李 鵬 張旭輝, 劉樂樂 張 巖 魯曉兵, 李清平 何玉發(fā)

* (中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所,北京 100190)

? (中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

** (中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所,山東青島 266237)

?? (中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京 100029)

*** (南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(湛江),廣東湛江 102413)

引言

我國(guó)的深海資源的開發(fā)與利用正按“深海進(jìn)入、深海探測(cè)、深海開發(fā)”三步曲展開.天然氣水合物(以下簡(jiǎn)稱水合物)是天然氣(主要成分甲烷)和水在高壓和低溫條件下形成的類冰固體化合物,是一種清潔能源,其資源量約是當(dāng)前已探明化石燃料總量的兩倍,是未來全球能源發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一[1-3].海域水合物資源量占95%以上,水合物填充到海底砂、粉土、黏土等沉積物孔隙中形成水合物沉積物,主要分布在水深800～3000 m、海底以下數(shù)十米到數(shù)百米的沉積層中.水合物成藏和穩(wěn)定存在需要高壓低溫條件、有充足氣源、氣體運(yùn)移通道和充足的水源環(huán)境[4-5].

從全球各個(gè)國(guó)家和地區(qū)進(jìn)行的水合物沉積層的調(diào)查和研究來看,水合物沉積層在深海中一般分布在大洋邊緣板塊的會(huì)聚帶、被動(dòng)大陸邊緣、泥底辟、海底泥火山活動(dòng)區(qū)、海底滑塌區(qū)域等圈閉結(jié)構(gòu)[6-8].深海水合物在各類儲(chǔ)層中的比例如圖1 所示,越是靠近金子塔的底層,水合物的儲(chǔ)量越大,但開采難度也越高,尤其在粉黏土、黏土或淤泥中賦存的比例最高[9].我國(guó)在南海海域、東海的沖繩海槽、青藏高原凍土區(qū)等地具備水合物孕育和賦存的條件,且目前我國(guó)已探明海域水合物遠(yuǎn)景資源量高達(dá)800 億噸油當(dāng)量[10].

圖1 水合物地層金字塔形分布(1 Tcf=2.8 × 1010 STm3)[9]Fig.1 Pyramid distribution of gas hydrate in sediments[9]

水合物的開采同常規(guī)化石能源的區(qū)別在于[11]:水合物以固體化合物形式賦存在儲(chǔ)層的沉積物中,必須通過溫壓擾動(dòng),并供給水合物分解所需的熱量,打開水分子氫鍵約束,釋放出甲烷氣體分子,涉及相變與吸熱的過程;水合物地層一般具有3°～15°的坡度,水合物分解相變后,地層強(qiáng)度大幅降低,孔隙壓力升高,對(duì)井筒結(jié)構(gòu)及地層穩(wěn)定構(gòu)成威脅;上覆層可能具有一定的滲透性或者薄弱區(qū),水合物開采過程中需避免氣體上浮導(dǎo)致甲烷氣體穿過水合物地層的上覆層向海洋環(huán)境或大氣中的泄漏,引起環(huán)境問題.

在鄭哲敏先生的組織領(lǐng)導(dǎo)下,中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所自2004 年開始進(jìn)行水合物的研究[12],提出了三個(gè)研究方向:(1)水合物勘探關(guān)鍵技術(shù);(2)水合物開采原理與技術(shù);(3)含水合物礦區(qū)的環(huán)境和災(zāi)害力學(xué)問題研究以及上部覆蓋水合物層的油氣田安全開采的保障.通過水合物熱分解引起地層軟化和破壞研究,發(fā)現(xiàn)水合物分解相變存在傳熱、滲流、應(yīng)力重分布的多物理效應(yīng),是一個(gè)多相、多尺度、多過程的科學(xué)問題,由相似分析得到水合物相變、熱傳導(dǎo)、滲流和應(yīng)力重分布特征時(shí)間相差2 個(gè)量級(jí)以上,其中傳熱最慢,這是整個(gè)問題的核心.當(dāng)前國(guó)際試采證實(shí)單純依靠滲流原理的油氣開采方案來開采水合物難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化開采,而水合物的分解要消耗大量的熱,這是整個(gè)問題的瓶頸.由于所處地層的特殊性,壓裂法的適用性和有效性,也是有待研究的問題,急需尋找合適的經(jīng)濟(jì)高效的開采方法[13].鄭哲敏先生敏銳地指出必須突破依賴熱傳導(dǎo)的傳統(tǒng)油氣開采方案的瓶頸,因而前瞻性地部署類似采煤、采礦的機(jī)械開挖方案研究,可以利用表層相對(duì)溫?zé)岷Ｋ畬?duì)流加熱從海底提升的沉積物,并在一定的高度將沉積物分離并回填到挖掘區(qū),提高開采效率的同時(shí)保障地層安全,并稱之為機(jī)械-熱聯(lián)合開采水合物方法[14].

機(jī)械-熱聯(lián)合開采水合物方法的基本思路是[15-17]:由于提高熱傳導(dǎo)效率是水合物開采的核心,要達(dá)到這個(gè)目的,可以減小傳熱的尺度,增加傳熱表面積.因此,像采礦一樣通過機(jī)械設(shè)備挖掘水合物地層并將水合物粉碎成小顆粒,然后與一定溫度的海水摻混,沿管道輸送一定距離后在分解倉/管道分解完畢,將沉積物土顆粒和水分離,土體回填、氣體通過開采管道收集.如圖2 所示,其基本流程是:地下挖掘→粉碎→傳送→與海水混合/分解/分離/回填→顆粒流輸送→氣體輸送與收集,即像采煤采礦一樣通過機(jī)械設(shè)備挖掘水合物地層并將水合物粉碎成小顆粒,然后在預(yù)先設(shè)計(jì)的水合物分解倉內(nèi)實(shí)現(xiàn)較熱海水的供給、小顆粒與海水的摻混、水合物分解、沉積物的分離回填、氣體通過開采管道的收集.這種方法將水合物沉積物轉(zhuǎn)變成可以隨流體流動(dòng)的小顆粒,因此,既可借助海水與對(duì)流傳熱這個(gè)巨大的熱源供給水合物分解的熱量,又可將沉積物的回填恢復(fù)一定的地層強(qiáng)度,也避免水合物分解的氣體從覆蓋層的泄漏.

圖2 機(jī)械-熱開采法流程圖[17]Fig.2 Sketch of Mechanical-thermal recovery of gas hydrate[17]

機(jī)械-熱聯(lián)合法可充分利用海水的巨大熱量,提高開采效率,同時(shí)將回收的土顆粒及時(shí)回填可有效地降低地層變化和破壞的安全性風(fēng)險(xiǎn),適合于開采水合物分布集中且儲(chǔ)量大的未成巖的水合物地層.機(jī)械-熱聯(lián)合法的重要內(nèi)涵之一是避免將水合物沉積物全部舉升到海平面,使水合物在管道中的適當(dāng)高度完全分解,然后在此處進(jìn)行氣-液-固的分離,最終只有分解產(chǎn)生的氣體通過管道輸送到海平面,大大降低了管道輸送所需要的能量,同時(shí)不需要破壞上覆蓋層.

相比于傳統(tǒng)油氣開采方案,機(jī)械-熱聯(lián)合開采水合物的優(yōu)勢(shì)在于[17]:

(1)該方法可以在更大空間內(nèi)對(duì)水合物地層進(jìn)行開挖,機(jī)械開挖可以滿足水合物的供應(yīng)量與供應(yīng)效率需求;將水合物沉積物粉碎成小顆粒,縮短了熱傳導(dǎo)特征時(shí)間,容易調(diào)控水合物的開采效率和開采程度,比如1 m 尺度的熱傳導(dǎo)特征時(shí)間約為106s,而切割成1.5 cm 的顆粒后熱傳導(dǎo)的特征時(shí)間約為10 s,避免了井筒降壓法開采受分解范圍限制的缺陷.

(2)可以充分利用海水的巨大熱量,將表層海水輸送到下部水合物層,與粉碎的水合物沉積物小顆粒進(jìn)行摻混,然后通過管道輸送方式將混合物向上部提升;降低地層安全性風(fēng)險(xiǎn)系數(shù),可對(duì)地層開挖方式和開挖空間預(yù)先設(shè)計(jì)優(yōu)化,控制開挖間隔、開挖孔洞尺寸、開挖支護(hù)等,對(duì)地層安全性可控;可以考慮將氣體膨脹做功利用到沉積物提升過程與注入海水的能量消耗等.

