摘 要

摘　要：中國(guó)目前所發(fā)現(xiàn)的水合物藏缺乏下伏流動(dòng)層，比較接近有上、下蓋層的Class 3水合物，業(yè)內(nèi)對(duì)其開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)性和能效比有質(zhì)疑且相關(guān)研究成果鮮見(jiàn)。為此，采用HydrateResSim模擬水

摘　要：中國(guó)目前所發(fā)現(xiàn)的水合物藏缺乏下伏流動(dòng)層，比較接近有上、下蓋層的Class 3水合物，業(yè)內(nèi)對(duì)其開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)性和能效比有質(zhì)疑且相關(guān)研究成果鮮見(jiàn)。為此，采用HydrateResSim模擬水平井加熱減壓聯(lián)合開(kāi)采Class 3水合物，研究了其開(kāi)采的能效比、氣水比、采收率等參數(shù)。首先定義水合物開(kāi)采所獲得的天然氣的熱值和水合物開(kāi)采過(guò)程輸入物藏?zé)崃恐葹樗衔镩_(kāi)采的能效比(EER)，采用能效比對(duì)水合物開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)；然后，設(shè)定開(kāi)采井的溫度為42℃，在0.2P0(P0為水合物藏初始?jí)毫Γ?span lang="EN-US">1.383×10⁷Pa)、0.5P0、0.8P03種壓力條件下進(jìn)行水平井加熱減壓聯(lián)合開(kāi)采模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①開(kāi)采前期能量消耗大，產(chǎn)水量多；②只有在0.2P0、42℃條件下，氣水比長(zhǎng)期大于l00，采收率在50％左右，同時(shí)，EER達(dá)到l88；③而0.5P0和0.8P0條件下的開(kāi)采指標(biāo)較0.2P0小很多。進(jìn)一步分析0.2P0、42℃條件下水合物開(kāi)采過(guò)程中井內(nèi)熱流數(shù)據(jù)，得到加熱只分解了5.28％的水合物，其他大量水合物由減壓驅(qū)動(dòng)力分解，因而能效比較高。結(jié)論認(rèn)為：水平井加熱減壓聯(lián)合的方法能夠高效開(kāi)采Class 3水合物。

關(guān)鍵詞：Class 3天然氣水合物  水平井  加熱減壓聯(lián)合開(kāi)采  氣水比  采收率  能效比  高效開(kāi)采

A simulation study of Class Ⅲ hydrate production with a high efficiency through the depressurization recovery and thermal stimulation in horizontal wells

Abstract：Natural gas hydrate is a poten{ial and alternative energy source．For lack of the flowing layers underlain，the discovered hydrate reservoirs in China belong to Class Ⅲ hydrate pools，which have top and bottom covered layers．However，most domestic scholars still doubt about the economic possibility and energy efficiency ratio(EER)of Class llI hydrate production and no such literatures have ever been found yet．In view of this，the reservoir simulation tool HydrateResSim was adopted to simulate the production process of Class Ⅲ hydrate through the depressurization recovery and thermal stimulation in a horizontal well，which aims to study the indicators such as EER，gas-water ratio，the gas recovery rate，ere．First，EER，defined by the ratio between energy output from hydrate and energy input to dissociate hydrate，was applied to evaluate the possibility of hydrate dissociation through the above two recovery methods in this case study．Then，the simulation conditions were as follows in the horizontal well：well temperature was 42℃；well pressure was 0.2P0，0.5P0，0.8P0 respectively．P0，the initial pressure of a hydrate reservoir，was equal to 1.383×10⁷Pa．The following findings were concluded．a．At the early stage of hydrate production,there is huge energy consumption needed and a great volume of water produced．b．Only when the well temperature is 42℃ and the well pressure 0.2P0，the gas-water ratio will be kept above l00 for a long time，the gas recovery rate about 50％，and the EER up to 188，the indicators of which are all much bigger than those under the other two well pressures．Furthermore，through the analysis of other heat flow values in the case of 0.2P0,it was found that only about 5.28％hydrate was dissociated by the thermal stimulation；and the others were all by the depressurization recovery．That could explain why the EER in this case is much higher．In conclusion，this study proves that the depressurization recovery and thermal stimulation in a horizontal well will be an economic strategy to achieve the hydrate production under a certain condition；and further studies are needed to demonstrate more than that．

