以下文章來源於力學學報 ，作者李淑霞 等
力學學報
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作者：李淑霞，郭尚平，陳月明，張寧濤，武迪迪
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摘要：天然氣水合物作為一種非常規的清潔能源, 在全球分布廣、資源量大. 自20 世紀90 年代以來, 加拿大、美國、日本、中國已經先後進行了陸域及海域的水合物試採, 但發現出砂、單井日產氣量低、穩產時間短等問題,試採產量遠不能滿足商業化開發的需求, 其中核心問題是對水合物開發過程中的相變、多相多組分多場耦合滲流特徵的認識不夠明晰. 本文根據天然氣水合物開發過程中涉及的滲流場、溫度場、化學場、力學場等多場耦合特徵, 重點綜述水合物生成/分解對各物理場主要特徵參數的影響, 包括水合物儲層的孔隙度、水合物飽和度、滲透率、相對滲透率等基礎物性參數及其動態演變, 天然氣水合物的導熱係數、比熱容、熱擴散係數以及水合物生成/分解熱等熱力學參數, 天然氣水合物生成、分解動力學特徵, 純水合物以及含水合物沉積物的力學性質等,最後闡述了天然氣水合物開發滲流中的多場耦合關係及相互作用, 提出了今後水合物開發多物理場特徵及耦合滲流的科學研究、技術開發的有關建議.
關鍵詞：天然氣水合物, 開發, 滲流, 多場耦合
引 言
天然氣水合物(natural gas hydrate, NGH) 是天然氣和水在低溫高壓條件下形成的類冰狀的結晶物質,俗稱可燃冰, 是一種非常規的、清潔的天然氣資源,其分布面廣、資源量大[1-2]. 標準狀況下, 1
天然氣水合物分解產出164
天然氣和0.8
水[3]. 自20 世紀60 年代以來, 世界各國投入巨資競相開展天然氣水合物的勘探、試採和研究. 迄今為止, 全球唯一商業開發的水合物藏為俄羅斯的麥索雅哈[4-6], 其餘進行過水合物試採的有加拿大Mallik [7-8]、美國Alaska [9]、日本南開海槽[10]、中國神狐海域[11-12],但均存在單井日產氣量低、穩產時間短等問題. 據2020 年3 月26 日中央電視臺最新報導, 中國在水深1225 m 的南海神狐海域進行第二次水合物試採, 創造了「產氣總量、日均產氣量」 兩項新的世界紀錄,實現了從「探索性試採」 向「試驗性試採」 的重大突破.
天然氣水合物藏開發的滲流規律和開發動態與常規油氣藏有很大區別. 在儲層原始壓力和溫度條件下, 天然氣水合物呈固相存在; 當壓力低於相平衡壓力或溫度高於相平衡溫度時, 固相水合物吸熱分解為水相和氣相, 儲層中各相的飽和度、有效孔隙度、滲透率等均隨水合物分解而發生動態變化; 另外水合物分解後儲層穩定性降低. 因此, 天然氣水合物的開發滲流是一個伴隨相變的多相多組分多場耦合的滲流過程. 此外, 當用加熱法、降壓法、化學法及綜合法等進行開發時, 還會出現一些非常複雜的物理化學過程. 可見, 天然氣水合物藏開發的滲流問題是伴有極其複雜的物理化學過程的多場耦合滲流問題, 為了有效地開發天然氣水合物藏, 必須及早地開展與此有關的科學研究和技術開發, 打好科學基礎,做好技術儲備[13].
天然氣水合物的滲流理論及相應技術是水合物藏勘探開發必需的重要基礎. 目前天然氣水合物勘探開發所涉及的滲流領域的科學研究和技術開發尚處於起步階段, 亟需加強與水合物成藏和開發有關的滲流理論、方法、技術的研發及應用. 本文根據天然氣水合物開發過程中涉及的滲流場、溫度場、化學場、力學場等多場耦合特徵, 以天然氣水合物開發滲流研究為中心, 對天然氣水合物開發的多物理場特徵進行綜述, 包括與滲流場相關的水合物儲層孔隙度、水合物飽和度、滲透率、相對滲透率等基礎物性參數及其動態演變; 與溫度場相關的水合物導熱係數、比熱容、熱擴散係數以及水合物生成/分解熱等熱力學參數; 與化學場相關的水合物生成、分解動力學特徵; 與力學場相關的純水合物以及含水合物沉積物的力學性質等, 並闡述了水合物開發的多場耦合滲流特徵, 最後對今後的相關科學研究、技術開發提出一些建議.
1 天然氣水合物開發的
多物理場特徵
1.1
天然氣水合物儲層的基礎物性參數
天然氣水合物儲層的孔隙度、滲透率、水合物飽和度等基礎物性參數是反應水合物儲層儲集性能和滲流能力的關鍵參數, 對水合物儲層開發具有重要意義.
1.1.1 天然氣水合物儲層的孔隙度和飽和度
目前有關含天然氣水合物儲層巖石的孔隙度和飽和度的定義有兩種[13], 一類是將水合物和冰都當作巖石孔隙體積的一部分; 一類是將水合物和冰都作為固相, 當作巖石骨架的組成部分. 目前大部分學者採用的是第一種定義, 即認為含水合物的巖石孔隙空間中, 可能存在的物質包括: 水合物、冰、甲烷氣、水, 孔隙中各相物質的飽和度之和為1,
式中S h, S w, S I, S g 分別為水合物、水、冰、氣體的飽和度.
按此定義, 若不考慮水合物儲層變形及地層的壓實效應, 則水合物儲層的絕對孔隙度不變; 但由於水合物、冰的生成及分解, 水合物儲層的有效孔隙度是隨著水合物飽和度及冰的飽和度而不斷變化的,其變化關係為
式中ϕe 為有效孔隙度; ϕi 為原始孔隙度.
