天然氣水合物開采模擬與能效分析

【摘要】：世界能源消費量巨大，導致傳統(tǒng)石化能源供給緊張。同時由于傳統(tǒng)石化能源儲量只夠未來幾十年的使用，急需尋找新的替代能源。天然氣水合物在自然界儲量巨大，其中的碳含量是傳統(tǒng)石化能源總含碳量的數(shù)倍，有潛力成為未來的主要能源。因此水合物的工業(yè)化開采非常迫切，急需尋找天然氣水合物工業(yè)化開采的方法。 本文將自然界天然氣水合物藏分為4類，Ⅰ類水合物在現(xiàn)有技術條件下容易開采，Ⅳ水合物飽和度低不值得開采，Ⅱ類、Ⅲ類水合物開采存在較大爭議。Ⅱ類水合物為水合物長期開采后的形態(tài)，未來水合物開采必須面對此類水合物開采問題，中國南海神狐海域水合物為Ⅲ類。本文針對Ⅱ類、Ⅲ類水合物藏，采用不同開采策略進行開采模擬。 采用HydrateResSim對水合物進行開采模擬。為了驗證數(shù)值模擬與實際水合物分解情況的吻合度，首先用過量水在實驗室條件下，多孔介質(zhì)中合成Ⅱ類水合物，然后1MPa定壓分解，對比實驗室水合物分解情況與數(shù)值模擬結果的一致性。在此基礎上，進行Ⅱ類水合物藏開采模擬。Ⅱ類水合物藏上層為水合物，下層為水，其滲透性良好，采用豎直井開采。同時考慮單一減壓法難于獨立有效開采，所以采用加熱輔助開采。采用加熱熱流密度為1200W/m，加熱長度共20m，總共加熱功率24000W；井內(nèi)壓力根據(jù)工程實踐設置為0.2P0，0.5P0，0.8P0，因此Ⅱ類水合物藏開采策略為豎直井加熱減壓開采。0.2P0開采條件下開采情況最為理想，開采500天水合物分解氣體釋放平均速率為1.5m/s，井內(nèi)氣體收集平均速率約0.25m/s，水合物分解釋放氣體總體積6.5×10~7m~3，氣體收集總體積1.0×10~7m~3，水收集總質(zhì)量1.1×10~9kg，水氣體積比約為6，采收比約0.15，加熱分解水合物貢獻為8.5%，開采過程能效比為5.1。從開采前期500天情況看，Ⅱ類水合物工業(yè)開采困難。但從開采發(fā)展趨勢看，氣水體積比及氣體收集速率呈上升趨勢，表明Ⅱ類水合物開采后期情況將得到改善。 Ⅲ類水合物藏存在上下非滲透層，而且為單層水合物，其滲透率低，制約水合物開采。采用水平井能有效克服這類水合物藏滲透率低的約束，因此采用水平井加熱減壓聯(lián)合開采Ⅲ類水合物。井內(nèi)溫度壓力開采條件參考油氣工程實踐設置為0.2P042℃，0.5P042℃，0.8P042℃。Ⅲ類水合物藏3D開采模擬時0.2P042℃開采條件下開采情況最好，模擬開采450天，氣體釋放速率達到4-5m~3/s，累積釋放氣體1.6×10~8m~3（約為每天350,000m~3），達到工業(yè)開采要求。Ⅲ類水合物藏2D開采模擬顯示，0.2P042℃開采條件下，開采8500天水合物全部分解，累積分解氣體6.8×10~5m~3，累積收集氣體3.5×10~5m~3，累積收集水質(zhì)量1.1×10~6kg，氣體采收比約0.5，氣水體積比持續(xù)上升，最高達304。加熱分解了5.28%的水合物，其余水合物由減壓推動力分解。水合物藏中開采得到的天然氣按高熱值計算，Ⅲ類水合物開采過程能效比達到188。 【關鍵詞】：Ⅱ類天然氣水合物 Ⅲ類天然氣水合物 天然氣水合物開采 數(shù)值模擬 能效比
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TE37
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-20
• 第一章 緒論20-51
• 1.1 氣體水合物概述21-24
• 1.1.1 氣體水合物發(fā)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 分解動力學24
• 1.2 水合物開采基礎研究24-32
• 1.2.1 水合物資源總量評估24
• 1.2.2 水合物資源勘探24-26
• 1.2.3 水合物成藏原理26
• 1.2.4 水合物開采原理26-27
• 1.2.5 水合物藏開采方法27-32
• 1.3 水合物藏分類及開采評價32-37
• 1.3.1 水合物藏分類32-34
• 1.3.2 各類水合物開采34-36
