注热水盐度对水合物开采影响的实验研究

天然气水合物是目前备受关注的新型洁净优质能源,注热盐水是一种有效的开采方式。采用自制的一维天然气水合物(NGH)开采模拟实验装置,首先在填砂模型中生成初始条件相同的天然气水合物藏,之后注入盐度为2%、10%、20%的热水进行开采实验。结果表明:当注热水盐度较大(达到10%后)时,水合物快速分解,与自由气同时产出,产气速率峰值较大;而当注热水盐度较小(2%)时,自由气首先产出,然后水合物分解气体产出。注热水盐度越大,水合物分解速度越快,热前缘移动速率越大,水合物大量分解阶段的能量效率越高。因此,注热水盐度的增加可以加快天然气水合物的开采速率,增大注热开采的经济可行性。     

天然气水合物的有效能量及CO_2排放强度分析

与天然气、石油、煤等常规化石能源以富集态赋存、以赋存态开采不同,天然气水合物大都以固态分散赋存于地层的孔隙中,对其中所含天然气的开采要求水合物的原位分解。天然气水合物原位分解需要能量输入,既包括水合物的分解焓,也包括水合物和多孔地层(介质)升温所需的热量。由于天然气水合物的赋存条件差异很大,开采时水合物和多孔地层升温所需的热量不同,一些条件下天然气水合物的可利用能量(有效能量)会远低于常规天然气,单位有效能量所产生的总CO2排放量甚至会高于石油和煤。为了量化认识这个现象,本文进行了天然气水合物开采能耗的热力学计算,分析了水合物赋存状况与产出天然气的有效(净)能量的关系,计算和讨论了不同赋存条件下天然气水合物在热能利用过程中的二氧化碳排放强度,并与常规化石能源进行了对比。     

热力法开采天然气水合物的模拟实验研究

在天然气水合物一维开采模拟系统上进行了模拟热力法开采天然气水合物的实验研究. 使用甲烷气体与NaCl溶液在一定温度和压力条件下形成水合物. 通过以不同速率注入不同温度的热水,研究了热力法开采水合物过程中含水合物沉积物的温度分布以及甲烷气体、水生产规律. 结果表明,在整个分解过程中,气体生产速率随时间增加而增加,直到达到最大值后开始下降,而水生产的速率几乎保持恒定. 通过对实验结果的能量分析表明,热力开采的能量效率在0.38~2.59之间. 注入热水的温度、速率以及沉积物中水合物的饱和度对热力法开采水合物的能量效率有重要影响.     

多孔介质中甲烷水合物不同分解方法实验研究

冻土区天然气水合物是未来能源的重要补充,然而冻土区天然气水合物的开采研究还处于初级阶段。本文利用一维水合物分解实验装置,在1.24～1.35 ℃以及2.83～2.89 MPa温度压力条件下,模拟冻土区天然气水合物降压定压分解以及注热水定压分解实验研究,分析降压分解及注热水分解过程中温度、压力、产水以及产气随时间变化特性及能量效率。研究结果表明,分解过程产气可分为自由气释放、水合物分解以及残余气体产出3个阶段,实验过程中温度先降后升,降压分解过程与注热水分解自由气产出阶段基本没有水产出,而在水合物分解阶段,产水速率与注水速率相等。注热分解过程中能量效率先升后降,注热量越大,能量效率越低。     

天然气水合物热开采技术研究进展

对天然气水合物热开采技术的研究进展进行了综述,概括了热开采技术研究的基础实验和数值模拟,分析了天然气水合物分解动力学研究,传热、传质对分解的影响及多孔介质和水合物地层中水合物开采规律. 研究表明,热开采技术作为强化供热开采方案,可弥补常规开采效率低的缺点;对水合物分解热力学和动力学的实验研究已能满足对水合物热力分解认识的基本要求,但沉积物内的水合物热力学性能研究尚需深入;模型研究已从一维单相发展到复杂的三维多相数值模型,通过单个或多个模型的综合分析已能达到实际水合物藏开采计算的要求. 最后指出了热开采天然气水合物尚存在的问题和研究方向.     

单井热吞吐开采南海神狐海域天然气水合物数值模拟

以国土资源部广州地质调查局2007年5月在南海北部神狐海域SH7站位的钻探、测井数据为基础,建立了实际水合物藏分层地质模型,主要包括上盖层、水合物层和下盖层,其中上、下盖层均为可渗透的沉积物。本文利用单一水平开采井,进行了热吞吐法开采水合物的数值模拟。给出了选取合理的注入速度和生产速度的准则。模拟结果表明,开采过程中水合物分解区域主要集中在开采井周边区域,在注热阶段和生产阶段,地层中的水合物分别经历合成和分解两种过程,期间有明显的盐水浓缩和稀释效应。在本文条件下,利用单一水平井热吞吐法不能经济有效地开采该区域的天然气水合物,有待于利用其他更高效的水合物开采方法。     

