埃尔伯特砂岩样品中甲烷水合物降压分解过程的实验观测和数值模拟Word文档下载推荐.docx
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提供了关于岩性、孔隙水化学、天然气水合物岩心组成的详细描述；
取得了水合物样品，可以进行与天然气水合物相关的分析与试验。
这些数据，连同对操作条件的预测，为我们比较预测和实际情况提供了一个机会，促使我们完善预测工具，也提供了在该地区开采天然气的数值模拟的输入信息。
在上述过程中，我们进行了埃尔伯特山井的保真水合物样品的控制分离实验，实验使用减压法分离水合物，并且使用TOUGH+HYDRATE技术模拟了实验过程[Moridis等人,2008]。
TOUGH+HYDRATE数据可以评估水合物的相关问题，比如，甲烷因环境改变发生的变化，水合物中天然气的生成过程等。
建立可靠的模拟系统需要收集现场数据、实验室数据和预测模拟软件与分析解决方案的比较。
在本文中，我们描述了从埃尔伯特山井的岩心中采出甲烷水合物的过程，监测了我们控制下的降压开采试验中温度和压力的变化，并利用X射线断层扫描技术监测了水合物各部分的具体行为。
我们利用TOUGH+HYDRATE技术模拟生产试验，并比较了实验结果和仿真结果。
2实验方法
2.1样品描述
这两个区域的岩心样品（深度从663.89到664.14米和深度从2178.12到2178.92英尺的两块HYPV4样品）是2007年2月从埃尔伯特山地层测试井取样过程中采集的。
Kneafsey等人的著作（2009年）描述了岩心的钻探和收集过程。
简单来说，取心就是采用一种冷却的油基泥浆来促进保存样品，却没有使用压力取心技术。
实验中研究的样本是采出的岩心样本之一，把它们切割成10英寸长，刮干净后用铝箔包裹起来，并放置在压力容器（Parr仪器，莫林，以色列）。
该容器能将99.99%的纯甲烷气体加压至5.52MPa（800psi），并将温度维持在-40—4℃间。
从井场起航前，需要对压力容器进行检查，检测发现容器压力有所降低（因为压力井中的岩心一直处于水合物稳定带，所以容器内温度的降低、容器密封件或阀门处微量气体的泄漏或水合物的形成都可能造成容器内压力降低），故将容器内压力增加至6.20MPa（900psi），然后船运到阿拉斯加的港口。
二月下旬运输过程中温度的变化范围是40—10℃，抵达港口后，将加压的岩心样品存放在温度保持在-7℃的冷藏容器里。
在再次船运前，再次检测到压力容器的压力低于初始压力。
对压力容器进行迅速减压（约1分钟），样品发生分离，然后标记收集的气体，置于布袋中，最后将其浸在液氮中（整个过程用时3—6分钟）。
2.2实验描述
进行降压分解实验，需要将岩心加工成合适的圆柱形，并将其插入两个出口端之间的弹性套筒中，弹性套筒则必须插入一个有X射线的透明容器。
为了使岩心的扰动最小以及水合物的分解率最低，实验中严格控制容器的温度和压力。
岩心保存在一个干燥的船型的真空瓶内，然后将真空瓶放到沸点下（-196℃）的液氮（LN）里。
在这个温度下，水合物可在大气压力下稳定存在。
为与定制套筒尺寸匹配，岩心样品需经过不停地打磨加工。
将样品从液氮中取出，迅速进行加工（例如简单地磨条边或钻个孔）和并在下一步加工前放回液氮中冷却。
加工时，样本放置于一个绝缘体内而非钢制容器里，这样可以抑制样品变暖。
当加工完成后并且样本已冷却到-196℃时，将样本插入定制的丁腈橡胶套筒中。
丁腈橡胶套筒安装了一个贯穿中心的带有热电偶延伸端的聚氯乙烯端口。
聚氯乙烯端口的另一端迅速插入并悬挂在压力容器上，当压力容器装满冷却至-30℃的水和丙二醇混合物时可将组件密封好。
马上施加设定的压力并且控制孔隙压力。
容器压力的温度通过控制铝制容器周围聚氯乙烯套管内冷却用的丙二醇水溶液的流动来调节的。