Key words：Class Ⅲ hydrate，horizontal well，depressurization and thermal stimulation，gas-water ratio，recovery rate，energy efficiency ratio(EER)

天然氣水合物(以下簡(jiǎn)稱(chēng)水合物)中蘊(yùn)含的巨大能源資源量引起了許多國(guó)家的關(guān)注，其中既包括中國(guó)、日本、韓國(guó)等常規(guī)能源缺乏的國(guó)家，也包括美國(guó)、加拿大、俄羅斯等常規(guī)能源豐富的國(guó)家^[1-2]。日本已制定了開(kāi)采南海海槽天然氣水合物的長(zhǎng)期規(guī)劃，同時(shí)也計(jì)劃在近期進(jìn)行生產(chǎn)性測(cè)試^[3-5]。

依據(jù)水合物藏的儲(chǔ)層構(gòu)造、地球物理特性等，Moridis將水合物藏分為4類(lèi)：Class l、Class 2、Class3、Class 4^[6-8]。其中Class 3的特征為：上、下層為非滲透層，中間層為水合物結(jié)構(gòu)的水合物藏。Class l、class 2這兩類(lèi)水合物藏具有經(jīng)濟(jì)開(kāi)采價(jià)值，能夠進(jìn)行工業(yè)級(jí)開(kāi)采^[7-9]。而Class 3、Class 4水合物藏，專(zhuān)家們擔(dān)心其開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)性和能效比^[10-11]。特別是Class 4水合物，雖資源總量巨大但飽和度低，水合物分散于整個(gè)物藏，開(kāi)采難度大^[9-10]。

水合物開(kāi)采的原理就是通過(guò)一定的方法，將水合物的狀態(tài)改變，使原先處于穩(wěn)定狀態(tài)的水合物變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，從而發(fā)生分解，如圖l所示。目前水合物的開(kāi)采主要有加熱法、減壓法、注入抑制劑法和置換法。其中加熱法又有多種加熱方式，比如電加熱、注入熱水加熱、注入高溫水蒸氣加熱、電磁加熱以及在原位燃燒加熱等。減壓法則是通過(guò)一定的辦法降低水合物所在位置的壓力，使水合物處于低壓分解狀態(tài)。抑制劑法可以使用不同的抑制劑來(lái)實(shí)施，比如注甲醇溶液、氯化鈉溶液等。置換法指的是用二氧化碳置換天然氣的開(kāi)采方法。上述4種水合物開(kāi)采方法可以單獨(dú)使用，也可以多種方法組合同時(shí)使用，如圖1所示的減壓加熱聯(lián)合開(kāi)采法。這些方法應(yīng)根據(jù)物藏條件靈活使用，也可以針對(duì)一個(gè)物藏的不同開(kāi)采階段選用不同的開(kāi)采方法。

 

減壓法被認(rèn)為具有比較好的能量效率，即能效比高。但是目前發(fā)現(xiàn)的水合物藏，不能只依靠單一的減壓法而將水合物開(kāi)采出來(lái)。麥索雅哈氣田的水合物減壓開(kāi)采，多年來(lái)也都依靠往水合物層注入熱力學(xué)抑制劑，才得以順利開(kāi)采部分水合物。加熱法能夠快速分解水合物，但是加熱法的缺點(diǎn)是投入成本高、能效比低。需要指出的是，加熱開(kāi)采水合物最為重要的作用在于防止二次水合物和冰的形成。注入熱力學(xué)抑制劑法難以采用，其原因除了成本高以外，還因?yàn)闀?huì)帶來(lái)環(huán)境污染，而且對(duì)于無(wú)流動(dòng)性底層的水合物，抑制劑無(wú)法接近待分解的水合物，難于發(fā)揮其作用。二氧化碳置換開(kāi)采法工程實(shí)施困難、置換效率也不高，工藝條件也需要進(jìn)一步探索研究。