1.1.2 天然氣水合物在儲層孔隙中的微觀分布特徵
水合物的不同微觀賦存狀態對水合物儲層的滲流、傳熱及力學特性均具有較大影響, 因此, 準確識別天然氣水合物儲層孔隙中水合物、氣、水的分布及動態變化尤為重要. 早期的傳統方法是通過溫度/壓力變化來推斷水合物的生成和分解, 方法簡單但精度不夠[14]. 業渝光等[15] 通過光通過率的變化來識別, 但要求反應物和反應釜必須是透光的. 文獻[16-18] 應用超聲檢測技術, 文獻[19-23] 用電阻法來分析水合物的生成和分解特性. 上述研究方法均為非可視化的方法, 無法直接觀測到水合物在反應釜內的分布和變化情況, 還有很多規律不能準確判斷.近年來, 隨著各種可視化技術的發展, 文獻[24-32] 採用核磁共振、磁共振成像(MRI) 測試技術, 為研究多孔介質中水合物的原位形成和分解、水合物的微觀分布、儲層孔隙結構變化等提供了技術保障.胡高偉等[25] 實驗得到不同天然氣水合物飽和度時水合物在沉積物中的微觀分布變化見圖1. 文獻[33-36]研究發現水合物在多孔介質中的微觀賦存狀態複雜多樣, 而Mahabadi 等[37] 認為這些微觀賦存狀態對多孔介質的孔隙結構、滲透性的影響大於水合物飽和度的影響. 總體看來, 通過應用CT 和MRI 測試手段來監測水合物生成、分解過程中的微觀分布及變化規律, 深入研究水合物藏孔隙度、飽和度及滲透率等基礎物性參數的動態演變規律, 能夠為水合物的開發研究奠定理論基礎.
圖1 天然氣水合物在沉積物中形成的微觀分布變化圖[25]. 黃色為
甲烷水合物; 灰色為NaCl 溶液; 淺灰色為石英砂; 黑色為甲烷氣
1.1.3 天然氣水合物儲層的滲透率和相對滲透率
水合物儲層滲流特徵複雜, 受到水合物相變、氣液流動、水合物分解吸熱、地層變形等各種影響. 其中水合物儲層滲透率的大小直接決定了開發過程中質量和熱量傳遞, 是評估水合物儲層產氣效率的重要參數. 儲層滲透率與水合物的賦存狀態及飽和度、儲層顆粒尺寸、孔隙度、氣水含量、地層有效應力、水合物二次生成等都關係密切[33-37]. 鑑於現場原位測試技術與實驗成本的限制, 含水合物儲層滲透率的研究仍以室內實驗為主, 測試對象包括保壓取芯樣品和人工製備樣品. 目前關於水合物儲層滲透性的研究包括不同水合物飽和度下的絕對滲透率和氣、水相對滲透率.
有關不同水合物飽和度下含水合物儲層滲透率的研究, Masuda 等[38] 最先通過實驗建立了水合物飽和度與多孔介質滲透率之間的關係模型
式中, k0 為不含水合物時多孔介質的滲透率, k 為含水合物多孔介質的滲透率, Sh 為水合物飽和度, N 為滲透率下降指數.
Masuda 模型後來被大量學者廣泛引用並改進,但不同的水合物儲層具有不同的N 值, 需要通過滲流試驗數據擬合獲得. Minagawa 等[39] 用指數關係擬合了不同水合物飽和度下的滲透率數據, 得到下降指數N 從2.5 到9.8 不等; Liang 等[40] 認為N 值在2 ∼ 15 之間變化.
Kleinberg 等[41] 認為水合物的微觀分布對滲透率有較大影響. 當水合物分布於儲層骨架顆粒表面時, 計算滲透率的平行毛細管模型和Kozeny 模型分別為
式中, ϕ 為巖石孔隙度, a 為毛細管半徑, n 為Archie飽和指數.
當水合物分布於地層孔隙中心時, 平行毛細管模型和Kozeny 模型分別為
Delli 等[33] 和Kumar 等[34] 通過實驗, 考慮水合物的孔隙填充和顆粒包裹兩種生長方式, 通過CO2氣體的流動得到不同CO2 水合物飽和度的滲透率模型; 劉瑜等[42] 和Li 等[43] 考慮平行毛細管模型和修正的Kozeny-Carman 模型, 通過水的流動測定甲烷水合物的滲透率. 可以看出, 目前對含水合物儲層滲透率的測量所選用的流體(水、氣) 不同, 採用的水合物不同(CH4 水合物、CO2 水合物、四氫呋喃水合物)、水合物形成方法(過量氣體、過量水、冰顆粒混合)不同, 測試條件不同, 實驗結果的處理也缺少統一的標準; 另外測試方法多為穩態法, 需要較長的時間以達到穩定滲流狀態, 而樣品內長時間滲流極易導致孔隙流體生成新的水合物, 改變樣品滲流通道, 進而影響絕對滲透率的大小. 因此, 亟需建立統一的測試方法和標準.