该系统简图如图1所示，图2显示了样本的三截面的在结构的末段，显示了聚氯乙烯端口的结构和热电偶的位置。
随着岩心从-196℃开始升温，围压增加，直至超过样品的孔隙压力。
该样本温度慢慢升至实验温度，实验系统在约570psig和4.27℃时达到平衡。
当温度仍低于0℃时，采用改良的西门子系列层析X射线断层扫描仪对样品系统进行扫描。
电脑断层扫描结果显示，跨越两个地层的样本具有不同的孔隙度（图3所示）。
随后的从不同端侧二次取样的分析显示，不同侧面的晶粒不同（与井下样品分析结果相同），但其矿物成分是类似的（表1）。
该图片中，亮色代表高密度，暗色代表低密度。
两区域清晰可辨。
图1顶部X射线图像的实验装置,底部安装示意图
图2A加工聚氯乙烯末段的流体分布
B热电偶在中心的典型剖面
C流体热电偶预定位置变化的剖面图
图3通过X射线计算机断层截面的冰冻核心
表1岩心不同区域的性质
区域A（图1，3的左边区域）
区域B（图1，3的右边区域）
平均空隙度
（X断层扫描结果）
0.337
0.353
水合物饱和度近似值
（接收结果）
0.23
0.42
样本的入口和出口连接到含有甲烷的高压注射泵（TeledyneIsco,Lincoln，NE）。
为评估样品的有效渗透率，在进行降压试验前先试图用气体流过样品。
正常情况下，没有气体流过样品，因此，有效渗透率很低。
重新加压至570psi后，岩心就被密封起来。
控制阀间的电线、岩心两侧的泵和高压注射泵的压力均保持在445psi，阀2将泵2从系统中隔离出来。
降压实验中，阀1和阀3呈开启状态。
2.3数值模型和模拟方法
2.3.1数值仿真代码
本文中我们使用TOUGH+HYDRATE的串行和并行版本模拟软件（Moridis，Zhang等人，2008）进行数值研究。
此模型（下文简称T+H）可以模拟复杂地质环境里孔隙和裂缝中甲烷+水系统的所有已知过程中压力和温度的变化，包括流体和热量的移动、储层流体的热物理性质的变化、热力学变化和相行为和甲烷水合物形成或分解的非等温化学反应等。
甲烷水合物形成或分解的非等温化学反应也可以用平衡方程式或动力模型描述（Kim等人，1998；
ClarkeandBishnoi,2001；
Kowalsky和Moridis，2007）。
T+H是一个复杂是的模拟软件，它的程序能计算四种组分（即水、甲烷、甲烷水合物和盐或醇等水溶性抑制剂）的热量，这些组分分布在四种可能的相：
气相，水相，冰相和水合物相。
该程序可以描述甲烷+水系统的所有的15种可能的热力学状态（相结合）和三种水合物分解主要方法的任何组合，三种水合物分解方法为减压、热刺激和注抑制剂。
2.3.2几何与离散系统
该系统的调查研究是上文的实验岩心系统。
该系统及其各个组成部分（水合物程序、丁腈橡胶套、聚氯乙烯底帽、边界换热流体和铝容器）的尺寸实验系统与实验系统的尺寸是相同的。
请注意，仿真区域取自整个系统的一部分，它在沿岩心长度方向的两块聚氯乙烯底板的外边缘之间，也在铝容器的外直径内。
这有限的区域足够准确表示系统的行为，因为封闭液的聚氯乙烯底帽的温度（a）作为输入值（来自直接测量值），铝容器周围的反应釜的温度（b）浴缸也是已知的（也是直接测量值）。
因此，以这两个温度为边界值可以防止分离过程中由一个不准确的热平衡造成的计算错误。
为获得最高的精度，模拟生产时采用了精细的栅格。
因为分离过程中水的释放不能忽略重力的影响，所以用笛卡尔的三维直角坐标网格来描述模拟域。
幸运的是，只需模拟该区域的一半，因为垂直平面（z轴）是对称的。
岩心和岩心长度方向聚氯乙烯底帽的x方向上7.97in（202.5mm）分为83段，其中81段每段长×
=2.5mm，最外边两段（代表密封流体边界的可变温度）每段长×
=1mm。
目标区域横断面为z轴，将z方向的3.5in（88.9mm）分为52格，其中：
