固态流化采掘海洋天然气水合物藏的水平管段固相颗粒运移特征

李蜀涛 魏 纳 李海涛 庞维新 席永钊 郑利军 付 强,

1.西南石油大学 2.中海油研究总院有限责任公司

0 引言

中国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将“天然气水合物开发技术”部署为27项前沿技术之一；国家《能源发展战略行动计划》提出加大天然气水合物（以下简称水合物）勘探开发技术攻关力度，积极推进试采工程；国家《能源技术革命创新行动计划》提出突破水合物勘探开发关键技术，开展先导钻探和试采试验。因此，水合物特别是海洋深水水合物的安全、高效开发是当前世界的前沿创新技术领域[1-3]。

周守为院士于2012年提出了海洋水合物藏固态流化开采技术[4-5]是一种安全、高效开采海洋水合物藏的创新方法。海洋水合物固态流化采掘在水平段和垂直段的运移规律各有不同，其中水平段面临的主要问题有：水合物和岩屑在二次破碎以后进入水平管段的运移规律与一般钻水平井存在钻杆搅动[6]的作用的运移特征不同；水合物与岩屑之间的凝聚力较大，相比于常规钻水平井而言，更易形成岩床，所以迫切需要分析天然气水合物在固态流化采掘条件下水平管段的运移规律，并据此指导实际现场施工。

1 水合物固态流化采掘水平段固相颗粒运移模型

在开采的过程中，水合物固相颗粒在水平管段中的运移方式主要有蠕移、跃移、悬移三种方式，蠕移指水合物藏固相颗粒在受到相对较小的力的作用情况下，沿管壁平行滑动或者滚动的方式运移；跃移指随着水合物固相颗粒速度的增大，固相颗粒以跳跃的方式运移；悬移指水合物固相颗粒受到的浮力大于重力时，以悬浮的形式在水平管段运移。针对天然气水合物固态流化开采过程中，水平管段固相颗粒的实际运移情况，建立了水平段固相颗粒运移模型如下。

1.1 数学模型

1.1.1 连续方程

式中ρm表示混合相密度，kg/m3；m表示混合相速度，m/s；n表示相数；αk表示第k相的体积分数；ρk表示第k相的密度，kg/m3；k表示第k相的速度，m/s。

1.1.2 动量守恒方程

由牛顿第二定律可知[7]，液固两相流动的动量守恒方程：

式中p表示压力，Pa；F表示体积力，N/m3；g表示重力加速度，m/s2；m表示混合物黏度，Pa·s；T表示时间，s；k表示k相的黏度，Pa·s；dr,k表示第k相的运移速度，m/s。

1.1.3 能量守恒方程

根据能量守恒定律，液固两相流动满足能量守恒方程：

式中Ek表示第k相的内能，J/kg；λeff表示有效热传导率，W/(m·K)；T表示温度，K；SE表示体积热源相，J/(m3·s)。

1.2 固相颗粒受力模型

水平管段形成的水合物岩屑床的破坏主要以岩屑床表层固相颗粒的临界起动为判断条件，水合物藏固相颗粒的起动是指岩屑床表层的固相颗粒由静止转变为运动的临界状态，在力学方面主要受到其自身性质和颗粒受力的影响。固相颗粒受力主要包括重力、浮力、流动拖曳力、压力梯度力、流动举升力、塑性力、粒间凝聚力、巴塞特力、附加质量力和马格努斯效应力等，其计算参阅本文参考文献[8-15]。

1.3 物理模型

根据全球首次海洋水合物固态流化射流破碎现场应用试采目标区的基本参数和储层性质：水深1 310 m、埋深117～192 m、泥质粉砂、平均孔隙度43%、饱和度40%，利用SolidWorks建立水平管段岩屑运移物理模型，根据实际施工参数建立固态流化开采水平段岩屑运移模型，其结构参数为：内径70 mm，外径100 mm，长度2 000 mm，采用四面体与六面体混合单元各对所建立的模型进行网格划分，模拟水深1 300 m，海底温度为276.15 K，海底压力为13.7 MPa的海洋环境下，分析水合物固相颗粒在不同丰度、粒径、管径、速度条件下的固相颗粒运移特性，如图1所示。

