天然气水合物开采模拟实验技术综述

与石油天然气等常规能源相比,天然气水合物(NGH)开采技术的难度要大的多,其开采研究的主要方式有模拟实验研究、数值模拟研究和现场开采试验研究,目前以室内的物性测试和开采模拟实验研究为主。本文通过对国内外不同开采方法模拟实验技术进行分类和比较,综合评述了不同类型模拟实验装置和测试技术的特点、功能和研究现状。

1 引言

从现有技术水平看,天然气水合物开采已具备可行性,但仍需要对真正合理、经济、实用的开采方法进行充足的论证。水合物开采研究方式主要有实验室模拟研究、数值模拟研究和现场开采试验研究。
为了更经济更高效地进行天然气水合物开采研究,世界各国的科研工作者选择将重点放在实验室模拟和数值模拟研究上。
目前,实验室模拟研究主要集中在美国、日本、韩国、印度、德国和中国等,分别建立了模拟开采实验装置,并围绕天然气水合物的物性测试和开采模拟实验展开研究。
笔者根据收集掌握有关资料,对国内外水合物开采技术现状及发展现状进行如下论述。

2 天然气水合物开采模拟实验技术

2.1 实验装置分类

开发模拟实验装置按模型测量维数分类可分为三类:一维长管开采模拟实验系统,二维平板开采模拟实验系统,三维综合开发模拟实验系统。最初单一的开采方式一维实验模型较多,研究也相对成熟。随着维数的增加,一体化、综合化程度增强,可进行的实验内容也增多,装置技术要求也相对复杂。实验研究者可根据不同需求设计不同维数的实验装置。

2.2 实验装置结构

从国内外现有的实验装置来看,一般均由高压反应系统、实验材料供应系统、仪表仪器测量系统和数据采集系统等4部分模块组成,并根据不同的研究需要对各模块的结构和功能进行设计、加工和组合。其中,高压反应系统是核心部件,用来模拟试采所需的各种物质的成藏结构和真实地再现水合物开采过程,而仪表仪器测量系统用来实时测量、显示实验过程中的各类参数,如压力、温度、声学、光学、电学、化学、视频等信息,其测试技术的先进性决定了研究内容能够达到的深度和广度。

2.3 实验装置功能

天然气水合物开发物理模拟实验主要是通过模拟水合物成藏环境,测量不同参数条件下不同开采方法的相关数据,探究天然气水合物成藏机理和规律,验证各种开采方法的技术条件和可行性,实验装置的功能包括以下几点:

(1)天然气水合物的成藏环境模拟功能。

(2)流体输送功能。

(3)实验参数精确测量功能。

(4)自动监控实验过程与状态的功能。

(5)实验过程与状态图像记录功能。

(6)故障诊断与安全避险功能。

3 天然气水合物开采模拟实验研究

天然气水合物开采实验室模拟主要研究高压状态下天然气水合物多相复杂体系的传热传质过程及机理、天然气水合物非牛顿流体的多相流体动力学特性,以及压力和温度的变化对天然气水合物分解特性的影响等规律,获得天然气水合物的高效开采技术。

4 结语

目前世界面临能源危机的困境,而天然气水合物作为一种非常有潜力的未来替代能源进入世界科学家的视线,但是全球对于水合物开采技术的研究进展却比较缓慢,主要的开采技术研究仍然处于实验室模拟及现场试验开采阶段。
国内外都设计并建立自己的天然气水合物开采模拟装置,进行大量的开采模拟实验,对开采过程中的相关问题进行了研究,并且设计出了多种水合物开采方法。
从天然气水合物开发模拟实验装置的系统化分析可知,实验技术研究的创新在于实现实验目的实验模型设计和实验参数测量方法设计,天然气水合物开采模拟实验装置的系统结构与性能参数的设计应在满足实验需求的前提下,更多关注实验数据的准确性、实验设备的可靠性和实验操作的便利性。
数值模拟是对天然气水合物开采方案进行比选与评价的另一个重要手段,能够使多组分多相流的模拟技术得到广泛应用。

我国天然气水合物勘查及开采技术研究开展较晚,但是发展较迅速,目前已经发现了大量水合物储量,因此,相关的室内开采模拟试验研究也陆续展开,并积极准备在我国相关海域随时进行开采试验工作,预计在2017年实施开采。由于目前发现的海洋天然气水合物主要赋存于海底沉积层里,开采过程中防砂、除砂及沉积层塌陷等是目前开采试验遇到的主要技术难题,因此,室内模拟开采试验研究要针对现场实际开采试验遇到的技术难题进行有针对性的实验研究,为未来天然气水合物资源的商业化开发应用提供指导和技术支撑。

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