高压热射流开采天然气水合物的数值模拟研究.pdf

第 3 3卷第4期 天 然 气 勘 探 与 开 发 高压热射流开采天然气水合物的数值模拟研究 水 高文爽陈晨房治强 吉林大学建设工程学院 摘要通过对天然气水合物已有的各种开采方案分析， 提出了新的天然气水合物开采方法一高压热射流技 术。通过数值模拟， 对不同温度、 速度的高压热射流研究 ， 获得高压热射流的温度场、 压力场和速度场， 从而得到天 然气水合物可开采区域。模拟结果表明 温度、 压力和水射流三者对开采天然气水合物均起着重要作用， 其中温度 ’ 变化对天然气水合物的开采区域影响最大， 起主要作用。图1 0参 1 2 关键词 天然气水合物开采高压热射流数值模拟 0 引言 天然气水合物作为一种潜在的未来能源， 其开 采已经成为国内外能源领域 新的研究热点 。但是 ， 由于天然气水合物成藏条件复杂、 开采 中不确定 因 素多， 其有效开采技术还处于理论研究阶段。目 前， 天然气水合物开采的方法主要有降压法、 热激法和 注抑制剂法 。 以上方法开采机理都是通过打破水合物稳定存 在的条件 ， 促使其 分解 ， 达到开采 的 目的。文献 对降压法开采进行 了数值模拟研究 ， 结果表明， 采用 单一的降压法开采效果较差 。 本文提出一种新型的开采方法， 该法既保留了 降压法和热激法的优点， 又有自己独有的优势， 即将 较高的压力作用于水射流上并与热激法相结合的复 合式开采法， 可称之为高压热射流技术。“ 高压热 射流” 是指通过高压水发生装置将热流体加压至数 百个大气压以上 ， 再通过小孔径的喷射装置转换为 高速的微细” 热水射流”， 这种” 热水射流” 的速度一 般都在一倍马赫数 以上 ， 具有 巨大的冲击能量。高 压热射流方法特点 ①高压射流可以将完整的天然 气水合物通过高压射流切割破碎 为小颗粒 ， 更易于 天然气水合物分解； ②高压水射流可将小颗粒状天 然气水合物从开采区域携裹带入垂直井内， 既为进 一 步开采提供新的“ 掌子面” ， 又通过热对流加快了 天然气水合物颗粒的分解 ； ③高压热射流可不断迅 速地接触新鲜天然气水合物表面， 热能 的利用率更 高； ④高压热射流可以克服或降低天然气水合物分 解时的“ 自我保护” 。 本文利用 F l u e n t 软件 ， 根据我国青海木里发现 的天然气水合物赋存条件为参考， 对高压热射流技 术进行了初步的数值模拟研究， 分析该方法相关控 制参数及其参数的影响规律。 1 几何建模 及数值模 拟 1 ． 1 几何 建模 与 网格划 分 我国青 海 发 现 的 天 然气 水 合 物埋 藏 深度 在 l O O m以上 ， 赋存温度超过 一1 O ℃， 压力超过 1 3 M P a 。 在以上的已知条件下， 假设水合物储藏层各向均匀， 分解反应吸收的热量由钻井的高压热射流提供， 在 以井为对称轴的二维轴对称模型中讨论天然气生产 过程， 天然气水合物存在的地层为 1 5 0 m一 2 0 0 m之 间。模拟的模型是在 以上假设下进行 的， 模拟的孔 深 2 0 0 m， 开采孔直径 2 0 0 ra m， 射流喷嘴直径 1 0 m m， 网格数 9 2 5 6 0个 图 1 。 1 ． 2 模拟的初始条件及结果 钻井的射流速度可为 l O O m ／ s 一 5 0 0 m ／ s 。本文 选用 3 0 0 m ／ s 的速度。射流喷嘴接伸缩式水枪， 水 枪最大伸出量可达 1 0 m， 天然气水合物的强度可采 用类似于冰的强度， 可选用 1 3 M P a ， 射流的温度暂选 5 0 C 【 7 - 1 o ] 。模拟时采用笛卡尔坐标系， 利用二维 } 基金项 目 科技部中俄科技合作专项 2 0 0 7 D F B 6 0 1 0 0 。 作者简介高文爽， 女， 1 9 8年出生， 辽宁大连人， 吉林大学建设工程学院在读硕士研究生， 主要从事天然气水合物勘探开发研究。地址 1 3 0 0 2 6 吉林省长春市吉林 大学建设 工程 学院。电话 0 4 3 1 8 8 5 0 2 2 6 3 。Em i a l we n s h u a n g g a o 1 9 8 5 1 6 3 ． c o rn 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天 然 气 勘 探 与 开 发 2 0 1 0年 l 0月出版 喷嘴 图 1 整体模拟图 双精度紊流模型求解。 模拟分析如下 1 3 0 0 m ／ s的高压射流， 5 0 ℃ 3 2 3 K 的温度， 压力 1 3 MP a ， 对开采区域的影响范围 图 2 。 