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南海神狐海域天然气水合物开采数值模拟

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南海 海域 天然气 水合物 开采 数值 模拟
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2010 年第 68 卷 化 学 学 报68, 2010 第 11 期 , 1083~ 1092 o. 11, 1083~ 1092 * 1, 2009; 4, 2009; , 2010. 中科院重大科研装备 (中科院知识创新工程重要方向 (国家自然科学基金 (20773133, 50874098)、国家高技术研究发展计划 (2006广东省自然科学基金 (07301638)资助项目  ·研究论文· 南海神狐海域天然气水合物开采数值模拟 李 刚 李小森*陈 琦 陈朝阳(中国科学院广州能源研究所天然气水合物研究中心 中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室 广州 510640) 摘要 实地钻探结果表明我国南海北部神狐海域存在大量天然气水合物 , 其作为未来我国潜在的可开发能源的调查和资源评价工作正在展开 . 利用国际上先进的多相多组分沉积物渗流模拟计算软件 以 2007 年 5月国土资源部广州地质调查局在南海北部神狐海域 位的钻探、测井数据为基础 , 建立实际水合物藏分层地质模型 , 利用不同的开采井设计方式进行单井降压和降压+注热开采模拟 . 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、水合物层与含水层界面处以及水合物层顶部靠近上盖层的区域 . 由于水合物分解吸热 , 水合物层的温度降低 , 使得热量从上盖层向水合物层传递 , 形成地温梯度的逆转 , 促进水合物层顶部逐渐产生分解界面 . 降压开采进行到后期开采井周围会形成渗透率很低的“二次水合物” , 影响开采的进行 , 所以利用降压+注热开采方法消除“二次水合物” , 使开采过程顺利进行. 关键词 天然气水合物 ; 降压开采 ; 注热开采 ; 南海神狐海域 i, 10640) to by in ea as a 2007, in a of is to on of H7 in at of of is an of at BL of in at of of be 1084 化 学 学 报 68, 2010 然气水合物 (as 一种笼形结晶化合物 , 其外形如冰雪状 , 通常呈白色.遇火即可燃烧 , 俗称“可燃冰” . 天然气水合物已经被广泛地发现存在于冻土地带和海洋底层[1]. 目前 , 全球的天然气水合物中总的碳含量的估计范围比较广[1~ 3](1015~1018 但是远远超过目前全球传统矿物石油、煤、天然气中的总碳含量[4,5]. 目前国内外常见几种 采技术主要包括 : 注热 (蒸汽、热水或热盐水等 )开采法、注化学剂 (甲醇、乙二醇等 )开采法、降压开采法以及几种开采方式相结合的开采方法 . 注热开采法是将蒸汽、热水或其它热流体从地面强制注入到 层 , 使温度上升 , 水合物分解而形成天然气的开采方法 . 也可以采用开采重油时使用的火驱法或利用钻柱加热器 , 使温度升高到 相平衡温度以上使 生分解 . 注热法的主要不足之处在于热损失大、效率低 . 注化学剂开采法是以某些化学试剂 (如甲醇、乙醇、乙二醇、盐水、氯化钙等 )改变水合物形成的相平衡条件 , 降低水合物的稳定温度 , 促进水合物分解 . 该方法最大的缺点是需要大量昂贵的化学试剂 , 可能带来环境问题[6]. 降压开采法是指通过钻探等方法降低 下面的游离气聚集层位的平衡压力或形成一个天然气“囊” (由注热法或化学剂法作用人为形成 ), 与天然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气和水 . 相对于注热开采和注化学剂开采来说 , 降压开采不需要昂贵的连续激发 , 在经济性和环境影响方面具有很大的优势 , 特别是当水合物层与自由气层共同存在时能够取得良好的开采效果[7]. 苏联麦索雅哈气田的开采实践证明了这一点[8]. 