黃婷，李清平，李銳，龐維新，陳光進(jìn)

（1 天然氣水合物國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100028；2 中海油研究總院有限責(zé)任公司水合物和海洋資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100028；3 中國石油大學(xué)（北京）化學(xué)工程與環(huán)境學(xué)院，北京 102249）

天然氣水合物因其儲(chǔ)量大、分布廣泛而被認(rèn)為是21 世紀(jì)最重要的替代能源之一。據(jù)估計(jì)，全球天然氣水合物儲(chǔ)量約為2.5×10m，其中90%以上分布在海底沉積層中。世界各國相繼開展天然氣水合物資源勘探、開發(fā)和環(huán)境安全等相關(guān)研究。

Moridis 等將天然水合物藏分為四大類，目前大部分研究都基于該分類方式進(jìn)行。如圖1 所示，第一類水合物藏（Class 1）由兩層組成，上層是水合物層，下層是含游離氣的兩相流動(dòng)層，如阿拉斯加北坡的水合物藏。此外，根據(jù)水合物層的不同組成，又分為水飽和（Class 1W） 和氣飽和（Class 1G）兩種類型。第二類水合物藏（Class 2）也由兩層組成，上層是水合物層，下層是流動(dòng)相水層，如日本南海海槽及馬里克水合物藏的一部分。第三類水合物藏（Class 3）不包含流動(dòng)相，僅有單一的水合物層，如我國的祁連山凍土區(qū)及墨西哥灣的虎鯊區(qū)水合物藏。前三類水合物藏都含有上下兩層非滲透蓋層。而第四類水合物藏（Class 4）由低飽和度（小于10%）的水合物帶組成，且上下沒有非滲透蓋層，如印度哥達(dá)瓦爾盆地。其中，第一類水合物藏是目前進(jìn)行水合物開采的首選目標(biāo)，因?yàn)檫@類水合物藏的溫壓條件離相平衡線很近，只需要一個(gè)很小的分解驅(qū)動(dòng)力就能導(dǎo)致水合物分解；并且這類水合物藏的優(yōu)點(diǎn)是即使水合物分解較少，由于下層游離氣的存在，開采時(shí)依然會(huì)有一定量的氣體采出。

圖1 不同類型水合物藏示意圖

但目前大多數(shù)水合物開采實(shí)驗(yàn)研究都是針對(duì)第三類水合物藏即單一的水合物層進(jìn)行的，單一水合物層在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中容易制備。關(guān)于第一類水合物藏的實(shí)驗(yàn)研究較少，現(xiàn)有研究在儲(chǔ)層塑造方面都有一定的局限性。難以保證在不借助隔板或透氣阻水介質(zhì)的前提下，使水合物層和下伏游離氣層穩(wěn)定共存，同時(shí)具有清晰可控的層界面。該局限性導(dǎo)致模擬的水合物開采產(chǎn)氣產(chǎn)水規(guī)律受到一定程度影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可參考性降低。楊新等用300mm×100mm 的反應(yīng)器模擬了第一類水合物藏降壓開采過程的特性，該反應(yīng)器由一塊厚度為3mm 的多孔不銹鋼板分為上下兩部分。他們發(fā)現(xiàn)在水合物開采過程中，初期采用降壓法，后期采用熱激法可能更為合理。楊明軍等在背壓降至2.0MPa、2.3MPa、2.6MPa 和3.0MPa 的不同實(shí)驗(yàn)工況下，研究了前三類水合物藏降壓分解過程中的溫度分布、產(chǎn)氣量和采收率的變化情況。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，從生產(chǎn)的觀點(diǎn)來看（天然氣采收率和水合物分解比率），第二類水合物藏更有優(yōu)勢(shì)，而從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來看（能量比率），第一類水合物儲(chǔ)層是開采更好的選擇?？傮w來說，目前對(duì)含下伏游離氣的第一類水合物藏室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究較少，開采規(guī)律尚未完全掌握，研究成果有待豐富。