喷 嘴 直径1 0 ram 图 2 天然气水合物 开采 区域 图 从射流喷嘴处的温度、 压力和速度云图可以看 出， 在高压热激水射流作用 5 5分钟时所有流场都趋 于稳定 图3 ， 图4 ， 图5 ， 射流的影响半径 r 耋3 ． 9 m 其 中温度大 于 2 8 1 K 、 压力小 于 4 MP a 、 速度大 于 1 3 5 m ／ s ， 由此可以推算出模拟孔的天然气水合物 的产量。由图可见在时间相同的条件下 ， 温度的影 响区域最大， 其次是压力， 再次是射流速度。 图3 温度 3 2 3 K速度 3 0 0 m ／ s 的温度云图 5 O 图 4 温度 3 2 3 K速度 3 0 0 m ／ s 速度云图 图 5温度 3 2 3 K速度 3 0 0 m ／ s 的 压力云图 速度云图 4显示距离喷嘴水平方 向 3 ． 9 m时速 度可达 1 3 5 m ／ s ， 射流区由射流冲击区、 漫流区、 涡旋 区和返 回流区等多个不同流动状态的区域组成的流 场。射流随着离开喷嘴距离的增大流速减小， 且射 流域增大 ， 速度云图 4显示距离喷嘴水平方向 3 ． 9 m 时速度可达 1 3 5 m ／ s ， 该高压射流不仅使天然气水合 物破碎成小颗粒分解； 同时在喷嘴前方区域高压射 流的流动是紊流， 有涡旋， 该射流与前面射流后回流 的流体形成热对流运动 ， 加速了天然气水合物的分 解 ； 而且该射流可以保证始终是 3 2 3 K的流体作用 于未破碎的天然气水合物， 热传导效果好， 可以克服 或降低天然气水合物的自我保护； 喷嘴上的伸缩水 枪不仅可以轴向旋转 3 6 0 。 ， 还可以径向上下移动， 保证了大范围的破碎 。压力云图的深色区域说明高 压热激水射流无法将其开采 ， 而其他 区域均 由于高 压射流将该区域的天然气水合物压裂而降压分解。 对照温度云图在模拟收敛后平均温度为 2 8 4 K， 即水 射流可以对未破碎的天然气水合物层进行加热而且 对于已经开采下来 的小颗粒状天然气水合物也可以 将其进一步融化使其分解。其导热的方式除了热传 导之外还有热对流运动， 从而加速其分解， 由于其高 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天 然 气 勘 探 与开 发 2 0 1 0年 1 0月出版 2 结论 1 通过数值模 拟， 有效地论证 了高压热激水 射流开采天然气水合物的可行性 ， 为天然气水合物 的新式开采方法提供 了理论依据。 2 从各种云图可以粗略确定在 5 0 ℃和3 0 0 m ／ s 的高压热水射流作用下开采区域 的半径为 1 3 ． 9 m； 可随着时间的增长 ， 进一步估算出一定厚度的天然 气水合物的开采量。 3 高压射流孔底流场是一个由射流冲击区、 漫流区、 涡旋区和返 回流区等多个不同流动状态 的 区域组成的流场 ， 其 中冲击区和涡旋区均对破碎天 然气水合物固体层起重要作用， 漫流区和涡旋区有 利于温度对天然气水合物的作用。 4 利用高压热水射流方法开采天然气水合物 体现了裂解降压法与热激法相结合 的复合式开采 ， 在喷嘴材质能满足条件的情况下 ， 水流温度越高 ， 速 度越大 ， 分解越快 ， 越有利于开采。 参考文献 1 侯力群， 吴应湘， 许晶禹， 等 ．天然气水合物热激励法开 采模型研究 [ J ] ．西安石油大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 2 3 2 4 4- 4 7 ． 2 栾锡武， 赵克斌， 孙冬胜， 等 ． 天然气水合物的开采一以 马利克钻井为例 [ J ] ．地球物理学进展 ， 2 0 0 7 ， 2 2 4 l 29 5一l 3 ． 3 左林 ， 由长福 ．天然气水合物固定井压开采过程数值模 拟[ J ] ．清华大学学报自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 4 8 1 1 1 7 8 11 7 8 5 ． 4 王卓飞， 朗兆新， 何军 ．稠油化学驱微观机理及数学描述 研究[ J ] ．石油勘探与开发， 2 0 0 5 ， 3 2 2 1 1 31 1 5 ． 5 J ． P h i r a n i a ． k K Mo h a n t y b ． Wa r m wa t e r fl o o d i n g o f咖 ， fi n e d g a s h y d r a t e r e s e r v o i m[ J ] ．C h e m i c a l E n g i n e e r i n g S c i - e n o _,e， 2 0 0 9，6 42 3 6 1 2 3 6 9 ． 6 黄文件， 刘道平， 周文铸， 等 ．天然气水合物的热物理性 质[ J ] ．天然气化工， 2 0 0 4 ， 2 9 6 6 7 O ． 