海洋天然气水合物固态流化开采大型物理模拟实验

天然气水合物是继页岩气、致密气、煤层气等之后潜力巨大的接替能源,国内外天然气水合物开采技术研究和试采工程以降压法为主,均借鉴常规油气开采工艺,由于试采时间短,回避了长期开采存在的环境安全、装备安全、生产安全以及工程地质等风险。为此,由西南石油大学、中国海洋石油集团有限公司、四川宏华石油设备有限公司等单位组成的联合项目组历经多年协同攻关,提出了海洋非成岩天然气水合物固态流化开采原理,发明了基于该原理的模拟实验方法和技术,研制和开发了具有完全自主知识产权的全球首个海洋天然气水合物固态流化开采大型物理模拟实验系统。基于上述实验系统,开展了与海洋非成岩天然气水合物固态流化开采相关的天然气水合物样品快速制备、高效破碎及管道输送等物理模拟实验,验证了海洋非成岩天然气水合物固态流化开采相关理论模型的准确性,揭示了海洋非成岩天然气水合物固态流化开采过程中关键参数的变化规律。该项研究成果为全球首次海洋天然气水合物固态流化试采的成功开展奠定了重要的基础。

深水浅层天然气水合物固态流化绿色开采技术

天然气水合物主要分布在极地和深水陆坡区,约95%储存在深水区,目前冻土和海域试采目标区为成岩天然气水合物矿体并多伴有下覆游离气,可采用降压、注热、注剂和CO_2置换等方法进行开发;储存在深水浅层的细粒裂隙型、分散型天然气水合物虽总量大,但因其埋深浅、非成岩、胶结性差,开采方法尚属空白。根据世界其他海域和我国海域天然气水合物取样进展,首次提出了深水浅层天然气水合物固态流化绿色开采技术,即将深水浅层不可控的非成岩天然气水合物藏通过海底采掘、密闭流化、气液固多相举升系统变为可控的天然气水合物资源,从而保证生产安全,减少浅层水合物分解可能带来的环境风险,达到绿色可控开采的目的。文中重点论述了该技术提出的背景、技术原理、数学分析方法及主要技术核心等,以期为深水浅层天然气水合物开采提供借鉴。

世界首个海洋天然气水合物固态流化开采大型物理模拟实验系统

天然气水合物(以下简称水合物)分别蕴藏于海洋和陆地永冻土带中,但前者的储量约为后者的100倍。海洋环境中的大部分脉状、块状水合物以及细粒沉积物中的水合物都属于非成岩天然气水合物,一般没有像常规油气藏和砂岩水合物储层那样稳定的圈闭构造。针对海洋非成岩水合物的物理特征、成藏特点,依据水合物固态流化开采法的工艺流程,建立了世界首个海洋天然气水合物固态流化开采实验室。该实验室定位于"全自动化的白领型实验室",实验系统共分为大样品快速制备及破碎、高效管输、高效分离、快速检测等模块单元。该实验室的主体功能包括:(1)高效破岩能力评级;(2)海洋天然气水合物层流化试采携岩能力评价;(3)水合物非平衡分解规律及流态动变规律评价;(4)不同机械开采速率条件下水合物安全输送;(5)井控安全规律模拟。该实验室的关键技术指标:工作压力12 MPa、水平管长度65 m、立管长度30 m、管径3英寸。该实验室能模拟1 200 m水深的全过程水合物固态流化开采工艺过程,是西南石油大学联合中国海洋石油总公司、宏华集团原始创新自主设计、自主研发的标志性实验室。

