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化工學(xué)報|大尺度扇柱形反應(yīng)釜內(nèi)甲烷水合物降壓開采規(guī)律研究

發(fā)布時間：2025-08-15

大尺度扇柱形反應(yīng)釜內(nèi)甲烷水合物降壓開采規(guī)律研究

王令頒孫漪霏卜禹豪許振彬孫賢邵瀚鋒孫長宇陳光進(jìn)

（中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院，北京 102249）

DOI：10.11949/0438-1157.20241267

引言

化石燃料仍然是當(dāng)今世界能源供給的主要來源。美國能源信息署估計，至2050年，全球能源消耗將增長50%^[1]。在已開發(fā)利用的化石燃料中，天然氣因其合理的價格、較低的污染排放及穩(wěn)定的供應(yīng)安全等優(yōu)勢贏得了眾多國家和地區(qū)的青睞。眾所周知，自然環(huán)境中廣泛存在的天然氣水合物內(nèi)蘊藏著大量可供開采的天然氣資源。目前研究表明，天然氣水合物藏在全球范圍內(nèi)廣泛分布。通常情況下，這些水合物藏主要賦存于海底沉積物和高原凍土層，其儲藏有機碳總量超過所有已知傳統(tǒng)化石燃料總量的兩倍^[2]。毫無疑問，作為一種重要形式的碳匯，天然氣水合物在地球碳循環(huán)中發(fā)揮著不可替代的重要作用^[3]。

迄今為止，基于不斷從實驗室及模擬研究中積累的知識，已開展多次陸上^[4]和海上現(xiàn)場試驗^[5]。從現(xiàn)有的試采結(jié)果來看，水合物的開采效率仍然較低，難以滿足商業(yè)化開采需求。目前的開采方法主要是通過使固態(tài)天然氣水合物在其儲層原位分解為天然氣和水，然后采出生成的天然氣。這一過程涉及流體在開采層位及其相鄰區(qū)域的運移。流體在儲層中的特征直接影響到開采區(qū)的壓力場、溫度場、滲流場及濃度場，從而進(jìn)一步影響水合物的分解行為及天然氣產(chǎn)出。同時，水合物的分解會改變儲層孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，引發(fā)儲層變形（涉及壓力場），并反過來影響流體運移行為。實際上，水合物開采過程是一個多場相互演變、控制相變、應(yīng)變與流體行為之間復(fù)雜交互作用的過程。對多場時空演變規(guī)律進(jìn)行深入理解，將為優(yōu)化現(xiàn)有開采工藝提供重要技術(shù)支撐。

為了揭示多場時空演變規(guī)律并研發(fā)新型開采工藝，實驗?zāi)M是不可或缺的。需要強調(diào)的是，模擬過程必須具備足夠大的時間和空間尺度，以確保所構(gòu)建的多場時空結(jié)構(gòu)及其演變特征與真實開采過程具有相似可比性。因此，構(gòu)建大容積的實驗?zāi)M裝置顯得尤為重要。近年來，國內(nèi)外紛紛致力于研制建造大容積水合物開采實驗?zāi)M裝置，例如，中國科學(xué)院廣州能源研究所搭建了主體為117.8 L的模擬器^[6-7]，中國石油大學(xué)（北京）搭建了196 L模擬器^[8-10]，德國地球科學(xué)研究中心搭建了425 L模擬器^[11-12]，青島海洋地質(zhì)研究所搭建了900 L模擬器^[13-14]，日本先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所搭建了1710 L模擬器^[15-16]。總體而言，上述已研制的大容積三維水合物模擬器在尺度上仍顯不足。以體積最大的1710 L模擬器為例，若將開采井設(shè)置在模擬器中軸位置，其周圍能夠?qū)崿F(xiàn)的徑向模擬尺度不足1 m，這無疑使得在實驗過程中難以建立有意義的徑向壓力梯度。因此，相較于單純追求大容積，更需要關(guān)注構(gòu)建大尺度的模擬裝置。然而，在傳統(tǒng)桶狀模擬器設(shè)計理念下，為實現(xiàn)這一目標(biāo)而盲目增加體積將面臨制造及運行上的重大挑戰(zhàn)。在此背景下，本文提出一種扇柱形“分維度”式水合物模擬器，以替代目前流行的全維度圓筒形模擬器，并采用該設(shè)備開展開采模擬實驗，從而獲取多場時空演化規(guī)律。

1 設(shè)計理念

為了有效模擬天然氣水合物開采過程中沉積層的多場時空演變規(guī)律及其對氣-水-砂產(chǎn)出過程的影響機制，亟須開發(fā)更大尺度的天然氣水合物開采模擬裝置。小尺度模擬器的場結(jié)構(gòu)邊界可能在短時間內(nèi)接觸到器壁，從而失去開放性；而傳統(tǒng)圓桶形模擬器放大至更大尺度時則面臨制造難度、時效性和安全性等問題。例如，當(dāng)直徑從1 m增至6 m時（圖1），模擬器體積將擴大為原來的217倍，這使得高壓容器的材料選擇與制造工藝面臨挑戰(zhàn)。

圖1 傳統(tǒng)圓桶形天然氣水合物開采模擬放大思路Fig.1 Traditional scaling-up approach of cylindrical reactor for hydrate exploitation