间壁换热分解开采天然气水合物的实验模拟

在自制3.5 L带内置换热器的可视化反应釜中,进行了不同间壁换热温度（84.8、72.2、50.5、30.9℃）的定容分解开采丙烷水合物实验模拟。分解初始时釜内气体压力迅速上升,随着分解的进行,压力增加的幅度逐渐减小,最后压力保持一定值。因此,将水合物分解过程分为释放气体阶段和分解尾声阶段。在释放气体阶段,气体大量产出,釜内压力迅速升高;在分解尾声阶段,釜内压力趋于平缓。计算得到总分解过程平均分解速率介于0.16～0.46 mol·min^-1·m^-2之间、总分解过程的能量效率介于1.33～3.74之间;释放气体阶段分解速率介于0.27～2.56 mol·min^-1·m^-2之间、水合物分解的能量效率介于2.25～5.58之间。与相关文献比较,间壁换热分解水合物的能量效率有很大程度提高。在实际应用中,存在一个最佳间壁换热分解温度,既提高水合物分解速率又提高能量效率。     

水合冷冻法海水淡化研究

试验研究了HCFC-141b在含盐溶液中的水合和分解过程,测定了水合物分解后的盐度变化.结果表明,HCFC-141b在盐水中生成水合物的过程中,盐水的浓度对水合物生成的过冷度有一定影响,浓度太低或太高都对过冷度影响不大,1.0%的氯化钠可以有效减小过冷度.测量水合物分解后的水溶液发现盐度显著降低,用水合物的生成和分解可以达到海水淡化的目的.根据水合物的特点设计了水合物法海水淡化的试验装置,筛选了适用于该方法的水合物工质,其中乙烷为最好的水合物法海水淡化工质.通过计算发现加大气体流量、提高充气压力和改善生成条件可提高淡水产率,当50%的气体参加水合反应则淡水产率可提高到1.25 L·min-1.     

天然气水合物置换开采的能源效率研究

天然气水合物分解是一个相变过程，开采时涉及各种形式能量的消耗和转化，如电能、化学能、热能等。为了科学地评价天然气水合物开采技术的经济性，建立了以有效能（）为核心的能源效率计算方程，并以CO₂置换法开采天然气水合物为例，介绍任意生产周期内能源效率的计算方法和流程框图。在CO₂置换开采天然气水合物的工艺过程中，注气量、产气量和产气中甲烷含量是三个关键参数，将产气量与注气量之比定义为采注比，分析采注比及产气中甲烷含量对能源效率的影响。结果表明：在设定条件下CO₂置换开采天然气水合物的整体能源效率介于0.31～6.4之间；增大采注比，有利于提高能源效率；产气中甲烷的摩尔分率越高，气体分离的能耗越低，能源效率也可显著提高。因此，调控产气量和产气中甲烷摩尔分率是提高CO₂置换法能源效率的主要途径。通过所建立的能效计算方程为天然气水合物开采工艺的优化提供指导。     

天然气水合物微波辅助开采模拟研究

为了提高天然气水合物开采效率及能量利用率,本文采用微波加热辅助开采,并根据南海神狐海域的水合物储层物性特征,建立了天然气水合物微波加热开采数值模型,模拟分析了不同微波加热方式下天然气水合物分解速率和能量利用率的变化情况。模拟结果表明：在使用纯微波加热开采水合物时,持续微波加热能够有效提升储层平均产气速率,而缩短微波加热时间能够有效提高能量利用率;在相同加热时间下,单循环加热的平均产气速率和能量利用率都要高于双循环加热。     

不同饱和度的天然气水合物降压分解实验

天然气水合物作为一种新能源已得到世界各国的关注,降压是水合物藏的一种有效开采方式。采用自制的天然气水合物开采模拟实验装置,在多孔介质中生成不同饱和度的天然气水合物,之后进行缓慢降压开采实验。结果表明：降压开采可分为自由气产出、水合物降压分解产气和最后降压产出已分解气三个阶段。在降压分解阶段,当水合物饱和度从16%增加到48%时,平均产气速率先增加后减小,说明水合物饱和度对降压分解产气速率的影响是非线性的。降压分解时,水合物饱和度越大,温度下降幅度越大。实验研究范围内,中等饱和度（32%）的水合物藏降压分解产气速率比较大,降压开采效果较好。     

多孔介质中水合物生成与分解二维实验研究

采用电容、压力、温度测试作为监测手段,自行研制了一套天然气水合物二维开采模拟系统,可用于水合物生成与分解过程中温度场、压力场、分布状态、分解前沿推进速度等动态特性的研究。水合物生成与分解实验表明,温度是影响水合物大量生成的主要因素;重复实验会加长生成时间,往往首次实验所耗总时间最短,说明水的记忆效应并不是对于所有实验系统存在的普遍现象;实验表现出来的特殊的压力变化曲线和规律还表明晶核形成对水合物晶体的生成并非绝对重要。理论分析和实验表明,电容法在测试单相水体相变过程中是有效的,水量是影响电容量变化的关键。在水合物生成过程中,随水合物饱和度的增加、水量的不断减少,电容量总体减小趋势明显。电容测试方法在水合物实验方面有一定的可行性,尤其对于研究多孔介质中水合物生成分解过程中各相的流动特性极有意义,但是要实现在水合物研究方面的有效利用还需要大量的切实的实验验证。     

