天然氣水合物降壓開采實驗范文
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論文摘要：天然氣水合物是儲量豐富、優(yōu)質(zhì)潔凈的新型能源，其開采技術(shù)的研究具有重要的理論和實踐意義。本文利用天然氣水合物開采實驗模擬系統(tǒng)進行了填砂管模型中天然氣水合物的合成及降壓開采實驗研究，分析了天然氣水合物合成過程中甲烷氣體的轉(zhuǎn)化；分析了開采過程中的產(chǎn)氣和產(chǎn)水規(guī)律、壓差變化規(guī)律以及壓差對天然氣水合物分解的影響；研究了降壓幅度和初始開采溫度對降壓開采效果的影響。研究表明：天然氣水合物的降壓開采受到水合物分解和產(chǎn)出的雙重控制，瞬時產(chǎn)氣量波動很大，產(chǎn)氣速度較高且主要受壓降幅度和溫度的影響，產(chǎn)水速度小且維持在較穩(wěn)定的水平。
前言
天然氣水合物(NaturalGasHydrate)是在高壓和低溫條件下由輕烴、CO2及H2S等小分子氣體與水相互作用形成的白色固態(tài)結(jié)晶物質(zhì)，因遇火可以燃燒，俗稱可燃冰，它是一種非化學計量型晶體化合物，或稱籠形水合物、氣體水合物[1，2]。自然界中存在的天然氣水合物中天然氣的主要成分為甲烷(>90%)，所以又常稱為甲烷水合物(MethaneHydrate)[3]。天然氣水合物是一種高密度、高熱值、潔凈型能源，據(jù)科學家估計，全球天然氣水合物的資源總量換算成甲烷氣體約相當于全世界已知煤炭、石油和天然氣等能源總儲量的兩倍。我國現(xiàn)在的能源結(jié)構(gòu)屬于污染型能源結(jié)構(gòu)，后備能源資源嚴重不足。而且，隨著我國油氣資源的枯竭，尋求儲量巨大的新型接替能源已是迫在眉睫。據(jù)有關(guān)資料分析，我國的東海沖繩海槽、臺灣以東海域和南海等海域，以及青藏高原的凍土層都具備天然氣水合物形成的條件[4]。因此，開展并加強對天然氣水合物的研究，對我國開發(fā)和利用這種礦產(chǎn)資源具有重要意義。
1.1實驗材料與儀器
實驗材料包括石英砂、蒸餾水、甲烷氣、氮氣、NaCl(分析純)等。實驗儀器為天然氣水合物模擬開采系統(tǒng)
1.2實驗結(jié)果與分析
1.2.1壓差分析
(1)瞬時壓差隨時間的變化（如圖1-1）
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圖1-1瞬時壓差隨時間的變化
(2)累積壓差隨時間的變化（如圖1-2）
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圖1-2累積壓差隨時間的變化
由圖1-1、圖1-2可以看出：在水合物分解的初始階段，系統(tǒng)的壓差波動比較小，這是由于填砂管內(nèi)有伴生自由氣產(chǎn)生；隨后系統(tǒng)壓差的變化越來越大，這時，水合物分解的越來越快，自由氣也大量產(chǎn)出，自由氣對產(chǎn)氣速度的影響越來越小，而NGH的分解對系統(tǒng)壓差的影響越來越大；到了分解的后期壓差逐漸減小為零，分解速度也越來越小，直至最后完全分解。
1.2.2產(chǎn)氣量分析
(1)瞬時產(chǎn)氣量隨時間的變化（如圖1-3）
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圖1-3瞬時產(chǎn)氣量隨時間的變化
從圖1-3可以得出，瞬時產(chǎn)氣量曲線波動比較大，分析曲線變化規(guī)律可以看出，其基本都包括以下三個階段：
①初始降壓階段，隨著系統(tǒng)壓力的開始下降，產(chǎn)氣速度迅速升高。這主要是因為：填砂管內(nèi)含有自由氣，屬于伴有自由氣的NGH藏類型，當系統(tǒng)壓力開始降低時，伴生自由氣會首先迅速膨脹產(chǎn)出；降壓開采之前系統(tǒng)壓力、溫度接近NGH的平衡曲線，同時在降壓過程中入口壓力和出口壓力基本保持一致，即此時相當于零維系統(tǒng)，這就導致NGH很快處于平衡曲線之下而開始分解。
②產(chǎn)氣速度達到峰值后，很快開始下降。這是因為隨著壓力的進一步降低和自由氣的大量產(chǎn)出，自由氣對產(chǎn)氣速度的影響越來越小，而NGH分解對產(chǎn)氣速度的影響越來越大。
③產(chǎn)氣速度逐漸減小為零。隨著NGH分解的進行，分解表面積越來越小，分解速度也越來越小，直至最后完全分解。
(2)累積產(chǎn)氣量隨時間的變化（如圖1-4）
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圖1-4累積產(chǎn)氣量隨時間的變化
從圖1-4可以得出，累積產(chǎn)氣量曲線在分解的初始階段波動比較大，主要是因為在這個階段水合物分解迅速，還有大量的自由氣的產(chǎn)出；隨著時間的推移，曲線逐漸趨于平行，說明水合物分解完成。
(3)不同出口壓力下累積產(chǎn)氣量的變化（如圖1-5）