若忽略水合物儲層的非均質(zhì)性，在一口垂直開采井作業(yè)時，其周圍的壓力場、溫度場等各種場結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)以開采井為中心的軸對稱特征。因此，如果能獲取某一水平方位角內(nèi)的場結(jié)構(gòu)，則可推導(dǎo)出360°全方位的場結(jié)構(gòu)。數(shù)值模擬通常基于這一軸對稱特性，僅在較小方位角內(nèi)劃分網(wǎng)格進(jìn)行計算，以減少網(wǎng)格數(shù)并節(jié)省計算資源。以此為基礎(chǔ)，提出一種新的水合物模擬器設(shè)計思路，如圖2所示。實際開采過程中，受壓力波及影響，水合物分解呈現(xiàn)由近井向遠(yuǎn)井區(qū)域擴張的趨勢，因此儲層溫度場通常是以垂直開采井為中心呈軸對稱分布。溫度演變整體受水合物分解速率和傳熱效率控制。對于實驗室模擬而言，溫度邊界條件主要影響傳熱。在本反應(yīng)釜溫度邊界條件設(shè)計中主要考慮了傳熱方向的問題，認(rèn)為儲層主要受徑向和垂向傳熱，因此在兩側(cè)矩形接觸面上采用了包裹石棉材料的方式做隔熱處理，以降低切向傳熱；同時，反應(yīng)釜上下端面及圓周弧面上未做隔熱處理，是水合物開采過程中的主要傳熱區(qū)域。總地來看，在滿足開采過程模擬所需的大空間和時間尺度前提下，控制沉積物體積于較小范圍，從而降低制造成本，提高實驗?zāi)M效率與安全性。同時，構(gòu)建的沉積物水合物模擬體與數(shù)值模擬過程中采用的模擬體構(gòu)型一致，使實驗?zāi)M結(jié)果更易通過數(shù)值模擬擴展至實際開采規(guī)模。在此背景下，研制了一個方位角為6°、徑向尺度為3 m、內(nèi)腔高度為0.3 m且容積約142 L的扇柱形反應(yīng)釜，其模擬功能相當(dāng)于直徑6 m、高0.3 m、容積約8500 L的全維度圓筒形模擬器。顯然，當(dāng)前制造水平下，生產(chǎn)一個直徑6 m的高壓圓筒形容器極具挑戰(zhàn)，即便成功制造，其后續(xù)使用效率也將大幅降低，并存在顯著安全隱患。

圖2 大尺度分維度水合物儲層模型及對應(yīng)的水合物開采模擬器示意圖Fig.2 Schematic diagram of a large-scale multi-dimensional hydrate reservoir model and the corresponding hydrate exploitation simulator

2 實驗部分

圖3 實驗?zāi)M系統(tǒng)及扇柱形反應(yīng)釜實物圖Fig.3 Photographs of the experimental system and the fan column-shaped reactor

2.1 實驗?zāi)M系統(tǒng)及材料

基于上述設(shè)計思想，構(gòu)建了一套以扇柱形反應(yīng)釜為核心的實驗?zāi)M系統(tǒng)，其實物如圖3所示，總體組成示意圖見圖4。該系統(tǒng)包含扇柱形反應(yīng)釜、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、氣液供給系統(tǒng)、采排氣系統(tǒng)及安全保障系統(tǒng)。

圖4 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the experimental system

扇柱形反應(yīng)釜（方位角6°，徑向尺度3 m，內(nèi)腔高度0.3 m，有效容積142 L）是整套實驗?zāi)M系統(tǒng)的核心組件，耐壓能力高達(dá)32 MPa，由316 L不銹鋼鍛造而成，以確保足夠的機械強度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括溫度傳感器、壓力傳感器和聲波探頭，實時獲取儲層的溫度、壓力及飽和度變化，這些數(shù)據(jù)可用于構(gòu)建壓力場、溫度場及濃度場。控溫系統(tǒng)由自主搭建的水槽與大功率冷機組成，重現(xiàn)真實水合物儲層的地質(zhì)條件。氣液供給系統(tǒng)包括高壓氣瓶、匯流排、增壓機、活塞罐和隔膜泵等，能根據(jù)實驗需求靈活調(diào)節(jié)注入模式。采排氣系統(tǒng)涵蓋了開采井、氣動調(diào)節(jié)閥、氣液分離罐和儲氣罐，實時收集產(chǎn)出流體。開采井上均勻布置多個直徑為1 mm的小孔，并纏裹孔徑約15 μm的篩網(wǎng)防砂。安全保障系統(tǒng)包括釜體上的安全閥及實驗場所內(nèi)的甲烷報警器，有效防范實驗超壓或甲烷泄漏引發(fā)的安全隱患。

常規(guī)圓筒形水合物模擬器因徑向尺度有限，難以有效建立實驗壓力場，導(dǎo)致實驗結(jié)果普遍缺乏現(xiàn)實意義。為彌補實驗與真實條件的差距，如圖5所示，在沉積物中布置了17個壓力傳感器，分為三層：從上至下，各層測量點依次命名為UP_i（upper pressure）、MP_i（middle pressure）及LP_i（lower pressure）。其中，中間水平面為關(guān)鍵監(jiān)測層，沿其中心軸線布置9個壓力傳感器，其余兩層各布置4個壓力傳感器，以構(gòu)建具有代表性的壓力場。

圖5 壓力測量點分布示意圖Fig.5 Distribution of the pressure measurement points

水合物藏開采過程中，儲層熱性質(zhì)變化與生產(chǎn)行為密切相關(guān)。為深入理解溫度場變化規(guī)律，通過模擬器側(cè)壁操作孔在沉積層內(nèi)插入18個溫度傳感器，共設(shè)置42個溫度測量點（圖6）。這些測量點呈放射狀分布，構(gòu)建了兩層水平溫度測量面。從上至下，各層測量點依次命名為UT_i（upper temperature）及LT_i（lower temperature）。同時，測量點沿徑向方向形成9個垂直截面（vertical plane，VP_i），以全面捕捉儲層內(nèi)溫度變化。

