松散沉积物中降压幅度和饱和度对天然气水合物分解过程的影响

张保勇 于 洋 靳 凯 吴 强 高 霞 吴 琼 刘传海

1.黑龙江科技大学安全工程学院 2.瓦斯等烃气输运管网安全基础研究国家级专业中心实验室 3.黑龙江科技大学建筑工程学院

0 引言

2020年3月，我国在南海北部神狐海域进行了天然气水合物（以下简称水合物）第二轮试采，实现了产气总量、日均产气量的大幅度提升，完成了探索性试采向试验性试采的阶段跨越[1]。分解过程控制是水合物开采利用的关键问题[2]。降压法是目前最经济、简单、有效的水合物开采方法[3-4]，而降压幅度是控制水合物降压分解过程驱动力大小的关键条件，水合物饱和度则是影响降压分解各阶段产气量、产气速率的重要因素。因此，明确降压幅度和饱和度对水合物分解过程的影响规律，是事关水合物工业开采的核心问题。

以水合物高效安全开采为动机，一些学者研究了不同降压方式（如降压指数[5]、缓慢分步降压[6]、梯度降压等[7-8]）对水合物分解的影响，发现降压方式对产气速率等具有显著影响，梯度降压可以有效缓解由水合物分解造成的温度下降。另一些学者研究了饱和度、沉积物组分、盐度等对水合物分解的影响，Yang等[9]开展了南海沉积物中水合物降压分解实验，发现在2 MPa压力下饱和度增大8%可使分解时间延长120 min。Sun等[10]分析了初始压力3.75 MPa、初始温度275.45 K条件下沉积物可压缩性对水合物降压分解影响，发现较高的可压缩性通过孔隙率影响了相对渗透率，进而影响了降压过程的产气行为。Jin等[11]开展了盐水体系中水合物降压分解实验，认为盐度通过增加分解的驱动力（增加平衡压力和降低平衡温度），从而提高了气体回收的潜力。Sun等[12]在富含黏土的沉积物中进行了水合物的降压分解实验，发现沉积物中黏土含量的增大会导致气相渗透率和产气率的降低，但对最终的气体回收率的影响较小。此外，Kim等[13]开展了274～283 K、0.17～6.97 MPa范围内水合物的降压分解试验，建立了水合物降压分解动力学模型（Kim-Bishnoi动力学模型），后来的相关研究通常使用此动力学模型来描述水合物的相变过程[14]。Liu等[15]发现天然气先于水进入生产井筒，且在较大的压力梯度下，天然气比水占据更多的连续流动通道。Wang等[16]发现分解过程水合物表面的水层逐渐增厚，阻碍了分解产生的气体分子逸散至气相空间，导致水合物分解的减缓。Jarrar等[17]利用3D动态成像技术，得到多孔介质中水合物降压分解过程水合物表面区域的3D图像，发现表面包裹型水合物的分解要快于孔隙填充型水合物。分析发现，以上研究多集中于饱和度、盐度、沉积物组分等对水合物降压分解影响以及降压过程中产水、热量传递、二次生成等方面，在较为真实模拟海域沉积物构成并据此研究其降压幅度影响的研究工作较少，而且，以往部分研究与南海神狐海域实际条件有一定差异，难以为南海水合物开采提供准确、有效的理论参考。

据此，笔者基于南海神狐海域沉积物粒径特征配置出多孔介质样品，模拟南海神狐海域试采区现场钻孔压力、温度、盐度、饱和度条件，开展两种饱和度范围和4种降压幅度下水合物降压分解实验，得到降压幅度和饱和度对水合物分解过程产气量、瞬时产气速率等产气参数的影响，以期能为南海神狐海域水合物开采降压方案制定提供理论参考。

1 水合物降压分解实验

1.1 实验设备

气体水合物分解模拟实验装置如图1所示。装置由高压反应釜、回压控制及分解气收集系统、温度控制系统、气体增压系统以及数据采集系统组成，能实现沉积物中不同降压幅度（pd）、饱和度（Sh）、盐度（S）等条件下气体水合物降压分解实验。反应釜承压范围0～30 MPa，釜内体积1 L。回压阀具有单向截止功能，能保持反应釜出口压力恒定。温度控制范围－10～50 ℃，精度±0.1 ℃。