減壓法能效比高，而為確保不形成二次水合物和冰，還需要加熱。中國(guó)目前發(fā)現(xiàn)的水合物都沒(méi)有流動(dòng)性底層且滲透性低，采用水平井有可能克服這個(gè)制約。所以針對(duì)中國(guó)的水合物藏，應(yīng)采用水平井減壓法和加熱法聯(lián)合的方式進(jìn)行開(kāi)采。

人們希望能夠采用恰當(dāng)?shù)姆椒?，使得水合物開(kāi)采過(guò)程中能量消耗盡可能少，使水合物在開(kāi)采過(guò)程中有高的能效比。鑒于中國(guó)目前在青海祁連山和南海海底發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物且物藏總量大、物藏各參數(shù)良好^[11-13]，加之南海水合物缺乏明顯的流動(dòng)性底層，比較接近Class 3物藏^[14]，筆者使用HydrateResSim模擬C1ass 3水合物開(kāi)采，以考察水合物開(kāi)采過(guò)程中的氣水比、采收率、能效比等油氣開(kāi)采參數(shù)。同時(shí)利用模擬所得井內(nèi)熱流數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究了水平井加熱減壓聯(lián)合開(kāi)采過(guò)程中，減壓和加熱對(duì)水合物分解的貢獻(xiàn)。通過(guò)孔隙滲流理論，驗(yàn)證水合物分解過(guò)程中的熱流數(shù)據(jù)。進(jìn)而據(jù)此對(duì)水平井加熱減壓聯(lián)合開(kāi)采Class 3水合物是否符合工業(yè)油氣開(kāi)采要求及能否高效開(kāi)采做出判斷和評(píng)價(jià)。

1　開(kāi)采過(guò)程及各指標(biāo)的計(jì)算

1．1　Class 3水合物藏開(kāi)采

假設(shè)Class 3水合物層滲透率為75mD^[15]，為更接近實(shí)際情況，上、下層滲透率均采用45mD。模擬采用截面為0.2m×0.2m的水平井，水合物藏尺寸為80m×400m×1m。物藏其余參數(shù)列于表l，未列出的參數(shù)為軟件默認(rèn)設(shè)置參數(shù)^[16]。

在Z軸方向(豎直方向)，水合物層細(xì)分為Dz=0.2-1m的網(wǎng)格。而上下層在Z方向上，單個(gè)網(wǎng)格lm或2m，Z方向共離散成55個(gè)間隔。在Y方向(寬度方向)，400m被分為3個(gè)網(wǎng)格，兩側(cè)網(wǎng)格均為l99.9m，中間網(wǎng)格為0.2m，用做開(kāi)采井。X方向?yàn)?span lang="EN-US">1m單個(gè)網(wǎng)格?？偩W(wǎng)格數(shù)為l65(55×3)。最頂層和最底層的6(3×2)個(gè)網(wǎng)格作為邊界網(wǎng)格(恒溫、恒壓)，離散所得的網(wǎng)格如圖2所示。開(kāi)采井在網(wǎng)格正中心，圖3為井的放大圖，圖3中示意了流體流向。井內(nèi)溫度壓力條件根據(jù)模擬需要進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。井溫度設(shè)定為42℃(恒溫)，壓力設(shè)置為0.2P0、0.5P0、0.8P0 (恒壓)3個(gè)級(jí)別進(jìn)行模擬開(kāi)采。

 

 

1．2　氣水比

氣水比是衡量水合物開(kāi)采過(guò)程流體收集效率的重要指標(biāo)。井內(nèi)收集到的氣體體積與收集到的水的體積的比值定義為氣水比。開(kāi)采過(guò)程氣水比衡量了開(kāi)采的效率。氣水比顯示的是收集到的流體中，多少成分為產(chǎn)品，多少為水。

