水合物降压分解的实验及数值模拟

在天然气水合物一维分解模拟系统上进行模拟多孔介质中水合物降压分解的实验。在考虑天然气水合物分解动力学机理以及流体渗流模型的基础上,建立天然气水合物降压分解的数学模型。利用模型对降压实验进行拟合,获得了多孔介质内水合物分解本征速度常数数量级为102mol.m-2.Pa-1.s-1,比文献中测定的纯水中水合物分解本征速度常数低3个数量级。对模型进行了参数分析,发现对于实验室规模的一维系统,分解动力学过程控制整个分解过程,而对于现场规模的水合物藏,整个开采过程受水合物藏流动特性的控制,而受水合物分解过程的影响较小。

石英沙中甲烷水合物的降压分解实验研究

为了解自然赋存条件下天然气水合物的分解性质,本研究在20～40目石英砂中进行了甲烷水合物降压分解实验。实验表明,与温度及压力一样,电阻是甲烷水合物形成和分解良好的指示参数。当水合物形成,电阻快速增大;水合物分解时电阻快速减小。实验研究表明,与注热水分解相比,降压分解速率要小得多。同时当采取密闭的分解方式时,随着分解的进行分解速率逐渐变小。由形成/分解体系的物料衡算及反应速率方程可以得出分解速率常数值。

油气管道中水合物降压分解实验

利用高压环道装置,以柴油、水、天然气为实验介质,在不同含水率(30%、70%、100%)等条件下进行管道内水合物的降压分解实验,研究水合物在油气管道中的降压分解过程。根据实验中水合物形态的演化情况,分析了管道内水合物降压分解的过程和特性,并据此提出了水合物在管道内降压分解的简化物理模型。该模型由4个独立部分组成:水合物在管壁上的分解,主要描述管壁水合物层的变薄、坍塌和脱落过程,气体运移通道和油包气泡结构会在上述过程中出现;水合物在纯水体系中的分解,主要描述管道内的水合物云团因水合物颗粒的不断上浮和分解而逐渐变薄直至消失的过程;水合物在水基体系中的分解,主要描述管道内的水合物云团因水合物絮体的不断上浮和分解而逐渐变薄直至消失的过程,该过程中液相分层现象会因水合物的分解而愈加明显;水合物在油基体系内的分解,主要描述絮状水合物云团因分解而整体收缩直至消失的过程,在该过程中会出现由水合物分解水向下沉降而形成的液相分层现象。

甲烷水合物降压分解控制机理实验研究

自然界中甲烷水合物储存条件复杂,直接岩芯取样进行研究存在困难。通过搭建水合物合成与分解实验系统,对多孔介质中甲烷水合物的合成与分解特性进行了实验研究,测定了甲烷水合物的相平衡曲线,通过对甲烷水合物进行降压分解实验研究,结果表明在渗透率较大的多孔介质中,热量传递是影响水合物分解的主要控制因素。

天然气水合物降压分解诱发储层变形破坏正交数值模拟实验研究

使用降压法进行天然气水合物开采时,天然气水合物沉积层的失稳破坏是制约其有效开发的关键因素。考虑水合物饱和度和有效应力同时变化对水合物沉积层主要力学参数的影响,建立天然气水合物降压分解诱发储层变形破坏的流固耦合弹塑性模型,编制USDFLD子程序,采用正交数值模拟实验方法,研究初始水合物饱和度、井底压力和有效主应力差对水合物沉积层近井储层变形破坏影响的敏感程度。结果表明:井底压力和有效主应力差是影响近井储层变形破坏的2个显著因素;对近井储层等效塑性应变最大值的影响程度由大到小依次为井底压力、有效主应力差、初始水合物饱和度;对塑性区范围的影响程度由大到小依次为有效主应力差、井底压力、初始水合物饱和度;建议根据水合物藏的地质条件,对井底压力进行优化设计。研究成果对采用降压法进行天然气水合物开采的安全性、可控性具有重要意义。

边界传热条件下甲烷水合物降压分解的LBM模拟

研究甲烷水合物分解过程的传热机理对其合理开采意义重大。基于Kim-Bishnoi动力学模型,采用格子Boltzmann方法,建立了二维甲烷水合物分解的流体流动模型、传质模型和耦合传热模型,并运用固相更新法追踪甲烷水合物固体的消融。模拟了边界绝热、边界加热条件下水合物分解过程,分析了不同边界温度、孔隙率和水合物赋存状态对产气率、累计产气量和温度的影响。结果表明,边界加热条件下水合物完全分解的产气量为4925 cm^(3),而边界绝热条件下累计产气量仅为边界加热条件下的3/8,需要通过外部提供热量使水合物继续分解;联合降压与边界加热有利于水合物的开采,但是边界温度的升高对提高水合物分解速率效果有限;包裹状态下和孔隙率较大的水合物藏分解更快。

