天然气水合物微波辅助开采模拟研究

＊王佳琪 周昕霖 葛坤

（1.哈尔滨工程大学 黑龙江 150001 2.哈尔滨工程大学青岛创新发展基地 山东 266400）

引言

面对世界能源问题，我国作出碳达峰、碳中和的重大战略决策，也是我国未来能源发展的方向[1]。为了实现双碳目标，提高低碳能源在能源结构中的占比，新型清洁能源的开发利用迫在眉睫。在众多清洁能源中，天然气水合物不仅能量密度源高于传统煤炭和天然气，同时释放的硫化物、烟尘等比煤炭、石油小得多，因此天然气水合物作为替代能源而言具有广阔的开发前景，对于我国的可持续发展具有重大意义[2]。

天然气水合物工业化开采的主要技术之一是微波加热法[3]，在微波加热过程中热效应与非热效应共同作用下，水合物分解效率更高。和其他加热方式相比，微波加热具有选择性吸收、加热速度快、能量利用率高、清洁无污染等优点[4]。虽然微波加热具有显著优势，但由于微波发生设备价格等原因，微波加热开采的经济性较低[5]。因此为提高微波加热开采天然气水合物的经济性，提升微波加热的能量利用率，开展微波加热方向的研究是至关重要的。

Zhao等[6]建立了微波加热水合物分解模型，对微波加热过程中水合物分解特性进行了研究，模拟结果表明在微波加热过程中微波渗透深度下降，导致储层出现温度梯度，储层上部水合物分解较快。Davletshina等[7]研究了天然气水合物分解过程中介质和微波参数对分解过程的影响，得到了不同参数下水合物分解前沿坐标随时间的变化关系，并研究了微波加热过程中甲烷水合物的分解特征，模拟结果表明，储层内的温度和压力随着微波源距离的增大而逐渐减小[8]。

在本研究中，基于研究南海神狐海域水合物沉积物物性特征，建立了微波加热分解天然气水合物数值模型，模拟分析不同加热方式下天然气水合物在微波场中的分解规律，并对比分析了不同开采方式下的产气特性和能量利用率，为提高微波加热天然气水合物开采的经济性提供理论依据。

1.模拟方法

(1)水合物分解模型建立

①质量守恒方程

气、水和水合物三组分的质量守恒方程为[6]：

式中，r为模型径向坐标长度，m；y为轴向坐标长度，m；ρi分别是气体、水及水合物的密度，kg/m3；viy是渗流速度，m/s；是边界水和气体变化量，kg/m3；分别是产水率、分解产气率以及水合物分解消耗率，kg/（s·m3）。

三相饱和度关系：

气相和液相符合达西定律：

式中， Si为各项饱和度； k0为不含水合物多孔介质绝对渗透率，mD；N为渗透衰减指数； kri为相对渗透率，相对渗透由经验常数控制；K是储层渗透率mD。

②能量守恒方程

水合物分解热：

各相的焓与多孔介质的焓为：

③反应动力学方程

水合物分解基于Kim-Bishnoi动力学模型：

式中，Mg是气体摩尔质量，kg/mol； kd是反应常数；为水合物分解时单位体积产气率；k0代表本征动力学常数，k0=3.6×104mol/(m2·Pa·s)，ΔEa/ R=9752.73K，A为气水与水合物接触面积，m2。

④微波吸收转化方程

储层吸收微波能量产生热量为：

式中，ε ′、 ε ′分别为相对介电常数和相对介电损耗因子；Ep为微波功率，W；Dp为微波渗透深度，m，表示微波能量密度由发射密度衰减到初始值的e-1的距离。

(2)模拟条件和岩心参数设置

本研究的模拟模型如图1所示。产气井位于轴线上。微波发射器安放在产气井中，微波沿垂直于轴的方向辐射到各向同性的储层。边界条件设为绝热无滑移。

图1 水合物储层示意图

初始条件和边界条件如下：

(3)模型验证

He等人[10]进行了2.45GHz微波加热下甲烷水合物在沉积物中分解实验，图2中实线为He等人的两组不同实验下累积产气量实验数据，点划线为本研究建立模型的模拟数据，从对比图中可以看出两项数据误差保持5%之内，从而证明了本文建立的模型具有较高准确性，可以进行下一步研究。

2.不同微波加热方式对水合物分解的影响研究

为提高微波加热开采水合物分解的能量利用率及产气速率，对不同微波加热方式进行对比分析，加热方式如表1所示。

表1 不同微波加热方式

(1)微波加热下天然气水合物分解特征

如图3所示为不同加热方式下天然气水合物的产气速率及产气总量变化曲线。持续加热及单循环加热工况下的产气速率在反应前期均保持上升状态，在上升至产气速率峰值后，逐渐下降，直至反应结束产气速率降为零；双循环加热工况下的产气速率达到两次产期峰值，微波加热时产气速率上升，微波加热结束后产气速率下降，二次微波加热结束后产气速率逐渐降为零。产气总量的变化则是在反应前期快速上升，在反应后期逐渐放缓，直至反应结束，在双循环加热情况下微波加热时产气总量曲线快速上升，微波加热停止时产气总量变化趋势变缓，直至反应结束。