為此，本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，采用一個(gè)28.3L 的反應(yīng)釜來模擬第一類水合物藏的降壓開采過程。在儲(chǔ)層塑造階段，增加自由氣層，將反應(yīng)釜高度的一半（約200mm）設(shè)置為僅含甲烷氣體的石英砂層。同時(shí)采用了一種可靠的水合物層制備方法，保證了第一類水合物藏實(shí)驗(yàn)室重塑的有效性。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行垂直井降壓開采模擬，研究了開采壓力和開采井位置對(duì)該類水合物藏產(chǎn)能的影響規(guī)律。為我國南海含下伏游離氣的天然氣水合物藏開采提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料包括石英砂（20～40目），由北京藍(lán)寧科貿(mào)有限公司提供；甲烷氣體（99.99%）和氮?dú)猓?9.99%），購買自北京海譜氣體有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖2 所示，實(shí)驗(yàn)裝置主要由高壓反應(yīng)器系統(tǒng)、氣體收集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)記錄系統(tǒng)（MCGS）組成。高壓反應(yīng)器系統(tǒng)主要由高壓氣瓶空氣浴及反應(yīng)釜等組成，設(shè)計(jì)壓力0～25MPa。圖3為反應(yīng)釜實(shí)物圖。位于空氣浴中的圓柱形不銹鋼反應(yīng)釜體積為28.3L，其內(nèi)徑為300mm，高度為410mm。反應(yīng)器的中心放置有開孔長度為100mm 的生產(chǎn)井。氣體收集系統(tǒng)主要由一個(gè)5L的氣水分離器和兩個(gè)22.5L的氣體收集鋼瓶組成。實(shí)驗(yàn)中所有的溫度壓力數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)每分鐘自動(dòng)記錄。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖3 反應(yīng)釜實(shí)物圖

反應(yīng)釜中共放置有24 個(gè)溫度傳感器，平均分為六層，六層傳感器與反應(yīng)釜底部的距離分別為20mm、 75mm、 130mm、 212.5mm、 275mm 和337.5mm。以最下層為第一層依次編排層號(hào)，每層的傳感器分布如圖4所示?？梢钥闯?，每層的4個(gè)傳感器距離反應(yīng)器中心分別為12mm、56mm、100mm、144mm。反應(yīng)釜內(nèi)共裝有4 個(gè)壓力傳感器，分別裝在第2層、第4層、第6層及開采井處。實(shí)驗(yàn)中所有溫度傳感器和壓力傳感器均由北京昆侖海岸傳感技術(shù)中心提供。

圖4 傳感器位置示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)可以分為兩部分：水合物樣品制備階段和降壓開采階段。

第一類水合物藏樣品可根據(jù)以下步驟制備。

首先，稱量一定量的干沙子放入反應(yīng)釜下部，并將反應(yīng)釜放入空氣浴冷卻至0℃以下。與此同時(shí)，另稱一定比例的沙子和水分別放入冰箱冷卻到258.2K 和274.15K。之后，將這部分沙子與水均勻混合繼續(xù)冷凍，使水轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，冷凍過程中須經(jīng)常攪拌。待上述工作完成后將制備好的冰沙混合物放入反應(yīng)釜上層。接下來盡可能快地將反應(yīng)釜蓋、生產(chǎn)井、傳感器等設(shè)施裝好以防止冰粒融化。然后向反應(yīng)釜中注入氮?dú)庠嚶?，若反?yīng)釜內(nèi)壓力可以保持4h 不變，則認(rèn)為反應(yīng)釜不漏氣。試漏完成后排掉反應(yīng)釜內(nèi)氮?dú)猓⒊檎婵?0min以上。之后向反應(yīng)釜中充入甲烷氣體至一定壓力。甲烷水合物生成過程開始進(jìn)行，生成過程中須不斷計(jì)算水合物飽和度及剩余水量以指導(dǎo)升溫、補(bǔ)氣等操作。待水合物生成完成后，將水合物樣品升至實(shí)驗(yàn)溫度，并在開采實(shí)驗(yàn)前向反應(yīng)釜補(bǔ)氣至實(shí)驗(yàn)條件。用此方法便可制成上方為水合物層下方為自由氣層的第一類水合物藏樣品。

待水合物生成完畢后，開始進(jìn)行水合物降壓開采實(shí)驗(yàn)。首先提前調(diào)節(jié)背壓閥至開采壓力。待一切準(zhǔn)備工作就緒后，打開開采井處的閥門，氣體就會(huì)沿管道流入氣水分離罐，經(jīng)分離后的甲烷氣體流入氣體收集瓶。在采氣過程中須每過一段時(shí)間打開氣水分離罐底部閥門監(jiān)測(cè)是否有水產(chǎn)出。待收集瓶中氣體壓力不再增加時(shí)即可認(rèn)為開采過程結(jié)束，此時(shí)關(guān)閉開采井，實(shí)驗(yàn)完成。