The status of exploitation techniques of natural gas hydrate

Natural gas hydrate (NGH) has been widely considered as an alternative form of energy with huge potential, due to its tremendous reserves, cleanness and high energy density. Several countries involving Japan, Canada, India and China have launched national projects on the exploration and exploitation of gas hydrate resources. At the beginning of this century, an early trial production of hydrate resources was carried out in Mallik permafrost region, Canada. Japan has conducted the first field test from marine hydrates in 2013, followed by another trial in 2017. China also made its first trial production from marine hydrate sediments in 2017. Yet the low production efficiency, ice/hydrate regeneration, and sand problems are still commonly encountered; the worldwide progress is far before commercialization. Up to now, many gas production techniques have been proposed, and a few of them have been adopted in the field production tests. Nevertheless, hardly any method appears really promising; each of them shows limitations at certain conditions. Therefore, further efforts should be made on the economic efficiency as well as sustainability and environmental impacts. In this paper, the investigations on NGH exploitation techniques are comprehensively reviewed, involving depressurization, thermal stimulation, chemical inhibitor injection, CO₂–CH₄ exchange, their combinations, and some novel techniques. The behavior of each method and its further potential in the field test are discussed. The advantages and limitations of laboratory studies are also analyzed. The work could give some guidance in the future formulation of exploitation scheme and evaluation of gas production behavior from hydrate reservoirs.     

石英砂中甲烷水合物的溶解开采实验研究

天然气水合物是天然气与水在低温高压的条件下形成的一种冰状物质,广泛分布于海底和冻土区的沉积物中,资源量巨大,有望成为未来接替能源。在已发现的资源中,有一种类型的天然气水合物位于海底浅表层或裸露于海底,其形成过程和稳定性规律尚不明确。为揭示其稳定性规律,实验研究了石英砂中甲烷水合物的溶解过程。结果表明,水和白油均能有效溶解石英砂中的甲烷水合物,注水溶解的气水体积比约为2,注油溶解的气液体积比约为10,溶解速率主要受液流-水合物的接触情况影响,随水合物饱和度升高而升高。水/油易在石英砂中窜进,形成优势渗流通道,随后气液比逐渐降低。实验结果为深入研究海底浅表层或裸露的天然气水合物的稳定机理提供了基础。     

二元复合技术开采天然气水合物可行性分析

目前常规的天然气水合物开采方法均处于试验阶段,针对单一开采方法均表现出不同程度的缺点,本文提出了一种二元复合的开采天然气水合物技术。通过对现有的五种常规开采方法进行二元随机组合,在技术、经济、环境安全可行性等几个方面上对组合后的十种方法进行理论可行性分析。结果显示热采联合降压法、热采联合地面分解法、热采联合置换法、注抑制剂联合地面分解法、注抑制剂联合置换法初步显示具有较好的理论可行性,对于剩余的五类二元复合开采方法,由于经济效益差、环境污染大、安全可控系数低等条件限制,目前还不具备理论可行性。提出了二元复合开采天然气水合物的理论技术思路,并通过对二元复合开采技术进行理论分析,总结出较目前常规单一开采方法具有一定理论优势的开采技术,以期为天然气水合物的稳定试采研究提供借鉴意义。     

Dissociation characteristics of methane hydrate using depressurization combined with thermal stimulation

Methane hydrate is considered as a potential energy source in the future due to its abundant reserves and high energy density. To investigate the influence of initial hydrate saturation, production pressure, and the temperature of thermal stimulation on gas production rate and cumulative gas production percentage, we conducted the methane hydrate dissociation experiments using depressurization, thermal stimulation and a combination of two methods in this study. It is found that when the gas production pressures are the same, the higher the hydrate initial saturation, the greater change in hydrate reservoir temperature. Therefore, it is easier to appear the phenomenon of icing and hydrate reformation when the hydrate saturation is higher. For example, the reservoir temperature dropped to below zero in depressurization process when the hydrate saturation was about 37%. However, the same phenomenon didn't appear as the saturation was about 12%. This may be due to more free gas in the reservoir with hydrate saturated of 37%. We also find that the temperature variation of reservoir can be reduced effectively by combination of depressurization and thermal stimulation method. And the average gas production rate is highest with combined method in the experiments. When the pressure of gas production is 2 MPa, compared with depressurization, the average of gas production can increase 54% when the combined method is used. The efficiency of gas production is very low when thermal stimulation was used alone. When the temperature of thermal stimulation is 11 °C, the average rate of gas production in the experiment of thermal stimulation is less than 1/3 of that in the experiment of the combined method.     

天然气水合物资源开采方法研究

自然界中存在大量的水合物,这些水合物已经被认为是将来重要的能源,本文分析了天然气水合物资源的特点,并综合介绍了现阶段提出的天然气水合物开采方法及模型,对比分析了典型开采方法,如热激发、降压和注抑制剂等的优缺点和经济性,评述了研究中存在的问题,并提出了今后研究的重点。