图3 不同加热方式下产气速率及产气总量变化

在模拟1持续加热情况下，产气速率在前期快速上升，在1536s时达到峰值，之后缓慢下降至反应结束。在模拟2单循环加热情况下，产气速率在1500s达到峰值，随后缓慢下降。在模拟3双循环加热情况下，产气速率在前期快速上升，在930s时达到峰值1.914Scm3/s，随后在1386s降至峰谷，然后在1878s达第二峰值1.968Scm3/s，之后缓慢下降至反应结束。在模拟4情况下，产气速率在612s时到达产气峰值0.6484Scm3/s，在990s时降至峰谷，在1860s时达到第二峰值2.649Scm3/s，随后产气速率缓慢下降至结束。在模拟5情况下，产气速率在930s时到达产气峰值1.914Scm3/s，在2196s时降至峰谷，在1860s时达到第二峰值1.8Scm3/s，随后产气速率缓慢下降至结束。

(2)不同加热方式下天然气水合物平均产气速率及能量利用率对比

①持续加热与单循环加热对比

如图4所示为不同模拟情况下天然气水合物分解平均产气速率及能量利用率变化曲线，从图中可以看出，当加热条件由模拟1持续加热至水合物完全分解调整为模拟2单循环加热1500s，平均产气速率由1.993Scm3/s降低至1.8914Scm3/s，能量效率由3.1686提升至4.2459。模拟1、模拟2对比可以看出，将微波加热时间降为1500s，储层水合物分解的产气速率略微下降但能量利用率极大地提升，这是由于微波加热前期为水合物分解提供了足够的热量并且储层吸收了大量的微波能量提升储层显热，因此在水合物分解后期停止微波加热时，水合物可以吸收前期微波能量转化的储层显热作为分解热量，保证分解继续进行。

图4 水合物分解平均产气速率及能量利用率变化

如图5所示为模拟1和模拟2在水合物分解过程中的储层温度分布变化，对温度分布场分析可知，前25min储层温度变化一致，在25min后，模拟1的储层温度继续上升，模拟2的储层温度开始下降，原因是在25min后模拟2微波加热停止，模拟2的储层水合物分解依靠的是吸收自身的储层显热，因此储层温度降低，而模拟1的储层在微波加热下持续吸收微波能量分解水合物的同时提升储层显热，因此储层温度更高。这表明在水合物分解后期微波加热的能量更多的用于提升储层温度而不是作用于水合物分解，所以为提升开采的能量利用效率，应合理选用微波加热时间以更加充分地利用微波能量。

图5 持续加热和加热1500s情况下水合物分解过程中的储层温度分布

②单循环加热与双循环加热对比

如图4所示的模拟2单循环加热与模拟3双循环加热的平均产气速率及能量利用率对比可知，在采用相同加热时间情况下，单循环加热与双循环加热相比，单循环加热情况下的平均产气速率更高，水合物完全分解所需时间更短；由模拟2单循环加热1500s改为模拟3双循环加热，能量利用率不变，但平均产气速率由1.993Scm3/s降低至0.9059Scm3/s。产生这种情况的原因是在单循环加热情况下，水合物前期在微波加热作用下快速分解，产生大量的水，而水作为一种具有较大介电损耗的极性分子，可以促进储层对微波能量的吸收转化效率，将大量的微波能量转化为储层显热为后期水合物分解提供热量。而采用双循环加热情况下储层水合物在第一次微波加热结束后开始依靠自身储层显热分解水合物，但第一次加热时间较短，储层热量不足，导致分解速率下降，在第二次微波加热开始后水合物分解速率开始回升。因此在相同加热时间情况下，单循环加热的平均产气速率要高于双循环加热的平均产气速率。

③双循环加热对比

A.不同加热时间对比

模拟3、模拟4、模拟5所采用双循环加热方式，从图3可以看出，当微波加热停止时，水合物分解速率持续下降，当重新开始微波加热时，水合物分解速率回升，这说明微波加热对于水合物分解具有较大的促进作用。

从图4可以得到，模拟3、模拟4均采用双循环加热方式，前期加热时间由模拟3的900s降至模拟4的600s，平均产气速率由0.9059Scm3/s降低至0.8867Scm3/s。相同热量输入的情况下，在双循环加热时，降低前期微波加热时间会导致平均产气速率降低。这是由于微波加热时间越长，储层水合物分解的越充分，储层分解出的水越多，储层可以吸收微波能量转化为的储层显热更多，在停止加热时用以水合物分解的热量更多。因此降低前期微波加热时间，储层吸收的微波能量减少，间歇时可以为水合物分解提供的热量少，水合物前期分解速率低。而延长二次加热时间，储层吸收的微波能量增加，后期产气速率提高。

B.不同间歇时间对比

模拟3、模拟5对比看出，对于相同循环的加热方式，间隔时间越长，平均产气速率越低，间隔时间由300s增至600s，平均产气速率由0.9059Scm3/s降低至0.8604Scm3/s；原因是在间歇时间内水合物分解所需的能量由储层显热提供，间歇时间越长，消耗的储层显热越多，水合物分解速率下降的幅度越大。

通过对比不同微波加热方式可以看出，合理减少微波加热时间能够有效提升能量利用率，其中单循环加热的平均产气速率及能量利用率高于双循环加热，而采用双循环加热间歇时间越长，平均产气速率越低。

4.结论

持续加热可以保证水合物的高速分解，但是大量微波能量被储层吸收转化为储层显热提升储层温度，能量利用率较低。和双循环加热相比单循环加热对于微波能量转化效率更高，所以单循环加热作用下储层水合物分解的平均产气速率及能量利用率都要高于双循环作用下的储层水合物分解速率及能量利用率。