Guan Jinan (1980—), hombre, investigador asociado, dedicado principalmente a la investigación de la cinética de hidratos, correo electrónico: guanja@ms.giec.ac.cn.
1. Laboratorio clave de energías renovables e hidratos de gas natural, Academia de Ciencias de China/Instituto de Energía de Guangzhou, Academia de Ciencias de China, Guangzhou 510640.
2. Laboratorio clave de transferencia de calor mejorada y ahorro de energía en procesos, Ministerio de Educación, Universidad Tecnológica del Sur de China, Guangzhou 510640.
La formación de hidrato de fuga es el resultado de la interacción del flujo multifásico. Para evaluar con precisión el potencial de recursos de los hidratos oceánicos, es necesario estudiar el proceso de formación de dichos hidratos. El gas metano (libre) que migra hacia arriba y el agua de los poros in situ (incluido el gas disuelto y la sal disuelta) en el sistema de filtración interactúan con el esqueleto sólido para generar hidratos y depositar gel en los poros para formar un depósito en este proceso; La migración de gas libre cambia las propiedades geológicas de la capa sedimentaria y es uno de los factores que controlan la acumulación de hidratos perdidos. Con base en el mecanismo flujo-transporte-reacción se estableció un modelo de flujo multifásico y se dedujo la relación de vinculación entre la presión capilar de poro, la permeabilidad, la saturación de cada fase y la salinidad al inicio y al final de la reacción durante el proceso de formación de hidratos. Combinando los datos de exploración geológica del área del mar de Shenhu en el norte del Mar de China Meridional, se evaluó el estado de ocurrencia de hidratos y se especuló que la saturación de hidratos en esta área del mar podría alcanzar hasta el 75%.
Palabras clave: gas libre; hidrato de metano; flujo
Hidrato de metano formado por migración de gas libre en la zona de estabilidad de hidratos en el área del mar de filtración y su estimación de recursos
Guan Jinan1, Liang Deqing1*, Wu Nengyou1, Fan Shuaishi2
1. Instituto de Conversión de Energía de Guangzhou/Laboratorio Clave de Energía Renovable e Hidratos de Gas Natural, Academia China de Ciencias, Guangzhou 510640
2. Universidad Tecnológica del Sur de China, Laboratorio clave de transferencia mejorada de calor y conservación de energía, Ministerio de Educación, Guangzhou 510640
Resumen: La formación de hidratos en los sedimentos filtrados del fondo marino es un proceso típico de flujo multifásico. Para evaluar con precisión el potencial de los recursos de hidratos del océano, se debe estudiar la formación de hidratos en los sedimentos del fondo marino. El metano libre ascendente, el agua de los poros in situ (incluido el gas disuelto y las sales) y las partículas sólidas en el sedimento interactúan para formar hidratos de metano que precipitan en los poros. La migración libre de gas cambia las propiedades geológicas de las capas sedimentarias. Es uno de los factores clave que controlan la formación de hidratos en los sistemas de filtración. Sobre la base de este proceso de flujo-transmisión-reacción, se estableció un modelo de flujo multifásico que incluye agua-gas (gas libre)-sal-hidrato. Según dos escenarios diferentes (inicio y final), se derivan las relaciones cambiantes de presión capilar, permeabilidad, saturación de fase y salinidad con la formación de hidratos. Con base en las reglas derivadas de la simulación y combinadas con la información obtenida de la perforación de campo, se predijo la formación de hidrato de metano en el área de Shenhu en el Mar de China Meridional. Se ha especulado que debajo de esta HSZ del fondo marino puede haber flujos moderados de metano. Si el caudal es de aproximadamente 0,5 kg·m-2a-1, continuará evolucionando durante aproximadamente 2 700 ka hasta que la saturación de hidratos en los poros alcance su máximo (aproximadamente 75%).
Palabras clave: gas libre; hidrato de metano; flujo de metano
0Introducción
El hidrato de metano (MH) existe ampliamente en el océano global y en el suelo congelado Medio [1- 2]. Se estima que existen alrededor de 1,2 × 1017 m3 de metano en forma de hidrato (STP) en el océano, y alrededor de 1015 moles de metano en forma libre o disuelta. Los yacimientos de hidratos de tipo filtrante tienen las características de distribución concentrada, alta densidad de almacenamiento y condiciones físicas y químicas superiores para la formación de yacimientos [5], y su importancia como recurso es muy importante.
