固態(tài)流化采掘海洋天然氣水合物藏破碎參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王國(guó)榮 黃 蓉 鐘 林 王雷振 周守為 劉清友

1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2.中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司3.“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué) 4.西華大學(xué)流體機(jī)械及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

盡早實(shí)現(xiàn)天然氣水合物(以下簡(jiǎn)稱水合物)的開(kāi)發(fā)利用，是解決我國(guó)后續(xù)能源供給的有效途徑[1-3]。針對(duì)我國(guó)南海水合物具有埋藏淺、膠結(jié)性差的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的開(kāi)采方法有可能導(dǎo)致海底非成巖水合物無(wú)序分解，進(jìn)而對(duì)水合物儲(chǔ)層的海底結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[4-5]。

周守為院士提出了一種新的開(kāi)采方法——固態(tài)流化開(kāi)采，形成了一種新的開(kāi)采工藝。該方法利用前端采掘破碎工具打領(lǐng)眼井，在領(lǐng)眼與射流破碎井筒之間設(shè)計(jì)圓錐形過(guò)渡段以利于破碎顆粒的上排，再通過(guò)連續(xù)油管下放噴嘴進(jìn)行射流破碎，完成射流流化開(kāi)采。水射流技術(shù)是近20年發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)，它是高壓水通過(guò)噴嘴完成清洗、切割、破碎等各種工藝的技術(shù)[6-7]。該工藝能夠保證海底水合物壓力、溫度場(chǎng)平衡，有效解決常規(guī)開(kāi)采方法所面臨的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)海洋水合物的安全、高效、綠色鉆采[8]。

基于固態(tài)流化開(kāi)采工藝，原中國(guó)海洋石油總公司在我國(guó)南海北部荔灣3站位依托深水工程勘察船“海洋石油708”，取得全球首次成功實(shí)施海洋淺層非成巖水合物固態(tài)流化試采作業(yè)[9]。但當(dāng)前并沒(méi)有相關(guān)的研究對(duì)實(shí)際工程中水合物射流破碎效率的影響參數(shù)進(jìn)行分析。

筆者針對(duì)噴嘴直徑、泵壓變化對(duì)射流破碎影響進(jìn)行相應(yīng)的研究，同時(shí)基于商業(yè)開(kāi)采天然氣水合物12×104m3/d的需要，對(duì)海洋非成巖水合物藏固態(tài)流化商業(yè)化采掘破碎參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。研究過(guò)程中，根據(jù)王國(guó)榮等[10]的實(shí)驗(yàn)研究，建立單噴嘴數(shù)值仿真分析確定射流破碎臨界速度；再對(duì)不同噴嘴直徑、泵壓條件進(jìn)行數(shù)值仿真分析，確定相關(guān)參數(shù)變化曲線；最后結(jié)合商業(yè)開(kāi)采所需產(chǎn)量確立一套系統(tǒng)的水合物的采掘工況參數(shù)，繼而為未來(lái)水合物射流破碎商業(yè)化開(kāi)采的提供相關(guān)的研究基礎(chǔ)。

1 仿真模型建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

模擬計(jì)算中通常選用Fluent中的標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型，k方程為ε方程為：

式中ρ表示流體密度，k表示湍動(dòng)能，ε表示耗散率；μ是流體的動(dòng)力黏度；GK、Gb分別表示由于平均速度梯度和浮力引起的湍動(dòng)能；YM表示可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的影響；xi表示坐標(biāo)方向、μi表示時(shí)均速度、μt表示湍流黏度，σk、σε表示k和ε對(duì)應(yīng)的prandtl數(shù)；Sk和Sε表示用戶自定義的源項(xiàng)；C1ε、C2ε和 C3ε表示經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

湍流黏性系數(shù)：

在 Fluent中，Cμ是 常 量，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，湍動(dòng)能k與耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)分別為 σk=1.0，σε=1.3[11-12]。