适用于深水浅层非成岩天然气水合物固态流化开采的伞式工具

为了解决已有的天然气水合物(以下简称水合物)采掘工具不适用于大规模、大范围矿层开采而影响开采效率和经济性的问题,基于水合物固态流化开采法的技术思路及工艺特点,设计研发了一种可用于破碎并收集水合物的伞式工具;依据开采工况建立了该伞式工具的三维结构模型,并通过仿真对其进行了稳态力学模拟分析,进而对其开采效果进行了预估。研究结果表明:①伞式工具处于工作状态时,工具整体不会发生失稳现象,最大应力处发生在刀翼与外管杆的连接处,其应力值小于该处所用材料的屈服强度,其余部位的应力值也均在所使用材料的屈服极限内;②该工具刀翼发生侧偏时,结构上有可能产生形变从而影响开采范围,但不会影响旋转破碎水合物;③在开采扭矩的动力传递中,钻杆最大等效应力值小于材料的抗扭强度,且整体并没有发生扭曲变形,仅产生了可忽略的位移量;④采用伞式工具进行水合物开采,其日采掘量可满足经济性要求,具有用于水合物商业化开采的潜力。

固态流化采掘海洋天然气水合物藏破碎参数的优化设计

选取合理的采掘破碎工艺参数和喷嘴结构参数,是实现海洋天然气水合物(以下简称水合物)藏固态流化商业化采掘的关键之一。为了分析实际工程中影响水合物射流破碎效率的因素,依托室内实验和中国南海北部荔湾3站位现场试采取得的数据,以产气量12×10~4 m^3/d作为水合物商业开采目标,采用k—ε湍流模型开展了不同喷嘴直径、泵压等参数情况的仿真模拟分析。研究结果表明:(1)确定了水合物射流破碎临界速度为24 m/s时的喷嘴直径、泵压、排量关系曲线;(2)满足商业开采的单日水合物沉积物采掘量的破碎速度为2.48 m^3/min,其所对应的射流破碎孔径为800mm;(3)在喷嘴直径确定的情况下,直接提升射流排量和泵压会对工艺流程中其他零部件造成一定的损害。结论认为,所优选出的海洋非成岩水合物藏固态流化商业化采掘破碎的设计参数,为固态流化开采水合物破碎参数的优化设计提供了帮助。

海洋非成岩天然气水合物藏固态流化采空区安全性评价

为了解决固态流化法开采海洋非成岩天然气水合物(以下简称水合物)采空区安全性如何评估的问题,以中国南海神狐海域的水合物藏为例,根据水合物射流破碎流化开采工艺及流程,基于圣维南原理建立了采空区有限元模型并进行了网格精度验证,采用研究区水合物藏的物性参数和力学特征参数,模拟分析了垂直和水平采空区的稳定性问题,并探索了海洋非成岩水合物稳定层采空区的安全评价方法。结果表明:(1)基于圣维南原理建立的海底采空区有限元分析模型能够保证计算精度且计算工作量不大;(2)垂直采空区最大偏应力随采空区直径的增加呈现出先快速增加后缓慢增加的趋势,最大应变则随采空区直径的增加而呈线性增加;(3)垂直采空区的安全问题主要受到应力水平的控制,采空区直径不宜超过800 mm;(4)水平采空区最大偏应力和最大应变均随水平采空区直径的增加而呈现出单调增加的趋势。结论认为:垂直采空区的直径可以达到比较大的临界值,其安全性主要属于采空区井壁强度问题;而水平采空区的临界直径值则比较小,其安全性主要属于采空区稳定性问题。

海洋天然气水合物固态流化多相混合浆液水平段运移规律

为了揭示天然气水合物多相混合浆液在固态流化开采工艺水平管段的运移规律,基于固液两相流模型,采用计算流体力学软件建立了相应的仿真分析模型,对比了在相同工况下,双层管双梯度钻井水合物固态流化钻采工艺与常规钻采方式水平段内水合物混合浆液运移效率,分析了水合物丰度、固相颗粒粒径、钻井液流量和举升泵扬程对水合物多相混合浆液运移效率的影响。研究结果表明:在同等条件下,双层管双梯度钻井水合物固态流化工艺水平段水合物混合浆液的运移效率比常规开采方法的高;随着水合物丰度提高,钻井液流量增大,举升泵扬程较大时,水合物多相混合浆体主要以悬移的方式运移,固相颗粒在水平管段中沉积率降低;双层管双梯度钻井水合物钻采工艺更适用于固态流化开采形成的含砂体积分数高、固相颗粒尺寸大的混合浆液运移;在长水平井段分节增设多级举升泵可实现水合物混合浆液二次破碎、减小固相颗粒直径,提高水平段固相颗粒运移效率;适当提高钻井液流量能有效提高水合物混合浆液在水平段中的运移效率。