2 結(jié)果與討論

本研究共進(jìn)行了9組實(shí)驗(yàn)，考察了不同開采壓力、開采井井孔位置及儲(chǔ)層類型對(duì)水合物降壓開采過程的影響，各組實(shí)驗(yàn)的條件如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)條件匯總表

2.1 水合物生成過程溫壓變化

由于各組實(shí)驗(yàn)生成及開采過程大體上類似，固選取實(shí)驗(yàn)2 為例進(jìn)行分析。圖5 為實(shí)驗(yàn)2 生成過程溫度和壓力隨時(shí)間變化的曲線。其中溫度7位于高度75mm，半徑100mm，溫度15是相同半徑位于高度212.5mm處的測(cè)溫點(diǎn)。從圖5中可知，在甲烷注入時(shí)反應(yīng)釜內(nèi)溫度和壓力都迅速明顯升高，且溫度7比溫度15升溫快。這是由于甲烷鋼瓶放置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)處于室溫環(huán)境，較熱的甲烷氣體由反應(yīng)釜底部注入后會(huì)加熱儲(chǔ)層，因此位置靠下的溫度7升溫更快。在注氣過程結(jié)束后，釜內(nèi)壓力開始快速下降。

圖5 第一類水合物藏生成過程中溫度和壓力曲線

這是多種原因共同作用造成的。首先，反應(yīng)釜內(nèi)的溫度在注氣完成后受空氣浴傳熱的影響會(huì)逐漸下降，這進(jìn)一步導(dǎo)致了壓力的下降。并且釜內(nèi)甲烷的壓力達(dá)到8MPa 左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于儲(chǔ)層平均溫度-0.4℃所對(duì)應(yīng)的甲烷水合物平衡壓力。較高的水合物生成推動(dòng)力會(huì)導(dǎo)致誘導(dǎo)時(shí)間縮短，水合物迅速生成而進(jìn)一步降低釜內(nèi)壓力，且這是釜內(nèi)壓力下降的主要因素。在溫度方面，注氣結(jié)束后位于反應(yīng)釜下部干沙處的溫度7開始下降，但與之測(cè)溫半徑相同的位于反應(yīng)釜上部濕沙處的溫度15 仍在上漲，并漲至2℃以上。兩處相反的溫度變化情況說明了水合物在反應(yīng)釜上部形成并放出熱量導(dǎo)致溫度上升，而下方基本沒有水合物生成，隨著空氣浴傳熱而逐步下降。這也證明了采用第一類水合物藏樣品的生成方法是可行的。

由圖5可知，在約80min時(shí)，溫度15達(dá)到最高點(diǎn)后開始逐漸下降，此時(shí)壓力曲線的降低也逐漸放緩。水合物生成速率變慢導(dǎo)致放熱速率小于空氣浴傳熱速率進(jìn)而引起溫度下降。接下來的六次溫度升高都是由于逐步升高空氣浴溫度造成的?？梢钥闯觯旧厦看紊郎剡^程溫度15都比溫度7升高的更快，僅在1500～2000min 的第二次升溫過程（特殊點(diǎn)）溫度7 變化更快。這是由于在升溫過程中，水合物仍在生成放熱進(jìn)而導(dǎo)致了上層的溫度15 升高較快，但第二次升溫過程中包含了冰向水轉(zhuǎn)化的吸熱相變過程，因而出現(xiàn)了溫度7上漲更快的特殊現(xiàn)象。并且每次升溫時(shí)，壓力曲線會(huì)出現(xiàn)一段平臺(tái)期，這是由于升溫導(dǎo)致的壓力上漲和水合物生成導(dǎo)致的壓力下降相互抵消造成的。最終在開采前將溫度調(diào)整至5.5℃左右，并向反應(yīng)釜中補(bǔ)充甲烷氣體至7.0MPa左右。

