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海洋天然氣水合物開采熱電參數評價及應用 版權信息
- ISBN：9787030719461
- 條形碼：9787030719461 ; 978-7-03-071946-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
海洋天然氣水合物開采熱電參數評價及應用 內容簡介
以實驗和數值模擬研究為主要手段，闡明含水合物沉積物熱物性參數與電學參數的主要變化規律和主控因素，以及其在水合物開采過程中的作用，主要包括含在水合物沉積物熱傳導和分解吸熱過程共同作用下，水合物試采儲層溫度變化及其可能誘發的水合物分解自保護效應，考量熱物理特性對水合物開采產氣效率的影響；揭示含水合物沉積物電阻率與飽和度相關關系，據此提出電阻率層析成像技術對含水合物儲層氣水砂三相介質動態轉化的識別技術，為水合物試采儲層動態監控提供有效支撐。
海洋天然氣水合物開采熱電參數評價及應用 目錄
目錄
叢書序一
叢書序二
叢書前言
前言
**章緒論1
**節含天然氣水合物巖心主要熱學參數概述1
第二節含天然氣水合物巖心主要電學參數概述7
參考文獻13
第二章含天然氣水合物巖心分解熱效應測試與應用17
**節基于HP DSC技術的天然氣水合物分解熱研究17
第二節天然氣水合物分解熱效應研究與應用26
參考文獻48
第三章含天然氣水合物巖心熱導率測試與影響因素51
**節含天然氣水合物巖心熱導率測試技術51
第二節含天然氣水合物巖心熱導率與天然氣水合物飽和度相關關系58
第三節天然氣水合物儲層熱擴散特性實驗69
參考文獻74
第四章天然氣水合物熱激法開采實驗75
**節天然氣水合物熱激法開采現狀75
第二節天然氣水合物熱激法開采實驗設計77
第三節天然氣水合物電加熱開采實驗79
第四節天然氣水合物注熱水開采實驗82
參考文獻91
第五章含天然氣水合物巖心電阻率主控因素研究93
**節含天然氣水合物巖心電阻率實驗模擬研究進展93
第二節含天然氣水合物巖心電阻率傳感器設計101
第三節巖心電阻率與天然氣水合物飽和度相關關系106
第四節天然氣水合物微觀分布與巖心電阻率響應111
第五節天然氣水合物飽和度與巖心電阻率關系模型132
參考文獻140
第六章含天然氣水合物巖心電阻率成像技術與應用145
**節含天然氣水合物巖心井間電阻率成像實驗145
第二節含天然氣水合物巖心二維電阻層析成像實驗165
參考文獻174
第七章含天然氣水合物巖心復電阻率響應特征176
**節含天然氣水合物巖心復電阻率實驗176
第二節天然氣水合物生成分解過程復電阻率特征179
第三節含天然氣水合物巖心復電阻率頻散特性分析182
第四節含天然氣水合物巖心復電阻率模型研究189
參考文獻204
叢書序一
叢書序二
叢書前言
前言
**章緒論1
**節含天然氣水合物巖心主要熱學參數概述1
第二節含天然氣水合物巖心主要電學參數概述7
參考文獻13
第二章含天然氣水合物巖心分解熱效應測試與應用17
**節基于HP DSC技術的天然氣水合物分解熱研究17
第二節天然氣水合物分解熱效應研究與應用26
參考文獻48
第三章含天然氣水合物巖心熱導率測試與影響因素51
**節含天然氣水合物巖心熱導率測試技術51
第二節含天然氣水合物巖心熱導率與天然氣水合物飽和度相關關系58
第三節天然氣水合物儲層熱擴散特性實驗69
參考文獻74
第四章天然氣水合物熱激法開采實驗75
**節天然氣水合物熱激法開采現狀75
第二節天然氣水合物熱激法開采實驗設計77
第三節天然氣水合物電加熱開采實驗79
第四節天然氣水合物注熱水開采實驗82
參考文獻91
第五章含天然氣水合物巖心電阻率主控因素研究93
**節含天然氣水合物巖心電阻率實驗模擬研究進展93
第二節含天然氣水合物巖心電阻率傳感器設計101
第三節巖心電阻率與天然氣水合物飽和度相關關系106
