Abstract：Natural gas hydrate is mainly stored in the continental high latitude permafrost and seabed sediments, and its total resources are very large and widely distributed in the world. Gas hydrate with high reserves, high calorific value and no pollution is an important strategic resource in the future.Under the condition of depressurization,the cumulative gas volume increases with the decrease of bottom hole pressure.In 1200 days production period,the influence of bottom hole pressure is small due to constant temperature constant pressure at overburden and underburden. The area of gas hydrate decomposition is spherical and the radius is only about 3.5m.Under the condition of depressurization and heat injection exploitation, the cumulative gas volume increases with the rise of heat injection temperature and heat injection rate,the cumulative gas volume of depressurization and heat injection exploitation is 20 times more than depressurization.The area of gas hydrate decomposition is irregular cylindrical and the radius is about 10m.
Key words:natural gas hydrate;depressurization;depressurization and heat injection exploitation ;numerical simulation .
0 引言
天然气水合物是水和天然气 (主要成份为甲烷)在低温高压条件下形成的一种非化学计量的笼形化合物,广泛地分布在永久冻土层和海底的沉积层中, 目前据估计其储量是地球上常规碳能源(煤、石油和天然气)的两倍[1]。近些年来，围绕能源的政治问题越发严重，OPEC与俄罗斯及美国三大原油巨头，因为石油能源问题不断发生摩擦，从伊拉克战争、海湾战争等背后的都是为了争夺全球石油市场，2020年3月因为OPEC和俄罗斯的减产协议谈判破裂，使得沙特迅速下调其官方原油售价，并计划增产，导致全球股市动荡，石油行业受到巨大冲击。因此尽早寻找新兴能源并实现商业化开采，成为了各国不可忽视的任务之一，而目前最具有实现以上目标的能源就是天然气水合物———可燃冰。
1 国内外天然气水合物的开采的研究历史
1.1 国外近些年对降压-注热法研究情况
在2009年，Strumendo[2]等建立一维径向数值模型，模拟降压和注热法开采甲烷水合物。该模型通过坐标变换解决了移动分解前缘的问题，显示出移动前缘位置和气体流速是压力和储层温度的重要参数。与静止水相模型相比，该模型显示，假定的水相静止，可预测移动前缘的位置、移动前缘的温度及气体流速。对单井模拟发现，注热法相对于降压法对产气有限制作用。在2009年，Yasuhide Sakamoto[3]等通过降压法室内实验和数值研究，对甲烷水合物藏进行了渗透率评价。实验采用圆片形甲烷水合物样品进行水合物降压分解产气研究。研究发现，甲烷水合物分解由两部分组成，沉积内潜在热量及热导相关性分解。基于实验结果，对室内降压实验进行模拟，发现热导率主导水合物分解现象。在2010年，K.Sasaki[4]等模拟研究了海底具有下伏水层的水合物藏在水平井条件下的注热开采规律。研究的理论模型表明单井注热与多井注热的产气特征一致。而实验研究结果则表明水合物注热产气主要可分为 3 个阶段：注入热水驱替自由气阶段，水合物藏温度升高产气上升阶段，降压产气阶段。在2014年，Hiroyuki Oyama[5]等运用降压结合井筒加热法进行实验研究，评价分解特征。为阐明分解特征，我们观测了压力、温度、气体和水的生产变化，评价了甲烷水合物的分解速率常数和热效率。结果显示，该方法的分解驱动力和单独降压法相同，在低压条件下，利用井筒加热方法的水合物分解得到加强，且井筒加热法不仅提高产量，还能保证气体流动通道。在2016年，Vyacheslav G.Smirnov[6]等研究了甲烷水合物在煤层中的合成与分解规律。该研究指出在缺少自由水的条件下，煤层中吸附水可在合适的稳压条件下与甲烷气体合成水合物，暗示了亲水性煤层表面可作为水合物结晶的有利区域。