La formación de hidratos en los poros de sedimentos en áreas de flujo de fluidos multifásicos en el fondo marino es un proceso típico de transporte de flujo multifásico [6]. Además del gas (gas libre y gas disuelto), el agua intersticial y la sal, los hidratos generados también influyen en la formación posterior de hidratos. Con respecto a este proceso de flujo de múltiples fases, Clennell et al. [7] explicaron el impacto de la migración y acumulación de gas metano en la formación de hidratos. Milkov et al. [8] analizaron el núcleo de hidratos de la estación ODP ODP1249 y señalaron que pueden existir hidratos. en este sistema los hidratos, gases y sales; los resultados de la simulación numérica también muestran la relación evolutiva entre la temperatura, la presión, la fracción de volumen de metano y la salinidad [11].
La formación de hidratos absorberá agua y gas en los poros, lo que conducirá directamente a cambios en los componentes del flujo multifásico; al mismo tiempo, la estructura de los estratos sedimentarios cementados con hidratos cambia la estructura y las propiedades de los estratos sedimentarios que contienen hidratos, que deben ser; estudiado y seguro.
En el área de fuga, el gas libre no sólo se acumula en grandes cantidades bajo el límite inferior de la zona de estabilidad de hidratos (HSZ), sino que también migra rápidamente en la HSZ, aumentando la salinidad en los poros de la capa sedimentaria. capa, cambiando así el sistema La estratificación geológica debajo del fondo marino produce fenómenos como la existencia de tres fases de hidrato-gas-sal [12] y "llamas" de gas del fondo marino [12]. Por un lado, muestra que el gas libre participa en la formación de hidratos; por otro lado, también constituye una prueba indirecta para detectar la agregación de hidratos. La exploración geológica, el muestreo de perforación de campo y el análisis de núcleos en el área de Shenhu en el Mar de China Meridional han demostrado que es probable que esta área sea un depósito de hidratos con fugas [14-18]. Este artículo analizará la situación del almacenamiento de hidrato de metano en el área del mar de Shenhu en función de las reglas de formación de hidratos de fuga.
1 Diagrama de fases y migración del gas libre
A medida que el agua de los poros rica en metano saturado disuelto se mueve hacia arriba desde la zona de gas libre (FGZ), a medida que el gas libre se mueve hacia arriba, penetra en la HSZ. En la parte inferior, ingrese HSZ. El metano disuelto primero genera MH en los poros y precipita, reduciendo la concentración de metano en el agua de los poros. Al mismo tiempo, parte del gas metano libre se disuelve en el agua de los poros para generar MH, hasta que la concentración de MH en los poros locales alcanza la saturación. , y el nuevo fluido y el metano libre en el fondo continúan ascendiendo y generando MH repetidamente. Dado que los cristales de hidrato repelen los iones de sal, la concentración de iones de sal alrededor de MH en los poros aumenta, cambiando las condiciones de equilibrio de fase termodinámicas para la formación de MH, inhibiendo la formación de MH y reduciendo el espesor de HSZ. Este efecto inhibidor de los iones de sal se ve potenciado por el suministro continuo de gas metano libre. Cuando la MH en los poros del sedimento in situ alcanza la saturación máxima, el sistema tiende a ser estable y no se genera MH. El gas libre cruzó con éxito la HSZ hasta el fondo marino, se filtró al agua de mar superior y se disolvió (Fig. 1). En general, la formación de MH en los poros sedimentarios es un proceso de transformación entre dos fases y tres fases: la fase gas-agua pasa a ser gas-agua-hidrato, y finalmente pasa a ser la fase gas-agua.
Fig. 1 Área de ocurrencia de hidrato de metano en el norte del Mar de China Meridional, (a) diagrama de fases temperatura-profundidad, (b) diagrama de fases concentración-presión.