圖6 溫度測量點分布示意圖Fig.6 Distribution of the temperature measurement points

為確保天然氣水合物商業(yè)開發(fā)的安全性和可控性，需深入研究開采過程中儲層的力學(xué)性能。鑒于儲層固結(jié)程度與水合物飽和度密切相關(guān)，并且飽和度可通過聲速反演，因此為實時原位獲取水合物飽和度演變及儲層力學(xué)性能動態(tài)變化，在沉積層內(nèi)沿徑向布置了4對聲波探頭，測得的波速值（P-wave velocity，V_P_i）依次為V_P1、V_P2、V_P3、V_P4，如圖7所示。

圖7 聲波探頭布置示意圖Fig.7 Distribution of the ultrasonic transducers

實驗中使用的甲烷氣體純度為99.9%，由北京海普燃?xì)夤I(yè)公司提供。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.35%的鹽水溶液采用阿拉丁生物科技公司的NaCl試劑配制而成。水合物沉積層由天然海灘砂粒構(gòu)建，其粒徑分布見圖8，中值粒徑為80.025 μm（φ₅₀=79.62 μm）。砂粒平均真密度為3.4416 g/cm3（標(biāo)準(zhǔn)偏差0.0002 g/cm3），孔隙度約30.39%。實驗前，所有砂粒均用去離子水清洗并干燥。

圖8 沉積物粒徑分布Fig.8 Particle size of the sediments

2.2 實驗步驟

2.2.1 沉積物裝填

僅可借助法蘭進(jìn)行填砂的扇柱形反應(yīng)釜本質(zhì)上是一種大體積盲釜。裝填盲區(qū)的存在易引發(fā)“壁效應(yīng)”，對流體運移產(chǎn)生影響，可以通過結(jié)合“水流法”與“相變材料填充”解決相關(guān)問題。首先，通過釜上端面和弧面法蘭裝填約328.87 kg石英砂，利用水流裹挾砂粒移動以填充大部分盲區(qū)。隨后，注入相變溫度為17℃的液-固相變材料消除剩余盲區(qū)。注入完成后，降低水浴溫度至15℃以固化相變材料，并在確認(rèn)裝置密封性能良好后開展后續(xù)實驗。

2.2.2 冷模實驗

在未生成水合物的條件下，開展冷模實驗以探討不同體系中流體遷移對壓力分布的影響。針對封閉和開放體系共進(jìn)行10組實驗（表1）。封閉體系實驗中，注水增壓至13 MPa后進(jìn)行排水降壓操作；開放體系實驗中，在排水降壓操作的同時，利用隔膜泵向裝置補水以模擬滲流現(xiàn)象。

2.2.3 水合物儲層樣品的制備

注入甲烷驅(qū)替孔隙鹽水，并將水浴溫度調(diào)至5℃以加速水合物生成。樣品制備過程采用過量氣與過量水結(jié)合的方法，具體操作信息詳見表2。約20 d后，壓力穩(wěn)定在約8 MPa。根據(jù)之前的研究計算，水合相、液相及氣相的最終飽和度依次為52%、45%及3%。由于氣相飽和度低于5%，可認(rèn)為樣品符合水飽和條件^[17]。最后，將水浴溫度升至8.5℃，以模擬真實海域地質(zhì)溫度。釜內(nèi)平均壓力因升溫最終穩(wěn)定在約10 MPa。

表1 冷模實驗信息匯總Table 1 Summary of information for the cold model experiments

表2 水合物生成過程信息匯總Table 2 Summary of information for the hydrate formation process

注：括號內(nèi)的兩個數(shù)值分別表示平均壓力與平均溫度。“注入”指的是每次物料注入操作結(jié)束后釜內(nèi)瞬時的溫壓狀態(tài)，而“穩(wěn)定”則代表了在下一次物料注入操作前，釜內(nèi)達(dá)到的穩(wěn)定溫壓狀態(tài)。

表3 水合物開采實驗信息匯總Table 3 Summary of information for the hydrate production experiment

2.2.4 水合物降壓開采實驗

開展一組具有代表性的開放體系降壓開采模擬實驗，具體實驗信息詳見表3。整個開采過程可分為降壓及恒壓階段。降壓階段，逐步增大氣動調(diào)節(jié)閥開度，以避免因瞬時流體沖擊力過大而損壞防砂篩網(wǎng)。釜內(nèi)平均壓力基本穩(wěn)定后，進(jìn)入恒壓階段。整個實驗結(jié)束的標(biāo)志是儲層平均溫度與環(huán)境溫度重新建立平衡。

2.3 計算方法

在本研究中，儲層的平均壓力（P_avg）和平均溫度（T_avg）的計算方法如下：

(1)

(2)

考慮到所進(jìn)行的冷模實驗中，沉積層底部區(qū)域滲透率較低，因此以該平面為代表進(jìn)行研究。在相關(guān)實驗中，通過LP₄與LP₁間的壓差（P_diff）來反映不同實驗條件下的壓力分布情況，其計算方法如下：

(3)

開放體系水合物降壓開采實驗中，時刻t的產(chǎn)氣速率（r_prod(G),_t）、注水速率（r_inj(W),_t）、產(chǎn)水速率（r_prod(W),_t）的計算方法如下：

(4)

(5)

(6)

式中，n_prod(G),_t₊₁和n_prod(G),_t分別代表時刻t +1和t的甲烷產(chǎn)出量；V_inj(W),_t₊₁和V_inj(W),_t分別代表時刻t +1和t的鹽水注入體積；V_prod(W),_t₊₁和V_prod(W),_t分別代表時刻 t+1和t的鹽水產(chǎn)出體積。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 排水降壓冷模實驗