图1 模型网格划分图

2 模拟结果

在水平管段内运移的水合物固相颗粒受钻井液返排速度、进入水平管段的水合物丰度以及固相颗粒粒径等因素的影响，其在不同的条件下，呈现出来的运移情况各有不同，具体分析如下：

2.1 不同进口流速对固相颗粒运移的影响

在水合物藏固相颗粒直径为5 mm，钻井液黏度为1.672 8 mPa·s，水合物丰度为70%的情况下，分别模拟研究进口速度为0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s和2.5 m/s的固相颗粒运移情况，得到不同进口速度固相单颗粒的运移轨迹（图2-a）。由图2-a可知，单颗粒固相颗粒最开始进入管道内时，以跳跃运移为主，随着进口速度的增加，跳跃距离越远，随后以蠕移和跳跃运移的方式在管道中流动，流体速度越大，跳跃运移越明显。

由图2-b可知，水合物固态流化采掘的过程中，当进口速度为0.5 m/s时，固相颗粒会在进口处逐渐堆积，运移方式以跃移和蠕移为主，悬移为辅；随着进口速度的增加，固相颗粒在管道底部的沉积量越少，运移方式以跃移和悬移为主，蠕移为辅。

图2 不同进口速度下固相颗粒在水平管道中的运移轨迹及分布图

由图3-a可知，在水平管道中，流体的流速呈现正态分布趋势，管道中心流速最大，靠近管壁面流速最小，且随着流体进口速度的增加，管内的最大流速向管壁延伸，管壁附近的流速随进口速度的增加而增加。由图3-b可知，随着进口速度的不断增加，管道内压力下降速度增加且满足达西渗流。因此，由图2、3可知，在实际使用固态流化方式开采水合物的过程中，在确保举升泵设备负荷的前提下，提高井口排量，使固相颗粒尽可能地在管道中保持悬移和跃移，有利于流体携带水平段固相颗粒，提高水平管段内净化效果。

2.2 不同水合物丰度对固相颗粒运移的影响

在水合物藏固相颗粒直径为5 mm，钻井液黏度为1.672 8 mPa·s，钻井液进口速度为0.5 m/s的情况下，分别模拟研究水合物丰度为10%、30%、50%、70%和80%情况下固相颗粒运移情况，得到不同水合物丰度情况下单颗粒的运动轨迹（图4-a）。

图3 不同进口速度下水平管道流体流速变化和压力分布图

图4 不同水合物丰度下固相颗粒在水平管道中的运动轨迹及分布图

由图4-a可知，单颗粒固相颗粒最开始进入管道内时，以跳跃运移为主，且丰度越大，跃移的距离越远，随后以蠕移和跳跃运移的方式在管道中流动，固相颗粒丰度越大，跳跃运移越明显。

由图4-b可知，水合物固态流化采掘的过程中，当水合物丰度为10%时，固相颗粒会在进口处逐渐堆积，运移方式以跃移和蠕移为主，悬移为辅；随着水合物丰度的增加，固相颗粒在管道底部的沉积量越少，运移方式以跃移和悬移为主，蠕移为辅。

由图5-a可知，在水平管道中，流体的流速呈现正态分布趋势，管道中心流速最大，靠近管壁面流速最小，水合物丰度的增加对液相流速的影响较小。由图5-b可知，不同的水合物丰度条件下，管道内压力下降速度变化很小，可以忽略丰度对管道压力降的影响。因此，由图4、5可知，在实际使用固态流化方式开采水合物的过程中，不同的水合物丰度的管道流体在水平管道内的运移方式各有不同，水合物丰度越高，越有利于水合物固相颗粒在管道内的运移，同时，水合物丰度对管道内液相流速和压力降影响较小。应根据水合物丰度设定相应的施工参数，有利于提高水平管段内的净化效果。