水合物分解後產生氣體和水, 儲層內將產生氣−水同時流動, 而且氣、水的流動空間隨著水合物的分解不斷改變, 因此對不同水合物飽和度下氣−水兩相相對滲透率的研究是非常重要的. 研究方法包括實驗研究和理論分析. 在實驗方面, Johnson 等[44] 認為使用水合物的組成成分(即甲烷和水) 來進行相對滲透率的測量是不理想的, 因為在驅替過程中很難避免額外的水合物生成. 呂勤[45] 實驗發現採用氮氣進行驅替會引起水合物分解, 而使用甲烷只有在系統壓力調整至接近相平衡壓力時, 才可順利實現驅替. 目前對含水合物的多孔介質, 實驗測定氣相和水相的相對滲透率還沒有有效的方法, 對此公開發表的實驗測量數據也較少. 該研究的難點在於氣水兩相同時流動時, 可能發生水合物的生成或分解, 實驗難度較大. 在理論分析方面, Moridis 等[46] 提出了考慮水合物存在時計算相對滲透率的OPM (original porousmedium) 和EPM (evolving porous medium) 模型, Mahabadi等[47] 和Gamwo 等[48] 通過改進的Stone 方程來計算水相和氣相相對滲透率, 但均忽略了水合物分解過程中水合物飽和度、賦存狀態、孔隙結構的變化等對氣水相對滲透率的影響, 不能準確反映水合物儲層的多相滲流特徵. 蔡建超等[49] 對含水合物沉積物的滲透率及多相滲流時的相對滲透率進行了系統的分析和對比. 文獻[50-53] 將孔隙網絡模型與X-CT相結合, 通過CT 觀察得到三維甲烷水合物圖像, 然後從處理後的三維圖像中提取代表孔隙和喉道拓撲結構的孔隙網絡模型, 從而計算孔隙結構分布特徵、水合物飽和度、毛管壓力和相對滲透率等. 上述研究初步探索了與CT 相結合的孔隙網絡模型在水合物研究領域的應用, 為水合物微觀滲流規律的研究擴展了方向.
1.1.4 天然氣水合物儲層的毛管壓力
毛管壓力是孔隙介質(潤溼性、幾何形狀) 和孔隙中所含各相(如氣體、水合物、水) 飽和度的函數.水合物的存在改變了孔隙空間的幾何形狀, 改變了無水合物條件下的毛管壓力−飽和度關係, 而毛管壓力又對氣−水分布、滲流規律有較大影響. 早期通過對Van Genuchten 模型的修正得到反映水合物儲層氣水兩相滲流的相對滲透率和毛管壓力模型[54]. Ghezzehei等[55] 利用含水水合物砂樣進行實驗, 建立了考慮水合物飽和度影響的毛管壓力和相對滲透率經驗關係模型. Mahabadi 等[56] 藉助CT 掃描技術和孔隙網絡模型法, 獲得了毛管壓力曲線的相關參數, 研究了水合物含量、分布等因素對毛管壓力曲線的影響. 總體看來, 目前天然氣水合物儲層毛管壓力的研究難度大, 相關研究尚處於初期階段.
綜上, 天然氣水合物儲層的基礎物性參數是水合物開發研究的基礎, 但目前的研究實驗數據積累明顯不足, 實驗及分析方法還沒有統一的標準, 總體研究還處於初期探索階段, 制約了後期水合物藏開發模式的研究.
1.2
天然氣水合物的熱物理性質
天然氣水合物的分解是一個吸熱過程, 同時, 儲層的溫度變化會打破天然氣水合物的相平衡條件, 使水合物生成或分解, 導致儲層的孔隙體積和滲流能力也隨之相應變化. 因此, 在天然氣水合物開發滲流過程中, 研究天然氣水合物的熱物理性質是十分必要的. 目前對天然氣水合物的熱物理性質研究主要包括兩個方面, 一是天然氣水合物的熱物性參數, 主要包括導熱係數、比熱容、熱擴散係數等; 二是天然氣水合物生成和分解過程中的熱量變化. 其中對熱物性參數的認識包括純水合物的熱物性參數和含水合物儲層的熱物性參數.
1.2.1 純水合物的熱物性參數
導熱係數λ 是反映物質導熱能力大小的重要參數, 國內外學者對不同水合物的導熱係數進行了大量的實驗研究和對比. Stoll 等[57] 測量丙烷水合物在275 K 時導熱係數為0.39 W/(m·K); Ross 等[58]測量發現四氫呋喃水合物在100 MPa, 100∼260 K 時導熱係數為0.47∼0.53 W/(m·K), 隨溫度升高而增大;Cook 等[59] 實驗發現60℃ 時甲烷水合物的導熱係數在0.45 W/(m·K) 左右. Waite 等[60] 測定溫度為253∼288 K 時甲烷水合物的導熱係數為0.62W/(m·K)左右, 與水的導熱係數相差不到10%. 李棟梁等[61]實驗發現水合物的導熱係數與水合物的結構類型及客體分子有關, 大體順序為I 型>II 型>H 型> 半籠型.
比熱容C 指單位質量的物質升高或下降單位溫度所吸收或放出的熱量. 實驗測定水合物比熱容主要存在兩個問題: 一是需要絕對純淨的水合物樣品,樣品中殘餘的水或者冰都會影響測量結果; 二是天然氣水合物的蒸汽壓會隨溫度升高而增大, 部分水合物會隨著樣品溫度的升高而分解, 水合物分解所需的熱量將使水合物的表觀比熱容大大高於實際比熱容. Handa [62] 首次測量了甲烷、乙烷、丙烷水合物在85∼270 K 時的比熱容, 得到單一成分水合物的比熱容與溫度呈正相關, 不同氣體水合物比熱容不同, 大體順序為丙烷> 乙烷> 甲烷, 同時提出了適用於甲烷、乙烷和丙烷水合物的摩爾比熱與絕對溫度的擬合經驗公式. Rueff 等[63] 實驗測得在溫度為245∼259 K 時甲烷水合物的比熱容為1.6 kJ/(kg·K)左右. Waite 等[60] 測定得到I 型甲烷水合物在253∼288 K 時的比熱容為2.02 ∼ 2.28 kJ/(kg·K).熱擴散係數α 是表徵物體熱量擴散能力的物性參數. Kumar 等[64] 通過實驗得到溫度為265 ∼281 K 時, 甲烷水合物的熱擴散係數為(3.1∼3.3) x
㎡/s. Waite 等[60] 得到甲烷水合物在278 K時的熱擴散率為3.1 x
㎡/s, 同時給出了甲烷水合物的熱擴散係數關於溫度和壓力的經驗方程式. Zhao 等[65] 測得甲烷水合物熱擴散係數和文獻[60, 64] 測得數據吻合, 大約是水的2 倍, 同時得到氣相壓力對導熱係數和熱擴散係數的影響很小.