冷模實驗是通過替代物料模擬水合物分解后流體行為的重要方法，具有高效、安全和經(jīng)濟(jì)的特點。在水合物開采研究中，冷模實驗為儲層行為分析、生產(chǎn)工藝優(yōu)化及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防提供了重要的理論和實踐基礎(chǔ)。為了更深入地理解流體運移過程中井筒低壓的傳播規(guī)律及儲層內(nèi)的壓力分布情況，首先在封閉與開放體系下的富水沉積層中開展排水降壓冷模實驗，并進(jìn)行壓力傳播特性的研究。

3.1.1 封閉體系中排水速率對壓力傳播的影響

對于封閉體系而言，排水速率是影響沉積層內(nèi)壓力傳播特性的重要因素之一，可以通過調(diào)節(jié)開采管線上的閥門開度來實現(xiàn)控制。本小節(jié)共開展5組實驗（第1~5組），詳細(xì)實驗信息見表1。

圖9展示了在封閉體系中，不同閥門開度下沉積層各位置的壓力變化曲線。實驗結(jié)果表明，當(dāng)閥門開度超過45%時，進(jìn)一步增加開度對降壓速率的影響顯著減小。這表明在降壓階段，通過調(diào)節(jié)開度控制排水速率，從而影響降壓速率的方法存在顯著的操作閾值。過度調(diào)節(jié)開度不僅無助于降壓，還可能因瞬時流體沖擊力激增導(dǎo)致防砂網(wǎng)擊穿。建議降壓初期合理控制閥門開度，以在保護(hù)井筒防砂網(wǎng)的同時實現(xiàn)最快的降壓速率。最佳閥門開度受排出流體中氣液比例及管線狀況影響，需通過更多陸上實驗加以優(yōu)化。

圖9 封閉體系中沉積層內(nèi)的壓力變化Fig.9 Pressure variations within the sediments for the closed system

圖10 封閉體系沉積層下部平面的壓力分布Fig.10 Pressure distribution at the lower plane of the sediments for the closed system

基于軸對稱原理，模擬器的扇形橫截面被等效擴展為以開采井為中心的圓形平面，以描述系統(tǒng)內(nèi)壓力場的時空演變。圖10為LP₁在不同值時沉積層下部的壓力分布，5個平面分別對應(yīng)于第1~5組實驗。結(jié)果表明，沉積層內(nèi)壓力梯度均呈現(xiàn)出自中心向邊緣逐漸升高的趨勢，即距離降壓出口越近，壓力下降速率越快。相同壓力條件下，閥門開度越大，排水速率越快，從而產(chǎn)生更顯著的壓力梯度，這會限制井筒低壓的傳播。同時，沉積層的多孔結(jié)構(gòu)類似節(jié)流裝置，流體快速運移引發(fā)的焦湯節(jié)流降溫效應(yīng)不利于水合物開采。盡管不同排水速率的壓力分布差異逐漸減小，但直至近井壓力降至3 MPa時才實現(xiàn)本質(zhì)性改善。然而，該值已低于日本南海海槽（4 MPa）和中國神狐海域（4.2 MPa）的最終開采壓力^[18]。這表明快速排水模式下，即使近井區(qū)域壓力降至目標(biāo)值，壓力梯度的存在仍限制水合物有效分解區(qū)域的范圍，從而影響經(jīng)濟(jì)效益。相比之下，較低的排水速率則會延長操作周期。例如，近井壓力降至3 MPa時，第1組實驗的耗時約為第5組的2倍，顯著增加開采成本。

為直觀展現(xiàn)排水速率對壓力梯度的影響，將其簡化為遠(yuǎn)井壓力（LP₄）與近井壓力（LP₁）間的壓差，并在圖11中呈現(xiàn)了不同閥門開度下沉積層下部壓差及累計產(chǎn)水量隨時間的變化。結(jié)果表明，閥門開度與壓差峰值呈正相關(guān)，開度越大，壓差峰值越高。從沉積層穩(wěn)定性角度看，較高瞬時壓差及持續(xù)高壓差增加了砂粒遷移的風(fēng)險，威脅生產(chǎn)安全并可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。在閥門開度為15%時，初期出現(xiàn)約125 s的產(chǎn)水遲滯，主要因為流體在致密儲層中的非線性（非達(dá)西）滲流特征及啟動壓力梯度^[19-21]。盡管隨后產(chǎn)水順利，但達(dá)到800 ml累計產(chǎn)水量耗時為45%開度的2倍以上。因此，綜合考慮降壓速率、降壓效果、沉積層穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)效益，選擇適中的閥門開度更符合實際需求。

圖11 封閉體系沉積層內(nèi)壓差及累計產(chǎn)水量隨時間的變化規(guī)律Fig.11 Variations of pressure difference and cumulative water production for the closed system

3.1.2 開放體系中排水速率對壓力傳播的影響

與傳統(tǒng)油氣資源儲層相比，天然氣水合物主要賦存于海底沉積物中，通常缺乏穩(wěn)定的上覆蓋層或封閉巖層。開采過程中，滲流現(xiàn)象將導(dǎo)致資源開發(fā)面臨復(fù)雜性和不穩(wěn)定性^[22-23]。因此，相較于理想的封閉體系，開放體系更貼合真實開采條件。本節(jié)共開展5組實驗（第6~10組），詳細(xì)信息見表1。

