注热法开采天然气水合物的物理化学渗流及其应用研究

The project is focusing on the scientific problems encountered in the exploitation of hydrates using thermal stimulation method, including mechanism of hydrates decomposition in porous media, heat transfer during the process of hydrates dissociation and extraction, multiphase flow problems in the exploitation process. And numerical simulation is used to research the problems. A physical model is established to depict the thermal stimulation method and all the phenomena involved in the practical application during the exploitation will be included in the models, such as the parameters affecting the hydrate decomposition rate, the evolution of dissociation surface, phase change during the hydrate decomposition, secondary generation of hydrates, heat transfer between hot fluids and hydrates/hydrate reservoirs, impact of heat on the thermophysical parameters of hydrates and reservoirs, formation of ice and its effect on the hydrates decomposition, multiphase flow during the exploitation process, changes of formation parameters with the dissociation of hydrates, gas expansion, and so on. Thus reveal the impact factors of hydrate dissociation in porous media, mechanisms of hydrate dissociation and heat transfer during hydrates exploitation and demonstrate the exploitation procedure of hydrates. It can provide theoretical support for the implementation of thermal stimulation method. The project also provides a feasibility study for the extraction of hydrates in the South China Sea region using the warm-seawater at surface. It is of great significance to guide the practical production.

本项目针对注热法开采水合物方法中遇到的科学问题，从多孔介质中水合物的分解机理、水合物分解及开采过程中的传热问题以及水合物开采过程中的多相渗流问题这三个方面，以数值模拟为手段进行研究。建立了一个热力法开采水合物的物理模型，模型中将考虑如下因素：影响水合物分解速率的参数，水合物分解面的演化，水合物分解过程中的相变，水合物的二次生成，热流体与水合物及地层岩石间的热交换，热能对地层热物性参数的影响，冰的形成对水合物分解的影响，水合物开采过程中的多相渗流问题，地层参数随水合物分解的变化规律，以及气体的膨胀效应等问题。从而揭示出多孔介质内水合物分解的影响因素，水合物分解及开采过程中的传热机理以及水合物开采过程的模拟，为注热法开采水合物的实施提供理论支持。同时本项目也为在我国南海地区利用表层热海水开采水合物进行了可行性研究，对指导实际生产具有重要意义。

针对水合物开采过程中会遇到的问题--水合物的二次生成以及冰的形成等，这些因素对水合物的开采产生不利影响。建立了一个热激发法开采水合物的物理化学多维多相渗流模型。模型中考虑了水-气的流动、水合物的二次生成、冰的形成、水合物分解及二次形成过程中的相变热、冰的形成及融化过程中的热量传递、热流体与水合物及地层岩石间的热交换，气体的膨胀性，热能对地层热物性参数的影响，地层参数（孔隙度、渗透率）随水合物分解的变化。推导了柱坐标系下热激发法开采水合物的轴对称传热模型，得到了储层温度的时空分布的解析解，分析了不同管材的水合物分解速率以及不同材质的管道和不同的注入热水温度对分解前沿位置的影响。热水注入储层后流经管道对储层进行加热，靠近管道的储层开始吸热分解，之后逐渐向前推进。并对我国南海地区利用表层海水开采水合物进行了可行性研究。考虑就地利用方便获得的表层热海水，充分利用连通器的静压传递原理，仅靠普通型号的小功率离心泵将海面表层的高温海水连续通过铺设在海底水合物层内的散热管，从而可经济、高效地开采天然气水合物。分析了管道内的沿程水头损失以及温降曲线，流速越大，管径越小，水头损失越大；管径越小，管道的传热系数越大，海水的注入速率越小，温降越快。