近年来 , 天然气水合物开采模拟研究发展迅速 , 美国劳伦斯 通用地下水渗流模拟计算软件 (基础上 , 于1998 年发展了水合物状态方程 ( 2005 年进一步改进模型 , 发展为 件 . 该模型考虑了水合物形成和分解的平衡和动力学模型 . 模型中考虑四相 (气、液、冰、水合物 )、四组分 (水合物、水、甲烷、盐等水溶性抑制剂 )以及拟组分热焓 , 各组分存在于各相中[9]. 该模型可描述水合物分解机理 , 包括降压、注热、加入抑制剂 , [10,11]用该模型对四类甲烷水合物藏进行了模拟 , 并与加拿大 场实验数据进行了拟合 . 近年来 , 又对韩国东海 地的海底水合物藏进行了开采模拟[12]. 2007 年 4~ 6 月我国在位于南海北部陆坡的神狐海域成功钻取了天然气水合物实物样品[13], 我国周边国家日本、印度、韩国相继在其管辖海域开展调查获取了天然气水合物 . 因此 , 对我国南海海域进行水合物开采模拟研究具有一定的前瞻性和紧迫性 . 本文主要利用件 , 采用降压法和注热法相结合的方法对中国南海神狐海域天然气水合物进行开采模拟研究 . 本文所用数据以实测数据为准 , 对于一些暂时缺失的数据综合参考关于该区域调研情况的文献进行取值 . 1 模拟区域 本文模拟区域神狐海域调查研究区位于南海北部陆坡中段神狐暗沙东南海域附近 , 即西沙海槽与东沙群岛之间海域 , 见图 1. 本次模拟区域位于珠江口盆地珠二坳陷 , 该坳陷自中中新世以来处于构造沉降阶段 , 形成了良好的天然气水合物成藏地质条件 . 2007 年 4~ 6月 , 国土资源部广州地质调查局在南海北部神狐海域共完成了 8 个站位的钻探、 测井 , 对 5 个站位进行取芯 , 其中 3 个站位 位上获得天然气水合物样品 . 5 个钻探站位温度原位测量结果表明 , 研究区域的地温梯度为 43~ 图 1 南海神狐海域地理位置图 过对天然气水合物样品的分析 , 初步认为 , 我国南海神狐海域的天然气水合物是以均匀分散的状态成层分布 , 已发现的含天然气水合物沉积层厚度达到10~ 43 m, 水合物层的孔隙度取值在 33%~ 48%之间.水合物占沉积物的孔隙体积的饱和度 26%~ 48% ( 由于深度等地质条件的不同 , 水合物饱和度也不相同 . 海底沉积物压力的计算主要包括两种形式 : 静水压 11 李 刚等:南海神狐海域天然气水合物开采数值模拟 1085 力和静岩压力 . 静水压力是以流体静压力计算海面至海底以下的全程压力 ; 静岩压力是在海水中以静水压力计算 , 在海底之下沉积物中以静岩压力计算[14]. 一些学 者[15~ 18]认为在松散的海底沉积物内 , 孔隙水相互连通并与底层水相连 , 沉积物中孔隙水压力即为静水压力可以用如下经验公式进行计算 : 610PP =+ +式中 : 其值为 h 为水深 ; h 和 z 的单位为 m, g 为重力加速度 , ρ文模拟采用静水压力计算水合物沉积层的压力 . 2 数值模型 模型参数 南海神狐海域 位海水深度分别为 1235, 1245 和 1108 m, 海底温度为 ℃水合物层距离海底深度约为 155~ 229 m, 水合物层厚度分别为 43, 10 和 22 m. 南海神狐海域海水盐度 (质量分数 ) 海底沉积物导热系数 (饱和水 )•m- 1•℃- 1. 水合物层、含水层沉积物导热系数 (不含水 )•m- 1•℃- 1. 图 2描述了本文模拟的南海神狐海域天然气水合物藏模型示意图 , 本模拟区域为圆柱形 , 最大半径 567.2 m, 开采井位于圆柱中心处 . 海水深度取 1230 m, 海底温度和压力分别取 和 水合物层(离海底深度取 195 m, 水合物层厚度取 20 m, 水合物层下部含水层 (度取 10 m, 水合物层上部和含水层下部分别有厚度为 5 m 的上盖层 (下盖层( 水合物层与含水层界面 的温度 ℃压力 假设上下盖层温度 分别取 . 上下盖层压力 水合物层中包含两相 , 分别是水合物相和水相 , 其中水合物的初始饱和度 8% ( 水的饱和度 2% ( 含水层中包含两相 , 分别是水相和气相 , 其中水的饱和度0% ( 气体的饱和度 0% ( 上下盖层、水合物层和含水层中的海底沉积物密度 ρ 取 2600 kg/水合物层的孔隙度 Φ 取 40%. 水合物层、 含水层沉积物渗透率 K 取 10- 13 上下盖层沉积物渗透率 . 相关地层参数和物理性质见表 1. 