水/天然氣水合物/冰的具體熱力學性質對比如表1 所示[13,60].
表1 水/天然氣水合物/冰的熱力學性質對比表[13,60]
綜合上述研究可以看出, 由於測量方法和實驗手段的不同, 不同學者測量的水合物熱物性參數存在一定差異, 總體規律為水合物和水的導熱係數相近, 而冰的導熱係數約為水合物的4 倍; 水的比熱容是水合物的2 倍左右, 水合物和冰的比熱容較為接近; 天然氣水合物的熱擴散係數是水的兩倍以上. 總的看來, 目前對單一水合物的熱物性參數測量相對較多,總體規律性的認識也基本一致.
1.2.2 含水合物儲層的熱物性參數
含天然氣水合物儲層的導熱係數、比熱、熱擴散係數等是影響水合物儲層開發過程中的熱量變化及傳播的關鍵參數, 受諸多因素影響, 如地質構造、巖石骨架礦物成分、孔隙大小、流體成分和含量、天然氣水合物飽和度、儲層中天然氣水合物分布模式等. 因此, 準確測量和計算含天然氣水合物儲層的導熱係數、比熱、熱擴散係數非常困難. 萬麗華等[66] 實驗得到溫度為−8.11∼9.28℃時, 幹砂巖導熱係數為0.828∼1.271 W/(m.K), 含甲烷水合物儲層砂巖導熱係數為3.850∼4.555 W/(m.K);溫度為−9.41∼9.41℃ 時, 幹砂巖熱擴散係數為(1.198∼1.674) x
㎡/s, 含甲烷水合物儲層砂巖熱擴散係數為(1.403∼1.769) x
㎡/s, 但文獻中沒有給出水合物飽和度及砂巖含量等相關信息. Cortes等[67] 和Wang 等[68] 實驗發現含水合物沉積物的有效導熱係數與水合物飽和度、水含量和多孔介質的導熱係數正相關. 劉笛[69] 研究發現比熱容較高的沉積物樣品, 由於巖心中的初始顯熱增大, 降壓開發時產氣率會明顯提高. Kumar 等[64] 通過實驗得到甲烷水合物與沉積物/砂的混合物的熱擴散係數與水合物飽和度有關, 同時與溫度成正比. Muraoka 等[70] 得到含甲烷水合物沉積物樣品的熱擴散係數隨孔隙度增大而降低, 隨水合物飽和度的增大而增大.
總的來說, 由於含水合物儲層熱物性參數影響因素多, 測試及分析難度大, 目前只有少量的實驗數據和初步的定性認識, 亟需開展系統的實驗和相關理論分析, 特別是針對實際水合物儲層的熱物性研究.
1.2.3 天然氣水合物的生成熱和分解熱
天然氣水合物的生成熱和分解熱是指在一定溫度和壓力下1 mol 水合物全部生成或分解時所釋放或吸收的熱. 水合物的生成過程是水分子先以氫鍵結合成籠形結構, 天然氣分子再進入籠形結構的吸附過程, 定溫定壓下, 水合物生成過程是放熱反應.水合物的分解過程為吸熱反應, 吸熱量大小關係到如何開發和利用水合物. 水合物分解熱的研究方法主要有以差示掃描量熱儀為代表的直接測量法和基於相平衡數據利用Clausius-Clapeyron 方程求解的間接計算法. Handa [62] 使用量熱計測量了甲烷、乙烷、丙烷、異丁烷四種水合物在85∼270 K 時的分解熱,如表2 所示, 不同組分水合物分解熱不同, 其中甲烷水合物分解熱最小. Rueff 等[63] 測量得到冰點以上甲烷水合物的分解熱為53.28 kJ/mol, 實驗溫度雖然和Handa 的測量溫度範圍差別很大, 但甲烷水合物分解熱測量結果相近, 說明溫度對水合物的分解熱影響較小. 陳強[71] 測量了不同壓力下甲烷水合物的分解熱, 結果表明壓力對水合物分解熱的影響不大.孫志高等[72] 根據水合物相平衡數據, 運用Clausius-Clapeyron 方程計算得到溫度為285 K 時甲烷水合物的分解熱為56.22 kJ/mol, 與Rueff 的測量結果基本一致. 董福海等[73] 採用混合量熱法測量得到常壓下四氫呋喃水合物的分解熱為275.62 kJ/kg. 陳花等[74] 通過引入Setzmann 方程, 提高了Clausius-Clapeyron 方程計算甲烷水合物分解熱的計算精度, 同時實驗發現加入水合物促進劑十二烷基硫酸鈉(SDS) 對甲烷水合物分解熱的影響不大, 可節省水合物合成時間.
表2 Handa 對於天然氣水合物分解熱測定結果[62]
總的看來, 目前對水合物分解熱的研究結果多局限於單組分氣體水合物, 對混合氣體的天然氣水合物, 特別是實際沉積物中的天然氣水合物來講, 多孔介質的孔隙結構、水合物的賦存模式、骨架礦物成分、流體成分和含量、天然氣水合物結構類型等,均會對水合物的分解熱產生影響. 因此, 從進行基礎研究、開發利用天然氣水合物的角度上講, 完善現有的實驗設備和測試技術, 建立分析沉積物中天然氣水合物熱物理性質的理論模型是今後的研究方向.
