Xiaosen Li[6]、李淑霞[7]、馮景春[8]等利用不同開采方式對(duì)水合物聯(lián)合法分解過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明聯(lián)合法是有效可行的。J.Phirani[9]、白玉湖[10]、劉笛[11]等建立了相對(duì)完善的水合物聯(lián)合法分解模型，研究表明產(chǎn)氣過程主要受注熱溫度、注井壓力和生產(chǎn)井壓力影響，聯(lián)合法能提高開采速度。實(shí)際開采過程中，水合物儲(chǔ)層地質(zhì)條件復(fù)雜[12]，儲(chǔ)層滲透率成為影響水合物分解的重要因素。Xuke Ruan[13]、Jiafei Zhao[14]等研究了儲(chǔ)層滲透率對(duì)水合物降壓分解的影響，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層滲透率主要影響水合物分解過程中流體流動(dòng)，對(duì)沉積物中壓降控制起著重要作用，水合物解離過程中的傳熱也受儲(chǔ)層滲透率影響。但儲(chǔ)層滲透率對(duì)聯(lián)合法分解影響的模擬還不多見，因此，通過建立水合物聯(lián)合法開采模型，從壓力、水合物分解和氣、水飽和度變化方面探究了儲(chǔ)層初始滲透率對(duì)聯(lián)合法分解的影響。

1 數(shù)學(xué)模型

本研究物理模型是基于李淑霞聯(lián)合法分解實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)化模型[7]，其為長(zhǎng)0.8 m、直徑0.08 m的圓柱模型。為了減少計(jì)算量，只取了水合物巖心圓柱模型的1/12，模型和計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示，水合物聯(lián)合法分解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)[7]。巖心模型左端為壓力出口邊界，右端為速度進(jìn)口邊界，下部為對(duì)流傳熱邊界(模擬壁面與水浴之間的自由對(duì)流傳熱，非滑移邊界)，中心軸的兩側(cè)面為對(duì)稱邊界。中心軸上5點(diǎn)A、B、C、D、E沿x軸的位置分別為0.08 m、0.24 m、0.40 m、0.56 m、0.72 m。

本研究模型和假設(shè)是在前人的基礎(chǔ)上建立的[11,13-15]，模型考慮水合物、氣、水三組分和氣、液、固三相，將質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、水合物分解動(dòng)力學(xué)方程、氣液運(yùn)動(dòng)方程和輔助方程相結(jié)合，建立多孔介質(zhì)中水合物解離的三維數(shù)學(xué)模型。計(jì)算多孔介質(zhì)域采用有限體積法進(jìn)行離散，利用全隱式耦合算法進(jìn)行數(shù)值求解。

水合物飽和度變化會(huì)對(duì)滲透率產(chǎn)生影響，而氣液流動(dòng)受滲透率控制，影響水合物分解，故采用以下模型[15]。根據(jù)假設(shè)氣液流動(dòng)符合達(dá)西定律，其公式如下：

(1)

式中：νg、νw為氣、水流速，m/s；K為含水合物多孔介質(zhì)絕對(duì)滲透率，m2；krg、krw為氣、水相對(duì)滲透率，無因次；μg、μw為氣、水黏度，Pa·s；pg、pw為氣、水分壓，Pa。

絕對(duì)滲透率模型為Masuda模型，其公式如下：

K=K0(1-Sh)N

(2)

式中：K0為不含水合物的多孔介質(zhì)絕對(duì)滲透率，m2；N為滲透率下降指數(shù)且N=9，無因次；Sh為水合物飽和度，無因次。

相對(duì)滲透率模型為Corey模型，其公式如下：

(3)

式中：Sgr、Swr分別為氣、水殘余飽和度且Sgr=0.05、Swr=0.3，無因次；ng、nw分別為氣、水相對(duì)滲透率指數(shù)且ng=2、nw=4，無因次；Sg、Sw分別為氣、水飽和度，無因次。

2 結(jié)果與討論

本研究主要研究?jī)?chǔ)層初始滲透率K0對(duì)聯(lián)合法開采生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)影響，由勘探得出水合物砂質(zhì)儲(chǔ)層滲透率在(0.1～1.0)×10-12m2之間[16]，故此次模擬的K0取值如表1所列。以下部分主要是研究K0對(duì)壓力、水合物分解及氣、水飽和度的影響。

表1 不同算例的儲(chǔ)層初始滲透率Table 1 Initial reservoir permeability K0 of different examples參數(shù)case1case2case3case4K0/(10-12 m2)0.100.711.0651.42

2.1 儲(chǔ)層初始滲透率對(duì)壓力變化的影響

4個(gè)模擬巖心壓力(pc)變化趨勢(shì)類同，圖2所示為case2在不同時(shí)刻下pc的分布變化。出口處壓力下降是由于自由水和氣體的流出；進(jìn)口處壓力先升高后下降，是因?yàn)槌跏紩r(shí)有流體注入，孔隙流體增多，導(dǎo)致壓力升高，但當(dāng)左端壓降傳播到右端時(shí),壓力降低。之后，當(dāng)水合物相平衡壓力大于巖層內(nèi)氣體分壓時(shí),水合物開始分解，壓力持續(xù)降低。當(dāng)水合物完全分解后，壓力保持穩(wěn)定。此外，case2的最大巖心壓力為3.55 MPa，而case1、case3和case4的分別為3.86 MPa、3.51 MPa和3.49 MPa。圖3給出case1、case2、case3和case4中點(diǎn)C處pc變化曲線,pc變化速率逐漸增大，在同一時(shí)刻的pc逐漸降少。結(jié)果表明,隨著K0的增加，巖心內(nèi)流體流動(dòng)就越有效，使壓力沿巖層的傳播速度加快，壓力變化速率也隨之加快，同時(shí)可以降低巖心的最大壓力。