圖6 為實(shí)驗(yàn)7 生成過程的溫度和壓力曲線，實(shí)驗(yàn)7生成的為第三類水合物藏樣品。該過程與實(shí)驗(yàn)2大體上類似，但仍有些許區(qū)別。首先，在最初進(jìn)氣過程結(jié)束后，溫度7和溫度15均未降低，并且在后續(xù)升溫過程中，溫度7與溫度15的變化較同步，這是由于第三類水合物藏為單一的水合物層，上下兩處均有水合物生成放熱，且上下兩處性質(zhì)類似，因此升溫時(shí)溫度同步變化，而且在約3000min時(shí)壓力降低速率明顯升高，這是兩種原因共同作用的結(jié)果。該次升溫存在由冰向水的轉(zhuǎn)化過程，冰融化體積收縮會(huì)造成氣體空間增大而導(dǎo)致壓力降低；并且冰融化會(huì)破壞原先冰粒表面生成的水合物殼而增大氣水接觸面積，加快水合物生成過程。

圖6 第三類水合物藏生成過程中溫度和壓力曲線

2.2 水合物開采過程溫度壓力變化

圖7 為實(shí)驗(yàn)2 開采過程溫度和壓力隨時(shí)間變化的曲線。其中溫度5 和溫度7 位于高度75mm，半徑分別為12mm 和100mm，而溫度17 和溫度19 位于高度275mm，半徑也是12mm 和100mm。從圖7中可以看出，水合物生產(chǎn)過程可以分為兩個(gè)階段，即快速產(chǎn)氣階段（約10min）和穩(wěn)定產(chǎn)氣階段。

圖7 第一類水合物藏開采過程中溫度和壓力曲線

在快速產(chǎn)氣階段，10min內(nèi)反應(yīng)釜壓力由最初的7.0MPa 降至開采壓力2.1MPa 左右，且由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，此階段產(chǎn)氣量占到總產(chǎn)氣量的70%以上。并且反應(yīng)釜內(nèi)溫度也大幅下降，位于反應(yīng)釜上部水合物層的溫度17 和溫度19 降至零下，而位于自由氣層的溫度5和溫度7僅降至3℃左右。其中水合物層的溫度下降是水合物分解吸熱和產(chǎn)氣的焦湯效應(yīng)共同作用的結(jié)果，而自由氣層基本無水合物，因此降溫幅度較小。

在穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，反應(yīng)釜內(nèi)壓力一直保持在開采壓力2.1MPa 左右，四條溫度曲線都逐漸回升至初始溫度?？梢钥闯觯挥谧杂蓺鈱拥膬?nèi)外側(cè)溫度變化比較同步，而位于水合物層的內(nèi)外溫度變化差異很大，并且同一層溫度，位于外側(cè)的溫度7和溫度19 均比內(nèi)側(cè)的溫度5 和溫度17 回升快。這是由于反應(yīng)釜下部儲(chǔ)層孔隙僅含有自由氣，因此溫度變化較同步，而上層含有大量水合物，且水合物分解會(huì)產(chǎn)生大量的冰，這些都會(huì)影響釜內(nèi)溫度的變化。受空氣浴傳熱影響，靠近外側(cè)的溫度回升較快，而水合物層靠近反應(yīng)釜中心的溫度回升最慢。在1100～1200min后，溫度17也由于冰轉(zhuǎn)化為水而升溫速率明顯加快，直至恢復(fù)初始溫度。

圖8 為實(shí)驗(yàn)7 開采過程的溫度和壓力曲線，與實(shí)驗(yàn)2相同，此過程也分為兩個(gè)階段，但實(shí)驗(yàn)7反應(yīng)釜上下部分溫度變化一致，均出現(xiàn)降至0℃以下并緩慢回升的現(xiàn)象，且靠近反應(yīng)釜中心的區(qū)域溫度降低更多，回升更緩慢。

圖8 第三類水合物藏開采過程中溫度和壓力曲線

2.3 開采壓力的影響

圖9 和圖10 分別為實(shí)驗(yàn)1 和實(shí)驗(yàn)3 的甲烷采收率和每10min甲烷產(chǎn)出量隨時(shí)間的變化情況。實(shí)驗(yàn)1 和實(shí)驗(yàn)3 的開采壓力分別為2.95MPa 和2.14MPa。如圖9所示，從甲烷采收率曲線也可以看出產(chǎn)氣過程分為兩個(gè)階段。在快速產(chǎn)氣階段，甲烷采收率急劇升高，10min 內(nèi)實(shí)驗(yàn)1 和實(shí)驗(yàn)3 的氣體采收率分別達(dá)到50%和60%以上。在穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，兩組實(shí)驗(yàn)的采收率持續(xù)緩慢升高，并隨著開采時(shí)長的增加采收率增速越來越小，直至降低為0，最終實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)3的甲烷采收率分別達(dá)到73%和81%。