7 李淑霞， 陈月明， 杜庆军 ．天然气水合物开采数值模拟 的参数敏感性分析[ J ] ．现代地质 ， 2 0 0 5 ， 1 9 1 1 0 8一 l 1 2 ． 8 程林 ， 松兰俊成 ．考虑水平井筒压力损失的数值模拟方 法[ J ] ． 石油学报， 2 0 0 2 ， 2 1 3 ． 9 K VE NVOL EDN K A r e v i e w o f t h e g e o c h e m i s t r y o f me t h a n e i n n a t u r e g as h y d r a t e [ J ] ． O r g G ecc h e m， 1 9 9 5 ， 2 3 1 1 ／ 1 2 9 9 7 一l 0 o 8 ． 1 O B UC KL E Y S E a n d L E V ER E．I - r M C ．Me c h a n i s m o ffl u i d d i s p l a c e me n t i n s a n d s [ J ] ．A I M E，1 9 4 2 ， 1 4 6 1 0 71 1 6 ． 1 1 祝道平， 宁正福 ．利用高能气体压裂技术开采天然气水 合物可行性分析[ J J ．重庆科技学院学报 自然科学版 2 0 0 9 ， 1 1 3 3 7 3 9 ． 1 2 黄犊子， 樊栓狮 ， 石磊 ．天然气水合物的导热系数[ J 】 ． 化学通报， 2 0 0 4 ， 1 0 7 3 7 7 4 2 ． 修改回稿 日 期2 0 1 0 0 3 一 I I 编辑文敏 上接 第3 5页 6 0 砷 譬 4 0 V 2 0 0 2 00 0 0 0 4 00 0 0 0 图4 考虑不同应力敏感的 I P R曲线 参考文献 能 1 高旺来 ． 迪那 2高压气藏岩石压缩系数应力敏感评价 [ J ] ． 石油地质与工程， 2 0 0 7 ， 2 1 1 7 5 7 6 ． 2 Da v i e s J P． K a v i e s D ． S t r ess d e p e n d e n t pe r me a b i l i t y c h a r a c - t e fi z a fi o n a n d m o d e l i n g [ J ] ． S P E 5 6 8 1 3 ， 1 9 9 9 ． 3 宋传真， 郑荣臣．致密低渗气藏储层应力敏感性及其对 单井产能的影响[ J ] ．大庆石油地质与开发 ， 2 0 0 6 ， 2 6 6 4 7 4 9 ． 5 2 4 J e l me t T A．S e e n g H．P e r me a b i l i t y c d o n d e s c r i b e s c o r e p e r m e a b i l i t y i n s t r e s s s e n s i t i v e r o c k s [ J ] ． O i l＆G as J o u r - h a l ， 1 9 9 8 ，1 2 7 6 0 6 3 ． 5 Va i r o b J ，He a r n C L， Da r e i n g D W ，R h o a d e s V W．E ff e c t r o c k s t r s o n g a s p r o d u c ti o nf r o ml o w p c r me a b i l l t vf r o m r 伪． e r v o i r s [ J ] ． J o u r n a l o f P e t r o l e u mT ech n o l o g y ， 1 971 ， 9 1 1 6 1 一 l 1 6 7 ． 6 李传亮 ．岩石本体变形过程中的孔隙度不变性原则[ J ] ． 新疆石油地质， 2 0 o 5 ， 2 6 6 7 3 2 7 3 4 ． 7 李传亮， 孔祥言， 杜志敏 ， 等 ． 多孔介质的流变模型研[ J ] 究 ．力学学报 2 0 0 3 ， 3 5 2 2 3 0 2 3 4 ． 8 李允， 李治平缩 ．气井及凝析气井产能试井与产能评价 [ M] ．北京 石油工业出版社 ， 2 0 0 0 ． 9 向阳， 向丹 ， 杜文博 ． 致密砂岩气藏应力敏感的全模拟试 验研究[ J ] ．成都理工大学报， 2 0 0 2 ， 2 9 6 6 1 7 6 1 9 ． 1 0 刘向君， 罗平亚 ．岩石力学与石油工程 [ M] ．北京 石 油工业出版社， 2 0 0 4 ， 8 6 9 0 ． 修改回稿 日 期2 0 0 9 1 2 2 5 编辑文敏 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m