圖12(a)~(e)為在開放體系中，不同閥門開度下沉積層各位置的壓力變化曲線。在1000 s的實驗時間內(nèi)，5組實驗中的LP1~LP4均緩慢下降并最終趨于穩(wěn)定，表明系統(tǒng)逐漸達(dá)到動態(tài)平衡。通過圖12(f)中的對比分析，發(fā)現(xiàn)開度對降壓速率的影響同樣存在顯著的操作閾值，這可能與流體動力學(xué)特性及系統(tǒng)內(nèi)部阻力等因素有關(guān)。與封閉體系相比，開放體系因遠(yuǎn)端持續(xù)補水操作，降壓速率顯著減緩，且在達(dá)到流動平衡后出現(xiàn)高于預(yù)期的壓力平衡值。當(dāng)閥門開度從15%增至45%后，平衡壓力降低約30%，但超過45%后對平衡壓力影響甚微，這表明僅依靠調(diào)節(jié)閥門開度實現(xiàn)有效降壓在海域開采過程中面臨諸多挑戰(zhàn)。

圖12 開放體系中沉積層內(nèi)的壓力變化Fig.12 Pressure variations within the sediments for the open system

圖13展示了LP₁在不同值時沉積層下部的壓力分布情況，5個平面對應(yīng)于表1中第6~10組實驗。結(jié)果顯示，排水降壓過程中，各沉積層內(nèi)部均形成了自中心向邊緣逐漸升高的壓力梯度。相同壓力條件下，開度越大，壓力梯度越顯著，這可能與快速流體運動引發(fā)的剪切作用有關(guān)。與圖10相比，開放體系中的壓力梯度更加顯著，表明開放體系中的流體動態(tài)特性與封閉體系存在本質(zhì)差異。滲流現(xiàn)象使得沉積層內(nèi)維持穩(wěn)定流動狀態(tài)，導(dǎo)致壓力梯度未如封閉體系那樣改善。顯著壓力梯度的存在不僅影響了降壓階段井筒低壓的快速傳播，還限制了壓力的有效下降。此外，壓力梯度可能引發(fā)局部涌流現(xiàn)象，造成某些區(qū)域流體排出過快或過慢，從而導(dǎo)致沉積層內(nèi)局部應(yīng)力分布不均，進(jìn)一步影響恒壓階段的穩(wěn)定性與安全性。

圖13 開放體系沉積層下部平面的壓力分布Fig.13 Pressure distribution at the lower plane of the sediments for the open system

圖14展示了開放體系內(nèi)壓差及累計產(chǎn)水量隨時間的變化。圖14(a)中，壓差在初始迅速上升后趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定值與閥門開度呈正相關(guān)。相同開度下，其峰值比封閉體系高一個量級。這一顯著提升源于滲流現(xiàn)象加劇了沉積層內(nèi)壓力分布不均，導(dǎo)致局部區(qū)域承受更大剪切力和應(yīng)力集中，促使沉積物顆粒遷移。資源開發(fā)過程中，顆粒遷移被認(rèn)為會導(dǎo)致產(chǎn)砂^[24]并可能引發(fā)沉積物變形^[25]，最終影響開采效率。圖14(b)依據(jù)排水速率演變，劃分出0~200 s的快速階段和200~800 s的穩(wěn)定階段。結(jié)合圖11及圖12，可推測快速階段的產(chǎn)水主要源于初始高壓孔隙水，而穩(wěn)定階段則主要來自外部滲透鹽水。在快速排水階段，產(chǎn)出的高壓孔隙水以甲烷飽和鹽水為主，高壓低溫條件下，分解的甲烷氣體易于再生成水合物并造成堵塞。進(jìn)一步分析表明，閥門開度在穩(wěn)定階段對產(chǎn)水速率影響甚微。綜上，在不影響產(chǎn)水速率的前提下，穩(wěn)定階段選擇適中的開度能有效減小沉積層內(nèi)壓差，達(dá)到降低地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的目標(biāo)。

圖14 開放體系沉積層內(nèi)壓差及累計產(chǎn)水量隨時間的變化規(guī)律Fig.14 Variations of pressure difference and cumulative water production for the open system

綜合來看，在真實海域進(jìn)行降壓開采時，可在快速階段逐步增大閥門開度，促進(jìn)高壓孔隙水的快速排出以提高井筒低壓傳播速率。進(jìn)入穩(wěn)定階段后，適當(dāng)回調(diào)閥門開度，以維持相對平穩(wěn)且可控的生產(chǎn)狀態(tài)。此策略旨在平衡資源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)，確保儲層結(jié)構(gòu)及其物理特性在長周期開采過程中的穩(wěn)定性，從而為安全、高效的資源開發(fā)提供保障。

3.2 水合物降壓開采模擬實驗

在現(xiàn)有的開采技術(shù)中，降壓法因其無須額外能量輸入且操作簡便，被廣泛認(rèn)為是最具前景的開采方式^[26-27]。近年來，日本南海海槽和中國南海北部神狐海域的試采試驗均采用降壓法，驗證了其優(yōu)勢^[28]。為深入探討常規(guī)降壓法下儲層內(nèi)多場時空演變規(guī)律，利用扇柱形反應(yīng)釜開展了模擬開采實驗。

3.2.1 生產(chǎn)行為

圖15(a)為實驗過程中儲層內(nèi)平均壓力、平均溫度及環(huán)境溫度隨時間的變化。圖15(b)為累計產(chǎn)氣量、累計注水量及累計產(chǎn)水量隨時間的變化。根據(jù)平均壓力的變化，可以將整個降壓過程劃分為降壓階段（0~550 min）和恒壓階段（550~2700 min）。

圖15 降壓開采過程中的生產(chǎn)行為Fig.15 Production behaviors during the depressurization process

