天然气水合物降压开采实验模拟研究.docx

天然气水合物降压开采实验模拟研究论文关键词：天然气水合物降压开采影响因素论文摘要：天然气水合物是储量丰富、优质洁净的新型能源，其开采技术的研究具有重要的理论和实践意义。本文利用天然气水合物开采实验模拟系统进行了填砂管模型中天然气水合物的合成及降压开采实验研究，分析了天然气水合物合成过程中甲烷气体的转化；分析了开采过程中的产气和产水规律、压差变化规律以及压差对天然气水合物分解的影响；研究了降压幅度和初始开采温度对降压开采效果的影响。研究表明：天然气水合物的降压开采受到水合物分解和产出的双重控制，瞬时产气量波动很大，产气速度较高且主要受压降幅度和温度的影响，产水速度小且维持在较稳定的水平。前言天然气水合物(NaturalGasHydrate)是在高压和低温条件下由轻烃、CO2及H2S等小分子气体与水相互作用形成的白色固态结晶物质，因遇火可以燃烧，俗称可燃冰，它是一种非化学计量型晶体化合物，或称笼形水合物、气体水合物[1，2]。自然界中存在的天然气水合物中天然气的主要成分为甲烷(>90%)，所以又常称为甲烷水合物(MethaneHydrate)[3]。天然气水合物是一种高密度、高热值、洁净型能源，据科学家估计，全球天然气水合物的资源总量换算成甲烷气体约相当于全世界已知煤炭、石油和天然气等能源总储量的两倍。我国现在的能源结构属于污染型能源结构，后备能源资源严重不足。而且，随着我国油气资源的枯竭，寻求储量巨大的新型接替能源已是迫在眉睫。据有关资料分析，我国的东海冲绳海槽、台湾以东海域和南海等海域，以及青藏高原的冻土层都具备天然气水合物形成的条件[4]。因此，开展并加强对天然气水合物的研究，对我国开发和利用这种矿产资源具有重要意义。1.1实验材料与仪器实验材料包括石英砂、蒸馏水、甲烷气、氮气、NaCl(分析纯)等。实验仪器为天然气水合物模拟开采系统1.2实验结果与分析1.2.1压差分析(1)瞬时压差随时间的变化（如图1-1）\s图1-1瞬时压差随时间的变化(2)累积压差随时间的变化（如图1-2）\s图1-2累积压差随时间的变化由图1-1、图1-2可以看出：在水合物分解的初始阶段，系统的压差波动比较小，这是由于填砂管内有伴生自由气产生；随后系统压差的变化越来越大，这时，水合物分解的越来越快，自由气也大量产出，自由气对产气速度的影响越来越小，而NGH的分解对系统压差的影响越来越大；到了分解的后期压差逐渐减小为零，分解速度也越来越小，直至最后完全分解。1.2.2产气量分析(1)瞬时产气量随时间的变化（如图1-3）\s图1-3瞬时产气量随时间的变化从图1-3可以得出，瞬时产气量曲线波动比较大，分析曲线变化规律可以看出，其基本都包括以下三个阶段：①初始降压阶段，随着系统压力的开始下降，产气速度迅速升高。这主要是因为：填砂管内含有自由气，属于伴有自由气的NGH藏类型，当系统压力开始降低时，伴生自由气会首先迅速膨胀产出；降压开采之前系统压力、温度接近NGH的平衡曲线，同时在降压过程中入口压力和出口压力基本保持一致，即此时相当于零维系统，这就导致NGH很快处于平衡曲线之下而开始分解。②产气速度达到峰值后，很快开始下降。这是因为随着压力的进一步降低和自由气的大量产出，自由气对产气速度的影响越来越小，而NGH分解对产气速度的影响越来越大。③产气速度逐渐减小为零。随着NGH分解的进行，分解表面积越来越小，分解速度也越来越小，直至最后完全分解。(2)累积产气量随时间的变化（如图1-4）\s图1-4累积产气量随时间的变化从图1-4可以得出，累积产气量曲线在分解的初始阶段波动比较大，主要是因为在这个阶段水合物分解迅速，还有大量的自由气的产出；随着时间的推移，曲线逐渐趋于平行，说明水合物分解完成。(3)不同出口压力下累积产气量的变化（如图1-5）\s图1-5不同出口压力下累积产气量的变化从图1-5可以得出在降压的过程中，出口端压力越小，形成的压力梯度越大，水合物分解越快，分解时间越短。(4)不同初始温度下累积产气量的变化（如图1-6）\s图1-6不同初始温度下累积产气量的变化图1-6可以看出，初始开采温度越高，水合物的分解越快，分解时间越短。从以上对产气量的分析可以得知：在本实验条件下，产气量的变化规律是：开发初期产量上升较快，然后逐渐平缓，随着出口压力的逐渐降低，先是缓慢增加，接着有一个快速增长段，然后增长幅度又逐渐变缓，到开发末期产量已经很小了。在降压开采的过程中，压降变化的幅度和初始开采温度对水合物的分解有很大的影响。1.2.3产水量分析(1)瞬时产水量分析（图1-7）\s图1-7瞬时产水量随时间的变化从图1-7可以得出，分析产水曲线，其与产气规律相似，可以分为三个阶段：①初始降压出气时不出水，出水时间要滞后于出气。这是因为填砂管中水的饱和度比较小，自由水比较少