1 機(jī)械-熱聯(lián)合開采裝備、能量與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

1.1 裝備與能量評(píng)價(jià)[14]

從裝備角度看,機(jī)械-熱聯(lián)合開采地層挖掘裝備在采煤、采礦工程中有類似的裝置,如滾筒式采煤機(jī)、液壓牽引采煤機(jī)、電牽引采煤機(jī)、盾構(gòu)機(jī)等,目前的滾筒式采煤機(jī)對(duì)各種煤層適應(yīng)性強(qiáng),能適應(yīng)較復(fù)雜的頂?shù)装鍡l件,還有利于實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備配套和自動(dòng)控制,主要工作參數(shù)包括生產(chǎn)率、采高(主要決定于滾筒的直徑)、截深(一般小于1 m)、截割速度(3.5～5.0 m/s)、牽引速度、裝機(jī)功率等.破碎設(shè)備有顎式破碎機(jī),復(fù)擺顎式破碎機(jī)的進(jìn)料最大粒度在120～1200 mm,排料口尺寸最小10 mm,處理能力在6～1000 t/kW 之間,可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行多次破碎.在中、細(xì)碎方面,對(duì)于產(chǎn)量較小的情況可以選擇顎式破碎機(jī);產(chǎn)量較大時(shí),選擇圓錐破碎機(jī).

深海地層中作業(yè)涉及長(zhǎng)期的高壓、高腐蝕、地層未成巖、長(zhǎng)距離動(dòng)力供應(yīng)與信號(hào)傳輸?shù)葟?fù)雜環(huán)境條件,往往需要作業(yè)裝備小型化、智能化及配套的動(dòng)力系統(tǒng),尤其深海無人作業(yè)未來要考慮建立環(huán)保、安全、自動(dòng)控制、連續(xù)機(jī)械開挖并生產(chǎn)的一體化開采方式,機(jī)械-熱聯(lián)合開采裝備和開采總體方案的設(shè)計(jì)也應(yīng)結(jié)合我國(guó)水合物成藏特點(diǎn)、深海開發(fā)戰(zhàn)略要求等,進(jìn)行前瞻性的研究和開發(fā).目前海底水合物地層挖掘粉碎形式有帶螺旋輸送的鉆頭破碎、噴嘴射流破碎等,在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中采用無隔水管鉆桿鉆進(jìn)到水合物層并形成開采井口空間,進(jìn)行破碎、射流、抽吸等,驗(yàn)證了設(shè)備的可行性[18-19].

針對(duì)機(jī)械-熱聯(lián)合開采,采掘粉碎可考慮如下流程:絞碎裝置,主要用于水合物地層中混合物的絞碎,絞碎范圍取決于水合物的開采量以及連接軟管的裝載量;連接軟管,設(shè)計(jì)直徑10～40 cm,主要用于在地層中傾斜鋪展、伸縮,便于水合物吸收進(jìn)來以及海水的匯入;活塞式推進(jìn)裝置,由過濾網(wǎng)和推進(jìn)回填機(jī)械傳動(dòng)兩部分組成,既可以起到過濾網(wǎng)的作用,只允許氣體和水通過,又可以向前推進(jìn),將多余的沉積物再次回填到絞碎區(qū)域;吸力裝置,采用渣漿泵系統(tǒng),可以提供一定的吸力,促使混合液體和水合物沉積物顆粒流動(dòng)到軟管內(nèi),其中氣體到達(dá)該吸力裝置處時(shí)可以利用膨脹做功轉(zhuǎn)化為提供吸力的能量;再連接豎直井筒,設(shè)計(jì)直徑10～40 cm,用于流體的輸送;輸水管道,用于較高溫度海水的注入,加速軟管內(nèi)水合物的分解;注海水系統(tǒng),置于開采平臺(tái)上,將海平面較高溫度的海水注入到輸水管道中;開采平臺(tái),用于氣體的收集,以及開采系統(tǒng)的安裝布置,并配有遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),控制吸力裝置、活塞推進(jìn)裝置、注海水系統(tǒng)等,將來可考慮深海小型核電站裝置、太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等提供動(dòng)力源.

從能量角度看,能量產(chǎn)耗比結(jié)合機(jī)械-熱采的基本流程,將各個(gè)流程的能量消耗細(xì)節(jié)進(jìn)行大致估算,綜合考慮機(jī)械-熱開采模式的各個(gè)流程中的能量消耗以及能量產(chǎn)出.在此定義能量產(chǎn)耗比的概念,即能量產(chǎn)耗比 β=能量產(chǎn)出Qt/能量消耗Wt.選取1 天產(chǎn)氣量為標(biāo)準(zhǔn)狀況下10000 m3為基本單位,我國(guó)南海每天的挖掘、傳送、粉碎、輸送摩阻、海水注入、沉積物提升、氣體膨脹做功的能量消耗分別為2.4 GJ,1.8GJ,0.2 GJ,0.01 GJ,0.1 GJ,1.0 GJ,5.7 GJ.考慮將沉積物提升到海床進(jìn)行氣、水和土顆粒的分離,氣體膨脹能量基本等于其他各個(gè)流程的能量消耗.若能充分利用氣體膨脹做功產(chǎn)生的能量則可抵消機(jī)械能消耗[14,16].

1.2 注入海水溫度評(píng)價(jià)[14]

假定海水以2.0 m/s 的流速從溫度25 °C 的海水表面注入管道,輸送到水合物層,途經(jīng)1200 m 的海水到達(dá)3.5 °C 的海床,再穿入200 m 的覆蓋層到達(dá)水合物層(9.5 °C),那么管道中海水的溫度分布及到達(dá)水合物層后的溫度是多少？

假定:(1)海水溫度沿深度方向線性降低,覆蓋層溫度沿深度方向以地溫梯度為3 °C/100 m 升高;(2)注入海水沿管道向周圍環(huán)境傳遞的熱量能夠迅速消耗;(3)管道中海水徑向等溫,那么問題可以簡(jiǎn)化為含有源和流動(dòng)的熱傳導(dǎo)問題.

基本參數(shù):海水密度 ρ,比熱C,熱傳導(dǎo)系數(shù) λ,注入速度v;管道直徑D,壁厚d,海水段長(zhǎng)度Lw,覆蓋層段長(zhǎng)度Ls,熱傳導(dǎo)系數(shù) λp;海水環(huán)境沿深度方向溫度分布

覆蓋層環(huán)境沿深度方向溫度分布

數(shù)學(xué)描述:由于管道在海水層的傳熱與在覆蓋層的傳熱是類似的,這里僅推導(dǎo)海水層的熱傳導(dǎo)過程.管道內(nèi)部輸送海水時(shí),沿著管道長(zhǎng)度方向任意位置存在管道外部與內(nèi)部流動(dòng)之間的溫差,因而引起兩者之間的熱量傳遞,一般地,若考慮外部熱交換遠(yuǎn)快于內(nèi)外之間的熱交換的三維問題時(shí),外部溫度作為邊界條件,而在考慮一維問題時(shí),則以熱源項(xiàng)的形式存在.

控制方程

邊界條件

初始條件

對(duì)方程與邊界進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開

求解得到

其中

考慮時(shí)間較長(zhǎng)以后的情況

傳熱情況主要取決于管筒的熱傳導(dǎo)系數(shù)、管徑、壁厚和流動(dòng)速度.熱傳導(dǎo)系數(shù)越小,則交換的熱量越小,管徑和壁厚越大,交換的熱量越小.當(dāng)流動(dòng)速度較大時(shí),降溫較慢.

取參數(shù)值如下:海水密度 ρ=1000 kg/m3,比熱C=4211 J/(kg·K),熱傳導(dǎo)系數(shù) λ=0.56 W/(m·K),注入速度v=2 m/s ;管道直徑D=0.4 m,壁厚d=0.04 m,海水段長(zhǎng)度Lw=1200 m,覆蓋層段長(zhǎng)度Ls=200 m,熱傳導(dǎo)系數(shù) λp=30 W/(m·K).

保持較小的流速且管道不隔熱,海水輸送到水合物地層還能保持在15 °C 以上,比水合物分解所需溫度還高出5 °C 左右,若管道鍍一定的隔熱材料,則輸送到海底的溫度會(huì)更高.在充足的海水供給的條件下,足夠水合物分解所需熱量保證.這樣節(jié)省了加熱帶來的巨額費(fèi)用.

從注入海水供應(yīng)熱量估計(jì)和能量?jī)?yōu)化角度,為了避免水合物分解過程中的不穩(wěn)定流、結(jié)冰或水合物二次生成,同時(shí)保證固體顆粒懸浮,原位挖掘天然氣水合物地層后粉碎的顆粒直徑可設(shè)定在0.1～1.0 cm 之間,控制水流速度0.22～0.67 m/s,溫差5 K以上,混合物中水的體積分?jǐn)?shù)在0.85 以上[16].