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圖1-5不同出口壓力下累積產(chǎn)氣量的變化
從圖1-5可以得出在降壓的過程中，出口端壓力越小，形成的壓力梯度越大，水合物分解越快，分解時間越短。
(4)不同初始溫度下累積產(chǎn)氣量的變化（如圖1-6）
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圖1-6不同初始溫度下累積產(chǎn)氣量的變化
圖1-6可以看出，初始開采溫度越高，水合物的分解越快，分解時間越短。
從以上對產(chǎn)氣量的分析可以得知：在本實驗條件下，產(chǎn)氣量的變化規(guī)律是：開發(fā)初期產(chǎn)量上升較快，然后逐漸平緩，隨著出口壓力的逐漸降低，先是緩慢增加，接著有一個快速增長段，然后增長幅度又逐漸變緩，到開發(fā)末期產(chǎn)量已經(jīng)很小了。在降壓開采的過程中，壓降變化的幅度和初始開采溫度對水合物的分解有很大的影響。
1.2.3產(chǎn)水量分析
(1)瞬時產(chǎn)水量分析（圖1-7）
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圖1-7瞬時產(chǎn)水量隨時間的變化
從圖1-7可以得出，分析產(chǎn)水曲線，其與產(chǎn)氣規(guī)律相似，可以分為三個階段：
①初始降壓出氣時不出水，出水時間要滯后于出氣。這是因為填砂管中水的飽和度比較小，自由水比較少，且水的流度遠遠小于氣的，所以降壓時先出氣。
②出氣到一定時間開始出水，且產(chǎn)水速度很快升到一個峰值后又迅速回落。這是由于自由水以及NGH分解水在氣體的推動下會向出口匯集，積累到一定程度即會突然產(chǎn)出，出現(xiàn)一個產(chǎn)水峰值。但自由水總量比較少，NGH初始分解水也很少，產(chǎn)水速度又迅速回落。
③產(chǎn)水速度維持在較穩(wěn)定的水平，且緩慢降低，直至最后不出水。此時自由水已基本產(chǎn)出，產(chǎn)出水以NGH分解水為主。因為此時NGH分解速度相對穩(wěn)定，且隨著分解表面積的見小而緩慢降低，所以產(chǎn)水速度也隨之相應變化。可見，此時產(chǎn)水速度主要受NGH分解速度的影響，表現(xiàn)出與產(chǎn)氣規(guī)律相似的特征。
(2)累積產(chǎn)水量分析（如圖1-8）
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圖1-8累積產(chǎn)水量隨時間的變化
從圖1-8可以得出，累積產(chǎn)水量曲線在分解的初始階段波動比較大，主要是因為在這個階段水合物分解迅速；隨著時間的推移，曲線逐漸趨于平行，說明水合物分解完成。
(3)不同壓力下累積產(chǎn)水量（如圖1-9）
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圖1-9不同壓力下累積產(chǎn)水量隨時間的變化
從圖1-14可以得出在降壓的過程中，累積產(chǎn)水規(guī)律與累積產(chǎn)氣規(guī)律一樣，出口端壓力越小，形成的壓力梯度越大，水合物分解越快，分解時間越短。
(4)不同初始溫度下累積產(chǎn)水量隨時間的變化（如圖1-10）
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圖1-10不同初始溫度下累積產(chǎn)水量隨時間的變化
由圖1-10可以看出，初始開采溫度越高，水合物的分解越快，分解時間越短。
從以上對產(chǎn)水量的分析可以得知：在本實驗條件下，產(chǎn)水量的變化規(guī)律是：開發(fā)初期產(chǎn)量上升較快，然后逐漸平緩，隨著出口壓力的逐漸降低，先是緩慢增加，接著有一個快速增長段，然后增長幅度又逐漸變緩。在降壓開采的過程中，壓降變化的幅度和初始開采溫度對水合物的分解有很大的影響。
1.2.4綜合對比分析
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圖1-11瞬時產(chǎn)水（氣）量隨累積壓差的變化
由圖1-11和圖1-12可以看出：水合物瞬時產(chǎn)水（氣）量的波動比較大，受壓差的影響很大。在分解的初始階段，水合物瞬時產(chǎn)水（氣）量的波動比較大，水的產(chǎn)量很小，主要是剛開始有伴生自由氣的影響，隨著開采的的不斷進行，氣體的分解不斷加快，水的產(chǎn)量也隨著增加，到了分解的后期，水的產(chǎn)量很少，主要是由于在孔隙介質(zhì)中，氣體形成氣竄，有部分水被氣體帶出。
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圖1-12瞬時產(chǎn)水（氣）量隨時間的變化
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圖1-13累積產(chǎn)水（氣）量隨累積壓差的變化
