天然气水合物开采模拟与能效分析

【摘要】：世界能源消费量巨大，导致传统石化能源供给紧张。同时由于传统石化能源储量只够未来几十年的使用，急需寻找新的替代能源。天然气水合物在自然界储量巨大，其中的碳含量是传统石化能源总含碳量的数倍，有潜力成为未来的主要能源。因此水合物的工业化开采非常迫切，急需寻找天然气水合物工业化开采的方法。 本文将自然界天然气水合物藏分为4类，Ⅰ类水合物在现有技术条件下容易开采，Ⅳ水合物饱和度低不值得开采，Ⅱ类、Ⅲ类水合物开采存在较大争议。Ⅱ类水合物为水合物长期开采后的形态，未来水合物开采必须面对此类水合物开采问题，中国南海神狐海域水合物为Ⅲ类。本文针对Ⅱ类、Ⅲ类水合物藏，采用不同开采策略进行开采模拟。 采用HydrateResSim对水合物进行开采模拟。为了验证数值模拟与实际水合物分解情况的吻合度，首先用过量水在实验室条件下，多孔介质中合成Ⅱ类水合物，然后1MPa定压分解，对比实验室水合物分解情况与数值模拟结果的一致性。在此基础上，进行Ⅱ类水合物藏开采模拟。Ⅱ类水合物藏上层为水合物，下层为水，其渗透性良好，采用竖直井开采。同时考虑单一减压法难于独立有效开采，所以采用加热辅助开采。采用加热热流密度为1200W/m，加热长度共20m，总共加热功率24000W；井内压力根据工程实践设置为0.2P0，0.5P0，0.8P0，因此Ⅱ类水合物藏开采策略为竖直井加热减压开采。0.2P0开采条件下开采情况最为理想，开采500天水合物分解气体释放平均速率为1.5m/s，井内气体收集平均速率约0.25m/s，水合物分解释放气体总体积6.5×10~7m~3，气体收集总体积1.0×10~7m~3，水收集总质量1.1×10~9kg，水气体积比约为6，采收比约0.15，加热分解水合物贡献为8.5%，开采过程能效比为5.1。从开采前期500天情况看，Ⅱ类水合物工业开采困难。但从开采发展趋势看，气水体积比及气体收集速率呈上升趋势，表明Ⅱ类水合物开采后期情况将得到改善。 Ⅲ类水合物藏存在上下非渗透层，而且为单层水合物，其渗透率低，制约水合物开采。采用水平井能有效克服这类水合物藏渗透率低的约束，因此采用水平井加热减压联合开采Ⅲ类水合物。井内温度压力开采条件参考油气工程实践设置为0.2P042℃，0.5P042℃，0.8P042℃。Ⅲ类水合物藏3D开采模拟时0.2P042℃开采条件下开采情况最好，模拟开采450天，气体释放速率达到4-5m~3/s，累积释放气体1.6×10~8m~3（约为每天350,000m~3），达到工业开采要求。Ⅲ类水合物藏2D开采模拟显示，0.2P042℃开采条件下，开采8500天水合物全部分解，累积分解气体6.8×10~5m~3，累积收集气体3.5×10~5m~3，累积收集水质量1.1×10~6kg，气体采收比约0.5，气水体积比持续上升，最高达304。加热分解了5.28%的水合物，其余水合物由减压推动力分解。水合物藏中开采得到的天然气按高热值计算，Ⅲ类水合物开采过程能效比达到188。 【关键词】：Ⅱ类天然气水合物 Ⅲ类天然气水合物 天然气水合物开采 数值模拟 能效比
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TE37
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-20
• 第一章 绪论20-51
• 1.1 气体水合物概述21-24
• 1.1.1 气体水合物发展概述21
• 1.1.2 水合物物化特性21-23
• 1.1.3 水合物相平衡23-24
• 1.1.4 分解动力学24
• 1.2 水合物开采基础研究24-32
• 1.2.1 水合物资源总量评估24
• 1.2.2 水合物资源勘探24-26
• 1.2.3 水合物成藏原理26
• 1.2.4 水合物开采原理26-27
• 1.2.5 水合物藏开采方法27-32
• 1.3 水合物藏分类及开采评价32-37
• 1.3.1 水合物藏分类32-34
• 1.3.2 各类水合物开采34-36
