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天然气水合物注热开采能量分析66283614

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天然气 水合物 开采 能量 分析 66283614
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© 1994 “ 863” 基 金 项 目 (编 号 :2006 中 国 石 化 “ 天 然 气 水 合 物 开 发 前 期 研 究 项 目 ” (编 号 : 资 助 。作 者 简 介 :张 卫 东 ,1968 年 生 ,副 教 授 ;主 要 从 事 天 然 气 水 合 物 开 采 及 储 层 稳 定 性 研 究 工 作 。 地 址 : (257061) 山 东 省 东 营市 中 国 石 油 大 学 (华 东 )石 油 工 程 学 院 。 电 话 : (0546) 8394665。 气 水 合 物 注 热 开 采 能 量 分 析 3张 卫 东   刘 永 军   任 韶 然   王 瑞 和(中 国 石 油 大 学 · 华 东 )张 卫 东 等 . 天 然 气 水 合 物 注 热 开 采 能 量 分 析 . 天 然 气 工 业 ,2008 ,28 (5) : 要   天 然 气 水 合 物 储 量 巨 大 、 清 洁 环 保 ,作 为 一 种 潜 在 战 略 能 源 逐 渐 受 到 了 重 视 。 综 述 了 天 然 气 水 合 物开 采 方 式 并 进 行 了 分 析 ,认 为 由 于 水 合 物 以 固 体 形 式 存 在 ,原 始 状 态 下 渗 透 率 极 低 ,压 力 传 播 范 围 十 分 有 限 ,降 压法 开 采 面 临 一 定 的 困 难 ;考 虑 了 加 热 法 开 采 水 合 物 过 程 中 地 层 内 的 所 有 吸 热 因 素 ,把 水 合 物 加 热 分 解 过 程 分 为 了三 个 阶 段 ;计 算 了 各 部 分 吸 收 热 量 占 注 入 热 量 的 比 例 。 结 果 表 明 :注 热 开 采 水 合 物 的 大 部 分 能 量 被 非 水 合 物 升 温所 消 耗 ,因 此 提 供 足 够 的 热 源 是 水 合 物 开 发 的 关 键 。 针 对 海 底 水 合 物 开 采 所 需 要 大 量 能 量 供 给 的 状 况 提 出 了 两 种经 济 廉 价 的 热 源 。主 题 词   天 然 气   水 合 物   开 采   热 能一 、 水 合 物 开 采 方 法 综 述综 合 各 种 天 然 气 水 合 物 开 采 的 方 法 ,主 要 包 括 :加 热 法 、 降 压 法 、 化 学 剂 法 、 置 换 法 [122 ] 。 各 种 开 采 技术 都 有 其 本 身 的 局 限 性 :加 热 法 热 损 失 大 、 效 率 低 ;降 压 法 开 采 速 度 慢 ,化 学 剂 法 费 用 昂 贵 ;置 换 法 如 何保 持 置 换 反 应 进 行 的 连 续 性 等 关 键 技 术 仍 没 有 解 决等 。 采 用 某 一 种 方 法 来 开 采 天 然 气 水 合 物 是 不 经 济的 ,只 有 结 合 不 同 方 法 的 优 点 才 能 达 到 对 天 然 气 水合 物 的 经 济 有 效 地 开 采 。在 上 述 开 采 方 法 中 ,多 数 研 究 人 员 认 为 热 激 发中 的 注 热 水 与 降 压 开 采 是 经 济 上 可 行 的 开 采 水 合 物的 方 法 。 水 合 物 的 固 态 赋 存 状 态 使 饱 和 水 合 物 的 地层 渗 透 率 比 较 低 ,压 力 传 播 十 分 有 限 。 若 仅 依 靠 压力 的 降 低 促 使 水 合 物 的 分 解 ,将 很 难 达 到 商 业 开 采所 要 求 的 分 解 速 率 。 因 此 ,将 降 压 与 注 热 结 合 的 开采 方 式 对 水 合 物 藏 进 行 开 发 是 开 采 天 然 气 水 合 物 的可 行 性 方 法 之 一 。 水 合 物 生 成 和 分 解 过 程 中 伴 随 着能 量 的 变 化 ,下 面 就 水 合 物 开 采 的 能 量 进 行 分 析 。二 、 水 合 物 开 采 能 量 分 析水 合 物 分 解 热 大 约 为 62. 83 3 ] ,考 虑 到地 层 吸 收 得 热 量 与 输 热 中 的 损 失 ,商 业 开 采 水 合 物需 要 极 大 的 能 量 供 应 。1. 水 合 物 的 相 变 焓水 合 物 的 分 解 是 一 个 吸 热 过 程 。 水 合 物 的 分 界热 可 以 利 用 水 合 物 相 平 衡 数 据 及 其 他 数 据 来 计 算 得到 。 