累積產(chǎn)水（氣）量隨累積壓差的變化如圖1-13，累積產(chǎn)水（氣）量隨時間的變化如圖1-14。由圖1-13和1-14分析得出：在分解的初始階段，壓差的變化很小，累積產(chǎn)水（氣）量很小，隨著壓差的不斷增加，累積產(chǎn)水（氣）量的變化越來越大，產(chǎn)水量隨產(chǎn)氣量的變化而變化。
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圖1-14累積產(chǎn)水（氣）量隨時間的變化
1.2.5階段產(chǎn)量分析（如圖1-15、1-16）
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圖1-15階段產(chǎn)水量隨出口壓力的變化
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圖1-16階段產(chǎn)氣量隨出口壓力的變化
由圖1-15和圖1-16可以看出：在初始階段只有氣的產(chǎn)出，這主要是自由氣造成；當出口壓力降到2MPa時，產(chǎn)氣量達到一個高峰期，水的產(chǎn)量也隨著增加，說明水合物的分解達到峰值；當壓力降到1.0MPa時，只有氣體的產(chǎn)出，說明水合物分解完成；當壓力降到0.1MPa時，有部分水產(chǎn)出，這部分水主要是由分解后期，隨氣體從填砂管帶出的水。
1.2.6氣體轉(zhuǎn)化的計算與分析
孔隙體積恒定的填砂管中飽和有水和CH4，初始溫度和壓力為T1、P1，進行NGH等容合成，系統(tǒng)溫度和壓力變?yōu)門2、P2。為進行NGH動力學計算，必須首先確定CH4的轉(zhuǎn)化率，即確定NGH的生成量。
因為NGH為等容合成，合成前水、氣的體積應該等于合成后水、氣、NGH的體積，即：
(1-1)
其中，――初始溫度T1、壓力P1下水、氣的體積，cm1；――反應后溫度T2、壓力P2下水、氣、NGH的體積，cm1。
假設：
(1)水及生成的NGH不可壓縮；
(2)生成的NGH為理想狀態(tài)，即CH4分子占據(jù)NGH的所有空隙，在標準狀況下，單位體積的NGH分解可產(chǎn)生164單位體積的CH4氣體[5]。
合成過程中的壓力曲線如圖1-10。
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圖1-17壓力隨時間的變化
由圖1-17可以看出，當時間到250min以后壓力變成水平，這說明水合物的合成已經(jīng)完成，所以我們只要去250min以前的數(shù)值進行水合物合成的分析。
反應的甲烷物質(zhì)的量隨時間的變化如圖1-21。
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圖1-18甲烷物質(zhì)的量隨時間的變化
在圖1-21中取8組點，得到表1-2。
甲烷擬合隨時間的變化曲線如圖1-19。
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圖1-19甲烷擬合線隨時間的變化
對合成水合物所用的甲烷的物質(zhì)的量進行時間的求導得到圖1-20：
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圖1-20甲烷的變化率
由圖1-20可以得到以下結(jié)論：可以得到在81.2409min這個時刻，甲烷轉(zhuǎn)化成水合物的速率最大。天然氣水合物的合成過程中，甲烷氣體的轉(zhuǎn)化要經(jīng)過緩慢增大、快速增大、快速減小三個階段。水合物在合成初始階段，甲烷轉(zhuǎn)化成水合物的變化率比較緩慢，這個時期屬于成核的誘導期，一段時間后甲烷轉(zhuǎn)化成水合物的變化率迅速升高，這個時期是一個快速生長期。
1.3結(jié)論
綜合以上對降壓開采實驗壓差、溫度、產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量的分析，在本實驗模型條件下，NGH降壓開采是一種比較好的方法：
(1)天然氣水合物的合成過程中，甲烷氣體的轉(zhuǎn)化要經(jīng)過緩慢增大、快速增大、快速減小三個階段；
(2)在降壓的過程中，產(chǎn)氣速度主要受壓降速度的控制，NGH分解比表面積大，分解速度快，產(chǎn)氣速度高；產(chǎn)水速度小且維持在較穩(wěn)定的水平，對產(chǎn)氣影響小；
(3)在降壓的過程中，壓差越大，形成的壓力梯度越大，水合物分解越快；
(4)降壓開采前的溫度越高，水合物分解越快；在開采的過程中，初始溫度越高，水合物的分解越快，分解時間越短；
(5)在降壓開采的過程溫度和降壓幅度，對天然氣水合物的降壓開采有很大的影響。
參考文獻
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