1.3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

深海作業(yè)的費(fèi)用主要包括:海洋平臺(tái)成本、勘探開發(fā)費(fèi)用、開采井費(fèi)用、海上處理費(fèi)用、操作費(fèi)用、泵送費(fèi)用等.經(jīng)計(jì)算,若采用20 口井,這些費(fèi)用總額度為8000 萬元左右.按照日產(chǎn)氣量10000 m3/d,2 年之內(nèi)即可收回這些成本.由于這些費(fèi)用是深海開采所必需的,目前暫不計(jì)入下面現(xiàn)值法經(jīng)濟(jì)性估算中.

借鑒油氣田開發(fā)中經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的定義[20],把現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下,能夠達(dá)到企業(yè)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)的水合物產(chǎn)量定義為水合物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量.類似地,水合物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量臨界值依據(jù)投入產(chǎn)出平衡原理進(jìn)行計(jì)算.將投資、成本和費(fèi)用、稅金等視為投入,將天然氣銷售收入視為產(chǎn)出,能夠平衡投入和產(chǎn)出的水合物產(chǎn)量即為水合物產(chǎn)量臨界值,高于該臨界值的水合物產(chǎn)量即為水合物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量.

凈現(xiàn)值法(NPV)是被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的投資效果評(píng)價(jià)方法之一[21].凈現(xiàn)值是根據(jù)企業(yè)追求的投資效果,以企業(yè)目標(biāo)收益率為貼現(xiàn)率來計(jì)算項(xiàng)目在使用年限內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)金流入和現(xiàn)金流出的現(xiàn)值總和.凈現(xiàn)值為正的項(xiàng)目能夠確保企業(yè)獲得預(yù)期的投資收益,項(xiàng)目可行;凈現(xiàn)值為負(fù)的項(xiàng)目不能滿足企業(yè)的投資收益要求,項(xiàng)目不可行或者有待改進(jìn).項(xiàng)目?jī)衄F(xiàn)值依據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算

其中,CI表示現(xiàn)金流入量(萬元);CO表示現(xiàn)金流出量(萬元);n表示計(jì)算周期(年);ic表示企業(yè)目標(biāo)收益率,石油行業(yè)一般取12%[22].

以采油項(xiàng)目為依據(jù),水合物機(jī)械-熱開采項(xiàng)目的成本費(fèi)用是指企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中按照規(guī)定發(fā)生的一切消耗和費(fèi)用的總和,主要包括水合物開采成本、管理費(fèi)用、銷售費(fèi)用和財(cái)務(wù)費(fèi)用,其中后三項(xiàng)是在水合物開采過程中發(fā)生的費(fèi)用,不計(jì)入水合物開采成本,而作為當(dāng)期損益直接從銷售收入中扣除[22-23].

借鑒油氣開采成本會(huì)計(jì)報(bào)表[24],水合物開采成本主要包括以下13 項(xiàng):動(dòng)力費(fèi)、材料費(fèi)、燃料費(fèi)、生產(chǎn)人員工資、福利費(fèi)、氣體處理費(fèi)、地下作業(yè)費(fèi)、測(cè)試費(fèi)、修理費(fèi)、生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)、折舊費(fèi)、儲(chǔ)量占用費(fèi)和其他開采費(fèi)用.動(dòng)力費(fèi)是指在水合物開采過程中直接消耗的電力等;材料費(fèi)是指在水合物開采過程中機(jī)械設(shè)備直接消耗的各種材料;燃料費(fèi)是指在水合物開采過程中直接消耗的固體、氣體和液體燃料費(fèi)用;生產(chǎn)人員工資是指直接從事水合物開采的工作人員的工資、獎(jiǎng)金和各種補(bǔ)貼;福利費(fèi)是指按生產(chǎn)工人工資總額的14%提取的各種福利費(fèi);氣體處理費(fèi)是指天然氣凈化罐裝費(fèi),包括相應(yīng)設(shè)備的折舊在內(nèi);地下作業(yè)費(fèi)是指地下機(jī)械設(shè)備和設(shè)施的折舊費(fèi);測(cè)試費(fèi)是指水合物開采過程中的測(cè)井測(cè)試費(fèi);修理費(fèi)是指地下及地面設(shè)施的修理費(fèi);生產(chǎn)維護(hù)費(fèi)是指保持開采持續(xù)進(jìn)行的維護(hù)費(fèi)用,如技術(shù)改造費(fèi)等;折舊費(fèi)是指生產(chǎn)設(shè)施和房屋建筑等按規(guī)定提取的折舊費(fèi);儲(chǔ)量占用費(fèi)是指按企業(yè)規(guī)定提取的,用于企業(yè)擴(kuò)大再生產(chǎn)而尋找新增儲(chǔ)量發(fā)生的費(fèi)用;其他開采費(fèi)用主要是指廠、礦兩級(jí)管理及組織開采過程中發(fā)生的各種費(fèi)用.

把上述13 項(xiàng)成本劃分為以下5 種成本定額,即與開采井(豎直輸送管道)個(gè)數(shù)有關(guān)的費(fèi)用、與產(chǎn)氣量有關(guān)的費(fèi)用、與產(chǎn)水量有關(guān)的費(fèi)用、與產(chǎn)砂量有關(guān)的費(fèi)用和與固定資產(chǎn)有關(guān)的費(fèi)用[22].與水合物開采井個(gè)數(shù)有關(guān)的費(fèi)用CTW主要包括材料費(fèi)、燃料費(fèi)、動(dòng)力費(fèi)、工人工資及福利、修理費(fèi)、地下作業(yè)費(fèi)、測(cè)井測(cè)試費(fèi)和其他開采費(fèi).與產(chǎn)水量有關(guān)的費(fèi)用Cwi滿足下式

其中,Rw是水處理費(fèi)用定額(元/t);Qw是年產(chǎn)水量(104t).與產(chǎn)氣量有關(guān)的費(fèi)用Cgi滿足下式

其中,Rf是氣田維護(hù)費(fèi)用定額(元/立方米);Rc是儲(chǔ)量使用費(fèi)用定額(元/立方米);Qg是年產(chǎn)氣量(104m3).與固定資產(chǎn)有關(guān)的費(fèi)用Czj主要涉及設(shè)備的折舊計(jì)算,根據(jù)固定投資及運(yùn)轉(zhuǎn)情況,結(jié)合財(cái)務(wù)報(bào)表數(shù)據(jù)和開發(fā)年費(fèi),得到合適的設(shè)備折舊率,從而確定固定資產(chǎn)的折舊費(fèi)用.與產(chǎn)砂量有關(guān)的費(fèi)用Csi滿足下式

其中,Rs是砂處理(泥砂回填)費(fèi)用定額(元/立方米);Qs是年產(chǎn)砂量(104t).因此,機(jī)械-熱開采的單井成本模型滿足下式

其中,Czj表示與固定資產(chǎn)有關(guān)的折舊費(fèi).

單井扣稅之后的銷售收入N可表示為

其中,P表示天然氣售價(jià)(元/立方米),I表示天然氣商品率,Tax表示綜合稅率.

單井開采的利潤(rùn)Pm滿足下式

由水合物產(chǎn)量臨界值定義(即Pm=0)可知,單井的經(jīng)濟(jì)極限年產(chǎn)氣量滿足下式

以采油項(xiàng)目[16]為參考,取固定操作費(fèi)用CTW為20 萬元/(井·年),水處理費(fèi)用定額Rw為13.9 元/立方米,砂處理費(fèi)用定額Rs為13.9 元/立方米,天然氣價(jià)格P取2 元/立方米,天然氣商品率I取0.96,綜合稅費(fèi)Tax取0.15 元/立方米,每年的折舊費(fèi)Czj取5 萬元.

水合物按I 型結(jié)構(gòu)考慮,根據(jù)其分子式能夠確定產(chǎn)水量與產(chǎn)氣量滿足下式

產(chǎn)砂量與產(chǎn)氣量滿足下式

以南海北部海域水合物儲(chǔ)層為例,孔隙度 φ 和水合物飽和度Sh均取0.4,經(jīng)計(jì)算獲得單井的經(jīng)濟(jì)極限年產(chǎn)氣量假設(shè)單井每年工作時(shí)間T為330 d[16],則經(jīng)濟(jì)極限日產(chǎn)氣量為

水合物機(jī)械-熱開采項(xiàng)目的凈現(xiàn)金流量可按下式進(jìn)行計(jì)算

其中,Ipre表示前期研究費(fèi)用,取200 萬元;Ipro表示前期工程建設(shè)費(fèi)用,取300 萬元;Itrial表示試生產(chǎn)費(fèi)用,取100 萬元[16];Xg表示天然氣的儲(chǔ)量使用費(fèi),以采油項(xiàng)目[16]為參考取0.15 元/立方米.

