天然气水合物注热开采热前缘传热方式探讨
郝永卯, 黎晓舟, 陶帅, 韦馨林, 刘昀晔
中国石油大学(华东)石油工程学院
通讯作者:黎晓舟,1993年生,硕士;主要从事油气田开发、天然气水合物开采技术方面的研究工作。地址:(266580)山东省青岛市黄岛区长江西路66号。ORCID: 0000-0003-3977-9472。E-mail: upc_lixiaozhou@163.com

作者简介:郝永卯,1976年生,副教授;主要从事油气田开发、天然气水合物开采技术方面的研究工作。地址:(266580)山东省青岛市黄岛区长江西路66号。ORCID: 0000-0001-7607-0548。E-mail: haoyongmao@163.com

摘要

为了探讨注热开采天然气水合物(以下简称水合物)过程中控制热前缘移动的主要传热方式、判别目前大多数解析模型只考虑热传导而忽略热对流影响的处理方式是否合理,在室内进行了注热开采水合物实验,并将所得结果与Selim解析模型的计算结果进行了对比分析。结果表明:①热前缘推进速度随注热水速度的增大而增大,而随注热水温度的升高则变化不大,说明热对流是促进热前缘移动和水合物分解的关键因素;②在同等条件下,实验测定的热前缘移动速率是上述模型计算结果的10倍左右,结果差异如此之大主要是因为后者仅考虑了热传导传热方式;③计算得到注热开采水合物过程由热传导传递的热流量仅占总热流量的6.04%,而通过热对流传递的热流量则占总热流量的93.96%,通过热对流传递的热流量是通过热传导传递的热流量的15.56倍。结论认为,热对流是控制注热开采水合物热前缘移动的主要传热方式,目前大多数解析模型只考虑热传导这一种传热方式而忽略热对流影响的处理方式是不合理的,应同时考虑热对流、热传导两种传热方式才符合实际情况。

关键词: 天然气水合物; 注热开采; 解析模型; 传热方式热前缘; 热传导; 热对流; 理论计算
Heat conduction and convection of thermal front movement during natural gas hydrate heat injection exploitation
Hao Yongmao, Li Xiaozhou, Tao Shuai, Wei Xinlin, Liu Yunye
College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum - East China, Qingdao, Shandong 266580, China
Abstract

The main heat transfer mode that controls the thermal front movement in the process of natural gas hydrate (NGH) exploitation by heat injection was discussed and whether it is reliable that most analytical models only consider the heat conduction but neglect the effect of heat convection was determined through NGH thermal stimulation experiments and the experimental results were compared with the calculation results of the Selim's thermal mathematical model. And the following findings were obtained. First, the movement rate of thermal front increases with the rise of hot water injection rate, but changes little with the rise of the temperature of the injected hot water. It is indicated that heat convection is the key factor promoting the thermal front movement and NGH dissociation. Second, the thermal front movement rate measured in the experiments is about 10 times that by the Selim's thermal mathematical model, the reason for which is that the Selim's thermal mathematical model only takes the heat conduction into account. And third, based on the calculation, the heat transfer by conduction only accounts for 6.04% of the total heat transfer in the process of NGH thermal stimulation and that by convection accounts for 93.96%, which shows that heat transfer by convection is 15.56 times that by conduction. It is concluded that heat convection is the main heat transfer mode that controls the thermal front movement in the process of NGH thermal stimulation, and its influence should never be neglected in those analytical models.

Keyword: Natural gas hydrate; Exploitation by heat injection; Analytical model; Thermal front of heat transfer mode; Heat conduction; Heat convection; Theoretical calculation