固态流化采掘海洋天然气水合物藏的水平管段固相颗粒运移特征

为了弄清在固态流化采掘条件下,海洋非成岩天然气水合物(以下简称水合物)藏固相颗粒在水平管段内的运移规律,基于液固两相流模型,采用Fluent软件耦合EDEM软件模拟了在水平管段不同液相速度、不同粒径、不同丰度下的水合物固相颗粒运移特征,并采用大型固态流化采掘物理实验模拟工具对数值模拟结果进行验证。研究结果表明:(1)单颗粒水合物在水平管段中的运移方式以跃移和蠕移为主,水合物颗粒群在水平管段中的运移方式受水合物丰度、液相速度、管径、水合物固相颗粒粒径影响较大;(2)当水合物丰度较低、颗粒粒径较大、液相流速较低时,固相颗粒运移方式主要以跃移、蠕移为主;(3)当水合物丰度较高、颗粒粒径较小、液相流速较大时,固相颗粒运移方式主要以悬移为主;(4)提高液相进口速度是提高水平管内净化效果的有效手段。结论认为:(1)选取破碎效果较好的二级破碎工具可以提高水平管段固相颗粒群的净化效果;(2)水合物固态流化开采水平管段内压力降主要受液相流速影响较大,在满足举升泵设备负荷前提下,应调整注入排量来达到合适的液相流速。

固态流化单喷嘴破碎水合物深度预测新模型及验证

为提升固态流化开采中喷嘴对天然气水合物的射流破碎效率,推动固态流化开采规模化、商业化应用,基于CFD和现有单喷嘴射流破碎实验结果,开展了射流压力、收缩段长度和喷嘴直径对锥直形单喷嘴射流速度分布的影响规律研究,并建立了固态流化单喷嘴破碎水合物深度预测新模型。研究结果表明:(1)锥直形喷嘴射流核心段长度与喷嘴直径呈正相关关系,而与射流压力、收缩段长度无关;(2)射流基本段速度衰减与喷嘴直径和射流压力呈负相关,而与收缩段长度无关。进一步结合非成岩水合物临界破碎速度方程,初步建立了极限破碎深度随单喷嘴直径和射流压力变化的数学模型,并基于单喷嘴射流破碎实验结果进行了模型验证与修正。结论认为:(1)建立的极限破碎深度模型是正确的,修正后模型的计算结果与实验值的最大偏差为7.7%,能够满足固态流化实际工程对水合物破碎的要求;(2)建议开展组合喷嘴极限破碎深度模型研究,分析多个喷嘴组合情况下布置夹角和布置间距对极限破碎深度的影响,最终形成一套水合物高效破碎工具设计方法。

单螺杆泵在海洋天然气水合物流化采输中的模拟实验

天然气水合物固体流化开采是海洋浅层非成岩水合物合理开发的关键技术之一,天然气水合物固体流化输送装置是输送水合物的核心装备,输送装置的合理选用、结构设计和性能测试是保障水合物安全输送的关键。文章针对可燃冰固态流化输送技术要求,设计了一种以单螺杆泵作为主体的模拟输送装置,并对其输送性能进行了模拟实验。实验结果表明,在室温且泵吸入口压力超过10 MPa条件下,该模拟输送装置可实现可燃冰的固态流化输送;关键部件的设计结构、材质和表面处理工艺均可满足可燃冰固态流化输送的工艺要求。该实验研究为海洋可燃冰的固态流化开采工艺及采输装备的研制提供有益的技术参考,具有良好的推广应用前景。