現(xiàn)取日平均產(chǎn)氣量為qg=4.0 × 103m3/d,與此日平均產(chǎn)氣量對(duì)應(yīng)的日平均水合物沉積物挖掘量為qV=73.2 m3/d.普通的機(jī)械設(shè)備即可能實(shí)現(xiàn)上述日平均挖掘量.假設(shè)水合物機(jī)械-熱開采項(xiàng)目的開采時(shí)間為20 年,前2 年為投資建設(shè)期.在上述日平均產(chǎn)氣量的條件下,20 年內(nèi)凈現(xiàn)金流量如圖3 所示,可以看出水合物機(jī)械-熱開采項(xiàng)目在第6 年由虧損轉(zhuǎn)入盈利,該項(xiàng)目在資金投入與產(chǎn)出方面是可行的.

圖3 機(jī)械-熱開采項(xiàng)目20 年內(nèi)凈現(xiàn)金流量圖Fig.3 Net cash flow during 20 years of hydrate exploitation by mechanical excavation method

2 管道含水合物相變氣液固多相流動(dòng)研究進(jìn)展

2.1 小塊體水合物沉積物分解速率問題

準(zhǔn)確掌握水合物的分解規(guī)律是描述管道內(nèi)氣液固三相流動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ).通常來說,水合物的分解速率包括本征分解速率、傳熱速率和傳質(zhì)速率.通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的分解速率只有首先排除掉傳熱和傳質(zhì)速率的影響,得到的本征分解速率才是通用的,進(jìn)而可以在本征分解速率的基礎(chǔ)上考慮傳熱和傳質(zhì)的影響[25].目前關(guān)于水合物分解動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究主要依靠高壓反應(yīng)釜和流動(dòng)環(huán)道兩種裝置[26].

前期開展的水合物分解實(shí)驗(yàn)大多在高壓反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行.Kim 等[27]在半間歇式攪拌釜反應(yīng)器中進(jìn)行了甲烷水合物的分解實(shí)驗(yàn).在高速攪拌的情況下,可以忽略氣相主體到粒子表面的傳質(zhì)阻力和水相主體到粒子表面的傳熱阻力.通過假定水合物的分解速率和粒子總表面積與氣體逸度差成正比建立了Kim分解模型.Kim 模型描述了水合物的本征分解速率,被認(rèn)為是用來描述水合物分解過程最經(jīng)典和常用的模型,它建立的分解速率模型可表示為驅(qū)動(dòng)力、相界面面積和速率常數(shù)的乘積.這一模式為后續(xù)諸多研究者所認(rèn)可和采納,并基于此模型開展了大量的研究[28].在Kim 模型的基礎(chǔ)上,Jamaluddin 等[29]將傳熱和傳質(zhì)速率與本征分解速率耦合在一起建立了一個(gè)新的模型.孫長(zhǎng)宇等[30]通過假定水合物的分解速率和剩余水合物的量成正比研究了甲烷和二氧化碳水合物的分解性質(zhì).Oyama 等[31]研究了多孔介質(zhì)中水合物的分解,在考慮傳熱和偏離相平衡的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)沉積物中的水合物分解模型.沉積物中的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)影響水合物的相平衡溫壓條件和分布狀態(tài),從而會(huì)對(duì)水合物的分解速率產(chǎn)生影響.Yang等[32]研究了水的鹽度對(duì)多孔介質(zhì)中二氧化碳水合物分解的影響.Misyura 等[33]通過實(shí)驗(yàn)研究了冰點(diǎn)以上和冰點(diǎn)以下水合物顆粒的大小對(duì)分解速率的影響.

水合物在管道流動(dòng)狀態(tài)下分解時(shí),各相界面之間的傳熱、傳質(zhì)特點(diǎn)以及管道中的濃度、速度分布都會(huì)對(duì)水合物的分解產(chǎn)生影響,水合物的分解機(jī)理與在反應(yīng)釜中存在區(qū)別.Sean 等[25]假設(shè)水合物分解的驅(qū)動(dòng)力是水合物和周圍水之間的摩爾吉布斯自由能之差,通過實(shí)驗(yàn)研究建立了水流條件下純水合物顆粒的分解速率模型.付強(qiáng)等[34]建立了一個(gè)管道流動(dòng)條件下純甲烷水合物的分解模型,考慮了管道內(nèi)壓力、溫度的連續(xù)變化以及固液兩相速度差對(duì)分解速率的影響,此模型尚缺乏實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證.目前不同學(xué)者開展的流動(dòng)環(huán)道實(shí)驗(yàn)多是研究氣液流中水合物的成核、生長(zhǎng)、沉積、堵塞和分解過程,通過控制管道的壓力和溫度條件來達(dá)到合成和分解水合物的目的,進(jìn)而了解水合物堵塞輸送管道的機(jī)理,以達(dá)到合理控制水合物風(fēng)險(xiǎn)的目的[35].

綜上所述,目前描述沉積層水合物分解速率的模型大都采用Kim-Bishnoi 模型或是看作Kamath模型,這些模型主要是描述某一溫度和壓力下穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的分解,但是含水合物的沉積物顆粒在管道中流動(dòng)時(shí),水合物的本征分解速率、固體顆粒中的傳熱和傳質(zhì)過程、水合物飽和度、顆粒濃度以及兩相之間的速度差都是影響水合物分解的重要因素.

含水合物沉積物顆粒在管道流動(dòng)狀態(tài)下的分解與注熱、降壓等使得儲(chǔ)層孔隙中的水合物分解有本質(zhì)的不同,傳統(tǒng)方法以滲流和熱傳導(dǎo)為主要的控制機(jī)制,而流動(dòng)環(huán)境下的分解以對(duì)流傳熱為主要控制機(jī)制,傳熱面積和傳熱效率大大提高,目前關(guān)于此機(jī)制的研究非常缺乏,有必要首先通過實(shí)驗(yàn)研究對(duì)流傳熱條件下含水合物沉積物顆粒的分解參數(shù),確定分解速率模型.小顆粒的分解率問題越清楚,有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)顆粒粉碎尺度大小,也利于更充分高效地調(diào)控管道中水合物的分解過程.

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所李鵬等[36-37]搭建了管道流動(dòng)體系下含水合物球形土顆粒分解速率測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置(圖4),包括球形土顆粒制備模塊、含水合物球形土顆粒的制備與分解模塊、供氣模塊、供水模塊、分解產(chǎn)氣測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)收集記錄系統(tǒng).利用在實(shí)驗(yàn)室中合成的含二氧化碳水合物沉積物球形小顆粒,開展了單個(gè)顆粒在水中下落過程中的分解實(shí)驗(yàn)(圖5).通過高速攝像機(jī)記錄顆粒在水中下落過程中的分解現(xiàn)象.通過單顆粒分解實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同粒徑、不同水溫條件下分解所需的總時(shí)長(zhǎng),總的分解時(shí)長(zhǎng)隨顆粒直徑的增大而增大,隨水溫的增加而減小,最終利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到了水合物在對(duì)流傳熱條件下的分解速率模型.

圖4 含天然氣水合物沉積物球形顆粒分解速率測(cè)量示意圖Fig.4 Experimental apparatus for group gas hydrate-bearing sediment particles dissociation

圖5 (a)-(b)實(shí)驗(yàn)室中合成的含水合物沉積物球形顆粒和(c)含水合物顆粒在水中下落過程中的分解現(xiàn)象[36]Fig.5 (a)-(b) The gas hydrate-bearing sediment particles synthesized under laboratory conditions and (c) visualization of gas bubbles emerging from the surface of the particle[36]

同時(shí),利用上述裝置測(cè)量了含水合物顆粒在水中的下落行為,研究了氣泡與顆粒之間的相互作用機(jī)制(圖6).含水合物顆粒在水中下落時(shí),水合物分解產(chǎn)生的氣體從顆粒的孔隙中流出形成大量的氣泡包裹在顆粒的周圍.顆粒前端產(chǎn)生的氣泡在浮力的驅(qū)動(dòng)下會(huì)沿著顆粒表面向上滑動(dòng),并在顆粒后端的某一位置脫離顆粒繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng).為了深入理解水合物分解后產(chǎn)生的氣泡對(duì)顆粒輸送高度的影響,通過實(shí)驗(yàn)研究測(cè)量了含水合物顆粒在水中下落時(shí)的沉降速度、氣泡尺寸等參數(shù),闡明了水合物分解后形成的氣泡對(duì)顆粒沉降特征及阻力系數(shù)的影響規(guī)律,并給出了氣泡對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)作用的機(jī)制[38].