1．3　采收比

采收比也是油氣工業(yè)的重要指標(biāo)，目前普遍的油氣開(kāi)采，采收比在0.3～0.6之間就被認(rèn)為具有開(kāi)采價(jià)值。當(dāng)然，采收比和物藏特性、物藏的地質(zhì)結(jié)構(gòu)以及開(kāi)采方法也有關(guān)。通常油氣行業(yè)所說(shuō)的采收比，指開(kāi)采過(guò)程收集到的資源量和物藏中的資源含量之比。對(duì)于水合物的采收比，這里指的是開(kāi)采井內(nèi)收集到的氣體體積和水合物分解出自由氣的體積比。水合物分解氣并沒(méi)有完全流入開(kāi)采井，而有一部分氣體始終留在物藏內(nèi)。既可以從總量上計(jì)算采收比，也可以從分解過(guò)程來(lái)計(jì)算采收比。

1．4　加熱減壓分解水合物貢獻(xiàn)計(jì)算

井的高溫和低壓條件將促使水合物分解。同時(shí)，多孔介質(zhì)中的水合物的分解將提高物藏的流動(dòng)性，進(jìn)而促進(jìn)降壓和加熱驅(qū)動(dòng)力分解水合物的效果，使得水合物藏進(jìn)一步分解，從而形成良性循環(huán)。這樣將使更多的水合物分解，最終達(dá)到開(kāi)采目的。

加熱所消耗能量可以從模擬結(jié)果的熱流數(shù)據(jù)文件中得到。氣水流體流入低壓井，而熱流則從中心井向物藏四周傳遞。HydrateResSim模擬結(jié)果文件中Conx_Time_Series文件中的Heat_flow就是該熱流值^[16]。通過(guò)加熱熔化水合物藏中的水合物所需能量可以按照水合物分解焓計(jì)算得到，記為Qdis。模擬過(guò)程從井內(nèi)流人物藏的能量可以通過(guò)對(duì)熱流在時(shí)間上積分得到，記為Q。Q和Qdis之比作為加熱所分解水合物的貢獻(xiàn)因子，記為h：

 

式中h表示加熱貢獻(xiàn)因子；Q表示模擬井內(nèi)流人物藏的能量；Q拙表示水合物分解所需能量。

Qdis=E×m^mol        　　　        (2)

式中E表示水合物分解得到lmol甲烷的焓54.27kJ／mol；m^mol表示水合物分解得到的氣體摩爾體積。

1．5　孔隙滲流傳熱計(jì)算

開(kāi)采水合物，本質(zhì)上就是孔隙地質(zhì)層中多相多元系統(tǒng)的傳熱與傳質(zhì)問(wèn)題，符合多孔介質(zhì)滲流理論。水合物開(kāi)采模型假設(shè)前提為開(kāi)采過(guò)程滿(mǎn)足達(dá)西定律，也就是認(rèn)為水合物開(kāi)采過(guò)程為層流自然對(duì)流，滿(mǎn)足多孔介質(zhì)層流傳熱傳質(zhì)規(guī)律。所以可以結(jié)合模擬開(kāi)采數(shù)據(jù)，手動(dòng)計(jì)算物藏中換熱大小，井單元流向物藏?zé)崃鳛橛洖?/span>F：

F=FC+FV       　　　   　　    (3)

式中F表示手動(dòng)計(jì)算井內(nèi)流入物藏的熱流；FC表示導(dǎo)熱熱流功率；FV表示滲流換熱功率。

 

式中A1表示導(dǎo)熱面積0.4m²(井左右網(wǎng)格對(duì)井導(dǎo)熱距離大，其導(dǎo)熱熱流忽略)；l表示導(dǎo)熱系數(shù)，其中lrock表示地層骨架(沙石)導(dǎo)熱系數(shù)，3.1W／(m·K)，占0.6的空間，有效導(dǎo)熱系數(shù)為1.86W／(m·K)，lrock表示水的導(dǎo)熱系數(shù)0.58W／(m·K)，孔隙度為0.4，飽和度為0.5，有效導(dǎo)熱系數(shù)為0.12W／(m·K)；DT表示井和其周?chē)W(wǎng)格間溫差，來(lái)自模擬結(jié)果文件；L表示導(dǎo)熱距離0.35m，井中心到上下網(wǎng)格中心距離。