1.2 參數(shù)選擇

本文建模應(yīng)用噴嘴射流流場(chǎng)模擬試驗(yàn)中，考慮到網(wǎng)格的精度問(wèn)題，又是二維規(guī)則模型，所以采用四邊形網(wǎng)格單元。綜合考慮模型的計(jì)算規(guī)模和網(wǎng)格的計(jì)算精度，最終以0.05的精度劃分網(wǎng)格單元。由于本模擬實(shí)驗(yàn)的模型相對(duì)比較簡(jiǎn)單，所以采用的是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，這樣可以減少運(yùn)算量，提高運(yùn)算速度。

筆者使用ICEM軟件對(duì)噴嘴模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，噴嘴模型的網(wǎng)格局部放大如圖1所示。ABCG為噴嘴結(jié)構(gòu)區(qū)域，GFEDC為流場(chǎng)區(qū)域，為了能清楚地表示網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)，將外流場(chǎng)縮短實(shí)際模型中，外流場(chǎng)的寬度為300 mm，長(zhǎng)度達(dá)1 m。

圖1 網(wǎng)格局部放大圖

研究單噴嘴模型主要分析單噴嘴直徑的變化，忽略其他結(jié)構(gòu)的影響。把射流噴嘴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為圖1，噴嘴直徑為2 mm，其中AB為壓力入口，BC為壁面，CDEF為壓力出口，因?yàn)樯淞髁鲌?chǎng)為規(guī)則矩形，因此采用對(duì)稱軸模型，AGF為對(duì)稱軸。邊界條件定義：VOF模型、k—ε方程，入口邊界條件定義為Pressure-inlet，出口邊界條件為Pressure-outlet，選取的泵壓分別為：入口為3.0、4.3、5.0 MPa，出口壓力為0.1 MPa，進(jìn)出口紊流強(qiáng)度均為5%，其他邊界為壁面條件。

1.3 射流破碎實(shí)驗(yàn)

需要確定天然氣水合物試樣的臨界破碎速度，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法研究水合物射流破碎，因水合物制備較為困難，實(shí)驗(yàn)條件受限，考慮到冰與水合物力學(xué)性質(zhì)較為接近[13-14]，采用泥沙與水混合凍制的試樣如圖2所示，替代真實(shí)的水合物沉積物作為水射流實(shí)驗(yàn)對(duì)象，試樣為圓柱狀，中間預(yù)留領(lǐng)眼，用于噴射頭無(wú)障礙下放，其上安裝有多個(gè)噴嘴，該實(shí)驗(yàn)中所用到的噴嘴如圖2所示，該噴嘴已在2017年5月試采使用。

圖2 射流破碎實(shí)驗(yàn)照片

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用噴嘴直徑2 mm，水射流壓力在3～5 MPa調(diào)節(jié)（調(diào)節(jié)幅度為0.1 MPa），試驗(yàn)記錄不同壓力條件下的破碎腔半徑。得到的破碎腔半徑隨水射流壓力的變化如圖3所示。

圖3 射流壓力對(duì)破碎腔半徑的影響圖

圖3描述了水射流壓力由3 MPa增至5 MPa，破碎腔半徑逐漸增加，當(dāng)射流壓力達(dá)到4.3 MPa時(shí)，破碎腔半徑為250 mm，此后隨射流壓力增加，破碎腔半徑基本沒(méi)有變化，因此最終噴嘴射流破碎能夠達(dá)到破碎腔半徑為250 mm。

根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，射流破碎實(shí)驗(yàn)所能達(dá)到最遠(yuǎn)射流距離為250 mm，由此確定4.3 MPa的射流壓力所對(duì)應(yīng)的射流破碎距離250 mm的速度為臨界破碎速度。

1.4 臨界破碎速度

天然氣水合物射流破碎仿真分析時(shí)需要確定相應(yīng)的天然氣水合物臨界破碎速度。因此，根據(jù)天然氣水合物破碎實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在沒(méi)有考慮圍壓的情況下，結(jié)合仿真分析得到的速度分布，如圖4所示。仿真分析過(guò)程中的其他參數(shù)為：泵壓介于15～21 MPa，調(diào)節(jié)幅度為1 MPa，出口壓力根據(jù)我國(guó)南海試采所得到的水合物分布層深度為1 420 m，海水密度為1 005.3 kg/m3，則計(jì)算的深海圍壓約為14 MPa，計(jì)算域的尺寸相同，進(jìn)出口大小和尺寸也相同。