圖6 含水合物顆粒在(a)冷水和(b)熱水中的分解現(xiàn)象[38]Fig.6 Dissociation of hydrate-bearing quartz particles in (a) cold water and (b) warm water.The red arrows indicate the trajectories of bubbles at the back ends of the particles[38]

2.2 管道中含相變的氣液固多相輸送問題

深入了解管道中含水合物分解的氣液固三相流動(dòng)的演化特征可為工程施工參數(shù)優(yōu)化和管道輸送的安全性設(shè)計(jì)提供重要的理論支撐.管道輸送含水合物沉積物顆粒的流動(dòng)過程涉及多種組分和多個(gè)物理過程,影響因素眾多,主要包括:氣體和水的各項(xiàng)物性參數(shù);沉積物顆粒的密度、直徑、水合物飽和度等;管道的直徑;入口處水和顆粒的流量以及初始溫度等.最終需要探究在不同參數(shù)影響下管道輸送過程中氣液固各相的濃度、速度、溫度分布以及壓降和產(chǎn)氣量等信息,目前針對(duì)這種稠密顆粒反應(yīng)系統(tǒng)主要通過數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)的手段進(jìn)行研究.

含水合物分解的多相流動(dòng)的研究主要在于管道中多相流動(dòng)的建模、工程工藝參數(shù)分析等.魏納等[39]和黃鑫等[40]通過建立的井筒多相流動(dòng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算了固體流化開采不同施工參數(shù)條件下多相流特性和對(duì)工程安全的影響.徐海良等[41]和陳衛(wèi)等[42]以絞吸式開采海底水合物為工程背景,利用管道溫壓方程、水合物分解方程和多相流動(dòng)方程計(jì)算了水合物在水力提升管道中的分解特性和流動(dòng)參數(shù)變化對(duì)分解的影響,得到了整個(gè)流動(dòng)過程中溫度和壓力的變化以及水合物顆粒分解速率和分解量的變化.王志遠(yuǎn)等[43]通過在質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程中加入源項(xiàng)來考慮水合物的分解,計(jì)算了深水鉆探時(shí)井筒中含水合物相變的環(huán)空多相流動(dòng).劉艷軍等[44]以固體流化開采為工程背景,研究了水合物漿體的管輸特性.通過守恒方程的源項(xiàng)將水合物分解和多相流動(dòng)耦合在一起,考慮了各相之間的相間作用力,計(jì)算了水合物分解與多相流動(dòng)之間的互相影響.在實(shí)驗(yàn)研究方面,楊浦等[22]自行研制了一套大型水射流固體流化模擬實(shí)驗(yàn)裝置,并利用該裝置探究了水合物儲(chǔ)集層臨界破碎速度、采空區(qū)直徑和固體流化效果.趙金洲等[18]研制了水合物固體流化開采大型物理模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并基于此系統(tǒng)開展了水合物樣品快速制備、高效破碎及管道輸送等物理模擬實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了固體流化開采相關(guān)理論模型的準(zhǔn)確性,揭示了開采過程中關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律.實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果為在南海北部荔灣開展的固體流化試采奠定了基礎(chǔ)[19].

數(shù)值模擬由于可以描述各相之間復(fù)雜的相互作用以及傳熱傳質(zhì)過程所帶來的質(zhì)量、動(dòng)量和能量在各相之間的相互傳遞,同時(shí)可以提供物理實(shí)驗(yàn)難以測(cè)量得到的細(xì)節(jié),是目前主要的研究手段[45].現(xiàn)有的研究結(jié)果表明,在管道入口處,固相和氣相的濃度均以管道中心為軸呈對(duì)稱分布,濃度的峰值分布于管道中心的兩端;而在管道出口處,固相中心區(qū)域的濃度遠(yuǎn)高于兩側(cè)近壁面處的濃度.氣體的產(chǎn)生對(duì)固體顆粒的輸送有明顯的減阻作用[44].增大液相流量,可顯著降低管道內(nèi)溫度和水合物相平衡壓力,使水合物分解的臨界位置上移,可顯著提高氣、液、固相速度,使氣相和固相含量降低[39].顆粒直徑改變,對(duì)管流溫壓、相平衡壓力、水合物開始分解位置基本沒有影響[41].然而,由于水合物分解動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究尚不成熟以及相間作用力模型還不完善,現(xiàn)有的數(shù)值模擬結(jié)果的精度還有待實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證.目前的物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果大多是關(guān)注流動(dòng)狀態(tài)的定性觀察,定量測(cè)量的結(jié)果還較為缺乏[46].同時(shí),以往的研究大都是基于某些有量綱量的變化來考察流動(dòng)狀態(tài),得到的結(jié)果會(huì)受限于所研究對(duì)象的幾何尺寸,同時(shí)不同的量同時(shí)變化時(shí)可能會(huì)帶來不同的結(jié)果,難以準(zhǔn)確把握整個(gè)流動(dòng)過程的主要控制因素及各個(gè)效應(yīng)的物理機(jī)制.

對(duì)于海底油氣輸運(yùn)管道的水平管路內(nèi)同樣存在水合物生成的問題[47],基于歐拉雙流體模型分析水平管道內(nèi)水合物漿液的流通特性可知,水平管道內(nèi)壓力分布主要受流速和水合物顆粒體積分?jǐn)?shù)影響[48].前期研究揭示了在管道流中水合物顆粒的生長(zhǎng)、聚集、沉積和堵塞機(jī)理,以及這些現(xiàn)象對(duì)多相流流型、溫度與壓力分布等的影響機(jī)制.在水合物儲(chǔ)層進(jìn)行水平井鉆進(jìn)可有效提高泄流面積,提高開發(fā)效率.我國(guó)于2020 年在南海北部神狐海域采用水平井鉆采技術(shù)進(jìn)行了泥質(zhì)粉砂型天然氣水合物的試驗(yàn)性開采.水平井開采受復(fù)雜工藝流程的限制,現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法精細(xì)描述水平試采井筒內(nèi)復(fù)雜多相流動(dòng)過程的溫壓時(shí)空變化特征,有必要構(gòu)建針對(duì)水平井開采段復(fù)雜多相流的新模型,綜合考慮防砂篩管、管道多級(jí)變徑、射孔間距等因素的影響.

鄭哲敏先生判斷含水合物顆粒在管道內(nèi)的輸送過程涉及水合物分解、傳熱傳質(zhì)、多相流動(dòng)等多個(gè)物理效應(yīng),是一個(gè)新的多場(chǎng)多尺度的科學(xué)問題.含水合物顆粒在管道內(nèi)的輸送過程包含了豐富的多相流動(dòng)狀態(tài)和新的信息,具有多個(gè)過程以及相互之間的轉(zhuǎn)化,即固-液兩相流→固-液-溶解氣流動(dòng)→固-液-氣泡流動(dòng)→液-氣流動(dòng)等.這種含相變的氣液固多相流動(dòng)問題是一個(gè)全新的流體力學(xué)問題.研究含水合物分解的氣液固三相流動(dòng)的控制因素與演化特征,通過機(jī)理的研究從實(shí)驗(yàn)室尺度認(rèn)識(shí)未來的工程尺度應(yīng)用,對(duì)于水合物新型開采方法的可行性和安全性評(píng)價(jià)至關(guān)重要.

針對(duì)垂直管道中含水合物沉積物顆粒的輸送問題,李鵬等[49]基于顆粒動(dòng)理學(xué)理論建立了歐拉三相流三維數(shù)學(xué)模型,氣液固三相都看作是相互滲透的連續(xù)相,液相采用標(biāo)準(zhǔn) κ-ε 湍流模型來描述,顆粒相采用顆粒動(dòng)理學(xué)理論進(jìn)行描述,并引入了水合物的分解模型,同時(shí)考慮了氣液固三相流動(dòng)對(duì)水合物分解速率的影響.水合物分解導(dǎo)致的各相之間的質(zhì)量、動(dòng)量和能量傳輸以源項(xiàng)的形式出現(xiàn)在守恒方程中,并且考慮了氣固和液固的相間傳熱以及三相之間的相互作用.沉積物顆?？醋魇怯伤衔?、水和土骨架三種組分組成,考慮了由于水合物分解而導(dǎo)致的顆粒內(nèi)部各種組分的含量變化(圖7).