El gas libre forma hidratos después de ingresar al área HSZ, cambiando la salinidad en los poros, afectando así la formación y morfología de los hidratos. (a) Cuando la salinidad aumenta del 3,4 % al 13,6 % (cuatro veces), el área de hidrato disminuye de EBC a EAD, la profundidad del fondo disminuye de 403 m a 384 m y el área reducida es aproximadamente el 9,85 % del área original. , correspondiente a la parte inferior de la Figura b. Cuando el gas libre sube desde el fondo y cruza la línea BH (3,4 % de salinidad w (Na Cl), o línea AI 13,6 % de salinidad), se forman hidratos a la derecha de la línea
2 Análisis de flujo multifásico
2.1 Establecimiento del modelo
Para el sistema de flujo multifásico compuesto por gas-líquido-sólido trifásico y metano-agua-sal-hidrato, se hacen las siguientes suposiciones:
1) Independientemente de la difusión molecular de los componentes, los poros del sedimento siempre están completamente llenos de componentes y son isotrópicos.
2) El gas filtrado es metano monocomponente, que se presenta en forma de metano libre y metano disuelto. El metano disuelto inicial está saturado.
3) La sal solo se disuelve y siempre existe en el agua de los poros, y no se considera la cristalización de la sal causada por cambios en la saturación de la sal.
Con base en los supuestos anteriores, se establecen respectivamente las ecuaciones de transporte de gas y agua:
Para el agua, existe en hidratos y agua líquida:
Sur Gas natural del Mar de China Colección especial de reglas de enriquecimiento de hidratos y base minera
Para el metano, existe en fase gaseosa, fase líquida e hidrato:
Colección especial de reglas de enriquecimiento de hidratos de gas natural y base minera en el Mar de China Meridional
Entre ellos (1) y (2) es la porosidad de la formación Sκ es la saturación de volumen del componente ρK es la densidad del componente; kg/m3); la fracción de masa de metano en agua es su solubilidad; ηK representa la fracción de masa de cada componente en el hidrato; k y krβ son la permeabilidad intrínseca de la formación (m2) y la permeabilidad relativa del componente respectivamente; μK es la viscosidad del componente (Pa·s); PK es la presión de fase (MPa) g es la aceleración de la gravedad (kg/m3) es la compresibilidad del gas metano, definida por la fórmula (3); Bg es el coeficiente de volumen de metano:
Las reglas de enriquecimiento de los hidratos de gas natural en el Mar de China Meridional y la Base de Colección Especial de Producción
Además, combinando las condiciones limitantes de saturación y la fórmula de presión capilar, se puede formar una ecuación:
Colección especial de leyes de enriquecimiento de hidratos de gas natural y bases de producción en el Mar de China Meridional
La saturación de gas libre se puede determinar mediante regresión lineal:
Recopilación especial sobre las reglas de enriquecimiento y bases de producción de hidratos de gas natural en el Mar de China Meridional
Los parámetros relevantes utilizados se muestran en la Tabla 1.
2.2 Discusión de resultados
El gas metano (estado libre) y el agua (incluido el gas disuelto) ingresan a la HSZ y forman hidratos en condiciones adecuadas de temperatura, presión y salinidad al mismo tiempo; , sedimentación Varias propiedades de la formación y propiedades del fluido también cambian a medida que se forman los hidratos.
2.2.1 Proceso de formación de HSZ MH
Según el estado crítico donde la saturación de metano en fase gas es siempre del 2% y el flujo de fuga de metano es de 0,5kg/m2·a, los hidratos Se deduce el proceso de formación (Figura 2).
La Figura 2 muestra (a) la presión capilar entre el gas y el líquido en los poros, (b) la permeabilidad de los sedimentos que contienen hidratos, (c) la saturación de gas, agua e hidratos, y (d) los cambios en los poros. la salinidad a medida que el metano libre continúa ingresando a la HSZ en diferentes momentos desde 36 d hasta el final de 3100 ka. En la figura, el límite inferior de HSZ es de 403 metros (bsf) y las condiciones de contorno se muestran en la Figura 1.