•对应的流体边界的最外格长z=1mm；
•紧挨着的两格（对应铝容器外直径的外层），z=1.18mm；
•金属容器厚度的剩余部分分成4格/层，z=1mm；
•包括水合物岩心的容器内部，从z=1.5到z=0（总共38.1mm），为成z=2.1mm的一段和z=2mm的18段；
•圆柱形样品的下半部分（即从z=0到z=-1.5”）的分段与上半部分是镜面对称的。
Y轴的分段与z轴正（或负）方向的分段情况相同，因为笛卡尔坐标系描述的是圆柱体型的样品。
（a）一个程序用来隔离系统圆柱外边界以外的所有栅格；
（b）一个程序用于修正不同相物质相交和子域的表面积，以校正热交换；
（c）一个程序用于修正网格的体积以准确反应岩心系统的体积。
因此，网格总数从83x52x26=112216（x,y,z方向）减少到88134，从而使分析水合物分解问题的系统方程式为264402个。
2.3.3系统性能、初始条件和边界条件
初始和边界条件（温度和压力）如上文所述，并在表2中列出。
其他属性内渗透率为10–12m2（1达西）是根据数据的历史拟合情况测定的。
这些数据则是在岩心产出地—埃尔伯特山进行的早期的降压分解可燃冰现场实验过程中测得的（Anderson等人,2008；
Moridis等人2010）。
岩心两个区域（图3）的初始孔隙度和水合物饱和度SH是通过电脑断层扫描分析获得的。
相对渗透率的关系和对应的参数是根据现场实验的历史拟合而得（Anderson等人.,2008），如表2所示。
毛细管压力的关系和参数由样品深处（但类似）C部分的多孔材料的粒度分析获得（White,2008），并且与地层的和k是一致的（表2）。
注意相同的相对渗透率、毛管压力和参数假定适用于岩心的两个区域的。
最后，各组分的热性能和子系统的划分（表2）取自各种不同的出版物。
表2埃尔伯特山可燃冰D部位的性质
变量名
数值
天然气组成
100%CH4
HBL媒介的压缩性
5×
10-9Pa-1
内渗透率kx=ky=kz
10–12m2（1D）
颗粒密度
2750kg/m3
干热导率（kΘRD）
0.5W/m/K
湿热导率（kΘRW）
3.1W/m/K
媒介比热
1000J/kg/K
铝6061-T6密度
2700kg/m3
铝6061-T6热导率
155W/m/K
铝6061-T6比热
橡胶密度
860kg/m3
橡胶热导率（kΘ）
0.3W/m/K
橡胶比热（CΘ）
2800J/kg/K
PVC密度
1220kg/m3
PVC热导率（kΘ）
0.15W/m/K
PVC比热（CΘ）
880J/kg/K
复合热导率模型（Moridis等人,2008）
kΘC=kΘRD
+（SA1/2+SH1/2）（kRW–kΘRD）+SIkΘI
毛细管压力模型（vanGenuchten,1980）
Pcap=-P0[（S*）-1/λ-1]λS*=
SirA
1
λ（White,2008）
0.77437
P0（White,2008）
5x103Pa
相对渗透率模型
krA=（SA*）nkrG=（SG*）m
SA*=（SA-SirA）/（1-SirA）
SG*=（SG-SirG）/（1-SirA）
EPMmodel
n；
m（Anderson等人,2008）
4.2；
2.5
SirG
0.02
0.20
3结果
3.1实验结果
降压试验的三个区域（其中两个区域在端口处岩心的中心，一个在密封流体内）的温度和岩心的压力如图4所示。
打开阀V1开始降压，岩心压力侧（参考侧–左侧）的压力迅速下降至分解压力（445psig）。
相反侧压力（右侧）从系统的初始压力开始增加，这是因为样品中分离出的气体充满了降压段管道，很快压力开始下降，直到离解压力。
这导致了最初岩心的高压力差（高达95psi），其中超过三分钟压力下降不到20psi，这是在连接到入口和出口的压差传感器（Rosemount,Chanhassen,MN）的允许变化范围内。