在降壓階段，可進(jìn)一步細(xì)分為快速降壓階段（0~100 min）和緩慢降壓階段（100~550 min）。當(dāng)平均壓力從8 MPa降至7 MPa時，溫壓降低速率顯著減緩，可能與水合物再生有關(guān)。快速降壓階段的降壓速率約為緩慢降壓階段的40倍，產(chǎn)水量劇增，低壓縮性鹽水的大量排出是孔隙壓力快速降低的主要原因。產(chǎn)水速率達(dá)到峰值后，產(chǎn)氣速率急劇增加，表明孔隙填充水的快速排出及外部鹽水有限流入有效降低了儲層內(nèi)孔隙壓力，從而觸發(fā)了水合物分解。整個快速降壓過程中，水合物分解的吸熱效應(yīng)及甲烷氣體快速流動引起的焦湯效應(yīng)導(dǎo)致儲層平均溫度下降約5℃。進(jìn)入緩慢降壓階段后，產(chǎn)氣速率降至峰值的約一半，表明水合物分解強度顯著減弱，此時外部鹽水流入速率迅速增加，與鹽水產(chǎn)出速率趨近，形成流動平衡狀態(tài)。在這種情況下，孔隙內(nèi)呈現(xiàn)水飽和狀態(tài)，新鮮鹽水流動侵蝕主導(dǎo)著水合物分解^[29]。Sean等^[30]指出，水合物分解的主要驅(qū)動因素是化學(xué)勢差，甲烷在液相與水合物相間的化學(xué)勢差值遠(yuǎn)小于其在氣相與水合物相間的。因此，外部鹽水大量涌入后，儲層的水飽和狀態(tài)將限制水合物的分解。在此期間，水合物分解強度的降低削弱了吸熱效應(yīng)。同時，與環(huán)境間溫差增大導(dǎo)致熱量補給加速，儲層平均溫度在達(dá)到最低值后逐漸上升。

經(jīng)過約550 min的降壓階段，平均壓力穩(wěn)定在約3.4 MPa，實驗進(jìn)入恒壓階段。在此階段，平均溫度持續(xù)上升，直至與環(huán)境溫度重新建立平衡，標(biāo)志著實驗結(jié)束。沉積層內(nèi)鹽水流動維持平衡，導(dǎo)致儲層平均壓力無法降至目標(biāo)開采壓力。在真實海域開采過程中，滲流現(xiàn)象的出現(xiàn)將對儲層壓力的有效降低及水合物分解造成影響。在實際應(yīng)用中，需綜合考慮地質(zhì)特征、孔隙結(jié)構(gòu)和流體動力學(xué)等因素，以優(yōu)化開采策略并提高資源利用率。綜合來看，本研究中獲得的生產(chǎn)行為特征，例如產(chǎn)水峰值早于產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)和有效降壓受到削弱，已在針對海域水合藏降壓開采的數(shù)值模擬研究中得到了驗證^[31-32]，這表明實驗設(shè)計的合理性和數(shù)據(jù)的可靠性。

3.2.2 壓力傳播規(guī)律

圖16展示了降壓開采過程中，儲層中心平面上沿徑向的壓力測量點隨時間的變化規(guī)律。降壓階段，整體壓力快速下降，各區(qū)域降壓速率與其到開采井距離成反比。其中，快速降壓階段觀察到顯著的壓力梯度，表明流體不斷向開采井遷移。值得注意的是，近井區(qū)域MP₁出現(xiàn)了兩段顯著下降放緩甚至小幅回升的情況。結(jié)合另一插圖中MP₁-VP₁與相平衡曲線的關(guān)系，推測該區(qū)域出現(xiàn)了兩次水合物再生成現(xiàn)象。第一次中，除MP₁外測量點降壓速率顯著放緩，表明流體通道堵塞致使井筒低壓傳播受阻^[33-34]。在40 min時，閥門開度的增加產(chǎn)生了瞬時流體沖擊力，成功解除了堵塞。然而，流體快速遷移造成焦湯降溫效果顯著，近井區(qū)域再次進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)并觸發(fā)水合物生成^[35]。此外，該階段遷移流體以甲烷飽和鹽水為主，也是再生誘因之一^[36]。總體來看，水合物再生現(xiàn)象主要發(fā)生在近井區(qū)域，這一結(jié)論在數(shù)值模擬研究中也得到了驗證^[37]。直至實驗結(jié)束，鹽水的持續(xù)流動使儲層內(nèi)始終維持著一定數(shù)值的壓差，這表明滲流現(xiàn)象是形成壓力梯度的主要原因。

圖16 降壓過程中中間層壓力隨時間的變化規(guī)律Fig.16 Pressure changes during the depressurization process for the middle plane

為深入理解降壓開采過程中壓力場的時空演變規(guī)律，基于軸對稱等效擴展原理，構(gòu)建了12個時刻的壓力空間分布，如圖17所示。依據(jù)快速降壓階段、緩慢降壓階段及恒壓階段劃分為三組，重新繪制顏色標(biāo)尺以獲得更直觀的視覺效果。三個階段內(nèi)，均呈現(xiàn)了自開采井向儲層邊緣逐漸升高的壓力梯度，其合理性在海域試采及數(shù)值模擬研究中得到了驗證^[38-40]。隨著時間推移，壓力梯度不斷減小。這一現(xiàn)象由水合物持續(xù)分解及滲流現(xiàn)象造成，流體流動模式因氣液比動態(tài)變化而改變^[41]。開采初期，氣液比較低，氣相被分割使流體呈泡狀流型，形成的較大壓力梯度由連續(xù)液相主導(dǎo)。隨著水合物大規(guī)模分解，流體氣液比顯著升高使流型轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀。氣體在孔隙中呈準(zhǔn)連續(xù)相流動，但較高的壓縮性使得以氣相為主導(dǎo)的壓力梯度逐漸降低。最后，水合物分解強度減弱及滲流現(xiàn)象再次降低氣液比，恢復(fù)了以連續(xù)液相為主導(dǎo)的壓力梯度至開采結(jié)束。盡管流型已恢復(fù)為泡狀，但流動條件的改善顯著削弱了賈敏效應(yīng)所導(dǎo)致的壓差，促使該階段壓力梯度進(jìn)一步降低^[42]。