第四節天然氣水合物微觀分布與巖心電阻率響應111
第五節天然氣水合物飽和度與巖心電阻率關系模型132
參考文獻140
第六章含天然氣水合物巖心電阻率成像技術與應用145
**節含天然氣水合物巖心井間電阻率成像實驗145
第二節含天然氣水合物巖心二維電阻層析成像實驗165
參考文獻174
第七章含天然氣水合物巖心復電阻率響應特征176
**節含天然氣水合物巖心復電阻率實驗176
第二節天然氣水合物生成分解過程復電阻率特征179
第三節含天然氣水合物巖心復電阻率頻散特性分析182
第四節含天然氣水合物巖心復電阻率模型研究189
參考文獻204
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海洋天然氣水合物開采熱電參數評價及應用 節選
**章緒論 海洋天然氣水合物是指一定條件下(溫度、壓力、氣體組分及飽和度、孔隙水鹽度等)由水分子和甲烷等天然氣分子組成的似冰狀且非化學計量的籠形晶體化合物(Sloan，1998)，廣泛分布于海洋大陸架邊緣海。已有調查研究結果表明，具有開采價值的“資源級”海洋天然氣水合物的總量約為2.8×1014m3(Boswell et al.，2011)。巨大的資源潛力使天然氣水合物成為接替常規石油、天然氣的新型能源，引起了世界各國的重視，紛紛制定并開展了天然氣水合物資源勘查與開發工作。1969年，蘇聯首次在西西伯利亞凍土帶的麥索亞哈氣田嘗試過凍土區的天然氣水合物開采。2002~2012年，加拿大和美國相繼在麥肯齊三角洲和阿拉斯加北坡等凍土區開展四次天然氣水合物試采(吳能友等，2013)，但產氣量極小，僅達到了開采方法評價的目的。2013年開始，日本和中國開始主導海洋天然氣水合物開采并相繼取得跨越性進展(Konno et al.，2017；Lietal.，2018)，2020年中國在南海神狐海域(葉建良等，2020)，攻克鉆井井口穩定性、水平井定向鉆進、儲層增產改造與防砂、精準降壓等一系列難題，實現連續產氣30天，總產氣量86.14×104m3，日均產氣量2.87×104m3，為天然氣水合物產業化開發點亮勝利的曙光。 然而，隨著天然氣水合物試采的進程不斷推進，對天然氣水合物儲層的精細刻畫、開采產能的有效評價、開采過程的有效監控等研究需求也愈發強烈。海洋天然氣水合物開采熱電參數評價及應用對上述需求有直接且堅實的支撐，有必要開展從實驗到現場等不同尺度的綜合研究。 **節含天然氣水合物巖心主要熱學參數概述 一、天然氣水合物反應熱 天然氣水合物是由甲烷等天然氣分子在低溫高壓環境下與水分子結合形成的籠形固體。維持天然氣水合物穩定的臨界溫度、壓力符合一定的函數關系，該函數形成的溫壓曲線被稱為天然氣水合物相平衡曲線(圖1.1)。 氣源充足的條件下，當溫度、壓力條件在相平衡條件以內時，天然氣和水可以持續生成天然氣水合物；而當溫度、壓力條件超出相平衡條件，天然氣水合物則分解釋放出天然氣和水，該過程如式(1.1)所示。值得注意的是，天然氣水合物生成過程會釋放出大量熱量，分解過程則需要吸收額外的熱能從而破壞分子間作用力。 (1.1) 圖1.1天然氣水合物相平衡曲線示意圖 為了區別反應過程的熱量變化是吸收還是放出，一般在反應熱Q之前用“+”表示放熱，“-”表示吸熱。 起初，天然氣水合物分解熱受高壓低溫環境的限制不能直接測出，研究人員將相平衡與熱力學數據代入克拉伯龍方程求解分解熱。Sabil等(2010)研究了二氧化碳(CO2)和四氫呋喃(THF)水合物的穩定條件，并將實驗獲得的相平衡數據結合克拉珀龍方程計算出不同組分水合物的分解熱，并指出CO2水合物在一定的溫度區間內分解熱在56.85~75.37kJ/mol，而混入不同比例的THF水合物后，體系分解熱范圍在112.37~152.27kJ/mol。 李棟梁等(2008)同樣利用相平衡數據和克拉伯龍方程計算了甲烷(CH4)-四丁基溴化銨(TBAB)水合物的分解熱，結果表明CH4-TBAB水合物的分解熱遠大于純TBAB水合物，并且其變化范圍與TBAB濃度有關。