间壁换热开采天然气水合物注入温度优化

陈 花 关富佳,2 张 杰 肖启圣 程 亮

1. 长江大学石油工程学院, 湖北 武汉 430100; 2. 长江大学非常规油气湖北省协同创新中心, 湖北 武汉 430100

0 前言

天然气水合物(NGH)是一种由天然气中分子量较小的气体分子与水分子在低温和高压条件下形成的类冰状笼形晶体结构[1]。水分子之间通过氢键相互作用,水分子与气体分子间通过范德华力作用,形成I型、II型、H型和T型四种立体的晶体结构[2]。其中,水分子由于氢键连接形成笼形结构,包裹客体分子,保证了NGH能较大量地储存天然气。在标准状态下,1 m3的NGH能储存150～180 m3的天然气[3]。NGH的地质储量范围为0.2×1015～3 053×1015m3[4],是全球陆上已探明的传统化石能源总量的2倍,被认为是未来石油天然气的替代品[5],其巨大的资源潜力已引起油气工业界的普遍关注[6-7]。

1 数学模型

1.1 模型建立

考虑到热力法开采水合物的过程中外界与反应釜体系不发生物质交换,本文从间壁换热的角度出发,选用恒温水槽浴进行热量输送,通过换热盘管循环热水瞬时对反应釜壁面进行升温处理,换热示意简图见图1。

图1 间壁换热示意简图

基于本次选用的水合物合成反应釜体系为一圆柱体,温度场关于中心轴对称,壁面温度仅沿径向坐标r方向发生变化,即为一维非稳态传热过程。本次采用无限长圆柱体坐标系描述导热微分方程,不考虑对流换热,其温度场满足如下等式:

(1)

其中:

(2)

初始条件:

t=0T=T2(0≤x≤R)

(3)

边界条件:

(4)

(5)

基于物质的材料成分、内部结构、密度、压力、温度和吸湿性等因素对导热率的取值存在影响[14-16],本文从优选注入温度的角度出发,单因素分析温度对导热率的影响。经验公式显示导热率与温度满足二次方和三次方关系,考虑到计算复杂程度,将曲线回归成线性关系,近似表示为[17]:

λ=λ0(1+bT)

(6)

θ(x,t)=T(x,t)-Tw

(7)

(8)

求得:

(9)

β=εR

(10)

将式(8)和式(10)带入到式(9)中,获得如下等式:

(11)

解得:

(12)

Qt=ρcV(Tw-T)

(13)

2 分析与讨论

2.1 热采能量利用率及热效率

在传统接触注热开采天然气水合物过程中,注热温度、注热速率、水合物藏初始温度和水合物藏初始饱和度均对最终产气速率存在较大影响[18]。后期加热方式发展为微波加热和太阳能加热,在热采过程中水合物藏与外界仅存在能量交换,有效提高了换热过程中的能量利用效率[19]。本文从间壁换热开采天然气水合物的角度出发,在不考虑热水运输过程中热损失和通过水合物上下盖层散热的情况下,综合考虑注热效率与水合物分解时的产气速率,实时匹配生产动态,定义了以下参数:

1)水合物开采能量利用率,定义为用于分解水合物消耗的热量与总的输入热量的比值。

2)热效率,定义为单位产气量下的水合物开采能量利用率。

(14)

(15)

2.2 热采换热过程分析

甲烷水合物合成过程结束后,首先循环热水预热换热盘管管壁,再在反应釜内生成的水合物区传热。此过程中维持循环热水温度不变,保证热量传导至水合物区中心时,温度高于甲烷水合物分解所需的相平衡温度,确保水合物分解完全。

图2 注入温度与加热时间关系曲线

2.3 温度对热效率的影响

注入温度与热效率关系曲线见图3,热效率随着温度的升高,先增大后减小,存在最优注入温度和热效率。这是由于,温度较低时,水合物分解所需加热时间较长,产气速率慢,具有较低的开采效率,但此时的能量利用率高,热损耗小;温度较高时,有效能量利用率低,注入水在循环过程中热损耗大,大部分热量未用于储层的升温和水合物的分解,具有较低的热采能量利用率。因此,注入温度太低或太高均不利于间壁换热开采甲烷水合物。对于整个甲烷水合物开采过程,通过理论计算出的热效率介于0.431～0.536之间,即分解过程中,生产1 000 cm3的甲烷气体在单位时间内消耗的热量与注入的热量之比为0.431～0.536。

图3 注入温度与热效率关系曲线

3 结论

1)热力学法开采天然气水合物的过程主要存在以下两个问题:一是在较低的换热温度条件下,表现为水合物产气速率较低,开采过程持续时间长,经济效益低,不具备工业产值;二是在较高换热温度条件下,表现为水合物产气过程存在较大的能量消耗,用于开采水合物的有效能量较低,经济成本较高。

2)新定义的热效率综合考虑了能量的有效利用率及水合物注热分解所需时间,同时保证了两者的合理性。建立的数学模型计算结果显示,存在最优的注入温度使得热效率最高,其中最优注入温度为65 ℃,热效率为0.536。