圖17 儲層內(nèi)壓力場演化Fig.17 Evolution of pressure fields inside the reservoir

總體而言，快速降壓階段是水合物再生現(xiàn)象的高發(fā)期，近井區(qū)域風(fēng)險較高。再生現(xiàn)象不僅阻礙了井筒低壓傳播，還加劇了局部區(qū)域壓差。較大的壓差易引發(fā)儲層應(yīng)力分布不均，從而增加地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險。此外，降壓開采過程中，應(yīng)重點關(guān)注滲流現(xiàn)象及其對生產(chǎn)行為的潛在影響。

3.2.3 溫度傳播規(guī)律

如圖6(a)所示，儲層沿徑向劃分出9個垂直截面，各截面平均溫度隨時間變化的規(guī)律展示于圖18中。由于水合物分解吸熱及焦湯節(jié)流效應(yīng)的存在，儲層整體降溫顯著。井筒低壓在儲層內(nèi)沿徑向傳播，依次觸發(fā)水合物分解，使得降溫區(qū)域不斷擴大。降壓初期，儲層顯熱剩余較多，分解動力學(xué)為水合物分解的控制因素^[43]。隨著開采過程的不斷深入，當(dāng)環(huán)境傳遞熱量滿足水合物分解所需時，儲層溫度降至最低并促使控制因素轉(zhuǎn)變?yōu)閭鳠?/span>^[44]。此后，隨著顯熱恢復(fù)，儲層溫度不斷上升直至與環(huán)境溫度再次平衡。結(jié)合之前的分析，可以推斷插圖中的溫度變化異常現(xiàn)象與水合物再生過程相關(guān)。從傳熱的角度來看，降壓開采過程中水合物再生主要是由于供熱不足^[45]。然而，神狐海域儲層樣品分析顯示其熱導(dǎo)率較低，僅為1.4~1.77 W/(m·K)^[46]，這意味著單獨采用降壓法將激增水合物再生的風(fēng)險。因此，為安全高效地進(jìn)行資源開發(fā)，考慮在降壓階段輔以熱激法補充熱量是更為合理和經(jīng)濟(jì)的。總體來看，各區(qū)域平均溫度的“V”形變化趨勢本質(zhì)上反映了能量競爭的過程，而不同“V”間的形狀差異則主要體現(xiàn)在最低溫度及升溫斜率上。開采過程中，固結(jié)情況^[47]及流體氣液比^[48]都將影響導(dǎo)熱性能，并最終體現(xiàn)在儲層的熱反饋上。深入研究這些變量將有助于揭示海域試采中的復(fù)雜交互作用，為未來資源開發(fā)提供理論支持和實踐指導(dǎo)。

圖18 降壓過程中不同半徑上平均溫度的變化Fig.18 Changes in average temperature at different radii during the depressurization process

與圖17類似，圖19中繪制了溫度場隨時間的變化規(guī)律。開采初期，近井區(qū)域率先降溫，形成了自開采井向儲層邊緣逐漸升高的溫度梯度。根據(jù)溫度變化，可以推測儲層內(nèi)水合物分解前沿呈圓柱形從中心向邊緣移動。其中，下部低溫區(qū)域擴散更快，這可通過水合物在垂向上非均質(zhì)分布來解釋^[49]。當(dāng)近井區(qū)域的水合物分解強度降至一定程度后，該區(qū)域出現(xiàn)升溫趨勢，隨后形成自中心向邊緣不斷擴散的升溫前沿，這一現(xiàn)象已在眾多數(shù)值模擬研究和海域試采結(jié)果中得到驗證^[50-52]。

圖19 儲層內(nèi)溫度場演化Fig.19 Evolution of temperature fields inside the reservoir

綜上所述，水合物再生現(xiàn)象導(dǎo)致降溫過程的遲滯。這種“分解-再生-分解”循環(huán)所引發(fā)的局部溫度波動或反彈，使溫度場演變復(fù)雜化，增加了降壓開采的技術(shù)難度與生產(chǎn)的不確定性。對于開放體系水合物藏，儲層中的待升溫區(qū)域受到三個熱源的熱量傳遞：已升溫的近井區(qū)域、周圍環(huán)境以及外部滲入的高溫鹽水。深入研究并量化這三個熱源的貢獻(xiàn)，有助于優(yōu)化現(xiàn)有開采預(yù)測模型及提高開采效率。

3.2.4 聲波響應(yīng)

聲學(xué)探測技術(shù)因其在識別儲層相態(tài)變化和評估水合物分解方面的優(yōu)勢，在開采模擬實驗中得到廣泛應(yīng)用^[53-55]。如圖7所示，沿徑向共設(shè)置了4對探頭以監(jiān)測水合物的分解情況，獲取的聲學(xué)速度隨時間變化展示于圖20中。結(jié)合圖5和圖6可知，V_P1~V_P4所監(jiān)測的儲層局部壓力和溫度依次為MP₃、MP₅、MP₇、MP₉及VP₃、VP₅、VP₇、VP₉。