图5 不同水合物丰度下水平管道流体流速变化和压力分布图

2.3 不同水合物粒径对固相颗粒运移的影响

在钻井液黏度为1.672 8 mPa·s，钻井液进口流速为0.5 m/s，水合物丰度为70%的情况下，分别模拟研究固相颗粒粒径为1 mm、3 mm、5 mm、7 mm和9 mm的运移情况，得到不同固相颗粒的运动轨迹（图 6-a）。

由图6-a可知，单颗粒固相颗粒最开始进入管道内时，以跳跃运移为主，且粒径越大，跃移的距离越近，随后以蠕移和跳跃运移的方式在管道中流动，固相颗粒粒径越大，蠕移越明显。其中对比粒径为1 mm，3 mm与9 mm水合物固相颗粒的运移轨迹可知，在粒径较小的时，运移方式主要是悬移和跃移，在粒径逐渐增大的过程中，运移方式由悬移逐渐转变为跃移最后变成蠕移。

由图6-b可知，水合物固态流化采掘的过程中，当水合物粒径为1 mm时，固相颗粒主要以悬移的方式在水平管段中运移，随着水合物粒径的不断增加，运移的过程中逐渐出现跃移和蠕移的运移方式，当水合物粒径达到时，固相颗粒已经在水平管段底部大量堆积，不利于固相颗粒的运移。

图6 不同水合物粒径下固相颗粒在水平管道中的运动轨迹及分布图

由图7-a可知，在水平管道中，流体的流速呈现正态分布趋势，管道中心流速最大，靠近管壁面流速最小，随着水合物颗粒粒径增加到7 mm、9 mm时，固相颗粒开始在进口处堆积，水平管段井口端的液相速度逐渐偏离正态分布，越靠近上管壁附近，液相速度越大，越靠近下管壁附近，液相速度较小。由图7-b可知，不同的水合物颗粒粒径条件下，管道内压力下降速度变化很小，可以忽略水合物粒径对管道压力降的影响。因此，由图6、7可知，不同的水合物固相颗粒粒径对水合物在管道内的运移方式影响较大，水合物颗粒粒径越小，越有利于水合物固相颗粒在管内的运移，同时，由于固相颗粒在管底的堆积会导致管内液相的流场发生变化，影响固相颗粒的运移方式，即在水合物颗粒堆积的波峰处液相流速较大，在波谷处液相流速较低，此外，水合物颗粒粒径对管道内的压力降影响较小。在实际使用固态流化方式开采水合物的过程中，应该研发高效的二级破碎工具，降低水合物颗粒粒径，有利于提高水平管段内的净化效果。

2.4 不同水合物粒径、管径对液相携水合物固相颗粒运移速度的影响

图7 不同水合物粒径下水平管道流体流速变化和压力分布图

在钻井液黏度为1.672 8 mPa·s，水合物固相颗粒粒径为1 mm、3 mm、5 mm、7 mm、9 mm时，分别模拟水合物颗粒在管径为30 mm、50 mm、70 mm的管道中运移，得到正常泵送水合物固相颗粒所需的液相速度，如图8所示。由图8可知，水合物固相颗粒粒径越大、水平段管径越大所需液相运移速度越大。因此，在实际使用固态流化方式开采水合物的过程中，要根据二级破碎设备破碎颗粒大小和举升泵额定负荷，选择能够满足生产需求的泵输水平管管径，有利于提高水平管段内的净化效果。

3 水合物固态流化采掘水平段固相颗粒运移模拟实验

为进一步验证CFD仿真结果的正确性，运用西南石油大学已有的全球首个海洋非成岩水合物固态流化开采大型物理模拟实验系统，模拟海洋水深1 300 m，压力13.7 MPa，温度276.15 K环境，水合物固相颗粒在不同液相排量下的运移规律。