圖9 實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)3的甲烷采收率曲線

圖10 實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)3每10min甲烷產(chǎn)量曲線

圖9 中實(shí)驗(yàn)1 曲線的幾處小波動(dòng)是由于實(shí)驗(yàn)過程中調(diào)節(jié)背壓閥導(dǎo)致的。并且相比于實(shí)驗(yàn)3，實(shí)驗(yàn)1的開采時(shí)間增加了約60%。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)開采壓力降低時(shí)，采收率也會(huì)增加，且開采時(shí)間會(huì)縮短。這是由于開采壓力高時(shí)，反應(yīng)釜內(nèi)剩余壓力也高，存留于反應(yīng)釜內(nèi)的氣體更多。并且開采壓力低時(shí)，水合物分解的推動(dòng)力大，因此開采時(shí)間較短。

由圖10可以看出前450min實(shí)驗(yàn)3比實(shí)驗(yàn)1的甲烷開采速率快，此階段實(shí)驗(yàn)3的氣體采出量已達(dá)到總產(chǎn)氣量的90%以上。這是多種因素共同作用的結(jié)果。首先，實(shí)驗(yàn)3的開采壓力較低，較高的水合物分解推動(dòng)力會(huì)加速產(chǎn)氣過程。而且甲烷水合物的四相點(diǎn)為2.56MPa 和273K，實(shí)驗(yàn)3 的生產(chǎn)壓力是低于甲烷水合物四相點(diǎn)的。

據(jù)Wang 等的研究可知，當(dāng)開采壓力處于水合物四相點(diǎn)以下時(shí)，儲(chǔ)層中存在的自由水及水合物分解產(chǎn)生的水會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為冰，這一過程產(chǎn)生的相變熱會(huì)為水合物分解提供熱量進(jìn)而加速水合物的分解過程。據(jù)Voronov 等研究可知，冰點(diǎn)以上水合物分解的吸熱量為(415±15)J/g，而冰點(diǎn)以下水合物分解的吸熱量僅為(143±10)J/g。圖11為實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)3位于水合物層的溫度17隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯鰞山M實(shí)驗(yàn)的溫度在開采初期分別降至約1℃和-0.5℃，這與Wang等的研究結(jié)果一致，因此實(shí)驗(yàn)3由于存在水的相變過程而開采效率更高。

圖11 實(shí)驗(yàn)1與實(shí)驗(yàn)3水合物層溫度曲線

2.4 開采井位置的影響

實(shí)驗(yàn)2的生產(chǎn)井井口位于反應(yīng)釜下部的自由氣層，而實(shí)驗(yàn)4和實(shí)驗(yàn)5的生產(chǎn)井井口位于反應(yīng)釜上部的水合物層，如圖12 所示。圖13 為實(shí)驗(yàn)2、實(shí)驗(yàn)4和實(shí)驗(yàn)5的甲烷采收率曲線，圖14為實(shí)驗(yàn)4每10min甲烷產(chǎn)出量隨時(shí)間的變化曲線。從甲烷采收率變化圖中可以看出，實(shí)驗(yàn)剛開始的前幾分鐘三組實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)氣情況類似，即大量氣體迅速從反應(yīng)釜中產(chǎn)出，氣體采收率迅速達(dá)到40%以上，但在約5min時(shí)實(shí)驗(yàn)4的氣體采收率曲線斜率明顯降低，產(chǎn)氣速率變慢，隨后在開采時(shí)間約40min時(shí)采收率曲線斜率又重新變大，產(chǎn)氣速率升高。