天然气水合物颗粒-水流态化特性模拟研究

在高0.8m,宽0.1m的二维流化床中对天然气水合物颗粒-水的流态化特性进行了模拟,研究了水的入口流速、天然气水合物颗粒直径和密度、初始床层体积分数和初始床高等参数对颗粒分布和压力降等参数的影响。由模拟结果可以看出,床层压力降主要受天然气水合物颗粒密度、初始床层体积分数和床高的影响较大,在初始床高为0.4m时,压力降最大,为1600Pa。而天然气水合物颗粒的分布受水的入口流速、颗粒粒径和初始体积分数影响较大,当水的入口流速在0.06m/s和0.08m/s,颗粒粒径在1.2mm和1.5mm,颗粒初始床层体积在0.4,0.5,0.6时,颗粒在径向上分布的不均匀性提高,但总的而言,这些影响因素可以被调节和控制,同时,本文也为流化床在天然气水合物开采中的进一步应用提供了理论依据。

深海浅层非成岩天然气水合物喷射破碎压控滑套的研制

为了解决海洋天然气水合物固态流化开采过程中射流喷头作业过程不可控、不可重复使用且需要多次起下钻柱等问题,基于节流压降原理与天然气水合物固态流化开采工艺,针对深海浅层非成岩天然气水合物的特点,设计出了一种可控制射流喷头开启与关闭且作业过程不受水深和井深影响的压控滑套,并对其进行了仿真分析与室内实验评价。研究结果表明:①所研制的压控滑套入口处锥面角度越大,滑套所产生的压降与轴向力越大,但钻井液对锥面的冲蚀越严重,因此综合考虑上述因素,滑套锥部角度选择30°为最佳;②钻井液通过滑套的流量越大,滑套内部产生的压降与滑套轴向力越大;③验证实验表明,在钻井液的作用下滑套能够滑动并开启射流喷头,喷头的全开启流量为833 L/min,与设计流量的误差值为4.13%;④试压实验表明,压力滑套内部压力的变化不能驱使滑套运动,有效地验证了其工作状态不受环境压力的影响。结论认为,该工具的研制和应用将有助于促进海洋天然气水合物固态流化开采技术的进步。

天然气水合物喷射破碎压控滑套冲蚀磨损特性研究

目的研究天然气水合物开采过程中,钻井液对喷射破碎压控滑套冲蚀磨损的影响规律及主要影响因素。方法基于欧拉-拉格朗日算法的DPM模型,建立了滑套冲蚀磨损数值分析模型,预测了压控滑套在使用过程中易发生冲蚀磨损的区域。探究了不同的钻井液粒径、入口液相流速、质量流量及封堵块位置的变化,对冲蚀磨损过程的影响规律。结果压控滑套的易冲蚀区域为封堵块面、过流通道口、内壁面三个位置。在控制单因素变量条件下,易冲蚀区域最大冲蚀率和冲蚀面积随着粒径增大而增大,粒径从0.1 mm增大到1.1 mm时,易冲蚀区域平均最大冲蚀率增大了63.4倍,并在不同粒径段呈现不同变化趋势。随着封堵块与滑套距离减小,易冲蚀区域平均最大冲蚀率增加,距离从50 mm降低到5 mm时,平均最大冲蚀率增大了3.8倍,并在不同的距离段呈现不同变化趋势;同时随着封堵块与滑套距离减小,内壁面的冲蚀面积降低明显,封堵块和过流通道冲蚀面积没有显著变化。随着入口流速和流体质量流量的增加,易冲蚀区域最大冲蚀率呈现指数增加,流速从6 m/s增大到14 m/s时,易冲蚀区域平均最大冲蚀率增大了9.5倍,流体质量流量从0.001 kg/s增大到0.007 kg/s时,易冲蚀区域平均最大冲蚀率增大了5.6倍,但冲蚀面积都没有显著变化。结论滑套封堵块面、过流通道和内壁面最易发生冲蚀破坏。冲蚀颗粒直径应该小于0.3 mm为宜,封堵块与滑套距离应该大于30 mm,同时入口流速和质量浓度越小,冲蚀情况越好。综合最大冲蚀率数值及增长倍数分析,粒径是冲蚀率增长的主要因素。该研究为喷射破碎压控滑套的设计和应用提供了指导意义。