1.3
天然氣水合物的動力學性質
水合物的分子結構、相平衡、熱力學性質等與時間無關, 研究相對成熟; 而水合物的生成和分解是隨時間而變化的, 20 世紀80 年代中期才開始相關研究,且由於水合物生成、分解機制的複雜性, 目前儘管提出了很多水合物生成及分解的動力學模型, 但對相關微觀機制及宏觀動力學行為仍未完全了解, 尚未形成可靠的模型, 亟需在多個尺度上闡明水合物生成和分解動力學的機理.
水合物的動力學性質包括生成動力學和分解動力學, 分為微觀動力學和宏觀動力學研究. 其中微觀動力學研究水合物主客體分子的相互作用(分子的結構、運動)、結晶過程(如成核、生長、凝聚) 和膜生長(如液膜層內外擴散、氣−液界面吸附) 等方面;而宏觀動力學主要通過宏觀實驗研究有關水合物生成和分解的因素(如過冷度、壓力、溫度、組成、水的狀態和水合物形成物質的狀態等) 對水合物氣體消耗(釋放) 率、氣−水界面驅動力的影響, 對水合物生成和分解速率進行數學描述和預測.
1.3.1 水合物生成動力學
天然氣水合物的生成與結晶過程相似, 可以通過水合物成核和水合物生長兩個步驟來描述. 其中水合物成核是指形成超臨界尺寸的穩定水合物晶核的過程, 該過程具有隨機性, 研究難度大; 而晶核形成後的晶體生長過程在目前水合物生成動力學的研究中報導相對較多. 自20 世紀80 年代以來, 已經發表的水合物生成動力學模型達數十個[75], 這些模型分別考慮傳質、傳熱或內在動力學反應等不同的控制機理, 選用不同的氣體, 通過在不同結構的反應器(包括攪拌槽、填充床、流動反應器等) 中進行實驗而得到, 但值得注意的是, 目前還沒有一個統一的模型能夠解釋所有觀察到的水合物生長動力學行為.
其中最經典的模型是1987 年Englezos [76] 模型, 該模型基於水合物顆粒的結晶生長理論, 結合描述氣液界面傳質的雙膜理論, 提出了用於CH4 和C2H6 水合物生成的本徵動力學模型, 模型中只有分解速率常數一個可調參數, 如式(8) 所示. Ribeiro 等[77] 認為Englezos 模型是迄今為止引用及改進最多的水合物生長動力學模型, 但其不足之處在於假設成核是均勻的, 而目前已有大量的實驗數據證明成核是不均勻的[78-79], 主要發生在氣液界面, 同時該模型是通過氣體消耗速率來間接表達水合物的生成速率.
式中, nF 表示水合物生成中氣體消耗的摩爾數, mol;t 為時間, s; (dnF/dt)p 為水合物粒子在壓力p 下的生長速率, mol/s; Ap 為水合物粒子表面面積,㎡; f為氣體逸度, MPa; feq 為三相平衡時氣體逸度, MPa;Kr 為反應速率常數, mol/(㎡·MPa·s); Kd 為傳質係數,mol/(㎡·MPa·s);
為總速率常數, mol/(㎡·MPa·s).
多孔介質內的水合物生成動力學研究則更為複雜, 水合物生成動力學速率在很大程度上取決於詳細的實驗程序、冷卻位置和速度、多孔介質的熱物理性質和孔隙分布、氣體類型與組成、水的鹽度等. 目前不同學者在研究中採用的多孔介質類型不同(如砂粒[80]、矽膠[81]、玻璃珠[82] 等), 不同介質中的流體流動及質量傳遞速率不同; 採用的水合物生成方法各不相同(如過量水法[83]、過量氣法[84] 等); 另外不同學者採用的反應器結構形狀不同、研究方法不同等, 使得多孔介質中水合物生成動力學的研究結果不同. 建議後期對水合物生成動力學的研究中注意:①生成天然氣水合物的實驗條件、方法和材料的規範化; ②天然氣水合物生長速率定量表徵方法的科學化; ③進一步深入研究水合物生長動力學模型的控制機理.
1.3.2 水合物分解動力學
自20 世紀80 年代以來, 水合物分解動力學研究在國內外獲得普遍重視. 微觀水合物分解動力學主要研究水合物分解反應的機理和分解速率等問題,而宏觀動力學則側重研究各種因素如溫度、壓力、水合物顆粒比表面積、分解推動力等對水合物分解速率的影響. Kim 等[85] 最早提出了包含兩個階段的氣體水合物分解微觀機理過程: ①水合物顆粒表面的晶格破碎; ②客體分子氣體由表面脫附. 該水合物分解過程研究中忽略了傳熱傳質的影響, 並進一步假設水合物分解速率與水合物顆粒比表面積和推動力(三相平衡逸度和氣相主體甲烷逸度之差) 成正比的前提下, 提出著名的Kim-Bishnoi 分解動力學方程, 見式(9). 方程中最重要的參數就是水合物本徵分解速率常數, 它表徵的是一種物質轉化為其他物質的速率參數. 該模型為水合物分解的內在動力學模型, 沒有考慮傳熱和傳質的影響.
式中, nD 表示t 時刻以水合物形式存在的氣體量,mol; dnD/dt 為水合物分解速率, mol/s; Adec 為單位體積多孔介質地層內水合物分解總表面積, 也就是氣體和水所佔據地層孔隙空間的比面, 是天然氣水合物飽和度的函數, ㎡; Kdec 為天然氣水合物分解速率常數, 其值大小與溫度有關, mol/(㎡.MPa.s); fe 和fg分別為甲烷氣體在平衡壓力和當前氣體壓力下的逸度, MPa.