圖7 歐拉三相流模型下氣液固多相流與水合物分解的耦合方式[49]Fig.7 The coupling method of the multiphase flow transport containing gas hydrate dissociation in vertical pipe[49]

考慮各相內(nèi)部和各相之間的傳熱,但忽略氣相和固相之間的熱傳遞.各相的能量方程采用焓方程來進(jìn)行表示.水合物分解可以看作一種反應(yīng),反應(yīng)的焓變等于產(chǎn)物的總生成焓與反應(yīng)物生成焓之差,也即潛熱,當(dāng)差值為負(fù)時(shí),是放熱反應(yīng);為正時(shí),是吸熱反應(yīng).固相比焓Hs是土顆粒和顆粒內(nèi)包含的甲烷水合物、水的焓值的線性疊加,而甲烷水合物的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)焓由相變生成的水和氣的標(biāo)準(zhǔn)焓加上潛熱計(jì)算得到.而在計(jì)算時(shí)相變采用有限速率反應(yīng)方法,定義反應(yīng)方程式中每一種組分的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)焓.

假設(shè)水合物的分解速率與剩余水合物的濃度成如下的指數(shù)關(guān)系

其中,r表示分解速率,CGH表示未分解水合物的摩爾濃度,η 表示速率指數(shù).

摩爾濃度CGH定義為如下的形式

其中,ρGH表示水合物的密度,φ 表示顆粒的孔隙度,SH表示水合物的飽和度,MGH表示水合物的摩爾質(zhì)量.分解速率常數(shù)k通過Arrhenius 型的方程來描述

其中,A表示前置因子,β 表示溫度指數(shù),Ea表示活化能,Te表示水合物的相平衡溫度.

水合物分解的源項(xiàng)定義為

其中,MGH表示水合物的摩爾質(zhì)量.

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室尺度下垂直管道中含水合物分解的多相流動(dòng)進(jìn)行的數(shù)值模擬系統(tǒng)考察了管道中多相流動(dòng)的濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布規(guī)律.最初,固液兩相流處于穩(wěn)定狀態(tài).由于水和顆粒發(fā)生對(duì)流傳熱,當(dāng)固體顆粒的溫度達(dá)到水合物的相變溫度時(shí),顆粒中的水合物開始分解產(chǎn)生甲烷氣體,此時(shí)管道中由最初的固液兩相流轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖汗倘嗔?氣體的體積分?jǐn)?shù)逐漸增加,固體的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小.固體顆粒在水流和氣泡的作用下向上流動(dòng),增加了整個(gè)床層的孔隙度.圖8 顯示了固體和氣體體積分?jǐn)?shù)瞬時(shí)的分布云圖.伴隨著固體顆粒的上升,氣泡的連續(xù)產(chǎn)生導(dǎo)致固相體積分?jǐn)?shù)的重新分布.

圖8 含水合物分解的氣液固三相流動(dòng):(a)固相體積分?jǐn)?shù)的瞬時(shí)分布云圖和(b)氣相體積分?jǐn)?shù)的瞬時(shí)分布云圖[49]Fig.8 Instantaneous distribution of (a) the solid volume fraction and(b) the gas volume fraction for gas-liquid-solid three-phase flow with gas hydrate dissociation[49]

同時(shí),多相流動(dòng)產(chǎn)生的速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)會(huì)明顯地影響分解的進(jìn)行,而分解引起的傳熱傳質(zhì)反過來又會(huì)作用于多相流動(dòng).研究結(jié)果表明所建立的模型能較好地捕捉含水合物沉積物顆粒在管道流動(dòng)中的分解以及管道中由固液兩相流到氣液固三相流的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象.含水合物的沉積物顆粒中由水合物分解所釋放的氣體導(dǎo)致管內(nèi)壓力梯度的波動(dòng),這有利于顆粒的提升[49].管道中連續(xù)供料條件下的含相變流動(dòng)研究發(fā)現(xiàn)在非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過程存在著一個(gè)水合物完全分解平衡高度,如圖9.進(jìn)一步建立了相對(duì)加熱溫度、水合物含量、固體濃度以及新的無量綱數(shù)與平衡高度的定量關(guān)系作為水下固液分離位置及機(jī)械熱采方案優(yōu)化的理論依據(jù)[50].

圖9 含水合物分解的多相流輸運(yùn)系統(tǒng)中的完全分解平衡高度[50]Fig.9 The dissociation equilibrium height in the multiphase flow transport system containing hydrate dissociation[50]

含水合物的沉積物顆粒在管道中輸送時(shí),最優(yōu)工況可通過管道輸送的安全性、產(chǎn)氣量和分解平衡高度三個(gè)方面來進(jìn)行考慮,即在管道不發(fā)生堵塞風(fēng)險(xiǎn)的前提下同時(shí)滿足產(chǎn)氣量以及分解平衡高度的約束條件.

如若增加天然氣井的產(chǎn)氣量,則必須盡可能增加管道直徑、入口速度和入口固相體積分?jǐn)?shù)的值,然而為了保證輸送過程中管道不會(huì)發(fā)生堵塞,同時(shí)必須要對(duì)入口速度和入口固相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行限制.根據(jù)前期研究分析可得,入口固相體積分?jǐn)?shù)取為0.10～0.30 時(shí)既可以保證輸送足夠多的水合物,同時(shí)管道中又不至于發(fā)生堵塞.考慮中型天然氣井的產(chǎn)氣量為 1.0×105m3/d,如若取管道直徑為400 mm,固體體積分?jǐn)?shù)為0.12,根據(jù)此時(shí)的最優(yōu)工況條件,入口混合物的速度要大于 2.93 m/s,顆粒直徑要小于13 mm 才能滿足要求.確定了各個(gè)參數(shù)的取值范圍后,然后再計(jì)算分解平衡高度的大小以確定分離裝置的安裝位置.如果取入口速度為 4 m/s,顆粒直徑為6 mm,此時(shí)分解平衡高度的值為117 m,如果天然氣水合物樣品的埋深在100 m 左右,此時(shí)就可考慮將分離裝置安裝在海床的位置.

此外,在水合物分解過程中和顆粒分離過程中存在著壓力腔體或者管道內(nèi)壓力的波動(dòng)以及引起的振動(dòng),同時(shí)較大的內(nèi)外壓差,使得結(jié)構(gòu)物對(duì)靜動(dòng)力承載、抵抗疲勞損傷等環(huán)境加劇;管道內(nèi)外流動(dòng)下的穩(wěn)定性問題,內(nèi)部是氣、水、固體顆粒的多相流動(dòng),而外部是海水的繞流,在繞流渦激振動(dòng)以及內(nèi)部非穩(wěn)態(tài)脈動(dòng)流動(dòng)的作用下管道的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)預(yù)測(cè)及智能調(diào)控是必須解決的關(guān)鍵問題,也是深海采礦、油氣開采等多相輸送的共性問題.

3 地層安全

海洋水合物沉積層具有兩個(gè)特征:一是海床具有一定的坡度(3°～15°),二是深海淺軟、欠固結(jié)地層[11].地層沉陷、滑塌等使得機(jī)械-熱采的設(shè)備不能正常工作,而且還要考慮地層中海水入侵的影響.機(jī)械-熱開采安全的問題是如何最大限度地開挖地層,既防止大范圍的滑塌,又要避免局部地層的沉陷或破壞[14].

井筒降壓、注熱等開采方案關(guān)心的安全問題有天然氣水合物小范圍分解對(duì)儲(chǔ)層變形及井筒結(jié)構(gòu)安全的影響;大規(guī)模開采不當(dāng)引起的地層塌陷、滑坡、甲烷泄漏以及災(zāi)害鏈的發(fā)生等.機(jī)械-熱聯(lián)合開采方法可以借鑒其他開采方案的安全性評(píng)價(jià)方法以及相關(guān)的判別條件.但挖掘采空過程涉及強(qiáng)烈的機(jī)械擾動(dòng)與振動(dòng)、機(jī)械能向熱能轉(zhuǎn)化而加熱相變、采空區(qū)的擴(kuò)大而產(chǎn)生嚴(yán)重塌陷或者土體破壞.因此,需要具體分析采空區(qū)塌陷或破壞的臨界尺寸,進(jìn)行隔段挖掘采空,尤其關(guān)注深海海底儲(chǔ)層內(nèi)的采空區(qū)支護(hù)、土體的回填方面的技術(shù),以形成經(jīng)濟(jì)有效的安全防護(hù)措施.