圖12 兩個(gè)開采井位置示意圖

圖13 實(shí)驗(yàn)2、實(shí)驗(yàn)4和實(shí)驗(yàn)5的甲烷采收率曲線

圖14 實(shí)驗(yàn)4每10min甲烷產(chǎn)量曲線

從圖14也可以看出，實(shí)驗(yàn)4的每10min產(chǎn)氣量在40～50min 有一次明顯的升高，從每10min 產(chǎn)氣2500mmol 漲至7000mmol。這是由于生產(chǎn)壓力較低，開采時(shí)釜內(nèi)溫度急劇下降，當(dāng)井孔位于水合物層時(shí)，水合物分解產(chǎn)生的自由水會(huì)與采出氣在井孔處發(fā)生水合物二次生成現(xiàn)象，或因溫度降至冰點(diǎn)以下，自由水會(huì)在井口處結(jié)冰，兩者均會(huì)堵塞井孔進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)氣速率降低，只有當(dāng)二次生成的水合物分解或冰融化后，水合物生產(chǎn)過程才能恢復(fù)正常。而生產(chǎn)井同樣位于水合物層的實(shí)驗(yàn)5卻沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象，反而以更快的速度產(chǎn)氣完成。這說明水合物二次生成現(xiàn)象并不是一定會(huì)發(fā)生的，可能與水合物藏的飽和度有關(guān)，飽和度較大時(shí)發(fā)生二次生成的概率更大。當(dāng)井孔位于自由氣層時(shí)，自由水含量很低，水合物無法二次生成，儲(chǔ)層溫度也保持在較高的水平，因此整個(gè)產(chǎn)氣過程十分順暢。

另外，由圖13 可知，三組實(shí)驗(yàn)的采收率在最終達(dá)到了基本相同的水平，但實(shí)驗(yàn)4比實(shí)驗(yàn)2生產(chǎn)時(shí)間多30%左右。因此，開采井位置對(duì)第一類水合物藏的總采收率影響較小。但是當(dāng)開采井井孔位于水合物層時(shí)，有可能會(huì)發(fā)生水合物二次生成而堵塞開采井的情況，從而降低開采效率，且實(shí)驗(yàn)室開采規(guī)模較小，堵塞現(xiàn)象影響也較小，在實(shí)際開采時(shí)儲(chǔ)層體積大、傳熱慢，因此水合物二次生成現(xiàn)象影響會(huì)更大。

2.5 第一、三類水合物藏降壓開采過程對(duì)比

圖15為實(shí)驗(yàn)3與實(shí)驗(yàn)6的甲烷采收率曲線，圖16為兩組實(shí)驗(yàn)每10min甲烷產(chǎn)出量隨時(shí)間的變化曲線。實(shí)驗(yàn)3模擬的是第一類水合物藏，實(shí)驗(yàn)6樣品為第三類水合物藏。。

圖15 實(shí)驗(yàn)3與實(shí)驗(yàn)6的甲烷采收率曲線

圖16 實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)6每10min甲烷產(chǎn)量曲線

在甲烷采收率變化曲線中，兩組實(shí)驗(yàn)在快速產(chǎn)氣階段變化情況基本一致，但兩組實(shí)驗(yàn)的快速產(chǎn)氣階段持續(xù)時(shí)間有明顯差別，在約10min 時(shí)實(shí)驗(yàn)6 的快速產(chǎn)氣階段結(jié)束進(jìn)入穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，而實(shí)驗(yàn)3的快速產(chǎn)氣階段則持續(xù)20min 左右，且實(shí)驗(yàn)3 和實(shí)驗(yàn)6在此階段的氣體采收率分別達(dá)到66%和56%。這是由于實(shí)驗(yàn)3為第一類水合物藏，反應(yīng)釜下部無水合物，反應(yīng)釜內(nèi)自由氣體占比較高，因此在快速產(chǎn)氣階段會(huì)比實(shí)驗(yàn)6持續(xù)時(shí)間更長且采收率更高。

在穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，實(shí)驗(yàn)6后來居上，在470min左右超過實(shí)驗(yàn)3，最終實(shí)驗(yàn)3 和實(shí)驗(yàn)6 的氣體采收率分別達(dá)到81.6%和87.7%。這是由于實(shí)驗(yàn)6 水合物較多，水合物中的氣體量遠(yuǎn)大于該壓力下相同體積的自由氣體中的氣體量，因此實(shí)驗(yàn)6采出的氣體更多，采收率更高。在每10min產(chǎn)氣量中也可以看出，實(shí)驗(yàn)6的每10min產(chǎn)氣量基本全程高于實(shí)驗(yàn)3，僅在10～20min時(shí)（圖中圈出），實(shí)驗(yàn)3的產(chǎn)氣量更高。這與之前的分析一致，10～20min 時(shí)實(shí)驗(yàn)3 仍處于快速產(chǎn)氣階段，而實(shí)驗(yàn)6 已進(jìn)入穩(wěn)定產(chǎn)氣階段，因此產(chǎn)氣量明顯減少，其余時(shí)段因?yàn)閷?shí)驗(yàn)6含氣量更多因此產(chǎn)氣量也更大。