气 体 水 合 物 的 分 解 热 可 以 用 克 拉 贝 隆 方 程 求得 [4 ] :d =Δ V H - V D ) (1)实 验 室 测 得 的 Δ 2. 83 . 水 合 物 分 解 过 程 描 述对 于 地 层 中 水 合 物 的 热 分 解 过 程 作 了 如 下描 述 。热 量 注 入 地 层 后 ,地 层 由 初 始 温 度 始 上升 。 假 设 整 个 地 层 均 质 ,且 热 平 衡 。 当 地 层 温 度 达到 ,地 层 中 水 合 物 开 始 分 解 。 如 图 1 中 水 平段 ,水 合 物 在 分 解 过 程 中 系 统 温 度 保 持 不 变 。 直 到系 统 中 所 有 水 合 物 分 解 完 毕 ,系 统 温 度 继 续 上 升 。为 防 止 分 解 后 的 产 生 的 天 然 气 与 地 层 水 重 新 结 合 成水 合 物 ,地 层 最 终 温 度 必 须 高 于 临 界 水 合 物 分 解 温图 1   理 想 状 态 下 水 合 物 分 解 过 程 系 统 温 度 变 化 图·77·第 28 卷 第 5 期                                 天   然   气   工   业                             开 发 及 开 采© 1994 。 此 温 度 与 水 合 物 藏 的 天 然 气 产 量 等 因 素 有关 。 假 设 最 终 地 层 温 度 稳 定 为 在 此 温 度 下 水 合物 分 解 产 生 的 天 然 气 和 水 渗 流 到 生 产 井 底 ,开 采 至地 面 。3. 热 分 解 能 量 模 型根 据 上 述 描 述 过 程 ,可 以 建 立 水 合 物 热 分 解 能量 模 型 。假 设 系 统 中 仅 存 在 岩 石 、 水 合 物 、 水 3 种 组 分 。岩 石 孔 隙 度 为 φ ,水 合 物 饱 和 度 为 其 余 空 间 为 地层 水 所 饱 和 。(1) 水 合 物 分 解 第 一 阶 段 (地 层 温 度 从 升到 )W 1 = 2)(2)水 合 物 分 解 第 二 阶 段 (水 合 物 分 解 阶 段 )在 此 阶 段 ,地 层 温 度 保 持 恒 定 ,外 界 提 供 能 量 仅供 水 合 物 分 解 ,故W 2 = 3)(3) 水 合 物 分 解 第 三 阶 段 (分 解 后 继 续 升 温阶 段 )在 此 阶 段 系 统 中 水 合 物 已 经 全 部 分 解 ,系 统 中仅 存 在 地 层 岩 石 、 水 和 天 然 气 三 种 组 分 。W 3 = W 4)由 于 在 此 阶 段 地 层 孔 隙 中 的 水 包 含 原 地 层 水 和水 合 物 分 解 后 产 生 的 分 解 水 ,所 以 以 分 为 两部 分 : 5)将 上 述 三 个 阶 段 系 统 吸 收 的 能 量 相 加 ,即 得 到整 个 水 合 物 分 解 过 程 中 所 需 要 的 总 能 量 。W = W 1 + W 2 + W 3 (6)利 用 岩 石 的 热 容 ,可 以 求 解 水 合 物 系 统 中 岩 石骨 架 升 温 所 吸 收 的 热 量 。 由 于 在 水 合 物 分 解 的 三 个阶 段 中 ,地 层 岩 石 质 量 并 没 有 发 生 变 化 (因 升 温 引 起的 性 质 变 化 可 忽 略 ) ,故 合 并 写 为 :ρ s V s (7)同 理 ,对 于 原 来 地 层 中 饱 和 的 地 层 水 ,可 写 为 :ρ w V w (8) 9)ρ h V h (10)对 于 水 合 物 分 解 后 产 生 的 水 和 天 然 气 升 温 所 吸收 的 热 量 ,可 做 如 下 计 算 :W ρ w V w ( (11)整 个 水 合 物 藏 的 体 积 为 V ,忽 略 温 度 和 压 力 对固 体 和 液 体 体 积 的 影 响 ,则V s = V (1 - φ ) (12)V h = h (13)V w = 1 - (14)V ρ h V h N M N M w )(15)由 于 气 体 体 积 受 压 力 温 度 影 响 较 大 ,则 水 合 物分 解 后 产 生 天 然 气 升 温 所 吸 收 的 热 量 可 以 写 为 :ρ g V g = g ( (16)ρ h V h N M w(17)水 合 物 分 解 所 需 要 的 热 量 :ρ h V N M w(18)将 各 组 分 体 积 因 素 代 入 式 (4) ,并 进 行 合 并 与 简化 ,可 以 得 到 水 合 物 分 解 能 量 方 程 :W = ( [ρ w φ (1 - +ρ s (1 - φ ) ] +ρ h N M w+ρ h h ( N M w + g ) ( N M w(19)式 (19)即 为 水 合 物 分 解 能 量 方 程 。