• 1.3.3 水合物藏开采评价36-37
• 1.4 水合物开采研究现状37-49
• 1.4.1 水合物现场开采37-41
• 1.4.2 实验室分解模拟41-45
• 1.4.3 水合物分解数学模型45-49
• 1.5 本课题研究意义及主要问题49-51
• 第二章 水合物藏开采数学模型51-62
• 2.1 水合物开采过程分析51-52
• 2.2 水合物开采模型假设52
• 2.3 水合物开采数学方程52-57
• 2.3.1 质量守恒方程53-54
• 2.3.2 能量守恒方程54
• 2.3.3 分解动力学方程54-55
• 2.3.4 水合物相平衡方程55-56
• 2.3.5 本征方程56-57
• 2.3.6 辅助方程57
• 2.4 物性参数57-60
• 2.4.1 密度57
• 2.4.2 导热系数57
• 2.4.3 热容57-58
• 2.4.4 气体溶解度58
• 2.4.5 相对渗透率58-59
• 2.4.6 水合物分解焓59
• 2.4.7 气体节流系数59-60
• 2.5 方程离散及代码编译60
• 2.6 开采评价方法60-61
• 2.6.1 加热贡献60-61
• 2.6.2 开采过程能效比61
• 2.7 本章小结61-62
• 第三章 实验室条件下水合物分解模拟62-72
• 3.1 实验室水合物合成62-66
• 3.1.1 实验材料及装置63-64
• 3.1.2 实验过程64-66
• 3.2 实验室水合物分解66-67
• 3.3 数值模拟实验室水合物生成67-69
• 3.4 数值模拟实验室水合物分解69-71
• 3.5 本章小结71-72
• 第四章 Ⅱ类水合物开采研究72-93
• 4.1 Ⅱ类水合物藏模型72
• 4.2 Ⅱ类水合物藏开采72-76
• 4.2.1 Ⅱ类水合物开采方法72-75
• 4.2.2 模型离散75
• 4.2.3 HydrateResSim 参数设置75-76
• 4.3 Ⅱ类水合物开采过程分析76-87
• 4.3.1 水合物分解76-77
• 4.3.2 物藏水合物饱和度分布77-79
• 4.3.3 物藏自由气饱和度分布79-81
• 4.3.4 物藏水饱和度分布81-82
• 4.3.5 气体释放速率82-83
• 4.3.6 物藏压力温度分布83-86
• 4.3.7 累积产气量86-87
• 4.4 开采井内流体分析87-90
• 4.4.1 井内气体收集速率87
• 4.4.2 井内气体累积收集量87-88
• 4.4.3 井内水累积收集量88-89
• 4.4.4 井内气水体积比89-90
• 4.5 Ⅱ类水合物开采评价90-92
• 4.5.1 开采过程采收率90
• 4.5.2 热流分析90-91
• 4.5.3 Ⅱ类水合物加热贡献91
• 4.5.4 Ⅱ类水合物开采能效比91-92
• 4.5.5 Ⅱ类水合物开采水管理92
• 4.6 本章小结92-93
• 第五章 Ⅲ类水合物开采研究93-113
• 5.1 Ⅲ类水合物藏模型93-94
• 5.2 Ⅲ类水合物开采策略94-98
• 5.2.1 开采策略94-96
• 5.2.2 井设计和物藏离散96-98
• 5.3 Ⅲ类水合物开采过程分析98-106
• 5.3.1 水合物 3D 模拟开采分析98-100
• 5.3.2 水合物 2D 模拟开采分析100-102
• 5.3.3 井中流体分析102-105
• 5.3.4 气水体积比105
• 5.3.5 采收比105-106
• 5.4 加热贡献106-111
• 5.5 Ⅲ类水合物开采过程能效比111-112
• 5.6 本章小结112-113
• 结论与展望113-116
• 参考文献116-128
• 附录 A 模型离散化128-133
• 附录 B 代码编译133-134
• 攻读博士学位期间取得的研究成果134-135
• 致谢135-136
• 附件136

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