圖4 射流壓力4.3 MPa下的噴嘴速度分布圖

從圖4可以看出，射流的軸向速度變化很明顯，從射流出口速度的最大值經(jīng)過(guò)很短的射流距離就迅速減小。因此，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，選擇壓力為4.3 MPa條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此參數(shù)作為仿真的邊界條件，通過(guò)單噴嘴仿真模擬，得到水射流到達(dá)250 mm處的速度，并以此速度作為能夠達(dá)到破碎效果的臨界速度。通過(guò)對(duì)單噴嘴射流模型的建立，依據(jù)實(shí)驗(yàn)所得到的參數(shù)對(duì)比分析得到了天然氣水合物試樣破碎的臨界速度24 m/s。

2 單噴嘴射流仿真結(jié)果分析與討論

根據(jù)仿真分析不同泵壓下5種直徑噴嘴的流場(chǎng)變化，以射流距離為250 mm處的臨界速度（V0）為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)改變泵壓、噴嘴直徑（噴射壓力相當(dāng)于從0依次升高至7 MPa，噴嘴直徑從2 mm依次增加至6 mm），確定滿足該臨界速度的噴射距離即破碎腔半徑；并通過(guò)仿真結(jié)果，得到不同泵壓、噴嘴直徑對(duì)排量的影響曲線。

圖5所示描述了臨界速度下單噴嘴直徑和泵壓對(duì)射流距離的影響變化曲線。

圖5 單噴嘴直徑和泵壓對(duì)射流距離的影響圖

從圖5中可以看出，泵壓對(duì)射流距離的影響有重要關(guān)系，即當(dāng)泵壓小于18 MPa時(shí)，射流距離增長(zhǎng)速率較大，當(dāng)泵壓超過(guò)18 MPa時(shí)，射流距離隨泵壓的變化則增長(zhǎng)率變緩。而相同泵壓下，隨噴嘴直徑的增加，射流距離逐漸增大，但不同泵壓下，噴嘴直徑對(duì)射流距離增長(zhǎng)率的影響并不相同，泵壓越大，隨噴嘴直徑增加，射流距離增長(zhǎng)率越大，其主要是由于當(dāng)泵壓增加到一定值時(shí)，噴嘴直徑的影響作用加大，這時(shí)候增加噴嘴直徑，可以達(dá)到更大的破碎距離。

此外，此處的研究結(jié)果可為后文采掘直徑的選擇提供參數(shù)，即確定采掘直徑后，基于此圖可得到相應(yīng)的噴嘴直徑下所需泵壓。

圖6所示描述了單噴嘴泵壓和噴嘴直徑對(duì)噴嘴射流排量的影響變化曲線。

圖6 單噴嘴直徑和泵壓對(duì)射流排量的影響圖

從圖6中可知，在不同噴嘴直徑下，泵壓和排量基本呈現(xiàn)呈正比的變化趨勢(shì)，隨著泵壓的提高，排量相應(yīng)的提高；此外，從圖6中也可看出，在噴嘴直徑較小時(shí)，排量隨著泵壓的增長(zhǎng)趨勢(shì)平緩，而隨著噴嘴直徑增大，排量隨著泵壓的增長(zhǎng)趨勢(shì)越來(lái)越明顯。因此，仿真結(jié)果可以表明，在噴嘴直徑較大時(shí)，想要很快達(dá)到一定的射流距離，必須盡可能的增大噴射泵壓，相應(yīng)的提高排量，以滿足工程的需要。

3 采掘破碎工作參數(shù)

2017年5月，原中國(guó)海洋石油總公司（現(xiàn)中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司）在南海首次成功實(shí)施海洋淺層非成巖天然氣水合物固態(tài)流化試采作業(yè)，初步證明海洋天然氣水合物固態(tài)流化開(kāi)采方法的可行性。

依據(jù)水合物商業(yè)開(kāi)采需求，原中國(guó)海洋石油總公司相關(guān)單位進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)量、設(shè)備等條件綜合分析，確定滿足商業(yè)開(kāi)采的日產(chǎn)氣量為12×104m3。如圖7所示，日產(chǎn)氣量所對(duì)應(yīng)的參數(shù)即日采掘量，影響日采掘量的主要是破碎腔半徑、破碎腔長(zhǎng)度、破碎效率。所需確定的主要參數(shù)：噴嘴直徑、泵壓、排量等。