注热法被认为是开采天然气水合物(Natural Gas Hydrates, NGH)行之有效的方法, 掌握热前缘的移动规律是控制NGH注热开采动态和改善开采效果的关键[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]。1982年Mcguire[8]提出了前缘驱替热力解析模型, 研究了孔隙度、渗透率、注入温度对生产动态的影响; 1990年Selim和Sloan[9]建立的多孔介质热力模型考虑了NGH分解后气体的流动, 分析了热前缘的移动规律, 研究结果表明NGH热前缘的移动速度与时间t-1/2成正比; 2006年唐良广等[10]建立了NGH地层温度场一维分布数学模型, 分析了NGH注热开采过程中热效率和能量效率的影响因素; 2010年李淑霞等[11]在Selim热力模型的基础上建立了NGH藏注热开采数学模型, 分析了孔隙度、NGH饱和度、热扩散系数等参数对NGH分解前缘移动速度的影响; 2015年李明川等[12]建立了Stefan移动边界径向拟稳定传热数学模型, 求解了NGH分解过程中热前缘移动的表达式。以上解析模型针对NGH注热开采过程都只考虑了热传导一种传热方式, 而忽略了热对流对热前缘移动的影响。传统油藏热力采油的研究结果表明热传导、热对流均是多孔介质渗流中重要的传热方式[13, 14, 15]。因此NGH注热开采忽略热对流影响的处理方式, 其可靠性有待研究。笔者通过实验测定出NGH注热开采温度场分布和热前缘推进速度, 在此基础上将实验结果与Selim解析模型的计算结果进行对比, 探讨控制NGH热前缘移动的主要传热方式。

1 NGH注热开采实验
1.1 实验设备及方法

为实现NGH的合成与开采, 实验系统由供液、供气、生成与开采、环境模拟、回压控制、计量、数据采集处理等7个功能模块组成[16, 17, 18]。实验模型为一维填砂管, 长50 cm, 内径25 mm。填砂管模型入口和出口处分别设置一个温度传感器, 其余两个温度传感器沿填砂管长度方向均匀分布。填砂管模型渗透率为1.11 μ m2, 孔隙度为32.8%。实验用水采用浓度为2.0%的盐水, 实验用气采用纯度为99.9%的甲烷气体。使用专门保温的海绵管, 将注热管路和填砂管包裹严密以减少热量损失。实验时先进行NGH等容合成, 然后按设定的注热水参数进行注热开采实验, 通过温度传感器测定并记录实验管中温度场的变化, 共进行恒速注热水和恒温注热水2类实验。

1.2 实验结果分析

1.2.1 恒速注热水实验

在注热开采时, NGH的分解是一个热前缘不断推进的过程, 整个NGH藏被热前缘分为已分解区和未分解区2个部分。实验中, 将温度达到NGH分解温度的位置定义为热前缘, 根据本实验前期研究的结果, 合成的NGH藏初始温度为1 ℃, 平衡压力条件下, 设定NGH分解温度为3 ℃[19]。在恒速注热水实验中, 设定注热水速度保持在0.97 cm/min恒定不变, 注热水温度分别设定为42 ℃、62 ℃、78 ℃、84 ℃, 共进行4个温度等级的注热开采实验。

以注热水温度设定为78 ℃为例, 图1为恒速注热水过程中4个测点温度随时间的变化曲线。可以看出, 每个测点的温度变化都表现出初期上升较快, 然后逐渐平缓, 后期稳定在一定水平上的趋势。各个测定温度随着时间依次升高, 可以明显看到热前缘随时间逐渐向前推进的过程。根据NGH分解温度曲线与各测点温度随时间变化曲线的交点可以看出, 热前缘分别在18 min、40 min、60 min时到达测点2、测点3、测点4, 进而可以计算出热前缘推进速度。图2为不同注水温度下热前缘推进速度曲线, 可以看出随着注水温度的升高, 单位时间内进入NGH藏的热量增大, 热前缘推进速度有所升高。由图3可知, 平均热前缘推进速度分布在0.78~0.98 cm/min范围内, 与注热水速度0.97 cm/min较为接近。可以看出, 注热温度对热前缘的推进速度影响不大。

图1 恒速注热水实验各测点温度场分布图
(注热水温度78 ℃)

图2 不同注热水温度下热前缘推进速度曲线图
(注热水速度0.97 cm/min)

图3 不同注热水温度下热前缘推进平均速度曲线图
(注热水速度0.97 cm/min)

热传导是指热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分, 或者从温度较高的物体传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程[20]。单位时间内热传导传递的热流量的计算表达式为:

式中Q1表示单位时间内热传导传递的热流量, W; λ 表示导热系数, W/(m· K), 导热系数是物质的热物理性质之一, 它反映了物体导热能力的大小; δ 表示厚度, m; A表示接触的表面积, m2; Δ T表示接触物体之间的温度差, 在NGH注热开采实验中指的是注热水温度与NGH藏初始温度之间的温度差, ℃。