图8 泵送水合物固相颗粒液相速度图

3.1 实验方案及流程

1）水合物大样品快速制备、破碎及浆体调制模块中，根据海洋水合物组分，模拟预制水合物（含砂）样品；制备釜中形成水合物矿体后，将其原位破碎，破碎时加入定量海水，精确配制实验所需的水合物浆体，并将其保温、保压、保粒度、保安全运移至水合物浆体高效管输模块。

2）通过多次调节液相排量，完成不同排量下水合物固相颗粒群的运移模拟实验。

3）自动采集与存储实验过程中的动态图像及温度、压力、流量、粒径等实验数据，进行实验分析及处理。

3.2 水合物大样品快速制备

利用实验室现有的低温高压反应釜制备实验所需的水合物样品（如本期赵金洲文中图2所示），并利用釜体内的水合物破碎刀片将反应釜内生成的水合物破碎成实验所需粒径尺寸（2～5 mm）。然后通过砂浆泵将釜体内的水合物泵送到水平管段。

3.3 水平管段中不同液相排量下水合物固相颗粒运移分析

3.3.1 进口小排量下固相颗粒临界运移

将液相进口排量分别设置为0.720 L/s、0.960 L/s、1.200 L/s、1.440 L/s，其颗粒的运移情况记录如表1所示，利用高速摄像机和可视化高压承压水平管段可以监测到水合物在水平管段中的运移情况如本期赵金洲文中图8所示。

表1 不同液相进口小排量下固相颗粒运移实验现象记录表

由上述图表可以看出，排量为0.720 L/s时，管段中的水合物固相颗粒基本没有发生运移，当液相排量逐渐增加时，颗粒粒径较小的水合物固相颗粒开始发生运移，当排量达到1.440 L/s后，管段中所有的水合物固相颗粒都开始运移，即管段中液相排量越大，水合物颗粒粒径越小，管段的水合物越容易运移，越有利于提高水平管段内的净化效果。

3.3.2 进口大排量下固相颗粒运移

将液相排量分别提高到2.216 L/s、4.346 L/s、6.667 L/s、8.925 L/s、10.990 L/s，其颗粒的运移情况记录如表2所示，利用高速摄像机和可视化高压承压水平管段可以监测到水合物在水平管段中的运移情况，如图9所示。

表2 不同液相进口大排量下固相颗粒运移实验现象记录表

图9 水平管段不同液相进口大排量（速度）下固相颗粒运移情况图

由图9和表2可以看出，当排量为2.216 L/s时，管段中的水合物已经开始整体运移，但水平管底部会形成水合物床，并以蠕移和跃移的方式向前运移。当排量逐渐增加时，水合物固相颗粒运移速度加快，且分布相对较为分散。当排量达到10.990 L/s时，水合物固相颗粒最为分散，对水平管段内净化效果较好。同时，该实验很好的验证的Fluent和EDEM仿真模拟结果。

4 结论

1）水合物在水平管道输送过程中，单颗粒水合物以跃移和蠕移运移为主，而水合物颗粒群的运移方式受水合物丰度、液相速度、水合物固相颗粒粒径影响较大。当水合物丰度较低、颗粒粒径较大、液相流速较低时，固相颗粒运移方式主要以跃移、蠕移为主；当水合物丰度较高、颗粒粒径较小、液相流速较大时，固相颗粒运移方式主要以悬移为主。

2）提高液相进口速度，是提高水平管内净化效果的有效办法。

3）水平管道内，液相流场受水合物固相颗粒粒径影响较大，水合物固态流化开采应选用破碎效果较好的二级破碎工具，将水合物破碎成适合于液相携带的固相颗粒粒径群；或在满足生产要求的条件下，配合较小管径的水平管段，以此降低设备负荷，提高水平管内净化能力。

4）水合物固态流化开采水平管段内压力降主要受液相流速影响较大，在满足举升泵设备负荷条件下，可调整适当的液相速度。