图1 气体水合物分解模拟实验装置简图

1.2 实验材料

该实验水合物生成过程采用了气过量法（过量气＋定量水），即沉积物内溶液是一定量的，通入的气体是过量的，通过控制沉积物内初始含水量来达到控制水合物饱和度的目的。实验盐水由纯水与NaCl配制而成；实验用气为CH4（浓度99.99%），由哈尔滨通达特种气体有限公司提供。

实验用沉积物样品体积为500 cm3。本实验中使用的松散沉积物主要是未经固结的、呈松散状的沉积物，是南海神狐海域水合物的主要赋存介质[18-19]。表1给出了南海神狐海域现场钻孔沉积物与人工配置沉积物的粒度分析结果。由表1可知，人工配置沉积物与南海神狐海域现场钻孔沉积物主要粒级相同且各粒级内单一百分比相近，两种沉积物最高单一百分比的粒级均为粗粉砂，二者粗粉砂的单一百分比分别为19.83%和24.645%。这表明人工配置沉积物具有与南海神狐海域现场钻孔沉积物相似的粒度特征，能较好地模拟水合物赋存的沉积物介质环境。

表1 神狐海域现场钻孔沉积物与人工配置沉积物的粒度分析结果表

1.3 实验方案

根据本文参考文献[20-22]显示，南海神狐海域试采区海水盐度（S）约为3.5%，储层温度为287.15 K，储层压力约15 MPa，水合物饱和度最高为64%，平均饱和度为39%。参照神狐海域试采区实际数据，实验条件见表2。表中pi、Ti分别表示生成初始时刻反应釜压力、温度；pd表示反应釜内降压幅度；pe、Te分别表示分解结束时刻集气釜压力、温度；Ze表示分解结束时刻压缩因子；Δns表示总产气量；Sh表示水合物饱和度。

实验步骤如下：①使用纯水清洗釜体；②将配制好的沉积物介质与溶液放入反应釜内；③关闭釜体，降温至287.15 K后，用CH4冲洗反应釜2～3次；④向反应釜内充入CH4至15 MPa，关闭釜体，开始合成；⑤待反应釜内温度、压力不再变化后，设置回压阀压力为预设压力，打开排空阀，通过回压阀释放反应釜内残气，降低反应釜压力至分解压力；⑥待反应釜内压力降至分解压力后，关闭排空阀，打开集气阀，开始分解；⑦待集气釜内温度、压力保持稳定一段时间后，实验结束。

表2 水合物降压分解实验条件表

1.4 计算方法

在任意时刻，降压分解过程产气量可通过集气釜温度、压力数据进行计算，即

式中Δng、Δnh分别表示t时刻产气量和水合物分解量，mol；pt、Vt、Tt、Zt分别表示t时刻集气釜压力、体积、温度和压缩因子；压缩因子Z计算方法见本文参考文献[23]；R表示为理想气体常数，取8.314 J/(mol·K)。

水合物饱和度为水合物体积与样品孔隙总体积之比，即

式中Vh、Vpore分别表示水合物、样品孔隙体积，cm3；mh表示水合物质量，g；ρh表示水合物密度，取ρh= 0.91 g/cm3[24]；Mh表示水合物物质的量，g/mol；表示甲烷的摩尔质量，为16 g/mol；n表示水合指数，取n=6[25]；表示水的摩尔质量，为 18 g/mol。

对产气量进行归一化（采用样品分解实验最后总产气量除以分解过程各个时刻的产气量来归一化样品分解的相对百分数）处理，得到水合物分解过程产气率，即

式中Gr表示产气率；Δns表示总产气量，mol。

瞬时产气速率和阶段产气速率的计算公式分别为[26-27]：

式中vi、vs分别表示瞬时产气速率和阶段产气速率，mol/min ；nt、nt+0.5、nt+5分别表示t、t＋ 0.5 min、t＋5 min 时刻的产气量，mol。

