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随着地质勘探工作的开展,在越来越多的海洋和冻土区发现了天然气水合物,各国政府开始逐渐重视天然气水合物的开发。2007年4月,我国在南海北部神狐海域获得天然气水合物样品;2008年11月,我国在青海祁连山冻土区首次钻获并采集到水合物实物样品,相关的天然气水合物试开采基础研究和开采潜力评价工作才刚刚起步。
本文在自行研制的天然气水合物中试规模三维模拟系统基础上,进行多孔介质中天然气水合物生成特性与降压开采、热吞吐法开采、蒸汽辅助重力排水与蒸汽辅助反重力排水等方法的实验研究,运用压力、温度和电阻等测试手段,监测水合物的形成和分解过程。此外,以实际的钻探和测井数据为基础,对青海祁连山冻土区的天然气水合物藏建立参数模型和网格划分,采用单一水平井定压降压法对我国青海祁连山冻土区天然气水合物藏进行了30年开采模拟研究。研究主要取得如下成果:
首先,甲烷气体从反应釜垂直中心井注入,导致中心区域温度升高,并向四周蔓延,水合物从气液交界面开始生成,由于多孔介质的毛细管作用,甲烷水合物在多孔介质中产生爬壁效应,在多孔介质中呈不均匀分布。将中试规模(117.8L)的天然气水合物实验模拟系统(Pilot-Scale Hydrate Simulator,PHS)和内部有效容积5.8L的天然气水合物立方体型开采模拟系统(Cubic Hydrate Simulator,CHS)的降压开采过程进行了对比,发现两者的产气过程都包含三个阶段:释放自由气、混合产气(自由气和分解气)以及分解产气阶段。自由气和分解气的释放主要受到降压速率的制约;在分解气阶段,环境的热传导是水合物分解的主要驱动力。PHS和CHS的自由气和混合气释放时间几乎相同,在分解产气阶段,水合物尺寸大小对产气速率和时间有显著影响。
其次,通过15轮垂直井热吞吐开采,反应釜内平均温度呈锯齿状上升,注热阶段压力上升幅度逐渐减小,焖井阶段压力上升趋于平缓,生产阶段压力下降的幅度逐渐减小。随着热吞吐的进行,热量来不及向热流推进面扩散,热水就从开采井抽出,前1-2轮注热阶段的热损失相对之后的几轮注热开采热损失较小,热量利用率很高。水平井热吞吐时,在水平井注入一端比底端分解要早,不同于垂直井热吞吐的是,热量由于中途扩散消耗,在注入井底端截面不见温度升高,该处水合物没有发生分解。在高产期,水平井热吞吐的前2轮产气量与垂直井热吞吐的前3轮产气量基本持平;在稳产期,水平井热吞吐的第3～7轮产气量与垂直井热吞吐的第4～8轮产气量基本持平;水平井热吞吐在第8轮开始进入衰减期。
第三,通过蒸汽辅助重力排水(Steam Assisted Gravity Drainage,SAGD)和蒸汽辅助反重力排水法(Steam Assisted Anti-gravity Drainage,SAAD)开采甲烷水合物实验,发现SAAD过程中,累积产水量低于累积注水量,有部分注入水留在反应釜内,SAGD过程中,累积产水量接近于累积注水量。产气过程两者基本相似,只是SAAD过程相对SAGD过程容易发生堵塞,这与管道节流效应引起的结冰有关。
最后,通过采用单一水平井降压法对青海祁连山冻土区DK-3钻井区域水合物藏进行了30年开采模拟研究,发现在各个降压幅度条件下,井口产气累积体积(Vp)和水合物分解产气累积体积(VR在开采前期(0-10年)超过总产气量和总释放量的一半,并且随降压幅度的增大Vp和VR依次增大(Vp小于VR),水合物藏中还残余一部分以自由气形式存在的气体。在各个降压幅度条件下,直到30年的开采过程结束,水合物藏仍然存在一定量的水合物未分解。