由式(1)可以看出, 单位时间内热传导传递的热流量与导热系数、接触的表面积以及温度差成正比, 与厚度成反比。在恒速注热水实验中, 导热系数、厚度、接触的表面积均可视为不变因素, 因此温度差是影响热传导传递的热流量的决定性因素。随着注热水温度的增加, 温度差增大, 通过热传导传递的热流量增大, 从而导致热前缘的推进速度变大。由图3可以看出, 当注热水温度从42 ℃升高到84 ℃, 温度差增加了1倍, 热前缘推进平均速度从0.78 cm/min升高到0.98 cm/min, 仅增加了25.6%, 说明热传导不是促进热前缘移动的主要传热方式。

1.2.2 恒温注热水实验

为进一步明确热前缘移动的主要控制因素, 设定注热水温度保持在78 ℃恒定不变, 注热水速度分别设定为0.44 cm/min、0.70 cm/min、0.97 cm/min, 共3种注热水速度进行NGH恒温注热开采实验, 测得相应的热前缘推进速度如图4所示。可以看出, 热前缘推进速度随注热水速度的增加而增大; 在注热水速度一定时, 热前缘推进速度随时间的增加略有下降, 说明在注热水速度、温度一定的条件下, 热损失随时间的推移不断加大, 热前缘推进速度也受到了一定影响。

图4 不同注热水速度下热前缘推进速度曲线图
(注热水温度78 ℃)

热对流是指热量通过流动介质传递的过程, 其主要影响因素是热对流速度、温差、对流传热系数、物体的厚度和接触面积等[20]。对流传热系数、热对流速度、温度差、接触面积越大, 厚度越小通过热对流传递的热量越多。在NGH恒温注热开采实验中, 导热系数、温差、厚度、接触面积均可视为不变参数, 因此通过热传导传递的热量不变, 随着注热水速度的增大, 热对流速度增大, 对流传热系数也增大, 通过热对流传递的热量增加。热对流传递的热量主要用于加热NGH并促使其分解, 表现为热前缘推进速度的增加。图5为不同注热水速度下热前缘推进平均速度曲线图。可以看出, 在注热水温度一定的条件下, 热前缘推进平均速度随注热水速度的增加而呈近线性增加。当注热水速度从0.44 cm/min升高到0.97 cm/min, 注热水速度增加了1.2倍, 热前缘推进平均速度从0.53 cm/min增加到0.98 cm/min, 增加了85%, 说明热对流对热前缘推进的影响较大, 是热前缘推进的主要传热方式。

图5 不同注热水速度下热前缘推进平均速度曲线图
(注热水温度78 ℃)

2 Selim解析模型与实验对比

由上述NGH注热开采实验结果可知, 热对流是影响热前缘推进的关键因素, 而热传导的影响很小。目前, 国内外学者建立的NGH注热开采解析模型在能量守恒方程中都只考虑热传导一种传热方式而忽略了热对流的影响。在这些解析模型中以Selim解析模型最为典型, 被应用地最多, 影响最大。为了验证目前解析模型忽略热对流影响的处理方式是否可靠, 本文将实验结果与Selim解析模型计算的结果进行了对比分析。

Selim解析模型由分解相和未分解相的连续性方程, 达西方程及能量守恒方程组成, 并做了以下假设[16]

1)NGH藏中NGH均匀分布, 初始温度Ti, 分布于半无限区域0< x< , 初始时刻NGH藏内的孔隙全部充填NGH。

2)初始时刻, 边界x=0处温度升高到T0, 并保持稳定。热前缘将NGH藏分为已分解区和未分解区。因此在任意时刻t> 0, 已分解区为0< x< x(t), 未分解区为x(t) < x< , 能量传递方式只考虑热传导不考虑热对流。

3)当储层温度达到NGH分解的温度时, 热前缘也随之发生移动。由于隔绝效应和能量损失的影响, 热前缘推进速度越来越慢, 损失的热量主要用于加热已分解区、NGH分解产生的水和气, 加热未分解区的岩石, 促使前缘NGH的分解。