由于压降，岩心两端的温度迅速下降。
T1（左侧，图1中泵1那侧）立即下降，T2（右侧）滞后几分钟也开始下降。
温度下降是因为甲烷水合物分解是吸热反应，需要从系统吸收能量。
样品周围套筒外的密封流体的温度会下降，并且随样品温度的下降反应滞后时间也相应增加。
在容器较远处设置的监测发现冷水浴的温度没有改变，表明实验中控温管中流体的温度是相对稳定的。
大约5100s后T1上升到预定温度，表明水合物分解完毕；
约6700秒后右侧温度T2上升至预定温度。
随产气率变化而变化的压力可以用来估计岩心的有效磁导率。
水合物分解释放出水和天然气，但水会优先被水润湿的矿质吸收。
因此大多数从样品产出的流体（脱离岩心的）都是气体（也可能只有少量产出流体），流速和压差为气体相对渗透率的计算提供必要的信息。
差压高时有效渗透率低。
样品右侧的温度迅速接近设定温度的期间，开始的10000s里测得的压力是受干扰的。
压力受扰可能时由于游离的气体被水的毛细管力束缚在样品内，当产生足够的可以克服水毛细管力的气体时，压力不再受干扰。
紧挨受扰压力的光滑压力曲线的下降表明，分离和溶解的残余甲烷气体从孔隙缓慢流出。
产出流体（主要是天然气和水）的体积是使用高压注射器泵时计算的。
该泵的温度是用T型热电偶测出的，用于计算计算气体量（摩尔）。
摩尔数是根据来自NIST（Lemmon等人，2005）的密度值计算的，而密度值则是以图5中的温度和压力值为基础计算的。
图4减压试验中的压力、温度、压力和压差
图5实验中的产出气量和产气率
降压试验中大约每十分钟对均匀分布在整个岩心样品的10个位置进行一次X射线断层扫描。
电脑断层扫描技术可以立体地测量样本中大约4百万个点的密度（每片切片有—78500-195×
195×
3000个微粒，总共有51片切片）。
密度变化的原因：
1）孔隙中物质（水合物、天然气和水）的相变；
2）气体从水合物中解离（气体的溢出会引起质量的减少）；
3）游离水流出系统；
4）固体矿粒重新排列或者离开系统。
也有少数例外，这些矿物颗粒胶结性能非常好，并且在胶结物和密封压力联合作用下实验中长时间粘附在某些地方，因此这些地方的密度变化均不考虑。
实验中其他三个过程都可能发生。
图6显示了样品的初始密度和实验中三个测试点在首207分钟（12420秒）中密度的变化。
测试点1和5属于低孔隙度的左侧，测试点10则来至孔隙度较高的右侧。
图6三个测试点的样品密度和密度随时间的变化。
最左边那列表示样品中3个切片的初始密度分布，用明亮的色彩表示高密度。
在该列的右侧，密度随时间的变化，颜色越深密度变化越大。
3.2历史拟合结果
和SH被视为有历史拟合过程得到的扰动参数（共四个），可以最小化观察结果和数值预测的差异。
在最优方案里，假定的相对大量的扰动参数、其他参数值和变量是固定的。
图7比较了分解实验中测量和预测的收集的气体的物质量。
两组数据匹配得很好，数据良好的吻合是由于（至少部分）实验装置和早期的研究（Anderson等人l.,2008；
Moridis等人.,2010）让我们准确地估计了用于历史拟合的属性和参数值，从而尽量减少了扰动和提高了历史拟合的准确度。
区域1最优的扰动参数为=0.34，SH=0.152，区域2的最优扰动参数是=0.37，SH=0.270。
4讨论
我们的假设是：
1）系统温度达到平衡温度是水合物开始分解；
2）由于热量传递，水合物从外往里发生分解；
3）水合物最先在出口（左）侧分解，因为该侧靠近容器出口。
图7岩心分离实验中产出气的测量值和最优预测值（历史拟合）的比较
4.1压力、压差、温度
分离实验早期，两份岩心测量点的样品温度（T1、T2）分别下降到2℃和2.1℃（图4）。
这些温度与相同条件下甲烷水合物在不同压力下的分解温度是相同的。