水合物降压分解过程中沉积物孔隙结构动态演化规律

选取两种不同粒径分布的天然海砂样品,在相同实验温度及压力条件下合成甲烷水合物.开展水合物降压分解X-CT微观实验,获取不同时刻的沉积物内部构成图像.对X-CT扫描图像进行阈值分割、三维重建及拓扑等效等处理,建立不同粒径含水合物沉积介质不同分解阶段的三维孔隙网络模型,研究水合物降压分解过程中沉积物孔隙结构动态演化规律及其控制机理.研究表明,甲烷水合物微观分布非均质特征显著,分解过程开始于气-水合物接触的位置,分解初期水合物具有孔隙填充、颗粒胶结等多种赋存模式,而分解后期孔隙中主要赋存颗粒胶结型水合物.随着水合物饱和度的减小,不同粒径含水合物沉积物的平均孔喉半径、孔隙度、绝对渗透率以及两相共渗区宽度均不断增大,配位数、形状因子及束缚水饱和度逐渐减小.受水合物分解动力学行为影响,分解前期沉积物平均孔隙半径缓慢降低,水合物饱和度下降至某一临界值(小于0.1)后,平均孔隙半径和绝对渗透率急剧增大.粒径分布越窄,相同水合物饱和度下沉积物平均孔隙及孔喉半径、孔隙度和绝对渗透率越高,但不同粒径沉积介质配位数和形状因子的变化存在交叉点,表明含水合物沉积物微观孔隙结构特征受粒径分布、水合物微观赋存状态及空间分布的协同影响.

胶结型深海能源土升温降压联合分解离散元分析

将一个新近提出的考虑温度-水压-力学综合影响的二维微观胶结模型引入离散元商业软件PFC2D中生成水合物胶结型能源土,通过在双轴试验过程中同时改变温度与反(水)压,在良好排水、排气的条件下模拟了被认为有较好开发前景的升温降压联合开采法,为探索可燃冰开采新方法提供参考.试验结果表明,偏应力小于净砂样破坏偏应力时,开采完成后土体未发生破坏;偏应力大于净砂样破坏偏应力时,开采完成后土体内会产生若干条未充分发展的剪切带;此外,对分解四个不同阶段的微观变量,如接触分布、平均纯转动速率及准静态速度场,进行了较为详细地分析.

松散沉积物中降压幅度和饱和度对天然气水合物分解过程的影响

为了弄清楚降压幅度和饱和度对于天然气水合物(以下简称水合物)分解过程的影响规律这一事关水合物工业开采的核心问题,基于我国南海北部神狐海域沉积物粒径特征配置出多孔介质样品,在实验室模拟试采区现场钻孔压力、温度、盐度、饱和度条件,开展了松散沉积物中两种饱和度范围(Sh,Ⅰ=23%~26%,以下简称体系Ⅰ;Sh,Ⅱ=46%~50%,以下简称体系Ⅱ)和4种降压幅度(12 MPa、9 MPa、6 MPa、3 MPa)条件下水合物降压分解实验。研究结果表明:①降压幅度为12 MPa条件下产气集中于分解前期,分解前期产气量随饱和度增大占产气总量比例升高;②分解时间(开发期)随降压幅度的增大呈线性减小趋势,降压幅度增加9 MPa,体系Ⅰ与体系Ⅱ的分解时间分别缩短为原来的28.39%和44.97%;③高饱和度体系水合物瞬时产气速率波动较为剧烈,其在降压幅度12 MPa条件下瞬时产气速率峰值、阶段产气速率峰值为最大,降压开采效果较好。结论认为:①所做实验和南海试采结果均表明,产气速率峰值在降压开采前期出现,可能引发储层和井筒失稳,需在水合物降压开采进一步试验和现场工程中加强关注;②后续研究需借助较大尺度水合物降压开采模拟装置,明确尺寸效应对水合物降压开采产气规律的影响。

水合物封闭升温及降压分解气液迁移特性

水合物分解过程产生的气液固迁移特性是影响水合物分解速率的关键要素。基于此,搭建了一套可视化的水合物生长及分解特性研究实验系统,通过该系统对封闭升温及降压分解过程中气液迁移特性进行了研究。实验结果表明,水合物在封闭升温分解过程中的气液迁移主要是通过形成气体通道实现的;同时,水合物分解过程中的气液迁移会造成沉积物的体积膨胀,在封闭升温分解过程中,沉积物体积膨胀率随着分解次数的增加而增加,三次分解膨胀率依次为18.7%,34.7%和45.4%。背压为0.1 MPa的降压分解中,体积膨胀率为64.7%,温度迅速下降,并伴随着冰的生成或水合物的再次生成阻碍分解,但是降压依然加速了水合物的分解,使得水合物的总分解速率相对于封闭升温分解提高了20.5%。实验结果对水合物技术应用具有理论和数据支撑作用。