Jamaluddin 等[86] 在Kim-Bishnoi 模型的基礎上,通過引入傳質和傳熱速率方程, 提出了一個同時考慮傳質、傳熱和本徵動力學的水合物分解動力學模型. Goel 等[87] 認為影響反應速率的主要因素為水合物的表面積和壓差, 將水合物的分解速率與驅動力的n 次方相關聯, 建立了新的水合物分解的動力學模型. 孫長宇等[88] 提出水合物的分解過程包括水合物分解界面主體籠形的坍塌與客體分子由水合物分解界面解吸脫離的兩個階段, 水合物的分解速率與剩餘未分解的水合物量成正比, 在Kim 的分解動力學模型基礎上建立了新的水合物分解速率方程. Clarke等[89-90] 對Kim-Bishnoi 動力學模型進一步擴展, 研究了甲烷、乙烷的混合物以及CO2 水合物的分解速率.Giraldo 等[91] 通過引入參考組分, 提出了一種模擬混合氣體水合物分解動力學的簡化方法.
天然氣水合物在沉積物中的分解過程受到溫度、壓力、沉積物中鹽濃度、沉積物粒徑、水合物飽和度等因素的影響[92]. Chong 等[84] 發現沉積物粒徑大小對甲烷水合物分解速率有較大影響. 任韶然等[93] 認為壓差是影響水合物分解速率的主要因素.Kono 等[94] 進行了降壓法甲烷水合物的分解速率測試實驗, 發現不同的沉積物及沉積物顆粒尺寸將得到不同的分解速率常數值. 馮自平等[95] 進行了多孔介質中天然氣水合物降壓分解模擬, 得到水合物分解速率受流動特性控制, 且多孔介質內水合物分解本徵速度常數比Kim[85] 測定的純水中水合物分解本徵速度常數低3 個數量級. Nihous 等[96] 指出Kim 的分解動力學公式對於深海沉積物中的水合物本徵分解速率有一定的局限性. 張雯翔[97] 通過在多孔介質中甲烷−丙烷水合物的分解實驗研究發現, 鹽溶液和砂質降低了表觀分解反應活化能, 有利於水合物分解.
目前, Kim-Bishnoi 方程仍然是被最廣泛應用的水合物分解動力學模型, 不少其他模型也是基於該方程而改進的. 廣泛採用這一模型的主要原因是它將水合物反應速率與溫度、壓力、動力學常數以及比表面積等關係很好地體現了出來. 但Kim-Bishnoi方程是關於純水合物的分解動力學方程, 對於含水合物儲層, 目前有學者對Kim 方程中分解比表面積進行修正[98-99], 但水合物分解產氣不僅涉及水合物相變本身的動力學過程, 還與儲層中壓力傳播、多相流體滲流等過程密切相關, 應該耦合所有主要的分解機制, 包括傳熱和傳質, 氣體和水的流動行為, 純水合物體系中的內在分解動力學以及多孔介質中水合物的有效分解速率. 目前對多孔介質中水合物的分解動力學還沒有形成統一認識. 另外, 還需要從微觀層面對水合物的分解行為進行徹底解釋, 同時將微觀模型預測與宏觀層面建模聯繫起來.
1.4
天然氣水合物儲層的力學性質
天然氣水合物勘探開發過程中, 水合物的分解會導致儲層力學性質變化, 地層出砂及虧空, 引起地層沉降甚至海底滑坡等災害; 同時地層的沉降會影響儲層孔隙性質和滲透性, 從而影響水合物的開發效率.
有關純水合物的力學特性方面, Durham 等[100]通過對人工合成的純甲烷水合物的實驗, 發現在相同條件下純甲烷水合物的強度遠遠大與冰. Nabeshima等[101] 通過三軸實驗, 得到純水合物的強度隨著溫度降低、壓力增大、密度增大而增大. Dvorkin 等[102]測定了純水合物和冰的力學參數, 部分性質對比如表3 所示.
表3 不同結構水合物與冰的力學性質對比[102]
有關含水合物沉積物的力學特性方面, Winters等[18] 用室內製得的含甲烷水合物渥太華砂樣進行了抗剪強度測定以及聲波測試, 實驗發現水合物對沉積物顆粒有膠結作用, 含水合物的沉積物樣品抗剪切強度明顯增大, 同時水合物飽和度、實驗條件、孔隙總量和沉積物本身性質都會影響剪切強度. 文獻[103-105] 分別通過對含四氫呋喃、二氧化碳、甲烷等不同類型水合物的三軸實驗, 得到應力應變曲線分成3 個階段: 彈性段、屈服段和強化段. 這3 段的分界點隨水合物飽和度和圍壓而變化, 彈性常數、峰值強度、破壞應力隨水合物飽和度和圍壓的增大而增大. Hyodo 等[106] 通過對深海海底含甲烷水合物砂的三軸力學實驗, 發現孔隙流體對水合物沉積物的力學行為有顯著影響. 王淑雲等[107] 發現, 含水合物黏土粘聚力和內摩擦角都隨水合物飽和度增大而增大, 但增大幅度不同; 水合物分解後含水合物黏土的不排水強度降低程度範圍為水合物分解前強度值的0%∼50%. 楊柳等[108] 認為砂土沉積物中水合物的膠結強度和滲透率比粉質黏土沉積物中高.