董福海等(2008)基于能量守恒對反應系統進行熱量衡算，從而計算出天然氣水合物分解熱，提出了采用混合量熱技術確定常壓下天然氣水合物分解熱的實驗方法，并給出了THF水合物和一氟二氯乙烷水合物的分解熱計算結果。 近年來，使用量熱儀進行天然氣水合物分解熱測量成為主要手段，開始階段仍以常壓下的天然氣水合物分解熱測量為主。Kang等(2001)通過量熱技術測量了常壓下CO2-N2混合氣體以及CO2-N2-THF水合物的分解熱，結果表明THF成分的加入提高了混合氣體水合物的穩定性并降低了水合物的分解熱，并指出客體分子的含量對混合氣體水合物分解熱影響不大。 隨著測試技術的發展，克服天然氣水合物高壓低溫相平衡條件限制的量熱儀逐漸成熟，其中比較成熟的是高壓差示掃描量熱儀(HPDSC)。它是在程序控制溫度下，測量物質的物理性質與溫度關系的一種裝置(圖1.2)，測量過程中儀器記錄輸入到試樣和參比物的熱流量差或功率差與溫度或時間的關系，通過系列計算獲得物理、化學變化過程中吸熱、放熱、熱熔等參數的定量或定性信息(Liu et al.，2009)。 HPDSC可以在高壓環境下完成天然氣水合物相態變化過程中的熱流測量，進而直接獲得不同成分的天然氣在各種反應條件下形成天然氣水合物的反應熱。同時，其具有樣品需求小，測量精度高，溫度、壓力控制范圍大等優點。完成一次天然氣水合物模擬實驗只需要30mg左右的水；模擬天然氣水合物反應的高壓池能夠在40MPa以內的壓力環境中，完成變溫速率0.001~1.2℃/min的升降溫實驗，控溫范圍是-40~120℃。 LeParlouer等(2004)用HPDSC測量了幾種常見天然氣水合物的分解熱，測量結果見表1.1。 圖1.2高壓差示掃描量熱儀結構示意圖 表1.1天然氣水合物分解熱測量結果 二、含天然氣水合物巖心熱導率 不同物質具有不同接受和傳遞熱量的能力，這是熱導率的原始表述。固體導熱主要通過電子運動導熱和格波(晶格的振動具有波的形式)導熱。在電絕緣體和一般半導體中，晶格振動是*重要的熱傳導載體。晶格導熱與氣體導熱存在相似之處。熱量是由分子的熱運動引發的相互碰撞傳遞的。將晶格振動的能量量子定義為“聲子”，溫度高的地方聲子密度大，溫度低的地方聲子密度小。當介質中存在溫度梯度時，聲子產生定向擴散運動，宏觀上表現為介質的熱傳導。 Ⅰ型和Ⅱ型天然氣水合物具有相近的聲子密度，因此通常認為Ⅰ型和Ⅱ型天然氣水合物的熱導率比較相近。熱導率可以用式(1.2)來表示： (1.2) 式中：λ為介質熱導率；C為容積熱容量；v為聲子運動平均速度；l為聲子的平均自由行程。 聲子之間的相互碰撞和固體中的缺陷對聲子的阻礙，都會造成聲子的散射，是熱阻的主要來源。天然氣水合物中的客體分子對聲子存在散射作用。天然氣水合物的熱導率較之冰的熱導率明顯偏低，目前分析其原因有兩點：一是天然氣水合物特殊的籠形結構；二是客體分子的低頻振動和快速移動引起聲子散射。 熱導率是衡量熱量傳遞效率的指標。在含天然氣水合物沉積物中熱傳導路徑主要由三部分構成，分別是顆粒-顆粒、顆粒-液體-顆粒和孔隙水。熱導率計算過程中通常不需要精確地分析每條傳遞路線熱能貢獻，而是應用兩相混合模型將沉積物顆粒與孔隙水的熱導率進行疊加。然而導熱體系中出現氣相則會加大熱導率計算的難度。此時水在導熱體系中將產生巨大的作用，水的接觸和遷移能夠增強顆粒間的接觸，減少熱阻對熱能傳導的削弱。研究發現，測量體系中含水量的小幅度變化將對熱導率產生明顯影響。如果對天然氣水合物生成過程進行熱導率精確計算，則必須考慮多方面沉積顆粒變化帶來的影響，包括孔隙度變化和相應的有效應力變化，同時熱能傳遞路徑也由原先的沉積顆粒到液體轉變為沉積顆粒至天然氣水合物顆粒等。因此，目前除了少數氣體、液體、純金屬以外，大部分物質的熱導率難以從理論上直接計算獲得，通過實驗測試確定熱導率是主要手段。 