2.2 儲(chǔ)層初始滲透率對(duì)水合物分解的影響

4個(gè)模擬水合物飽和度(Sh)變化趨勢(shì)類同，圖4給出了case2在不同時(shí)刻下Sh的分布變化。在初始階段，由于巖層內(nèi)壓力在水合物相平衡壓力之上，水合物還未分解, 故Sh沒有變化。但當(dāng)壓力減少到水合物相平衡壓力之下時(shí)水合物開始分解，導(dǎo)致Sh不斷減少。case1、case2、case3和case4分別在96 s、91 s、90 s和89 s時(shí)水合物完全分解。圖5給出case1、case2、case3和case4中點(diǎn)C處的Sh變化曲線,Sh變化速率前期基本一致，但后期逐漸增大。結(jié)果表明，水合物前期分解吸收的熱量由巖層顯熱提供，而后期由注入的熱量提供，這是因?yàn)榍捌趲r層顯熱能為水合物吸熱解離及時(shí)提供能量，故水合物分解速率在前期一致，而后期隨著顯熱消耗殆盡，主要由注入的熱量來提供，故水合物分解速率不一致；隨著K0增大，流體流動(dòng)性變強(qiáng)，使注入熱量在輸運(yùn)過程中熱損失變小，用于水合物分解的熱量增多，從而也縮短了水合物解離時(shí)間。

2.3 儲(chǔ)層初始滲透率對(duì)氣、水飽和度的影響

4個(gè)模擬氣體飽和度(Sg)變化趨勢(shì)類同，圖6給出case2五點(diǎn)處Sg變化曲線，靠近出口處Sg先增加，Sg增加界面逐漸向右移動(dòng)。這是由于氣體黏度遠(yuǎn)小于水的黏度，氣體流動(dòng)性大于水的流動(dòng)性，故巖層自由氣在初始階段就向左流動(dòng)，導(dǎo)致出口處Sg增加。后續(xù)由于水合物開始分解，產(chǎn)生氣體和水，整個(gè)巖層氣體量增加，出現(xiàn)了Sg增加界面向右移動(dòng)的現(xiàn)象?？拷隹谔幍腟g變化速率大于靠近進(jìn)口處的。結(jié)果表明，水合物的降壓分解作用要比注熱分解的明顯。圖7給出case1、case2、case3和case4中點(diǎn)C處的Sg變化曲線，Sg變化速率小幅度變大，氣體殘留量略有減小。結(jié)果說明，K0變化對(duì)Sg的影響作用不明顯。

4個(gè)模擬水飽和度Sw變化趨勢(shì)類同，圖8給出了case2五點(diǎn)處的Sw變化曲線，靠近出口處Sw先減少后增加；靠近進(jìn)口處Sw一直在增加。圖9給出case1、case2、case3和case4中點(diǎn)C處的Sw變化曲線，可以看出，Sw在前期由下降趨勢(shì)轉(zhuǎn)為逐漸升高，達(dá)到最大值后，在后期又逐漸降低。這是由于在前期降壓作用比注熱作用更顯著，水的出口流出量大于進(jìn)口流入量，致使Sw不斷降低，但隨著注熱持續(xù)進(jìn)行和水合物開始分解產(chǎn)生水的雙重作用，導(dǎo)致Sw逐漸升高，但到后期水合物基本上完全分解，不再有水產(chǎn)出，水的來源只有注熱作用，故Sw會(huì)在達(dá)到最大值后開始逐漸減小。且Sw變化速率逐漸增大，這說明K0值增大，液相相對(duì)滲透率變大，使液相流動(dòng)性增強(qiáng)。

3 結(jié) 論

本研究建立了水合物聯(lián)合法分解模型，重點(diǎn)研究了儲(chǔ)層初始滲透率對(duì)聯(lián)合法分解的影響，得到的結(jié)論如下：

(1) 初始滲透率越大，壓力沿巖層的傳播速度越快，壓力變化速率也越快，儲(chǔ)層最大壓力也越低。

(2) 水合物分解吸收的熱量前期由巖層顯熱提供，后期由注入的熱量提供。初始滲透率越大，流體流動(dòng)阻礙越小，使注入熱量熱損失越小，用于水合物分解的熱量越多，反應(yīng)時(shí)間也越短。

(3) 水合物降壓分解作用要強(qiáng)于注熱分解作用，滲透率對(duì)氣體飽和度變化的影響不大，但初始滲透率越大，液相相對(duì)滲透率變大，液相流動(dòng)性增強(qiáng)，水飽和度變化越快。