很多因素都影響含天然氣水合物沉積物的力學性質, 其中水合物飽和度起主要作用, 隨著水合物飽和度的增大, 聲波速度、抗剪切強度、峰值強度、黏土黏聚力、彈性模量和內摩擦角等在一定程度上都在增加, 但水合物飽和度對力學性質的影響存在一個臨界值, 高於此值, 沉積物力學性質變化會發生明顯響應. Yun 等[109] 得到含四氫呋喃水合物沉積物力學性質的臨界水合物飽和度為40%; Sloan[2]、石要紅等[110] 認為當水合物飽和度超過25% 時沉積物力學性質才會發生明顯改變; Waite 等[111] 通過對粗顆粒含水合物沉積物排水剪切強度實驗發現該值為30%.可見水合物臨界飽和度值並不固定, 該值與水合物合成方法、水合物類型及水合物分布模式有很大關係.
建立能有效描述含水合物沉積介質力學特性的力學模型, 是研究含水合物地層井壁穩定性和儲層穩定性的前提. Klar 等[112] 和Uchida 等[113] 初步建立了含水合物沉積介質的彈塑性力學模型, 其中Duncan-Chang 模型參數物理意義明確且相對準確, 得到了廣泛應用. Miyazaki 等[114] 將水合物飽和度和有效圍壓引入經典的Duncan-Chang 模型, 建立了適用於含天然氣水合物的非線性彈性模型. 張峰等[115] 以經典Duncan-Chang 模型為基礎, 提出了適合含水合物細砂質沉積介質的非線性彈性力學模型. 劉林等[116]基於黏土和砂土統一的本構模型, 建立了一個含水合物沉積物的彈塑性本構模型, 模型中嘗試考慮水合物含量和賦存形式對應力應變的影響. 但由於水合物在沉積物中的賦存條件和分布模式的複雜性, 導致含水合物沉積物力學性質與水合物飽和度、骨架顆粒尺寸、溫度、壓力等函數關係並不是很明確, 現有的一些定量關係都帶有很強的約束條件, 在實際工程應用以及數值模擬計算中都受到很大限制.
總的來說, 含水合物沉積物的力學性質取決於水合物在沉積物中的分布模式、水合物飽和度、沉積物骨架顆粒尺寸、孔隙壓力、膠結特性、沉積層礦物成分等因素. 目前研究大多是對力學參數及影響因素的定性分析, 亟需建立包含上述多影響因素的、有明確物理意義的定量函數關係. 建議今後在以下幾個方面多做工作: ①規範含水合物沉積物的有關模擬實驗方法和相應的流程; ②加強含水合物沉積物微觀孔隙結構以及水合物分布模式研究, 將力學測試系統與孔隙尺度甚至微觀尺度觀測(如核磁共振,CT 等) 系統整合起來, 實現微觀分析與宏觀測試一體化, 將力學性質與孔隙中水合物的分布模式相關聯. ③加強動載荷作用等複雜條件下含水合物沉積物力學性質實驗測試. ④加強原位測試技術, 獲取更貼近實際水合物儲層的力學參數.
2 天然氣水合物開發過程中的
熱流力化多場耦合滲流特徵
天然氣水合物在儲層原始壓力和溫度條件下呈固相存在, 當壓力低於相平衡壓力或溫度高於相平衡溫度時, 天然氣水合物由固相逐漸分解為水相和氣相. 目前提出的水合物的開發方法包括降壓法、加熱法、注化學試劑法和CO2 置換法等[1-2,13], 不管採用哪種方式, 水合物開發都涉及傳熱(熱T)、多相滲流(流H)、地層變形(力M) 和水合物分解相變(化C)4 個相互耦合的物理過程[117], 伴隨相變的多相多組分多場耦合的滲流特性成為水合物開發研究中一個重要難題. 傳熱過程是指溫差引起能量轉移的過程, 水合物開發時引起溫差的因素主要包括高溫液體注入和水合物分解吸熱; 多相滲流過程是指氣相、液相和固相(水合物和骨架細小顆粒) 在多孔介質中的滲流過程, 伴隨著水合物分解相變引起氣相、液相的增加以及有效孔隙度、滲透率等地層參數的改變;地層變形過程是指水合物分解導致泥質細粉砂儲層膠結能力降低、儲層變形, 同時多相滲流、水合物分解引起的孔隙壓力變化和上覆總壓力變化均會引起有效應力發生改變, 地層有效應力和強度改變也引起儲層變形; 水合物分解相變貫穿水合物開發始終,儲層內氣、液、固三相變化複雜, 甚至出現水合物二次生成的現象, 導致儲層的孔隙結構、孔隙度、滲透率、飽和度、滲流通道等發生改變, 影響生產正常進行.
水合物藏開發滲流過程中的質量守恆和能量守恆, 是水合物藏開發動態分析及產氣量預測的依據,因此水合物藏的滲流特徵是水合物開發研究的核心和關鍵. 而水合物的滲流又受相變、傳熱、儲層穩定性等多因素影響[118-119], 是一個複雜的多場耦合滲流. 天然氣水合物開發過程中熱、流、力、化多場耦合的相互作用關係如圖2 所示. 在此以水合物生成/分解的化學反應場為中心來進行分析, 當水合物分解後, 孔隙中的物質成分和物質相態立即發生變化, 由固相水合物分解成液態水和自由氣, 影響滲流場的孔隙度、滲透率及流體流動; 而滲流場的壓力變化, 反過來又影響化學場的水合物生成/分解速度. 化學場的水合物生成/分解為放熱/吸熱反應, 影響溫度場; 而溫度場的溫度變化, 反過來又影響化學場的水合物生成/分解速度. 化學場的水合物生成/分解, 使得水合物對地層的膠結及支撐作用增大/減小, 水合物分解後有可能發生砂粒運移甚至地層變形, 影響儲層力學性質; 而儲層力學性質的改變, 反過來又通過儲層有效應力的改變而影響化學場的水合物生成/分解速度. 同時, 滲流場的流體對流、氣體流動的節流效應會影響溫度場, 而溫度場的變化反過來又會使儲層巖石和流體的流動及傳熱參數發生變化, 另外,溫度的降低甚至會導致水合物二次生成或冰的生成,使得孔隙堵塞, 極大地影響儲層滲流能力; 滲流場的流體流動引起儲層有效應力不斷變化, 影響力學場的儲層力學參數, 而力學場的變化又導致滲流場的壓力、孔隙度、滲透率等發生變化; 溫度場的變化使得力學場的參數因熱應力而變化, 而力學場的參數改變反過來又通過熱對流及傳熱性能的改變而影響溫度場. 由此可見, 水合物開發是一個極為複雜的多場耦合相互作用的過程.