图 2 南海神狐海域天然气水合物藏模型示意图 A of 采井井口半径 m, 开采井穿过上盖层、水合物层并伸入含水层下 5 m 处 , 即距海底 215 m 处 . 实际井口的流动不是在多孔介质中的流动 , 其流动需要用 程描述[11], 为了避免求解上的困难 , 可将井口处网格的渗透率 10- 8孔隙度 Φ, 毛细压力 . 上下盖层完全密闭且温度假设恒定 , 与水合物层仅发生热量交换 . 表 1 中国南海神狐海域天然气水合物藏物理性质表 2600 kg/ 1000 J•1•℃- 1•m- 1•℃- 1•m- 1•℃- 1 as 00% m m 1086 化 学 学 报 68, 2010 续表 OB B) 0 0 m ((0 m Z (Z (Z 40% Z) K 10- 13= Z) α 10- 81at at m 10- 8= 10,000 n 3 MO( kg/s IN( kg/s IN( 105W PR( kg/s 模拟区域半径为 567.2 m, 水平方向分为 82 个网格 ,第一个网格半径为 0.1 m, 随后的网格距离沿着半径方向逐渐增大 . 竖直方向从上到下包含上盖层、 水合物层、含水层以及下盖层 . 上下盖层各包含 1 个网格 , 层度为5 m. 水合物层网格间距为 1 m, 分为 20 个网格 , 共 20 m. 含水层网格间距为 1 m, 分为 10 个网格 , 共 10 m. 竖直方向共有 32 个网格 . 本文模拟神狐海域水合物藏开采主要分为两个阶段 : (1)降压开采阶段 ; (2)降压+注热开采阶段 . 整个开采过程中的两个阶段分别采用不同的开采方法和开采井设计方式 . 开采井设计 图 3 描述了降压开采阶段开采井的示意图 . 从图 3可以看出 , 整个开采井穿过水合物层并伸入含水层下 5 m 处 . 开采井的贯穿整个水合物层 , 随着降压开采时井周边水合物的分解 , 水合物分解区域不断扩大 , 逐渐形成一个圆柱形的水合物分解界面 , 并且该分解界面的面积逐渐增加 , 促进水合物的分解 . 另外 , 开采井伸入到含水层 5 m, 促进水合物层与含水层界面的压力降低 , 使得水合物层底部水平方向也逐渐形成一个分解界面 , 加速整个水合物开采过程 . 在降压开采阶段后期水合物层上部与上盖层交接面处、开采井附近以及与下层含水层交接面处均产生分解甲烷气体 . 随着降压开采的进行 , 水合物分解产生的甲烷气体逐渐向开采井附近 , 尤其是开采井上部靠近上盖层的附近运移 . 随着甲烷气体的不断积累 , 该区域会逐渐产生“二次水合物” . 所谓形成“二次水合物”就是在水合物已经分解的区域 , 由于降压开采导致温度降低 , 使得该区域中的分解气体和分解水重新形成水合物的过程 . 由于形成 “二次水合物”的区域温度明显低于周边区域的温度 , 往往达到或者超过 3~ 5 , ℃“二次水合物”的渗透率较低 , 一旦形成将很难再通过单纯降压法进行分解 , 于是进入降压+注热开采阶段 . 图 3 降压开采阶段开采井示意图 in 4 描述了降压+注热开采阶段开采井的示意图 , 其中水合物层与下层含水层之间的虚线为图 2 和图 3 中原水合物层与含水层之间的位置.降压+注热开采阶段开采井设计为三段 : (1)上部注热水段 , 共 3 m, (2)中部不注不采段 , 共 17 m, (3)下部 (开采井伸入含水层部分 )降压开采段 , 共 5 m. 从图 4 可以看出 , 从开采井上部注入热水 , 使热水从开采井上部靠近上盖层的部分进入原水合物层所在区域 , 该区域正是“二次水合物”形成的重点区域 . 热水注入后受重力作用 , 沿开采井中部不注不采段向下流动 , 使整个开采井附近避免形成“二次水合物” . 同时 , 开采井下部降压开采段进行降压开采 . 本文模拟中 , 从初始时刻到第 80 d 为降压开采阶段 , 开采井处水和气体的总体产出速度 , 即开采速度kg/s. 从第 80~ 520 d 为降压+注热开采阶段 , 上部注热水段的注热水速度 kg/s, 注热功率 105W, 下部降压开采段的开采速度 kg/s. 11 李 刚等:南海神狐海域天然气水合物开采数值模拟 1087 图 4 降压+注热开采阶段开采井示意图 in 分析和讨论 产气产水规律 图 5 描述了开采井井口位置甲烷气体产出速度 包括降压开采和降压+注热开采两个阶段的整个南海神狐海域水合物藏开采过程. 