3.1 地層變形分析

根據(jù)現(xiàn)有模擬結(jié)果,土層的水平位移和最大剪應(yīng)力會(huì)隨著水合物分解范圍的增大而增大,土體的水平位移和最大剪應(yīng)力的最大值以及分布集中與突變現(xiàn)象均發(fā)生在水合物已分解與未分解的水平范圍的界面附近[51-52].

3.1.1 水合物分解后地層變形[51]

以水合物分解區(qū)域土層軟化(抗剪強(qiáng)度、變形模量)為原來的1/10 為例,隨著水合物分解區(qū)的擴(kuò)大,地層表面的沉陷區(qū)逐漸擴(kuò)大,如圖10.考察水合物分解區(qū)為50 m,100 m,150 m,200 m,250 m,300 m,400 m,500 m,700 m,在三維情況下,影響區(qū)以近似漏斗形向外擴(kuò)展,越靠近上部和中心,沉降越大.以水合物分解區(qū)域200 m 情況下的位移云圖和地表面沉陷變形結(jié)果來進(jìn)行說明.

圖10 分解200 m 下地層的影響區(qū)和變形Fig.10 The influence zone and deformation under the dissociation length of 200 m

圖11 給出了在不同分解范圍下在覆蓋層表面所產(chǎn)生的沉降影響區(qū)以及各個(gè)位置的沉降量.可以看到,每種工況下最大沉降發(fā)生在分解區(qū)中心位置,沉降范圍和最大值均隨分解范圍而擴(kuò)大.

圖11 各分解范圍下表層沉降Fig.11 The settlement of the surface of the seafloor under different dissociation length

將水合物分解后表層土體沉降量達(dá)到10 cm 及以上的區(qū)域視為影響區(qū)域,則可得到在不同分解范圍時(shí),在覆蓋層表面的影響范圍,由圖12 可以看出,影響范圍與分解范圍的差值隨著分解范圍的增加趨于一個(gè)穩(wěn)定值,且基本保持不變.另外,表層的最大沉降在D1/h≤1 的范圍內(nèi)隨著分解范圍的增加而呈線性增加,然后隨著分解范圍的增加,表層的最大沉降逐漸趨于穩(wěn)定值.土體的變形趨勢(shì)為“單峰”形式,即水合物分解以后表層土體沉降最大的位置發(fā)生在分解區(qū)域的中心處,往兩邊逐漸減小.這是由于分解區(qū)域內(nèi)的土體由于分解后強(qiáng)度降低而對(duì)上覆土層的支撐作用減弱以及分解區(qū)域以外的地層此時(shí)地應(yīng)力得以釋放,使得土體在自重作用下發(fā)生沉降并有水平向的位移.

圖12 不同分解范圍下的影響區(qū)曲線Fig.12 The influence length at the surface of the seafloor under different dissociation length

以下為分解200 m 時(shí)的水平向位移分布情況,計(jì)算過程中,在分解范圍內(nèi)以及分解邊界以外監(jiān)測(cè)了幾個(gè)豎向截面的水平位移,如圖13.具體監(jiān)測(cè)的截面位置為x=300 m,x=400 m,x=450 m,x=500 m,x=550 m,x=600 m,x=700 m 截面.根據(jù)監(jiān)測(cè)截面的值作出各個(gè)截面的水平向位移.在分解中心垂直截面(x=500 m)以上和以下的區(qū)域有著不同的水平位移變化趨勢(shì).在分解中心以下的區(qū)域土層上部有沿x正向(即沿坡向向上)的水平位移,且在上部離分解中心越遠(yuǎn)水平位移越大.而在下部則出現(xiàn)沿x負(fù)向(即沿坡向向下)的水平位移,水平位移最大的位置出現(xiàn)在覆蓋層和水合物層的交界面處.而在分解中心截面和分解上邊界之間的區(qū)域則是出現(xiàn)向下的水平位移.出現(xiàn)以上位移現(xiàn)象的原因是在水合物發(fā)生分解的情況下,水合物分解區(qū)域地層變軟,在分解影響區(qū)范圍內(nèi)的土體沿分解中心處以漏斗狀形式發(fā)生位移,分解中心以下的表層土體有沿坡向向上的水平位移,而在分解中心以上表層土體有沿坡向向下的水平位移.底部土層土體的水平位移情況則是由于覆蓋層影響區(qū)內(nèi)土體下沉,把水合物分解區(qū)土體向兩側(cè)擠壓而形成.

圖13 水平位移分布Fig.13 The horizontal displacement

3.1.2 水合物地層開挖后地層變形[14,52]

根據(jù)巷道軟圍巖的變形理論,對(duì)水合物地層開挖后,地層的沉陷進(jìn)行估算.

臨界支撐壓力

變形量計(jì)算公式為

以南海的上覆層和水合物層的基本力學(xué)參數(shù)為依據(jù),計(jì)算在水合物地層開挖一個(gè)近似直徑5 m 的巷道,考慮平面應(yīng)變問題,這個(gè)區(qū)域的最大變形量可達(dá)到18 cm.

以南海試采區(qū)海底土層傾角為3°的情況為例,考慮采空區(qū)海底頂面土體最大豎向位移.采空區(qū)為半徑3 m × 高10 m 時(shí),水合物采空區(qū)緊鄰上部土層的豎向位移最大,約為6 cm;豎向位移沿著遠(yuǎn)離中心水平方向逐漸減小,在水合物儲(chǔ)層采空區(qū)頂部投影為圓形,主要影響區(qū)半徑為6.0 m.當(dāng)采空范圍達(dá)到12.5 m × 20 m 時(shí),土層變形急劇增加,最大豎向位移達(dá)到30 cm 以上.豎向位移主要發(fā)生在采空區(qū)上部區(qū)域,水平位移呈現(xiàn)向采空區(qū)內(nèi)擠壓的趨勢(shì).

從數(shù)值計(jì)算和理論評(píng)估來看,水合物地層開挖后,地層沉陷是必須考慮的不安全因素之一.在上部有1000 多米的海水,上覆層較淺,且強(qiáng)度不高的情況下,水合物地層如何開挖,是否進(jìn)行支護(hù)等需要深入開展分析.

3.2 滑塌分析[51,53-56]

圖14 是基于土層分層的滑塌模型.水合物分解前,土層是穩(wěn)定的.當(dāng)水合物分解后,土層中出現(xiàn)超靜孔壓,孔隙流體向分層處流動(dòng),如上覆土層與水合物層之間,導(dǎo)致該處地層的抗剪強(qiáng)度大大降低.水合物分解區(qū)域上方的局部土層重量絕大部分由孔隙流體壓力承載,當(dāng)水合物分解范圍達(dá)到臨界值lcr后,地層發(fā)生剪切破壞,于是滑塌發(fā)生了.假定土層剪切破壞服從摩爾庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則

圖14 基于土層分層的滑塌模型Fig.14 The slump model based on soil layer

由主應(yīng)力形式表示如下

根據(jù)沿斜坡方向的朗肯土壓力公式與靜力學(xué)平衡,可得到關(guān)系式

從而推導(dǎo)得到臨界長(zhǎng)度

上式可以由離心機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到驗(yàn)證.計(jì)離心機(jī)實(shí)驗(yàn)中上覆土層的總滑動(dòng)量為土層表面的總裂縫寬度.總滑動(dòng)量 Δd等于滑動(dòng)體部分在重力沿坡面方向分量作用下的變形,即

其中,ρs2為上覆土層密度,h2為上覆土層厚度,上覆土層壓縮模量Es2為16 MPa.c和 φ 分別表示黏聚力和內(nèi)摩擦角.

經(jīng)過計(jì)算,裂縫的總長(zhǎng)度與預(yù)測(cè)長(zhǎng)度、沿著斜坡方向的滑動(dòng)值分別為6 cm,5.5 cm 和6 cm,基本一致,證實(shí)該模型是有效的.

陳旭東等[51]針對(duì)水合物分解導(dǎo)致海床滑塌,采用圓弧滑極限平衡方法進(jìn)行了分析,主要計(jì)算不同分解區(qū)長(zhǎng)度下坡體的安全系數(shù),以安全系數(shù)小于1 為坡體不穩(wěn)定的判據(jù),對(duì)應(yīng)的水合物分解區(qū)即為臨界長(zhǎng)度.

首先是考慮厚度比(覆蓋層厚度與水合物層厚度之比)為1 的情況下的臨界分解長(zhǎng)度.計(jì)算了水合物與覆蓋層厚度均為200 m、分解區(qū)長(zhǎng)度分別為1000 m,1100 m,1200 m 三個(gè)工況,計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的坡體安全系數(shù),見表1.