總之, 天然氣水合物的開發是一個多相多組分多物理場相互作用的複雜的相變及滲流過程, 開發及滲流機理異常複雜, 需要從分子尺度、孔隙尺度、巖心尺度及礦場尺度等對水合物分解及滲流機理進行大量深入而細緻的研究.
3 思考與建議
天然氣水合物的勘探開發和科技工作都處於初始時期, 其涉及的滲流領域的科學研究和技術開發亦處於起步階段. 主要的思考和建議如下:
(1) 建議深入研究含水合物沉積物的孔隙度、滲透率、水合物飽和度等基礎物性參數及其動態演化規律, 加強各種微觀可視化定量研究, 釐清水合物微觀分布對上述物性參數動態變化的影響; 亟需建立不同水合物飽和度下絕對滲透率、氣水兩相相對滲透率以及毛管壓力等參數的統一的測試方法和標準.
圖2 天然氣水合物開發熱、流、力、化多場耦合關係
(2) 更深入全面研究天然氣水合物熱物性. 熱物性是天然氣水合物科學研究的基礎, 是開發和利用水合物的依據. 現有研究多局限於單組分氣體水合物, 而自然界存在的是多組分氣體的天然氣水合物;前期研究多局限於非多孔介質的高壓容器, 對多孔介質中的水合物熱物性研究較少. 因此, 研究多孔介質中的各種多組分天然氣水合物的熱物性極為必要.與此相應, 急需研發更先進的實驗設備和測試技術.根據採集的水合物實樣的氣體分析預測水合物的熱物性, 可為水合物藏經濟開發提供重要科學依據和技術支持.
(3) 加強沉積物多孔介質中天然氣水合物的生成動力學、分解動力學研究. 水合物的生成、分解動力學是天然氣水合物成藏和開發研究的基礎, 是當前研究的熱點. 沉積物多孔介質中水合物動力學研究處於初始的階段, 許多問題有待重點研究. 例如:①關於水合物成核過程. 迄今研究假設條件較多, 需要深入研究其真實過程. 水合物成核假說等問題已經涉及分子層面, 問題難度大, 尚處於探索和假說階段. 主要困難是對水合物結晶動力學及多相複雜體系的流體力學缺乏了解. ②實驗研究中使用的沉積物大多為人工特製, 而且多集中在較細顆粒範圍, 難以代表真實海洋沉積物環境. 需要加強天然海洋沉積物中和陸地永凍層中水合物動力學研究. ③當前的實驗設備和測試技術難以對沉積物中水合物成核過程進行準確探測, 影響了沉積物中水合物動力學研究及理論模型的進展. 有必要進一步完善實驗裝置, 使用高新探測技術, 以便靈敏準確探測沉積物中水合物成核過程. ④目前國內外已有多個天然氣水合物生成/分解動力學模型, 但這些模型都相對簡單,對於影響水合物生成/分解的各種變量(如客體尺寸、表面面積等) 的反饋不夠靈敏, 而且這些模型多非沉積物中的動力學模型. 因此, 急需研究更接近實際條件的動力學模型, 建立能較準確反映沉積物中水合物生成和分解的動力學模型.
(4) 含水合物沉積物的力學性質與水合物的分布模式、飽和度、沉積物顆粒尺寸、礦物成分、孔隙壓力等密切相關.目前的研究多集中在相關力學性質的定性分析上, 相關力學參數的定量分析模型亟需建立和完善, 同時建議加強原位條件及動載荷條件下的相關力學性質測試.
(5) 注意水合物藏滲流的特有複雜性. 天然氣水合物滲流是非常複雜的、極有特色的流動, 迄今還往往借用常規油氣滲流的概念和方法. 必須根據其特有規律, 建立天然氣水合物滲流理論、方法和技術.天然氣水合物滲流有多方面的複雜性和特色, 例如:①天然氣水合物藏的滲流是特殊的相變滲流, 其流體是「 水(海水) −甲烷(及其他氣體)−水合物」 的特殊的多相(氣液固) 多組分複合流體; 滲流過程中隨時空變換和溫壓變化而不斷發生複雜的相變. ②水合物儲層中存在多種固相(水合物、冰、泥砂細粒等)的運移、滯留和堵塞等. ③滲流中存在多種複雜效應, 包括自保護效應、再生效應、記憶效應、活度效應、尺寸效應、抑制效應、促進效應和造縫效應等.因此, 亟需根據水合物滲流的特殊性、複雜性, 建立天然氣水合物的滲流理論與方法.
(6) 天然氣水合物開發的數值研究方面, 應特別重視考慮天然氣水合物相變、傳熱、滲流、各種複雜效應和地層變形等多因素耦合的數值計算模型. 關於天然氣水合物儲層滲流, 可嘗試從流變學角度將「水−甲烷−水合物」 組成的複合流體視為一種流變流體(一般是非牛頓流體) 來進行研究.
中國力學學會
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原標題：《郭尚平院士： 天然氣水合物開發多物理場特徵及耦合滲流 研究進展與建議》
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