FV＝hA2DT 　　　　　　　　　　　　　(5)

式中h表示換熱系數(shù)；A2表示換熱面積0.8m²井表面積；DT表示換熱溫差，來(lái)自模擬結(jié)果文件。

井內(nèi)換熱視為平板加熱^[18]，換熱系數(shù)由下式確定：

 

式中NU表示努賽爾數(shù)；h表示換熱系數(shù)；l表示特征長(zhǎng)度0.33m，4倍面積除以潤(rùn)周得到特征長(zhǎng)度；lwater表示水的有效導(dǎo)熱系數(shù)，0.12W／(m·K)；Pr表示普朗特?cái)?shù)，取飽和水40℃時(shí)的值；Re表示雷洛數(shù)。

Re=rvl/m     　　　　　　 　　　　  (7)

式中r表示水的密度；v表示水的滲流速度；l表示特征長(zhǎng)度0.33m；m表示水的動(dòng)力學(xué)黏度，取40℃飽和水黏度值。

1．6　能效比計(jì)算

模擬過(guò)程從井內(nèi)流入物藏的能量可以通過(guò)對(duì)熱流在時(shí)間上積分得到，記為Q。收集到的天然氣按理想情況下的高熱值計(jì)算，所獲得熱量記為Qpo，Qp和Q之比，就是本文所定義的水合物開(kāi)采過(guò)程的能效比。能效比可以評(píng)價(jià)水合物開(kāi)采的可行性和經(jīng)濟(jì)性。該值對(duì)于現(xiàn)在成熟的油氣開(kāi)采技術(shù)，平均水平為100左右。也就是，投入l份能量，開(kāi)采得到的資源能提供100份左右的能量，這種方案被認(rèn)為具有經(jīng)濟(jì)性，在能效上，被認(rèn)為具有較好的投入產(chǎn)出比。

 

式中EER表示能效比；Qp表示水合物開(kāi)采所得天然氣的燃燒熱；Q表示模擬井內(nèi)流人物藏的能量。

Qp＝qmg      　　　　　　  　　   (9)

式中q表示天然氣的高熱值37.5 MJ／m³；mg表示井內(nèi)累積收集的氣體體積。

2　結(jié)果與討論

2．1　氣水比

從上述研究成果町以得出，在0.2p0條件下，水合物藏中水合物全部分解，井內(nèi)收集到3.4×10⁵m³的氣體。圖4為0.2p0、42℃，0.5p0、42℃，0.8p0、42℃這3種條件下，井內(nèi)收集水的累積變化圖。從圖4中可以看出，產(chǎn)水集中在開(kāi)采前期1500d，后期產(chǎn)水速率小。在0.5p0、42℃，0.8p0、42℃條件下，也有較大量的水被收集，表明也有較大量的水合物被分解了。圖5為整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中3種條件下，井內(nèi)氣水比隨時(shí)間的變化圖。從圖5可以看出，0.2p0、42℃條件下，氣水比一直在增加，最大值達(dá)到304；而0.5p0、42℃條件下，氣水比增加緩慢，最大達(dá)到136；0.8p0、42℃條件下氣水體積比一直接近0，開(kāi)采后期也沒(méi)有改善?？梢钥闯?，在井內(nèi)壓力高時(shí)，井和物藏間的壓差不夠大，整個(gè)開(kāi)采過(guò)程，分解后的自由氣并沒(méi)有大量流人開(kāi)采井內(nèi)?？梢?jiàn)減壓驅(qū)動(dòng)力對(duì)于分解后自由氣在井內(nèi)的收集非常重要。物藏和井之間壓差太小，自由氣一直留在物藏內(nèi)，無(wú)法在井內(nèi)被收集。

 

 