從圖20可以看出，降壓階段聲速下降顯著，這是由于水合物分解造成儲層固結(jié)程度及剛性硬度降低^[56-57]。具體來看，各區(qū)域呈現(xiàn)出V_P1<V_P2<V_P3<V_P4的趨勢。上述現(xiàn)象較好地契合了開采過程中水合物分解前沿的移動情況及儲層有效應(yīng)力的時空演變規(guī)律，并在相關(guān)數(shù)值模擬研究中得到了驗證^[58]。在快速降壓階段，水合物再生的出現(xiàn)使20~40 min內(nèi)聲速下降放緩并趨于平衡，這可通過儲層剛性硬度部分恢復(fù)來解釋。總的來看，整個降壓階段中，V_P1與V_P2曲線高度重合，但V_P2、V_P3和V_P4之間差異明顯，表明再生現(xiàn)象延緩了近井區(qū)域水合物的分解并影響整體開采效率。進(jìn)入恒壓階段，聲速變化趨于平衡并逐步穩(wěn)定。結(jié)合圖15(b)可知，該階段雖尚存較多水合物，但多以懸浮形式存在于孔隙流體中，其分解對聲速的影響已顯著削弱^[59]。

圖20 降壓過程中P波速度變化Fig.20 Changes in P-wave velocity during the depressurization process

研究表明，降壓開采過程中，聲波響應(yīng)可準(zhǔn)確反映水合物分解與再生對儲層力學(xué)性能的影響。結(jié)合儲層的溫壓變化，還可有效推測水合物分解邊緣的移動情況，并有助于獲取多場時空演變規(guī)律。鑒于聲速對儲層力學(xué)狀態(tài)變化的敏感性，恒壓階段聲速長期保持穩(wěn)定可視為生產(chǎn)結(jié)束的標(biāo)志，這將顯著提升開采效率。

4 結(jié) 論

本工作利用新型扇柱形反應(yīng)釜開展了排水降壓冷模實驗及水合物降壓開采實驗，模擬開采區(qū)域半徑達(dá)3 m。主要結(jié)論如下。

（1）封閉體系中，排水速率與降壓速率呈正相關(guān)，并顯著影響沉積層內(nèi)的壓力傳播特性。閥門開度存在閾值，超過此值后增大開度對降壓速率的影響減弱。

（2）開放體系中，閥門開度對降壓速率和最終穩(wěn)定壓力的影響均存在閾值，單靠調(diào)節(jié)閥門開度難以實現(xiàn)控制降壓速率及達(dá)到目標(biāo)開采壓力。外部鹽水持續(xù)注入形成的壓力梯度可能引發(fā)局部涌流和沉積物顆粒遷移，影響開采安全與效率。初期產(chǎn)水主要來自高壓孔隙水，穩(wěn)定階段則轉(zhuǎn)為外部鹽水。

（3）水合物降壓開采過程包括降壓階段和恒壓階段。降壓初期壓力波及緩慢，3 m徑向的壓差可達(dá)3~4 MPa，波及區(qū)域壓力降至相平衡壓力以下后觸發(fā)水合物分解。550 min儲層壓力趨于穩(wěn)定，徑向壓差縮小至0.3~0.4 MPa。受壓力梯度影響，徑向水合物分解速率存在顯著差異，溫度響應(yīng)順序與壓力下降順序一致。

（4）在快速降壓階段，近井區(qū)域易發(fā)生水合物二次生成。局部孔隙堵塞造成相關(guān)區(qū)域壓力波動較大，對井筒低壓傳播具有負(fù)面影響。

（5）受限于聲速-飽和度預(yù)測模型中關(guān)鍵參數(shù)缺乏足夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)進(jìn)行擬合，暫時無法通過聲速變化反演水合物濃度場。計劃開展更多基礎(chǔ)性實驗，以建立可靠的反演模型去完善多場時間演變規(guī)律的預(yù)測工作。

Study on the methane hydrates exploitation by depressurization in a large-scale fan column-shaped reactor

WANG Lingban SUN Yifei BU YuhaoXU ZhenbinSUN XianSHAO HanfengSUN ChangyuCHEN Guangjin

（College of Chemical Engineering and Environment, China University of Petroleum, Beijing 102249, China）

Abstract: The development and utilization of natural gas hydrate resources is the research frontier in the current energy field. At present, related scientific research and new technology development are increasingly relying on large-scale simulation devices. This study, used a large-scale fan-shaped reactor to simulate the depressurization process of methane hydrate exploitation, obtaining the evolution characteristics of the temperature field, pressure field and wave speed, as well as the patterns of hydrate decomposition and fluid production. The results show that during the initial stage of depressurization, the pressure propagation is slow with a pressure difference of 3—4 MPa across a 3 m radial distance. After the whole reservoir pressure stabilizes, the pressure difference narrows to 0.3—0.4 MPa. Here the radial rate of hydrate decomposition varies significantly due to pressure effects. Moreover, there is secondary hydrate generation behavior in the near-well area during the initial stage of depressurization, which has a negative impact on the rate of pressure reduction. Additionally, this study explored the impact of the external environment on the depressurization process through an external constant-pressure water supply system. The results indicate that the continuous seepage of external seawater compensates for the reservoir pressure and has a significant impact on the evolution of temperature/pressure and the production of gas/water.

Keywords: hydrate；fan column-shaped reactor；scale-up；depressurization production；multiphase flow

第一作者：王令頒（1995—），男，博士研究生，wlb9519@qq.com

通訊作者：孫漪霏（1989—），男，博士，副教授，sun.yifei@cup.edu.cn

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亮點評述

化工學(xué)報|大尺度扇柱形反應(yīng)釜內(nèi)甲烷水合物降壓開采規(guī)律研究

大尺度扇柱形反應(yīng)釜內(nèi)甲烷水合物降壓開采規(guī)律研究

引言

1 設(shè)計理念