从图 5可以看出 , 从初始时刻起 , 随着开采井中连续抽出水和气体 , 水合物层中开采井附近分解的水合物区域不断扩大 , 开采井井口产气速度逐渐增大 , 直到第 7 d T m3/s.随后 9 d 达到阶段最小值 T m3/s, 这主要是由于 (1)整个地层中水合物分解产气速度 如图 5 所示 , (2)开采井附近水合物分解产生的气体不能即时通过开采井采出 , (3)随着降压开采地进行 , 开采井附近区域的温度显著降低 , 使得该区域的分解产气速度降低.之后 , 随着整个地层中水合物分解产气速度 水合物分解区域也逐渐扩大 , 井口产气速度 当降压开采进行到第 80 开采井上部靠近上盖层处开始形成“二次水合物” , 如果继续进行单纯的降压开采 , “二次水合物”会沿着开采井从上到下生长 , 并最终在开采井周围形成密实的水合物 , 严重影响水合物开采的进行 . 所以 , 从第 80 d 起开始进入降压+注热开采阶段 . 为了防止“二次水合物”聚集在开采井周边区域 , 将降压+注热开采阶段开采井下部降压开采段的开采速度 kg/s, 远小于降压开采阶段的 kg/s.从图 5 可以看出 , 从第 80~第 88 d, 由于开采井下部降压开采段伸入含水层 , 井口产气主要来自于含水层中的甲烷气体和少量水合物分解产气 , 故开采井井口产气速度 从第88 d 以后 , 水合物分解产气逐渐向下部降压开采段开采井运移 , 产气速度逐渐增大 . 图 5 开采井井口甲烷产气速度 (水合物分解产气速度(时间变化曲线 at 6 描述了开采井井口累积产气量 从图 6 可以看出 , 开采井井口累积产气量 R, 这主要是由于 而 初始气相饱和度 0% ( 如表 1). 结合图 5 和图 6, 在降压开采阶段和降压+注热开采两个阶段 , 水合物在地层中分解产气速度 分别保持在 T m3/s 左右 , 表明这两个开采阶段水合物分解过程比较平稳 . 而开采井井口产气速度波动较大 , 主要是由于开采井降压抽气抽水以及注热等引起开采井附近区域水合物分解 , 压力、温度 , 以及水合物、水和气体饱和度等剧烈变化 , 沉积物中多相流动状态不稳定导致开采井的井口产气速度波动 . 图 6 开采井井口累积产气量 (水合物分解累积产气量(时间变化曲线 of 1088 化 学 学 报 68, 2010 图 7 描述了开采井井口产水速度 从图 7 可以看出 , 井口产水速度主要决定于开采井中的抽气抽水速度 , 分别接近于降压开采阶段的开采速度 热开采阶段的开采速度 说明井口产出的很大一部分是水 , 这与初始条件中设定的水合物、水、气三相饱和度有关 , 从表 1 可以看出 , 水合物层和含水层中水的饱和度分别高达 52% ( 80% ( 图 7 开采井井口产水速度 (累积产水质量 (时间变化曲线 of of 饱和度 图 8~图 11 绘出了南海水合物藏在开采过程中其饱和度、温度以及盐度等参数在开采井周边区域 (r≤ 50 m)的空间分布示意图 , 各图从 a~ f 分别绘出第 20, 40, 60, 80, 200 和 500 d 的分布情况 , 包括水合物层和部分含水层 , 其中从- 5~- 25 m 为水合物层 , - 25 m 以下为含水层 . 图中 Z=- 25 m 处白线标明了初始时刻水合物层与含水层界面所在位置 , 通过与之比较可以看出各参数在水合物开采过程中的变化规律 . 图 8 和图 9 分别绘出了甲烷水合物饱和度 可以得出以下几点结论 : (1)水合物分解过程主要发生在开采井周边区域. (2)水合物层与含水层界面处首先出现含气层 , 气体主要来自于水合物层底部分解气 . 根据本文模拟的初始假设条件 , 水合物层中水合物饱和度达到 48% ( 而与之相接的含水层中水合物饱和度为 0, 故开始模拟后该界面处首先会出现水合物层一侧水合物分解产气的情况 , 随着模拟时间的推进 , 该界面会出现水合物饱和度梯度 . (3)初始时刻水合物层与上盖层界面处只有水合物与水两相存在 , 随着降压开采的进行 , 水合物层顶部逐渐产生分解界面 , 水合物逐渐分解并产生厚度不断增加的含气层 . (4)在冰或者水合物等固相存在的情况下 , 水合物层、含水层沉积物临界流动孔隙度 Φ即只有当孔隙度大于等于 气液才能在沉积物中流动 , 沉积物中孔隙的缩减指数 n 为 3[9]. 