2．2　采收比

如果水合物已經(jīng)分解，分解氣體不能夠流入井內(nèi)被順利收集，那么這種技術(shù)就沒(méi)有任何經(jīng)濟(jì)價(jià)值和意義。因此井中的流體流動(dòng)對(duì)水合物的開(kāi)采是非常重要的。圖6為3種開(kāi)采條件下，井內(nèi)收集氣體積速率和水合物分解氣的體積速率比(采收比)隨時(shí)間的變化圖。在開(kāi)采初期，水合物分解速率大，分解氣體積速率也大，而井內(nèi)收集速率較小，所以采收都比較低。而在開(kāi)采后期，分解氣體積速率小，收集速率比較平穩(wěn)，所以開(kāi)采后期采收比根據(jù)井和物藏間壓差不同而變化較大。在0.2P0、42℃情況下，采收比在開(kāi)采1000d左右增加到0.3，而0.5P0、42℃情況下，則在2000d左右才達(dá)到0.3，而0.8P0、42℃條件下，采收比始終接近于0。水合物藏總含氣量為6.8×10⁵m³，0.2P0、42℃條件下，井內(nèi)氣體累積收集量為3．4×l0⁵ m³，總采收率為0.5。當(dāng)氣體收集到2.1×10⁵m³，總的采收率約為0.3，0.8P0，42℃條件下，總采收比接近0。由此可以看出，減壓驅(qū)動(dòng)力對(duì)采收比也有著非常大的影響。

 

2．3　加熱貢獻(xiàn)計(jì)算

用80m×400m×1m水合物藏開(kāi)采模擬所得數(shù)據(jù)，結(jié)合開(kāi)采物藏和井的參數(shù)，可計(jì)算減壓和加熱對(duì)水合物分解的貢獻(xiàn)。水合物藏中水合物總質(zhì)量為3.6×10⁶kg。由式(2)可得，完全通過(guò)加熱熔化需要能量1.27×10¹²J。圖7為井流向物藏的熱流隨時(shí)間變化圖。對(duì)圖7熱流進(jìn)行積分，得到輸入物藏累計(jì)能量變化曲線(圖8)。在0.2P0、42℃條件下，輸人物藏的能量最大，為6.71×10¹⁰J。井內(nèi)溫壓條件為0.5P0、42℃時(shí)，輸入物藏的能量為5.39×10¹⁰J，0.8P0、42℃時(shí)，輸人物藏能量為4.39×10¹⁰J。由式(1)可得，在0.2P、42℃條件下，加熱分解了5.28％的水合物，其余的水合物由減壓驅(qū)動(dòng)力所分解。而在另外兩種井內(nèi)溫度壓力條件下，加熱分解的水合物量多一些，而減壓所分解的水合物量相比更少一些。

 

 

流入井內(nèi)的熱流可以通過(guò)手動(dòng)計(jì)算得到印證。下面只對(duì)0.2P0、42℃條件下數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。圖9為0.2P0、42℃條件下，井周?chē)W(wǎng)格溫度隨時(shí)間變化圖。井網(wǎng)格和其相連4個(gè)網(wǎng)格間溫度差及其平均值都列于圖9中，井溫度為定值42℃，平均溫差由如下式定義：

平均溫差＝42-(上+左+右+下)／4 　　　　　　   (10)

從圖9中可以看出，8500d內(nèi)，井和周?chē)W(wǎng)格溫差平均值為30.3℃。因?yàn)樽笥揖W(wǎng)格中心和井網(wǎng)購(gòu)中心距離大，井對(duì)左、右網(wǎng)格的導(dǎo)熱熱流忽略不計(jì)。只考慮上、下網(wǎng)格，導(dǎo)熱距離0.35m。骨架有效導(dǎo)熱系數(shù)為1.86W／(m·K)，水的有效導(dǎo)熱系數(shù)為0.12W／(m·K)。由式(4)，骨架導(dǎo)熱功率64.4W，水導(dǎo)熱功率4.1W，所以總的導(dǎo)熱熱流為68.5W。

 