CO_(2)水合物分解实验及分解速率模型

利用CO_(2)水合物(以下简称水合物)储存与固定CO_(2),能够减缓全球温室效应,是当前水合物界研究的热点。为了探究水合物的分解机理与分解速率,利用反应釜开展了不同降压幅度、温度以及初始水合物体积分数工况下的水合物分解实验;基于实验结果分析了压力、温度、水合物体积分数以及质量交换与能量交换对分解速率的影响,进而建立了考虑本征分解动力、质量交换等综合机制影响的水合物分解速率模型。研究结果表明:①在水合物分解过程中,存在着气泡在水合物表面解吸与边缘薄片状水合物颗粒脱离两种分解现象;②水合物分解是一个本征分解动力驱动、质量交换和热量交换的过程,可以根据分解速率的变化情况将其划分为稳定分解和分解衰弱两个阶段,前一阶段分解速率维持在定值,后一阶段随着分解阻力(质量交换)的增大,分解速率逐渐降低;③压力和温度均通过影响水合物表面实际逸度与相平衡逸度之差来驱动分解的进行,降压幅度的增大会使分解速率升高,同时使得稳定分解段持续时间增长,而温度升高也能增大分解速率,但影响相对降压来说较小。结论认为,所建立的分解速率模型能够很好地预测水合物分解速率的大小及变化趋势,在工况2.0 MPa的情况下,与实验结果的最大相对误差为5.1%。

天然气水合物在多孔介质中非静态降压裂解实验研究

模拟海底多孔介质的实验条件,利用磁力搅拌系统造成强制甲烷水合物裂解环境,分别研究了同在压力2.5 MPa时,恒温水浴在274.15、275.15、276.15、277.15 K的不同温度条件下,以及恒温水浴温度同在276.15 K时,在1.6、1.9、2.2、2.5MPa的不同分解压力条件下的分解状况,进而得出温度和压力对降压分解的影响规律。

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。

多孔介质中不同饱和度天然气水合物的分解特性研究

开采天然气水合物对缓解世界能源危机、解决中国天然气资源短缺问题具有重要现实意义。降压法是开采天然气水合物一种较为简单、安全、有效的方法,但是目前对水合物饱和度较高条件下的降压分解特性缺乏深入认识。在多孔介质(石英砂)体系开展了天然气水合物的生成与分解实验,研究了3种不同水合物饱和度(38.1%、42.1%、46.4%)条件下的水合物降压分解特性,分解压力分别为2 MPa和3 MPa。实验结果表明:2 MPa对应的产气速率较高,但是模拟储层温度会降至冰点以下,在实际水合物开采中会引起冰堵,阻碍水合物进一步分解。当分解压力为3 MPa时,在0~2 h内,随着水合物饱和度增加,产气速率减小;从2 h到水合物分解结束,水合物饱和度越高,产气速率越高;在降压阶段,不同饱和度水合物的储层温度(T_(1)、T_(2)、T_(3))快速下降且最低温度相似;在恒压阶段,不同饱和度水合物的储层温度开始回升,水合物饱和度越高,储层温度波动越大,并且恢复至实验设定温度需要的时间越长。研究结果将为水合物试采过程防止冰堵现象发生、提高气体回收率提供重要的理论参考。

损伤效应下天然气水合物产气规律模拟研究

天然气水合物分解产生的固体结构损伤影响着沉积物的力学行为,建立了考虑损伤效应的温度-渗流-应力-化学的多物理场耦合理论模型,对比验证该模型的可靠性并分析降压幅度、沉积物初始绝对渗透率和沉积物初始孔隙度对水合物损伤及产气规律的影响。结果表明:降压幅度较大会加剧水合物损伤,较快完成分解;高初始绝对渗透率在围压作用下会引起水合物孔隙闭合,抑制损伤产生,降低产气速率;不同初始孔隙度下,水合物损伤变化呈现出“快-慢-快”3个阶段,初期快速分解促进损伤产生,中期产生较大压缩变形抑制损伤产生,后期分解体积大于沉积物压缩变形使得损伤速率再次加快。

X-CT法研究砂岩中甲烷水合物动态分布规律

采用Berea砂岩作为沉积物,利用自主研制的反应釜进行甲烷水合物生长和分解实验,运用高分辨X-CT进行甲烷水合物微观观测,研究了其在Berea砂岩孔隙内的分布规律。结果表明:水合物形成初期在沉积物孔隙内以悬浮模式为主,后期以接触模式为主,中期以接触与悬浮共存模式为主;水合物的升温分解过程与其生长过程分布规律正好相反;水合物降压分解初期以接触与悬浮共存模式为主,后期以悬浮模式为主;相对于升温过程,水合物分解过程对压力下降表现得更灵敏。

含下伏气沉积层内水合物相变与产气特性

含下伏气的水合物沉积层被认为是最具开采潜力的水合物储层类型。本文利用岩心夹持器在恒定围压9 MPa下,研究了连通不同压力下伏气的南海沉积物内天然气水合物生成、分解及产气特征。研究结果表明,水合物饱和度与下伏气初始压力(7.2~8.1 MPa)呈非线性正比关系,而在8.1~8.4 MPa内两者呈负相关。同时,发现在降压开采过程中下伏气为水合物分解提供热量,促进了水合物分解,提高了水合物平均分解速率。此外,下伏气有助于缓解压降速率,从而有效减轻有效应力对水合物沉积层的破坏。下伏气作为开采产气的重要供气源,能提高气体回收率。本文研究结论将为今后降压开采含下伏气的水合物提供一定的理论指导。