4. 模 型 分 析(1)甲 烷 水 合 物 地 层 各 组 分 性 质根 据 及 美 国 阿 拉 斯 加 和加 拿 大 区 域 的 水 合 物 探 井 的 测 井 分 析 ,可 以得 到 甲 烷 水 合 物 地 层 各 组 分 的 物 理 性 质 。 结 合 实 验室 实 验 分 析 ,可 以 得 到 水 合 物 地 层 的 相 关 参 数 (表 1) 。表 1   甲 烷 水 合 物 性 质 对 比 表 [5 ]  组 分 热 容[ ( K) ] 密 度( 热 传 导 系 数[ W/ (m · K) ]甲 烷 水 合 物 2. 070 910 0. 506石 英 砂 1. 089 265 1. 030水 4. 200 1000 0. 582冰 2. 300 917 2. 230甲 烷 气 体 2. 144 0. 717 2. 186 × 10 - 2(2)水 合 物 分 解 能 量 分 布 分 析从 式 (19) 可 以 看 到 ,水 合 物 分 解 所 需 要 的 能 量主 要 分 为 5 部 分 :水 合 物 分 解 能 量 、 岩 石 骨 架 升 温 所需 能 量 、 水 合 物 升 温 所 需 要 的 能 量 、 地 层 中 束 缚 水 升温 所 需 要 的 能 量 、 水 合 物 分 解 后 分 解 水 和 天 然 气 升温 所 需 要 的 能 量 。不 同 的 水 合 物 藏 的 物 性 参 数 不 同 ,上 述 各 部 分能 量 所 占 的 比 例 有 所 不 同 。 在 理 想 状 态 下 ,假 设 岩石 孔 隙 度 为 30 % ;水 合 物 为 甲 烷 水 合 物 ,水 合 系 数 为·87·开 发 及 开 采                             天   然   气   工   业                                   2008 年 5 月© 1994 ;原 始 地 层 温 度 为 4 ℃ ,水 合 物 开始 分 解 温 度 为 12 ℃ ,地 层 最 终 温 度 为 15 ℃ ;整 个 过程 保 持 底 层 压 力 不 变 。 根 据 式 (19) 和 表 1 可 以 大 致计 算 各 个 部 分 所 占 的 输 入 能 量 的 比 例 (图 2) 。图 2   水 合 物 分 解 各 部 分 吸 热 示 意 图可 以 看 出 ,注 热 开 采 水 合 物 的 大 部 分 能 量 都 被非 水 合 物 升 温 所 消 耗 。 但 对 于 水 合 物 的 分 解 来 讲 ,只 有 水 合 物 原 始 赋 存 状 态 下 温 度 上 升 ,才 能 够 使 水合 物 完 全 分 解 ,并 能 够 防 止 水 合 物 的 二 次 生 成 。 因此 ,提 供 足 够 的 热 源 是 水 合 物 开 发 的 关 键 。三 、 天 然 气 水 合 物 开 采 技 术 建 议到 目 前 为 止 ,还 没 有 一 种 可 以 用 来 开 采 天 然 气水 合 物 的 有 效 方 法 。 实 际 投 入 生 产 只 有 尚 存 争 议 的俄 罗 斯 的 麦 索 雅 哈 气 田 。 日 本 、 美 国 、 印 度 等 国 家 在加 拿 大 冻 土 带 进 行 了 水 合 物 勘 探 以 及 测 井工 作 ,进 一 步 掌 握 了 水 合 物 层 的 性 质 ,为 以 后 水 合 物的 商 业 性 开 发 提 供 了 支 持 。 美 国 、 日 本 、 德 国 等 国 家都 把 海 地 水 合 物 的 商 业 性 开 发 时 间 表 定 在 2015 年 ,我 国 中 石 油 、 中 海 油 等 单 位 也 计 划 于 2015 年 进 行 水合 物 的 商 业 性 试 采 [4 ] 。目 前 情 况 下 天 然 气 水 合 物 的 开 采 ,必 然 要 把 水合 物 分 解 为 流 体 ,才 有 可 能 从 数 千 米 深 的 井 筒 中 开采 至 地 面 。 而 伴 随 着 水 合 物 的 分 解 ,又 需 要 大 量 的能 量 供 给 去 破 坏 水 合 物 内 部 的 氢 键 ,使 其 释 放 其 中的 客 体 气 体 分 子 。 因 此 ,要 实 现 水 合 物 的 商 业 性 开发 ,必 须 找 到 一 种 适 合 的 、 经 济 的 且 大 量 的 能 量 供 应 。从 陆 地 引 进 能 量 不 仅 技 术 复 杂 ,而 且 从 环 境 保护 、 运 行 成 本 等 方 面 考 虑 都 很 难 实 施 。 但 水 合 物 分 解要 求 温 度 不 高 ,最 高 温 度 为 21 ℃ 。 因 此 ,可 以 考 虑 利用 海 平 面 的 海 水 和 底 下 地 热 水 来 开 采 海 底 水 合 物 。