孔隙滲透換熱能夠?qū)⒛芰總魅宋锊?。圖l0為井周?chē)W(wǎng)格水流速度隨時(shí)間的變化圖。左、右和下表示網(wǎng)格中水流向井內(nèi)，而上則表示井從上流入其正下方網(wǎng)格。圖10中下表示正上方網(wǎng)格流人下方井內(nèi)水流速率，也就是圖10中“下”表示的曲線，該速率遠(yuǎn)高于其他3個(gè)方向的速率。圖ll為井周?chē)W(wǎng)格中氣體速率隨時(shí)間變化圖。同樣是上方網(wǎng)格流向正下方井內(nèi)氣體速率最大，也就是圖ll中“下”表示的曲線。氣流和水流的速率數(shù)量級(jí)均為l04m／s。由于甲烷氣導(dǎo)熱系數(shù)約為0.03W／(m·K)，遠(yuǎn)低于液態(tài)水的導(dǎo)熱系數(shù)，其換熱可以不計(jì)算，這里只計(jì)算水的對(duì)流。

 

 

通過(guò)式(7)，可以計(jì)算得到Re約為4，Pr在40℃為4.32，水的有效導(dǎo)熱系數(shù)為0.12W／m·K。由式(6)，得到換熱系數(shù)為0.79W／(m²·℃)。換熱面積0.8m²，可以得到滲流換熱功率為l9.1W。模擬的8500d，井內(nèi)流入物藏的能量6.71×10¹⁰J，模擬井內(nèi)流人物藏的功率為91.4W。而手動(dòng)計(jì)算井內(nèi)流人物藏的熱流值，由式(3)手動(dòng)計(jì)算的熱流值為87.6W，比較接近模擬井內(nèi)流人物藏的功率。

2．4　能效比計(jì)算

開(kāi)采井內(nèi)收集到3.4×10⁵m³氣體。將所獲天然氣按高熱值計(jì)算，將產(chǎn)生1.26×10¹³J能量。輸入水合物藏的加熱能量為6.71×10¹⁰J。通過(guò)式(8)可算得，水合物開(kāi)采能效比(EER)為188。

實(shí)驗(yàn)窒級(jí)別模擬開(kāi)采測(cè)試表明，開(kāi)采獲得天然氣熱值只有加熱熱水所消耗能量的16％，也就是說(shuō)這種條件下的能效比為0.16^[19]。而Sloan通過(guò)計(jì)算Class 4水合物的開(kāi)采，在物藏孔隙度為0.3，飽和度為0.03時(shí)，水合物分解氣體熱值能將水合物藏的溫度提高l9℃。Sloan的估計(jì)方法不方便計(jì)算能效比，但在這樣的情況下，能效比較大^[20]。筆者通過(guò)水平井加熱減壓聯(lián)合開(kāi)采，其能效比達(dá)到188，這與Kurihara在水合物藏屬性良好情況能效比可達(dá)200左右，也是相符合的^[3]。

當(dāng)然，上面的加熱分解水合物貢獻(xiàn)，能效比計(jì)算沒(méi)有考慮開(kāi)采過(guò)程井內(nèi)低壓條件的獲得所需能量，也沒(méi)有考慮開(kāi)采后氣水分離能耗。同時(shí)，模擬限定水合物藏的狀態(tài)處在水合物的相平衡邊界上。

3　結(jié)論

通過(guò)對(duì)80m×400m×1m水合物藏開(kāi)采模擬，分析了井內(nèi)壓力為0.2p0、0.5p0、0.8p0，溫度為42℃條件下的各開(kāi)采指標(biāo)?？傮w上看，井內(nèi)壓力越低越有利于開(kāi)采。開(kāi)采過(guò)程中氣水比、采收比都隨井內(nèi)壓力降低而增大。同時(shí)各種開(kāi)采條件下，開(kāi)采前期水合物分解多，產(chǎn)水量大；開(kāi)采后期，井內(nèi)流體中氣體產(chǎn)品成分增加。開(kāi)采過(guò)程流人物藏能量較小，水合物分解主要依靠減壓驅(qū)動(dòng)力。加熱驅(qū)動(dòng)力分解了5.28％的水合物，其余的水合物由減壓驅(qū)動(dòng)力分解。水合物開(kāi)采能效比為l88。這表明，水平井加熱減壓聯(lián)合的方法能夠高效開(kāi)采Glass 3水合物。

 

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本文作者：樊栓獅  楊圣文  溫永剛  王燕鴻  郎雪梅

作者單位：華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院·傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室