• 1.3.3 水合物藏開采評價36-37
• 1.4 水合物開采研究現(xiàn)狀37-49
• 1.4.1 水合物現(xiàn)場開采37-41
• 1.4.2 實驗室分解模擬41-45
• 1.4.3 水合物分解數(shù)學模型45-49
• 1.5 本課題研究意義及主要問題49-51
• 第二章 水合物藏開采數(shù)學模型51-62
• 2.1 水合物開采過程分析51-52
• 2.2 水合物開采模型假設52
• 2.3 水合物開采數(shù)學方程52-57
• 2.3.1 質(zhì)量守恒方程53-54
• 2.3.2 能量守恒方程54
• 2.3.3 分解動力學方程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 輔助方程57
• 2.4 物性參數(shù)57-60
• 2.4.1 密度57
• 2.4.2 導熱系數(shù)57
• 2.4.3 熱容57-58
• 2.4.4 氣體溶解度58
• 2.4.5 相對滲透率58-59
• 2.4.6 水合物分解焓59
• 2.4.7 氣體節(jié)流系數(shù)59-60
• 2.5 方程離散及代碼編譯60
• 2.6 開采評價方法60-61
• 2.6.1 加熱貢獻60-61
• 2.6.2 開采過程能效比61
• 2.7 本章小結61-62
• 第三章 實驗室條件下水合物分解模擬62-72
• 3.1 實驗室水合物合成62-66
• 3.1.1 實驗材料及裝置63-64
• 3.1.2 實驗過程64-66
• 3.2 實驗室水合物分解66-67
• 3.3 數(shù)值模擬實驗室水合物生成67-69
• 3.4 數(shù)值模擬實驗室水合物分解69-71
• 3.5 本章小結71-72
• 第四章 Ⅱ類水合物開采研究72-93
• 4.1 Ⅱ類水合物藏模型72
• 4.2 Ⅱ類水合物藏開采72-76
• 4.2.1 Ⅱ類水合物開采方法72-75
• 4.2.2 模型離散75
• 4.2.3 HydrateResSim 參數(shù)設置75-76
• 4.3 Ⅱ類水合物開采過程分析76-87
• 4.3.1 水合物分解76-77
• 4.3.2 物藏水合物飽和度分布77-79
• 4.3.3 物藏自由氣飽和度分布79-81
• 4.3.4 物藏水飽和度分布81-82
• 4.3.5 氣體釋放速率82-83
• 4.3.6 物藏壓力溫度分布83-86
• 4.3.7 累積產(chǎn)氣量86-87
• 4.4 開采井內(nèi)流體分析87-90
• 4.4.1 井內(nèi)氣體收集速率87
• 4.4.2 井內(nèi)氣體累積收集量87-88
• 4.4.3 井內(nèi)水累積收集量88-89
• 4.4.4 井內(nèi)氣水體積比89-90
• 4.5 Ⅱ類水合物開采評價90-92
• 4.5.1 開采過程采收率90
• 4.5.2 熱流分析90-91
• 4.5.3 Ⅱ類水合物加熱貢獻91
• 4.5.4 Ⅱ類水合物開采能效比91-92
• 4.5.5 Ⅱ類水合物開采水管理92
• 4.6 本章小結92-93
• 第五章 Ⅲ類水合物開采研究93-113
• 5.1 Ⅲ類水合物藏模型93-94
• 5.2 Ⅲ類水合物開采策略94-98
• 5.2.1 開采策略94-96
• 5.2.2 井設計和物藏離散96-98
• 5.3 Ⅲ類水合物開采過程分析98-106
• 5.3.1 水合物 3D 模擬開采分析98-100
• 5.3.2 水合物 2D 模擬開采分析100-102
• 5.3.3 井中流體分析102-105
• 5.3.4 氣水體積比105
• 5.3.5 采收比105-106
• 5.4 加熱貢獻106-111
• 5.5 Ⅲ類水合物開采過程能效比111-112
• 5.6 本章小結112-113
• 結論與展望113-116
• 參考文獻116-128
• 附錄 A 模型離散化128-133
• 附錄 B 代碼編譯133-134
• 攻讀博士學位期間取得的研究成果134-135
• 致謝135-136
• 附件136

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