基于图2水合物分解过程产气量变化曲线，利用图像法确定分解时间，具体如下：绘制一条与分解结束阶段产气量曲线相重合的线段，延伸线段至与纵坐标轴相交，线段与产气量曲线第一个交点即为分解结束点，其对应的横坐标即为分解时间。

图2 不同降压幅度和饱和度下水合物分解过程产气量图

2 实验结果与讨论

2.1 沉积物中水合物分解过程产气量变化

图2给出了水合物分解过程产气量变化情况。由图2可知，Sh,Ⅱ饱和度体系总产气量分别为0.291 mol、0.292 mol、0.300 mol、0.314 mol，均高于相同降压幅度下Sh,Ⅰ饱和度范围的总产气量，而相同饱和度范围内不同降压幅度下总产气量差别较小，这说明总产气量主要由饱和度决定，降压幅度对总产气量影响较小。相同饱和度下，快速分解阶段产气量曲线斜率随降压幅度的增大而增大，而相同降压幅度下，较高饱和度体系在快速分解阶段产气量阶段具有较大的曲线斜率。由此可知，饱和度和降压幅度是控制产气速率的重要因素。

分解过程主要可分为快速分解、缓慢分解和分解结束阶段。随着反应釜内压力降低至分解压力，分解压力小于此时温度对应的相平衡压力，水合物在分解驱动力作用下开始分解。分解一般先发生于水合物与自由气接触的表面，随时间的进行，水合物分解界面逐渐由表面向内部发展，此时分解界面推进速度一般较快，为快速分解阶段[17,28-29]。分解界面向内部推进的过程中，受驱动力下降、传热、传质影响，分解界面推进速度逐渐放缓，进入缓慢分解阶段。随着水合物分解的进一步进行，反应釜内水合物量几乎为0，集气釜内产气压力保持不变，水合物分解基本结束，进入分解平稳阶段。

图3 不同饱和度下分解时间随降压幅度变化图

图3给出了不同饱和度Sh和降压幅度pd下的分解时间。由图可知，分解时间随降压幅度的增大而线性减小，降压幅度由3 MPa增大至12 MPa时，分解时间分别缩短为原来的 28.39%（Sh,Ⅰ）、44.97%（Sh,Ⅱ）。高饱和度体系具有较长的分解时间，饱和度范围由Sh,Ⅰ增大至Sh,Ⅱ，分解时间延长至原来的1.18、1.17、1.77、1.86倍。分析认为，降压幅度越大，反应釜内压力与相平衡压力之间差值越大，分解驱动力越高，分解界面移动速率越快，故分解时间越短。饱和度越高，样品内水合物量越多，在相同的分解驱动力下，分解时间也就越长[30]。

2.2 降压幅度对产气率影响

图4给出了不同降压幅度pd和饱和度Sh下水合物分解过程产气率。由图4可知，在较高降压幅度下，分解后期驱动力不足对整体产气过程影响较小。降压幅度 12 MPa下，产气集中于前 10 min内，10 min后的产气量仅占产气总量的1.68%、14.18%。随降压幅度降低，分解前期产气量占产气总量比例下降。降压幅度 3 MPa、饱和度Sh,Ⅱ下前 10 min 的产气量占产气总量的48.74%。

分析认为，水合物降压开采中，通过调整降压幅度，可使储层内水合物在较短的时间内几乎完全分解，得到较高的产气效率，但由于本实验反应釜尺寸较小，可能导致尺寸效应的出现[31]，因此，此结论的有效性仍需借助大尺寸模拟装置进一步验证。随饱和度增大，分解前期产气量占总产气量的比例升高。随饱和度增大，前10 min内产气率分别减小了14.56%、36.09%、51.30%、63.31%。

2.3 降压幅度对产气速率影响

由图5可知，瞬时产气速率峰值出现于分解的开始阶段，高饱和度体系瞬时产气速率波动较为剧烈。这是因为分解开始阶段，饱和度越高，沉积物渗透率就越低，渗流能力越差，瞬时产气速率也就越小。随着水合物的逐渐分解，沉积物渗透率逐渐增大，导致高饱和度体系瞬时产气速率波动更为剧烈[32]。水合物开采中，产气速率峰值可能紧随开采开始而出现，导致井筒和储层失稳风险的提高[33]。