表1 不同分解長(zhǎng)度下的安全系數(shù)Table 1 Safety factor at different dissociation lengths

可以看出,在厚底比為1 的工況下,當(dāng)分解的長(zhǎng)度達(dá)到D1/h=12 時(shí),坡體的安全系數(shù)為0.931 ＜ 1,坡體不穩(wěn)定,發(fā)生滑動(dòng),故此時(shí)分解的臨界長(zhǎng)度為D1/h=12.在該工況下的數(shù)值計(jì)算結(jié)果為D1/h=13.誤差為7.8%.當(dāng)然這里的計(jì)算結(jié)果與覆蓋層和水合物層的其他參數(shù)如強(qiáng)度值、坡角等因素也有關(guān)系.對(duì)于其他的坡體,臨界長(zhǎng)度應(yīng)該有不同的值.

當(dāng)坡體在水合物分解,同時(shí)伴隨地震載荷的情況下更易發(fā)生滑塌破壞.在厚度比h/H=1,分解長(zhǎng)度比(分解區(qū)長(zhǎng)度與覆蓋層厚度之比)D1/h=10 的情況下,地震載荷為7 級(jí)和8 級(jí)時(shí)的安全系數(shù)和無地震時(shí)的結(jié)果對(duì)比見表2.可以看出,在厚度比為1,分解范圍達(dá)到D1/h=10,當(dāng)存在地震載荷時(shí),坡體的安全系數(shù)變小.也就是說,當(dāng)受到地震載荷作用時(shí),坡體變得比無地震載荷作用時(shí)更易破壞.

表2 不同地震等級(jí)下的安全系數(shù)Table 2 Safety factors at different earthquake levels

坡角對(duì)安全系數(shù)有顯著的影響,尤其在坡角小于10°的情況下.安全系數(shù)還與滑動(dòng)前海床的精確形狀密切相關(guān).基于無限長(zhǎng)坡體的分析結(jié)果與基于常規(guī)圓弧滑方法分析得到的安全系數(shù)區(qū)別較大.一般采用無限長(zhǎng)坡體分析方法得到的結(jié)果可能離實(shí)際較大,因?yàn)樵摲椒ê雎粤嘶瑒?dòng)體的重量及慣性,以及側(cè)壁的強(qiáng)度和阻力.這一點(diǎn)需要在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)注意.

3.3 安全防護(hù)[14]

考慮軟巖巷道的支護(hù)原則,比如在小型盾構(gòu)機(jī)挖掘過程中,噴射混凝土,及時(shí)封閉挖掘區(qū)周邊,實(shí)行密貼支護(hù),一方面為防止周邊土體大變形及強(qiáng)度破壞,另一方面是為了封閉隔水,使周邊土體與支護(hù)共同支承圍巖壓力;采用錨噴網(wǎng)支護(hù),允許適當(dāng)變形適應(yīng)軟巖大變形的特點(diǎn),同時(shí)形成支護(hù)與周邊土體一體化的支承圈維持巷道和支護(hù)的穩(wěn)定;實(shí)行二次支護(hù),在錨噴網(wǎng)作為一次支護(hù)控制巷道變形穩(wěn)定后進(jìn)行二次支護(hù),一、二次支護(hù)共同支承圍巖應(yīng)力;對(duì)破碎區(qū)域進(jìn)行注漿加固,提高支承圈的強(qiáng)度及自承力.為了降低高額的支護(hù)費(fèi)用,考慮進(jìn)行分區(qū)隔段開挖,或者開挖到一定尺度的水合物地層后進(jìn)行加固處理,同時(shí)形成一個(gè)開采、安全性實(shí)時(shí)評(píng)估、加固三者結(jié)合的安全預(yù)警與應(yīng)急的開采體系.

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

我國(guó)水合物資源量可觀,而單純依賴滲流原理的傳統(tǒng)油氣開采方案難以實(shí)現(xiàn)水合物高效、安全、綠色的商業(yè)化開發(fā).本文針對(duì)鄭哲敏先生提出的機(jī)械-熱聯(lián)合水合物開采新方法的研究進(jìn)行了綜述,包括該方法提出的背景、內(nèi)涵以及其中關(guān)鍵工程科學(xué)問題的研究進(jìn)展.

機(jī)械-熱開采水合物是基于對(duì)流傳熱提高效率的原理和管道多相輸送技術(shù)而提出的新方法,相比于其他現(xiàn)有技術(shù),本質(zhì)特色在于可以充分利用表層海水的無窮無盡熱量和對(duì)流傳熱的優(yōu)勢(shì),同時(shí)可有效控制地層安全,考慮利用開采氣體膨脹作用降低管道提升的能耗.海底水合物地層挖掘粉碎設(shè)備與形式,如帶螺旋輸送的鉆頭破碎、噴嘴射流破碎等,在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中初步地得到了驗(yàn)證.

基于傳熱分析,利用傳統(tǒng)管道將海水輸送到水合物地層,海水溫度還能保持在15 °C 以上,比水合物分解所需溫度可高出5 °C 左右,充足的海水供給可節(jié)省加熱帶來的巨額費(fèi)用.以南海水合物區(qū)日平均水合物沉積物挖掘量為73.2 m3/d,開采時(shí)間為20 年,前2 年為投資建設(shè)期的設(shè)計(jì)方案,第6 年由虧損轉(zhuǎn)入盈利,在資金投入與產(chǎn)出方面是可行的.

目前已構(gòu)建了綜合考慮多相流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)和水合物的分解等物理過程的含水合物分解的氣液固歐拉三相流三維數(shù)學(xué)模型,揭示了多相流動(dòng)非穩(wěn)態(tài)特征及主要控制因素,發(fā)現(xiàn)了管道輸送水合物完全分解平衡高度,同時(shí)得到輸送的最優(yōu)工況可通過管道輸送的安全性、產(chǎn)氣量和分解平衡高度三個(gè)方面來進(jìn)行考慮,即在管道不發(fā)生堵塞風(fēng)險(xiǎn)的前提下同時(shí)滿足產(chǎn)氣量以及分解平衡高度的約束條件.

機(jī)械-熱開采地層安全的問題是如何最大限度的開挖地層,但需要防止大范圍的滑塌,且避免局部地層的沉陷或破壞,針對(duì)井筒降壓、注熱等開采方案的滑塌臨界條件和地層變形的研究結(jié)果可借鑒,但需要具體分析采空區(qū)塌陷或破壞的臨界尺寸分析,還要考慮采掘振動(dòng)、相變等影響,尤其要關(guān)注在采空區(qū)支護(hù)、土體的回填方面如何高效經(jīng)濟(jì).

4.2 展望

機(jī)械-熱聯(lián)合開采涉及力學(xué)與熱學(xué)、物理、化學(xué)、海洋學(xué)以及機(jī)械工程、石油工程等多個(gè)學(xué)科的交叉融合,具有豐富的內(nèi)涵,比如含相變對(duì)流傳熱、管道多相流、地層與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、多組分分離、氣體膨脹做功利用率、智能綠色協(xié)同控制技術(shù)等,新的研究成果將引領(lǐng)深海油氣開發(fā)、深海金屬礦產(chǎn)開發(fā)、深海環(huán)境安全、深部地層裂縫網(wǎng)絡(luò)支撐劑規(guī)?；斔图夹g(shù)、化工領(lǐng)域的流化床反應(yīng)器等領(lǐng)域的進(jìn)步,屬于未來可拓展的工程科學(xué)領(lǐng)域研究范疇.

該方法將在經(jīng)濟(jì)、安全以及能量效率利用上具有優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)示范應(yīng)用及未來商業(yè)化,需要確保產(chǎn)氣量的長(zhǎng)期性、可持續(xù)性以及環(huán)境污染和地質(zhì)災(zāi)害的可控.隨著我國(guó)深海三步曲的深入,快速地推動(dòng)著深海資源開發(fā)的科學(xué)理論和技術(shù)裝備形成,該方法的工程技術(shù)和裝備問題會(huì)逐步得到解決,比如深海儲(chǔ)層內(nèi)安全、高效作業(yè)以及儲(chǔ)層支護(hù)等.

致謝

在鄭哲敏先生逝世一周年之際,謹(jǐn)以此文緬懷先生！感謝先生對(duì)我們天然氣水合物研究團(tuán)隊(duì)一直以來的指導(dǎo);感謝談慶明研究員、劉大有研究員、曾曉輝研究員、晉國(guó)棟研究員、許晶禹研究員、王一偉研究員、陳偉民研究員、樊菁研究員等在研究中的討論和幫助;感謝李家春院士對(duì)研究的關(guān)心和指導(dǎo).