圖17 為實(shí)驗(yàn)6～9 的采收率和產(chǎn)水量柱狀圖?？梢钥闯鏊慕M實(shí)驗(yàn)的采收率均比第一類水合物藏高，且實(shí)驗(yàn)8和實(shí)驗(yàn)9比實(shí)驗(yàn)6和實(shí)驗(yàn)7高出約7%，這與上面的結(jié)論相同，且由于實(shí)驗(yàn)8與實(shí)驗(yàn)9的水合物飽和度更高，因此采收率也更高，達(dá)到90%以上。

圖17 實(shí)驗(yàn)6～9采收率及產(chǎn)水量圖

在產(chǎn)水量方面，所有的第一類水合物藏實(shí)驗(yàn)均沒有產(chǎn)水，第三類水合物藏也僅有實(shí)驗(yàn)8 產(chǎn)水354g。這是由于對(duì)于第一類水合物藏，僅有上半部分含有水合物且水飽和度很低，因此在開采過程中水合物分解產(chǎn)生的水在重力作用下向反應(yīng)釜下部運(yùn)移，且在運(yùn)移過程中會(huì)不斷被下層的干砂吸附而流動(dòng)水相變得更少，導(dǎo)致氣飽和的第一類水合物藏?zé)o產(chǎn)水。而對(duì)于第三類水合物藏，僅有水飽和度較高且開采井位于下部的實(shí)驗(yàn)8有少量產(chǎn)水。因此對(duì)于第三類水合物藏當(dāng)開采井位于反應(yīng)釜上部時(shí)，可以減少產(chǎn)水量。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)利用自行設(shè)計(jì)的一套實(shí)驗(yàn)裝置，采用合適的儲(chǔ)層重塑方法，對(duì)第一類水合物藏降壓開采過程進(jìn)行了研究。通過本文研究得出以下結(jié)論。

（1）通過水合物生成及開采過程反應(yīng)釜內(nèi)溫度變化情況可知，本文提出的采用冰沙混合物填入反應(yīng)釜上層生成第一類水合物儲(chǔ)層樣品方法是可靠的。

（2）當(dāng)開采壓力從2.95MPa 降低到2.14MPa時(shí)，水合物總的開采時(shí)間從2650min 縮短到1700min，縮短了約38%，開采速率增加；快速產(chǎn)氣階段前10min 的氣體采收率從50%增加到60%，甲烷總采收率也從73%升高到81%。這與前人的研究結(jié)果一致，在甲烷水合物四相點(diǎn)以下的水合物分解過程由于水相變釋放的潛熱而增強(qiáng)。

（3）當(dāng)開采井井口位于第一類水合物藏水合物層時(shí)，可能會(huì)在井孔處出現(xiàn)水合物二次生成現(xiàn)象，從而導(dǎo)致開采效率降低，相同累積產(chǎn)氣量的情況下生產(chǎn)時(shí)間延長30%左右，但是最終的甲烷采收率與井位置無關(guān)。

（4）第一類水合物藏降壓開采時(shí)快速產(chǎn)氣階段持續(xù)20min 以上，比第三類水合物藏延長一倍多，但總的甲烷采收率為81.6%，稍低于本文涉及的所有第三類水合物藏的采收率。

值得注意的是，本文僅制備了氣飽和的第一類水合物藏，且采用的砂粒徑與我國南海已取樣的泥質(zhì)粉砂型水合物砂粒粒徑有所區(qū)別，因此實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果具有一定的局限性，為我國實(shí)際海洋水合物藏開采提供初步的規(guī)律參考。今后研究還需從實(shí)驗(yàn)裝置尺度、分區(qū)控溫方法、實(shí)驗(yàn)介質(zhì)篩選、儲(chǔ)層重塑穩(wěn)定性等方面著手，解決實(shí)際海洋第一類天然氣水合物儲(chǔ)層重塑關(guān)鍵技術(shù)瓶頸問題，提高海洋水合物開采室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M參考價(jià)值。