1.2 国内近些年对降压-注热法研究情况
在2010年，李淑霞[7-8]等通过自行设计的天然气水合物模拟开采系统，模拟了水合物注热、降压开采实验，对其分解相关敏感性参数进行了分析。注热实验结果表明，分解前缘移动速度和累积产气量主要受孔隙度、注热温度、初始水合物饱和度、水合物藏初始温度、分解区导热系数和热扩散系数的影响。降压试验结果表明，水合物分解具有阶段性，当压力降至水合物稳定存在的相平衡压力后，水合物完全分解；之后继续降压，产出气体均来自自由气的膨胀。在2011年，白玉湖[9]等提出了注温水降压法联合开采天然气水合物藏的方法并建立相关模型，考虑了气-水-水合物-冰多相渗流过程、水合物分解动力学过程、水合物及冰-水相变过程、热传导、对流等对水合物分解的影响。结果分析表明，对应参数条件下，注温水-降压法开采天然气水合物藏具有稳产时间较长，稳产气速度高的特点。在2014年，李淑霞[10-11]等通过自行设计的二维天然气水合物开采系统，对降压和注热分解水合物驱动力进行了研究，并对两种注热模式（连续注热与间断注热）做了实验比较。实验结果显示，注入热盐水速度越快、温度越高，温差驱动力越大、产气速率越高，同样地，降压范围越大、降压速度越快，压差驱动力越高、产气速率越高。同时，在相同实验条件下，连续注热的结果优于间断注热。在2015年，李小森[12]等利用自行设计的三维立体水合物模拟装置实验研究了水合物饱和度对降压分解水合物的影响。研究结果显示，平均产气速度首先随饱和度增加而增加，至饱和度为43.2%时降低，且产水仅在稳压阶段出现，同时，实验中降压阶段，反应器中各点温度具有相同的降压幅度，并在不同实验中具有相同的最低温度，对实验中能量平衡计算可知，储层显热和水合物分解潜热的比值随水合物饱和度及分解压力的增加而降低。
2 降压-注热法的可行性分析
降压－注热法被认为是当下最有有前景的，通过注热解决了降压法开采中热量供应不足这一核心问题。在地层中，应力的传递要比热传导快得多，在特征时间上量级相差巨大，缓慢的热传递就必然成为制约水合物开采的瓶颈，只有热量供给充足，才能最大限度发挥降压的效果，提水合物分解相变阵面的传播速度和传播距离，最终提高天然气产量。
3 可燃冰开采的未来展望
根据中国地质调查局自然资源部的地调要闻，在中国2019年2019年度地质调查十大进展和地质科技十大进展的成果展示中，天然气水合物的勘察与试采工作取得的重大进展位居首位。其在第一轮试采理论创新的基础上，不断的深化研究，完善了“系统成藏”和“三相控制”理论，为第二轮试采井位的确定、工程实施、环境保护等提供了全方位的理论支撑。攻克形成水平井试采技术装备体系自主研发相关技术装备达到国际领先水平，部分技术装备打破国外垄断，自主开发了天然气水合物产能模拟与调控系统及流动保障软件，为试采提供了重要技术保障。实现天然气水合物产业化，大致可分为理论研究与模拟实验、探索性试采、试验性试采、生产性试采、商业开采5个阶段。中国第二轮试采成功实现从“探索性试采”向“试验性试采”的阶段性跨越，迈出天然气水合物产业化进程中极其关键的一步。目前第二轮试采仍在进行中，科技人员将围绕加快推进天然气水合物勘查开采产业化和实施生产性试采进行必要的试验工作。
参考文献
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[2]Yong Liu，Matteo Strumendo，Hamid Arastoopour. Simulation of Methane Production from Hydrates by Depressurization and Thermal Stimulation[J].Chemical Society，2009，48（5）：2451-2464.
[3]Yasuhide Sakamoto，Masayo Kakumoto. Numerical Study on Dissociation of Methane Hydrate and Gas Production Behavior in Laboratory-Scale Experiments for Depressurization:Part 3—Numerical Study on Estimation of Permeability in Methane Hydrate Reservoir[J]. International Journal of Offshore and Polar Engineering，2009，19（2）：124-134.
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[7]李淑霞，姜兴兴，姜汉桥等. 天然气水合物藏注热开采敏感参数分析[J]. 石油钻采工艺，2010，32（2）：54-57.
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