Selim等已对Selim解析模型的建立及求解过程做了详细的介绍[19], 本实验设定的参数与模型参数一致, Selim解析模型NGH藏基本参数如表1所示[21]

表1 Selim解析模型NGH藏基本参数

入口温度T0分别取42 ℃、62 ℃、78 ℃, 60 min时Selim解析模型的计算结果和实验测得的各测点温度, 如图6所示:

图6 Selim解析模型及实验温度分布对比图

1)根据热前缘分解温度曲线与各测点温度曲线的交点可以看出, 入口温度分别为42 ℃、62 ℃、78 ℃时, Selim解析模型计算的热前缘位置分别到达3 cm、5 cm、7 cm处, 相应得出热前缘推进速度分别为0.050 cm/min、0.083 cm/min、0.117 cm/min, 随着入口温度的升高热前缘推进速度增大, 且入口温度从42 ℃升高到78 ℃, 温差提高了0.88倍, 热前缘推进速度提升了1.3倍, 说明Selim模型中热传导是控制热前缘推进速度的主要因素。

2)实验测得的结果与Selim解析模型的计算结果对比可以看出, 同等条件下实验测得的热前缘推进速度要比Selim解析模型计算的结果快得多, 注热水温度为42 ℃、62 ℃、78 ℃时, 实验测出的热前缘位置分别到达42.5 cm、48 cm、50 cm, 热前缘推进速度分别为0.710 cm/min、0.800 cm/min、0.833 cm/min, 分别是Selim解析模型所计算的热前缘推进速度的14.2倍、9.6倍、7.1倍。Selim解析模型计算的结果与实验结果差异大, 主要是因为Selim解析模型只考虑了热传导而忽略了热对流。由此可见, Selim解析模型忽略热对流的处理方式是不合理的。

NGH注热开采过程是热传导和热对流两种传热方式共同作用的对流换热的过程。将实验结果与Selim解析模型计算的结果对比, 可以得出热对流是影响NGH注热开采热前缘推进的主导传热方式。为了进一步验证此结论的可靠性, 本文从理论上计算了NGH注热开采过程中由热传导、热对流分别传递的热流量。

由式(1)可以求出通过热传导传递的热流量, 根据牛顿冷却公式(式2)可以确定热传导和热对流两种传热方式联合作用下总的对流换热热流量[22, 23], 由式(3)即求得热对流传递的热流量。

式中Q为总的对流换热热流量, W; Q2为热对流传递的热流量, W; h为表面传热系数, W/(m2· K); tftw分别为流体和固体的温度, ℃; 式(1)中 Δ T=tftw

取热水温度tf为42 ℃, 根据经验公式, 表面传热系数取值为43.3 W/(m2· K)[20, 24], NGH的导热系数为2.615 W/(m· K), tw取NGH藏初始温度1 ℃, 代入式(1)、式(2)、式(3), 得到单位面积、单位厚度, 两种传热方式联合作用下的总热流量为1775.3 W, 其中通过热传导、热对流传递的热流量分别为107.2 W、1 668.1 W。可以看出, 通过热传导传递的热流量仅占总热流量的6.04%; 热对流传递的热流量占总热流量的93.96%; 热对流传递的热流量是热传导传递的热流量的15.56倍。

3 结论

1)NGH注热开采实验结果表明, 热前缘推进速度随注热水速度的增大而呈近线性增大, 随注热水温度的升高变化幅度不大, 说明热对流是促进热前缘移动、NGH分解的关键因素。

2)同等条件下, NGH注热开采实验测定的热前缘推进速度是Selim解析模型计算结果的10倍左右, 结果差异大, 主要是因为Selim解析模型只考虑了热传导一种传热方式。

3)理论计算表明:NGH注热开采过程中通过热传导传递的热流量仅占总热流量的6.04%, 而通过热对流传递的热流量占总热流量的93.96%, 通过热对流传递的热流量是通过热传导传递的热流量的15.56倍, 热对流是影响NGH注热开采热前缘推进的主导传热方式。

4)NGH注热开采解析模型只考虑热传导一种传热方式而忽略热对流的影响, 此处理方式是不合理的, 应同时考虑热对流、热传导两种传热方式才能更好地与实际结合, 为NGH注热开采提供可靠的理论依据。

The authors have declared that no competing interests exist.

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