正如预期的那样，密封流体的温度下降到油浴温度和样品温度之间的一个值。
T1——接近流体出口（左）侧较低压力下的温度——比T2要低些，温度接近T1水合物的分解比系统右侧温度接近T2的水合物的分解结束得早。
如此预测是因为岩心的压力梯度。
预计出口侧流体（压力较低，驱动力较大）的分解比远侧压力较高处流体的分解更迅速。
靠近热电偶端水合物分解的温度曲线的形状是不寻常的：
温度在短期内迅速增加，上升速度在达到最终的急速上升后开始减缓。
系统试验中，当热电偶处水合物分解结束时，温度曲线非常平滑地靠近操作温度[Kneafsey等人,007；
Kneafsey等人,2009]。
这种不均匀的增长可能是因为样品的几何形状不规则和热电偶位置。
热电偶的设置是为了用来指示样品内部的温度。
因为水合物分离是减压造成的，并且样品的有效渗透率比较低，为放置热电偶而钻的超大的洞是水合物最初的分解表面和之后天然气流动的重要通路。
随后温度上升速度的减缓可能是由于热电偶沿轴线方向从内到外的持续的水合物分解。
这是有事实支持的，最初的温度上升的时刻是在大约7000秒，而稳定产出天然气是在约10000秒时。
4.2产出天然气
降压开始后前5分钟能快速收集流体（主要是气体）。
这是由于样品中气体的膨胀和快速的温度下降引起的水合物的分解，且岩石的低渗透率则将这一过程持续一段时间。
高的有效渗透率使气体迅速扩大和收集，然而实验中却有些费时，因为实验用的岩心的有效渗透率很低。
在最初的减压分解期间，天然气的产生不是依赖于样品外部传来的热量，而是由于晶系（水，水，和矿物颗粒）本身的热量和样品迅速冷却到实验压力下的平衡温度。
最初始降压后，热量从外向内传递。
因为热量传递要通过正在发育的与枯竭水合物相似的多孔介质层，所以需要传热控制系统，并会出现分离速度减少的最低值。
4.3X射线
我们将看到1）因样品本身的热导致水合物的分解而引起的贯穿整个样本的初步分离（表现为轻微的密度减少）；
2）由外边界控制温度的热传导引起的水合物分解前沿的径向向内移动；
3）低压端的分离速度较快。
在图6中我们看到10分钟时整个岩心样品的密度降低较少，但我们也看到密封流体的传热导致的在岩心外半径上有较大的密度减少。
降压开始后，密封流体的温度很快（约40秒）也开始下降，表明那个时候热量转移到了样品。
用CT技术无法捕捉到初步分离，而图4和图5所示的岩心温度和天然气产出量则可以。
在10分钟时的扫描结果是压降和岩心外径热激发共同作用下的岩心的初步分离。
如果实验期间我们研究切片5，我们可以清楚地看到分解前沿向内移动。
实验期间，密度较低的外层尺寸会逐渐增大。
这种行为是为了与整个岩心的某种特性保持协调。
测试点10（右）在最初的径向分离的行为是有所不同的，但随后剖面的解离会更均匀。
实验期间，热量从PVC端口传到岩心，但是PVC的传热性比丁腈橡胶差，因此PVC的厚度非常重要。
5结论
取自埃尔伯特山测试井的水合物基砂岩样本通过降压分离，同时运用高空间分辨率的X射线计算机断层扫描技术监测样品两个测试点的内部温度和密度变化。
埃尔伯特山水合物样品的分解过程大部分与假设相同：
样品最初的分解是由于压力低于水合物相平衡压力，随后因热量的传导，分解由外向内进行。
数值模拟试验得到得天然气产出量曲线与实验测量曲线非常吻合。
为了使两者匹配，需要对孔隙度和水合物饱和度等初始参数做出轻微的修改。
这些差异现在还在调查中。
鸣谢
这项工作得到了能源助理部长、石油和天然气办公室、国家能源技术实验室和美国能源部支持，细节在合同DE-AC02-05ch11231中。
也非常感谢NETL的晶粒分布和矿物学委员会的KyleLittlefield和KellyRose。
参考文献（略）
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