中 国 南 海 和 东 海 的 海 面 平 均 温 度 都 在 20 ℃ 以上 [6 ] ,因 此 可 以 用 来 对 水 合 物 的 分 解 提 供 能 量 。 中国 南 海 地 热 资 源 比 较 丰 富 ,地 温 梯 度 可 以 达 到 4 ℃ /100 m ,因 此 也 可 以 在 海 底 以 下 找 一 个 适 合 的 地 热 水层 ,泵 入 水 合 物 层 ,给 水 合 物 的 分 解 提 供 能 量 [7 ] 。四 、 结   论笔 者 总 结 了 目 前 各 种 水 合 物 开 采 方 式 ,并 进 行了 分 析 。 对 水 合 物 分 解 能 量 需 求 进 行 了 计 算 ,把 水合 物 分 为 分 解 前 升 温 、 分 解 、 分 解 后 升 温 三 个 阶 段 ,并 分 析 了 每 个 阶 段 的 水 合 物 藏 温 度 变 化 。 最 后 还 对于 水 合 物 开 采 过 程 中 能 量 的 提 供 提 出 建 议 ,推 荐 了两 种 廉 价 经 济 的 热 源 。符   号   说   明p 为 水 合 物 形 成 的 压 力 ; T 为 水 合 物 形 成 的 温 度 ;V H 、 V 为 水 合 物 及 水 合 物 分 解 后 容 积 ;Δ 合 物 分 解 热 ;W i 为 水 合 物 分 解 第 i 阶 段 系 统 所 需 要 的 总 能 量 , i = 1 ,2 ,3 ; 阶 段 不 同 组 分 升 温 吸 收 的 热 量 , j = h、 s、 w , 物 分 解 吸 收 的 热 量 ,Δ T 为 地 层 最 终 温 度 与 初 始 温 度之 差 , K; 分 别 代 表 地 层 初 始 温 度 和 最 终 温 度 , K;ρ 层 岩 石 密 度 , 地 层 岩 石 热 容 ,( K) ;V s 为 地 层 岩 石 骨 架 体 积 , 别 为 天 然 气 、 水 分 子量 ; N 为 水 合 系 数 ,一 般 取 5. 5~ 6。下 标 :h 代 表 水 合 物 ;s 代 表 岩 石 ;w 代 表 水 。参   考   文   献[1 ] J . of ]. 8 (4) ,2003 :3592370.[2 ] on O2 ]. 2000 ,79 (10) :101121019.[3 ] 张 烈 辉 ,李 登 伟 ,熊 钰 ,等 . 天 然 气 水 合 物 相 平 衡 的 实 验 研究 [J ]. 天 然 气 工 业 ,2006 ,26 (3) :1292130.[4 ] 陈 多 福 . 美 国 天 然 气 水 合 物 研 究 计 划 介 绍 [J ]. 地 球 科 学进 展 ,2003 ,18 (2) :3212325.[5 ] 宋 海 斌 . 海 洋 天 然 气 水 合 物 的 地 球 物 理 研 究 ( I) :岩 石 物性 [J ]. 地 球 物 理 学 进 展 ,2001 ,16 (2) :1182126.[6 ] 张 庆 荣 . 南 海 暖 水 形 态 特 征 [J ]. 热 带 海 洋 学 报 ,2001 ,20(1) :69275.[7 ] 陈 科 ,刘 建 仪 ,张 烈 辉 ,等 . 水 合 物 气 藏 降 压 开 采 数 学 模 型[J ]. 天 然 气 工 业 ,2006 ,26 (1) :93294.(收 稿 日 期   2007204203   编 辑   韩 晓 渝 )·97·第 28 卷 第 5 期                                 天   然   气   工   业                             开 发 及 开 采© 1994 , of up in on by as of of s is by of in in , , 948 , in on He is a a D s He in 10500 ,P. R. + 8622828303 3242     163. N O L . N A I N D. 8 , 5 , 77279 , 5/ 25/ 2008. (00020976 ; N is a by in on GH GH in in to GH of in of in a of by of H so it to to , 968 , in on 57061 ,P. R. + 86254628394 665     e/     · 147 ·    N 3 , L U 3 , 1 U 2 3 . I N D . M E 28 , 5 , 80282 , 5/ 25/ 2008. ( 00020976 ; of in of to PR be be of To of PR N A A L I N R Y , M E 28 , 5 ,2008                     5 ,2008  
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