随降压幅度的增大，瞬时产气速率峰值呈增大趋势，两种饱和度范围内分别增大了70.85%、143.57%。需要指出的是，饱和度Sh,Ⅰ范围内，降压幅度6 MPa下具有最大的瞬时产气速率峰值，而在饱和度Sh,Ⅱ范围内，降压幅度6 MPa下的瞬时产气速率峰值也仅低于降压幅度12 MPa的瞬时产气速率峰值。分析认为，降压幅度越大，水合物分解驱动力越大，其单位时间内分解所需热量也就越大，容易导致一定时间内水合物分解界面热量供应的不足，限制水合物的分解，甚至出现二次生成现象[34]，此外，水合物分解产生的水滞留于分解界面，也会阻隔水合物与气体的接触，限制水合物分解界面的物质传递[16]。因此，在分解驱动力和传热、传质作用下，出现了降压幅度6 MPa瞬时产气速率峰值较高的现象。在水合物开采中，较高的降压幅度下，水合物快速分解导致的热量短缺现象可能更为突出，可以采取注热水等方式提供热量，以缓解热量短缺，保持开采过程较高的产气速率。

图4 不同降压幅度和饱和度下水合物分解过程产气率图

图5 不同降压幅度和饱和度下降压分解过程瞬时产气速率图

图6给出了水合物分解过程阶段产气速率。由图可知，在分解的各个阶段，高饱和度体系均具有较高的产气速率，说明水合物量的增大对各阶段产气速率均有提高的效果。降压幅度12 MPa下阶段产气速率随时间衰减较快，15 min以后几乎为0，而降压幅度3 MPa下阶段产气速率衰减较慢，在15～30 min内仍保持较高的水平。阶段产气速率峰值随降压幅度的增大而增大，随饱和度的增大而增大。降压幅度12 MPa、饱和度Sh，Ⅱ下出现了最大的阶段产气速率峰值，为 41.90×10－3mol/min。

图7给出了2017年5月在南海神狐海域采用降压法试采水合物和本文实验的产气速率变化情况[14]。由图可知，本文实验与南海现场试采的产气速率峰值均出现于降压开采的初始时刻，且随着降压开采的持续进行而逐渐减小，最终稳定在一定范围之内。由于本文实验与南海现场试采水合物量的不同，本文实验降压分解后期产气速率趋近于0，而南海现场降压开采后期产气速率在0.5×104m3/d处上下波动，持续有气体产出。上述分析表明，本文模拟实验与南海现场降压开采具有相似的产气规律，可为南海水合物试采工作提供一定的理论参考。

图6 不同降压幅度和饱和度下分解开始后0～30 min内阶段产气速率图

图7 2017年中国南海水合物试采与本实验产气速率对比图[14]

3 结论与建议

1）本文实验条件下分解时间随降压幅度的增大而线性减小，高饱和度体系具有较长的分解时间。较高降压幅度下，降压分解后期驱动力不足对整体产气过程影响较小。随饱和度增大，分解前期产气量占产气总量比例升高。

2）瞬时产气速率峰值随降压幅度的下降呈增大趋势。高饱和度下，瞬时产气速率波动更为剧烈。降压幅度12 MPa下阶段产气速率随时间衰减较快，而降压幅度3 MPa阶段产气速率衰减较慢。水合物量的增大对各阶段产气速率均有提升的作用，高饱和度体系各阶段的产气速率均较高。模拟实验和南海现场降压开采结果均显示，产气速率峰值紧随降压开采开始而出现，导致井筒和储层失稳风险的提高。

3）本模拟实验与南海现场降压开采具有相似的产气规律，可为南海水合物试采工作提供一定的理论参考。但由于研究尺度与南海现场降压开采差别较大，导致本实验的产气速率、产气时间等与南海现场的产气速率、产气时间等参数具有较大的差异，进而影响了实验结果对南海水合物开采的理论参考价值。后续研究需借助较大尺度水合物降压开采模拟装置，明确尺寸效应对天然气水合降压开采产气规律影响，加强实验结果对南海现场水合物开采的理论参考。