基于双层管双梯度深海油气及水合物开发技术研究

为安全高效的开发深水油气和水合物资源,亟需解决深水钻井的窄密度窗口和浅层水合物开采面临的地层漏失严重和开采效率低难题。国内外文献研究表明,国外同心钻杆、海底泵举升和隔水管充气双梯度钻井技术是解决上述难题的有效手段,但其钻井费用昂贵、且对国内技术封锁和垄断。基于此,该研究创新性提出一种基于双层管的双梯度钻井新方法;建立了基于双层管井下泵举升的双梯度钻井井筒压力调控理论及策略;发明了一套双层管双梯度钻井的陆地井实验测试技术。在此基础上,又创新性提出了一种基于双层管双梯度的深水水合物固态流化开发的新工艺,研发了一套天然气水合物射流破碎回收、原位分离回填和泵输一体化开采的工具管串系统,有望突破深水油气和水合物开采的技术和装备瓶颈,为深水油气和水合物的安全高效开采提供具有完全自主知识产权的双梯度钻井技术和装备。

海底天然气水合物原位提纯分离器结构设计及优选

深水浅层非成岩天然气水合物储层胶结性差、含砂量大,在应用固态流化方法开采时原位提纯除砂回填具有可降低能耗、增加开采效率和防止储层坍塌等优势。基于固态流化开采方法提出了原位分离工艺,根据相关经验公式设计了原位分离器结构和初定参数,并采用CFD-Fluent结合单因素法与正交试验法对分离器溢流口直径、锥角、圆柱段长度以及底流口直径等结构参数进行了优选分析。分析结果表明,随着溢流口直径、锥角、圆柱段长度和底流口直径的增大,分离效率先增大后减小;采用单因素法优选结构参数后分离器除砂效率高达98.7%、天然气水合物回收效率高达97.8%,采用正交试验法优选结构参数后分离器除砂效率高达93.8%、水合物回收效率高达98.5%;从最大程度回收天然气水合物考虑,正交试验法对提纯分离器结构参数进行优选效果更好,且应着重考虑底流口直径。本文研究成果可为天然气水合物混合浆体原位提纯分离器设计、制造提供参考。

海底表层天然气水合物藏采掘工具设计研究

由于海洋非成岩水合物藏没有封闭盖层,常规的开采方法不能直接应用,为此周守为院士提出了固态流化开采的新方法。固体流化开采技术的关键在于设计出一种能够全方位破碎并收集水合物的采掘工具。为此,参照现有的海底破岩工具,设计了一种全新的海底天然气水合物采掘钻头,该钻头既可沿竖向破碎水合物,又能沿横向破碎水合物,还能够实现快速聚碴、高效排屑的效果;其次建立了该钻头的有限元仿真模型,并利用Fluent软件对其进行流场分析。研究得出该钻头内部流体在不同工况下的速度分布规律,证明该钻头具有很好的可使用性。

非成岩天然气水合物固态流化模拟实验装置的研制及应用

针对固态流化法射流采掘过程中涉及的多喷嘴组合破碎效应、腔体成形特性、固相粒度分布规律、腔内流场特性和固相运移特性等科学问题,自行研制了一套大型水射流固态流化模拟实验装置。该装置主要包括压力水发生及控制设备、井下工艺模拟装置、抽吸举升模拟设备、数据采集与控制系统和辅助装置5个部分。该装置主要优势在于:利用射流采掘不破坏水合物相态平衡的特点,忽略相态因素简化实验条件,并基于相似材料原理制作了一种水合物替代试样,以此实现对射流采掘过程中多喷嘴径向射流下矿物大范围破碎过程和矿物颗粒有效回收过程的直接模拟。利用该实验装置对南海试采实验中射流采掘过程原尺度模拟,探究了水合物储集层临界破碎速度、采空区直径和固态流化效果。该套实验装置为固态流化工艺射流采掘专用井下装备的研发和工艺参数的优化提供了首套实验平台,对固态流化工程实施具有实际意义。