由图 9a~ 9b 可以看出 , 在开采初期 (0~ 40 水合物饱和度 of 11 李 刚等:南海神狐海域天然气水合物开采数值模拟 1089 左右 ), 气体集中在水合物层与含水层界面处 , 随着开采的进行 , 气体在地层中有一个聚集过程 . 随着固相水合物的分解 , 当孔隙度大于临界流动孔隙度以后 , 受开采井降压抽气抽水以及气体密度远小于水等因素的共同作用 , 气体逐渐向开采井方向和在沉积物中向上运移直到在上盖层附近聚集 . 结合图 8d 和图 9d 可以看出 ,当降压开采进行到第 80 d, 开采井上部靠近上盖层的区域由于甲烷气体不断聚集以及附近水合物分解降温的共同作用逐渐产生“二次水合物” . 如果继续进行降压开采 , “二次水合物”会沿着开采井垂直向下生长 , 并在短期内在开采井周边区域大量开采水合物 , 导致开采过程被迫中断 . 图 9e 和图 9f 所示 80~ 520 d 的降压+注热开采阶段 , 热水从开采井上部靠近上盖层的部分进入原水合物层 , 消除降压开采阶段该区域出现的 “二次水合物” , 使开采井产气过程得以延续 . 从图 9 随着开采井下部 (- 30 m≤ Z≤- 25 m)降压开采的继续 , 原水合物层中的分解气体逐渐向开采井下部运移并被开采出来 . 到第 500 d 左右 , 距离开采井的半径大于 10 由于远离注入的热水的波及范围 , 且从图 9f 可以看出 , 水合物层顶部聚集了大量的分解气体 , 伴随着开采井下部降压开采的进行 , 该区域 (- 20 m≤ Z≤- 5 m, 10 m≤ r≤ 15 m)逐渐产生 “二次水合物” , 如图 8f. 采用本文模拟所用的单井垂直井和降压、注热的开采过程结束 , 考虑利用水平井协同开采 , 是作者接下来将展开的工作 . 温度 T 空间分布 图 10 绘出了南海水合物藏在开采过程中温度 T 在南海水合物藏开采过程中空间分布示意图 . 如表 1所示 , 上盖层温度 ℃下盖层温度 ℃水合物层与含水层界面 温度 . 图 10a~ 10d 所示 0~ 80 d 的降压开采阶段 , 水合物层上层靠近上盖层的区域 (- 15 m≤ Z≤- 5 m)温度 T 均小于 说明连续降压开采导致水合物层中水合物温度大大降低 , 开采井附近区域甚至降低 5 ℃左右 , 这也是该区域形成 “二次水合物” 的重要原因. 地层中的温度随着深度的增加而逐渐升高 , 如表 1 所示 , 在开采之前 , 温度沿着上盖层、水合物层、含水层以及下盖层逐渐升高 . 随着降压开采地进行 , 水合物层的温度降低 , 使得热量从上盖层向水合物层传递 , 形成地温梯度的逆转 , 促进水合物层顶部逐渐产生分解界面 . 图 10e 和图 10f 所示 80~ 520 d 的降压+注热开采阶段 , 从图中可以看出热水从开采井上部靠近上盖层的部分进入原水合物层 , 热水的注入使得开采井附近出现一个相对高温区域 (- 25 m≤ Z≤- 5 m), 温度约为 16 , ℃足以分解前期降压开采阶段该区域出现的“二次水 图 9 甲烷气体饱和度 of 1090 化 学 学 报 68, 2010 图 10 温度 T 在南海水合物藏开采过程中空间分布示意图 0 of of . 同时 , 随着开采井下部降压开采的继续 , 在- 30 m≤ Z≤- 25 m 的开采井周边区域温度较低 . 盐度 图 11 绘出了海水盐度 于海水中的各种矿物质 , 包括主要盐水成分均不能参与水合物的晶体构成 , 而只能存在于水相中 , 且由表 1 可知 , 南海水合物藏附近海水盐度 (质量分数 ) 随着开采过程的进行 , 水合物分解产生的分解水将水合物藏中的盐水稀释 , 从而在水合物藏中产生盐度 从图11a 到图 11d 可以看出 , 开采井上部及周边区域 , 以及水合物层顶部盐度 同时开采一个连续的盐度分布带 , 结合图 8到图 10的相应时刻的水合物饱和度、气体饱和度以及水合物层温度空间分布可以看出 , 盐度较低的分布带与水合物饱和度较低、分解气体聚集以及温度较低的区域基本吻和.所以 , 可以通过搜索水合物层盐度较低的区域来确定水合物分解的主要区域 . 图 11e 和图 11f 所示 80~ 520 d 的降压+注热开采阶段 , 热水从开采井上部靠近上盖层的部分进入原水合物层 , 新注入的热水的盐度为 0, 热水
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