測量含天然氣水合物巖心的熱物理性質需要將常規熱導率測試技術與高壓實驗平臺相結合。從目前發表的天然氣水合物熱導率測量研究成果來看，測量方法以熱探針法(Waite et al.，2009)和瞬態熱板法為主(黃犢子等，2004)，其代表性實驗裝置如圖1.3和圖1.4所示。刁少波等(2008)提出了熱脈沖-時域反射技術，并開展了一系列沉積物中天然氣水合物熱導率測量(圖1.5)。 圖1.3熱探針法天然氣水合物熱導率測量實驗裝置(Waite et al.，2009) 圖1.4瞬態熱板法天然氣水合物熱導率測量實驗裝置(黃犢子等，2004) 圖1.5熱脈沖-時域反射技術天然氣水合物熱導率測量實驗裝置(刁少波等，2008)TDR為時域反射儀 國外天然氣水合物熱導率方面的研究開始較早，主要有美國的哥倫比亞大學、蘇聯科學院西伯利亞分院等。Stoll和Bryan(1979)采用非穩態方法測得溫度275.15K、壓力1MPa條件下丙烷水合物熱導率為0.393W/(m K)；溫度275.15K、壓力10MPa條件下的甲烷水合物熱導率約為0.4W/(m K)。Waite等(2009)測試了不同壓力下(0~30MPa)不同比例的石英砂松散沉積物和天然氣水合物混合物的熱導率，得到含1/3水合物，2/3石英砂的反應體系熱導率為0.9~1.15W/(m K)，含2/3水合物，1/3石英砂的反應體系熱導率為0.82~0.89W/(m K)，純甲烷水合物熱導率為0.3~0.38W/(m K)。 國內黃犢子等(2005)采用平板法在250K、常壓下進行了制冷劑HCFC-141b和CFC-11水合物的熱導率研究，測試結果在0.5W/(m K)上下波動；通過瞬態面熱源法測量混合氣(甲烷90.01%，乙烷5.03%，丙烷4.96%)水合物在-10~5℃、6.6MPa條件下的熱導率為0.55W/(m K)；含混合氣水合物的砂質多孔介質有效熱導率約為1.2W/(m K)。陳強等(2013)在南海神狐海域沉積物中開展了甲烷水合物模擬實驗，采用熱脈沖-時域反射技術獲得了不同飽和度下含天然氣水合物沉積物的熱導率變化結果。 三、含天然氣水合物巖心熱擴散率 熱擴散率又稱導溫系數，其綜合了物質導熱能力和單位體積熱容的大小，表示物質內部在非穩態導熱時擴散熱量或傳播溫度變化的能力。 熱擴散率可以用式(1.3)來表示： (1.3) 式中：λ為熱擴散率；λ為熱導率；ρc為容積熱容量。 熱擴散率是表征天然氣水合物熱量傳遞效率的重要參數，其不僅對評價天然氣水合物熱激法開采效率至關重要，也是分析天然氣水合物儲層穩定性的重要參數。如果井口分解產出的天然氣溫度較高，由于天然氣水合物的熱擴散率大于水，熱量將快速傳遞到含天然氣水合物層而導致井壁周圍天然氣水合物分解，引起沉積物強度降低，造成井口塌陷或海底滑坡。 反應體系的熱擴散率是由熱導率、各種物質的比熱容和介質密度等因素綜合作用決定的(Turner et al.，2005)。de Martin(2001)首次報道了壓實釜體內甲烷水合物在非相平衡條件下的熱擴散率，其測量結果受到冰融化作用的明顯干擾。Kumar等(2004)開展了含甲烷水合物沉積物的熱擴散研究，測量結果指出該反應體系中，水合物熱擴散率在3.1×10-7~3.3×10-7m2/s之間。李棟梁和梁德青(2015)基于平面熱板法建立了一套天然氣水合物熱物性測試系統(圖1.6)，通過實驗獲得了甲烷和甲基環己烷混合水合物的熱擴散率，結果表明該水合物熱擴散率為0.21~0.26mm2/s，大約為水的兩倍，而熱導率與水相近。萬麗華等(2016)采用上述技術開展了CO2水合物熱擴散率研究，結果表明CO2水合物熱擴散率曲線分為兩段，在溫度264.7~273.8K區間內，熱擴散率約為0.16×10-6m2/s；而在282.1K時增大至0.65×10-6m2/s。
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