圖7 日采掘量影響參數(shù)圖

破碎腔的長(zhǎng)度主要依據(jù)目前國(guó)內(nèi)外水平井發(fā)展現(xiàn)狀決定，就目前世界水平井技術(shù)能力能夠滿足商業(yè)開(kāi)采的開(kāi)采長(zhǎng)度[13]。

根據(jù)圖6所示的單噴嘴直徑和泵壓對(duì)排量的影響變化曲線，結(jié)合噴嘴射流破碎實(shí)驗(yàn)中所用噴頭（共31個(gè)單噴嘴），確定總排量的變化曲線，如圖8所示。在確定泵壓的情況下，能夠得到不同噴嘴直徑所需不同的排量。

基于水合物日產(chǎn)氣量的需求，確定單日水合物沉積物的采掘量。

純水合物與產(chǎn)氣量體積之比為1∶168，水合物沉積物礦藏孔隙度為0.4，水合物飽和度為50%進(jìn)行計(jì)算[15-17]，日產(chǎn)氣量需達(dá)到12×104m3，則由式（4）確定日水合物沉積物的采掘量應(yīng)達(dá)到2.48 m3/min。

圖8 總排量的變化曲線圖

式中V表示產(chǎn)氣量，104m3/d；Sr表示水合物在空隙中的飽和度；φ表示水合物礦體的孔隙度； 表示純水合物的儲(chǔ)氣量，m3/m3；η表示破碎效率，m3/min。

為滿足水合物采掘量2.48 m3/min的商業(yè)開(kāi)采效率，且基于試采連續(xù)油管回拖速度為5 m/min，選擇射流破碎孔徑為800 mm。則破碎效率表示為：

式中D表示破碎孔眼直徑，m；d表示領(lǐng)眼直徑，m；L表示破碎孔眼長(zhǎng)度，m；t1表示破碎時(shí)間，min。

因v1t1=L，式（5）可改寫為：

式中v1表示破碎速度，m/min。

基于800 mm的破碎孔徑，根據(jù)圖6所示的單噴嘴直徑和泵壓對(duì)射流距離的影響變化曲線確定不同的噴嘴直徑所需要的壓力，根據(jù)圖7所示的總排量隨著泵壓和噴嘴直徑的變化曲線確定相應(yīng)的排量參數(shù)如表1所示，表1確定了3種噴嘴直徑所對(duì)應(yīng)的排量、泵壓參數(shù)。由于射流距離確定，噴嘴直徑選取2、3 mm時(shí)，所需泵壓過(guò)大則不予考慮。

表1 水合物破碎參數(shù)表

4 結(jié)論

通過(guò)水合物射流破碎實(shí)驗(yàn)研究和仿真數(shù)值分析，確定了射流破碎臨界速度；再對(duì)不同射流參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真分析，得到了影響射流破碎的變化曲線。對(duì)其商業(yè)化采掘破碎的參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算得到如下結(jié)論：

1）確定了水合物射流破碎臨界速度為24 m/s?；诖伺R界速度，通過(guò)改變不同參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真分析確定噴嘴直徑、泵壓、排量的關(guān)系曲線。

2）以水合物產(chǎn)氣量12×104m3/d商業(yè)開(kāi)采需求目標(biāo)，確定了水合物沉積物的采掘量應(yīng)達(dá)到2.48 m3/min，對(duì)應(yīng)的射流破碎孔徑為800 mm，相應(yīng)得到水合物破碎參數(shù)（噴嘴直徑、泵壓、排量）。

3）在噴嘴直徑確定情況下，直接提升排量和壓力，會(huì)對(duì)工藝流程中其他零部件造成一定的損害，因此還需結(jié)合所需噴嘴結(jié)構(gòu)和噴嘴排列方式等方面入手，最終根據(jù)產(chǎn)量確立一套系統(tǒng)的天然氣水合物的破碎工況參數(shù)，繼而為未來(lái)水合物射流破碎商業(yè)化開(kāi)采的提供相關(guān)的研究基礎(chǔ)。