Cuando t=36 d, el metano del fondo marino profundo ingresa al fondo de la HSZ para formar hidratos. La influencia del metano introducido desde el fondo en la formación de hidratos en la HSZ ha llegado al fondo marino (. Figura 2a c); debido a la Formación, el área de contacto y la tensión de la interfaz gas-líquido cambian, provocando que la presión capilar aumente a lo largo de esta distancia (Fig. 2a a). Al mismo tiempo, debido a la cementación de hidratos, la permeabilidad de la capa sedimentaria comienza a disminuir (Figura 2a b); la exclusión de iones de sal hace que aumente la salinidad local del agua de los poros (Figura 2a-D).
Cuando t=3 100 ka, la reacción finaliza y ya no se genera MH en la HSZ. Como se puede ver en la Figura 2b C, el gradiente de saturación de hidratos aquí es muy grande porque la saturación de hidratos en el fondo marino está limitada a 0, lo que también indica que si en el modelo se considera la HSZ en el agua de mar, los hidratos seguirán apareciendo en cosas de esta zona. En este momento, la Pc máxima en el fondo marino puede alcanzar aproximadamente 30 k Pa (Figura 2b a); y la permeabilidad de la capa de arena cementada con hidrato alcanza aproximadamente 10-20 m2, que ha alcanzado un nivel bastante denso (Figura 2b). La salinidad alcanza un valor máximo en el límite inferior de la HSZ, alrededor del 16% (Fig. 2b D).
Tabla 1 Datos de parámetros relevantes utilizados para simular la formación de MH en el área de Shenhu en el Mar de China Meridional
Flujo de fuga de metano
Otro parámetro importante que afecta la formación de hidratos es el flujo de permeación de metano qm (kg/m2). Los diferentes flujos de filtración conducen a grandes diferencias en la tasa de formación de hidratos, los recursos de los yacimientos e incluso la formación de los yacimientos y la aparición de sedimentos que contienen hidratos. Roberts et al. [19] describieron la morfología geológica del fondo marino en las áreas de filtración lenta, media y rápida del Golfo de México. Chen Duofu [20] estableció un modelo de filtración y propuso un estándar para clasificar estos tres tipos de filtración. Sobre esta base, bajo la misma saturación de gas libre (la Sg que ingresa al fondo de HSZ es 0,1), se calcularon seis flujos de filtración diferentes para explorar el impacto del flujo de filtración en el proceso de formación y acumulación de MH en el sistema de fuga.
La Tabla 2 proporciona dos valores qm diferentes para el cálculo de intervalos de flujo de fuga lento, medio y rápido, que van desde 0,05 kg/(m2·a) a 100 kg/(m2·a), que pueden cubrir básicamente descubrimientos en áreas marítimas globales. El rango de flujo del área de fuga de hidratos.
Tabla 2 Etapas de evolución del sistema de fuga de metano determinadas por diferentes rangos de flujo de fuga de metano
Los cálculos muestran que bajo cada flujo de fuga, la producción de hidratos aumenta drásticamente en el corto período de tiempo inicial. luego aumente lentamente durante un período de tiempo más largo. A velocidades lentas y cercanas a velocidades lentas y medias (0,05 kg/(m2·a), 0,5 kg/(m2·a), 1 kg/(m2·a)), el tiempo para que la formación de hidratos alcance el máximo es casi el Lo mismo, pero cuanto mayor sea el valor de qm, más corto será el tiempo. El Qm pasa de 0,05 kg/(m2·a) a 100 kg/(m2·a), el tiempo para que el hidrato alcance el valor máximo disminuye de 2.400 ka a 227 ka, y el tiempo para el valor máximo de qm es el 9,5% del valor qm mínimo. Sin embargo, la producción por unidad de superficie de hidrato también cambió de 38,35 kg/m2 a 36,15 kg/m2, una disminución de alrededor del 5,7%. Se considera que esto también se debe a que después de que se acelera la velocidad de formación de hidratos, la porosidad y la permeabilidad de la capa sedimentaria disminuyen bruscamente, lo que dificulta la formación completa de hidratos.
Inversión de la acumulación de hidratos en la zona del mar de Shenhu
La temperatura y la presión ambiental de la zona del mar de Shenhu se basan en la profundidad del fondo marino de 1250 m, la temperatura del fondo marino de 3,4° C, y el gradiente geotérmico de 45°C/km. Se calcula con cinco parámetros básicos: gradiente de presión de sedimentación 10 MPa/km y salinidad promedio de poro 3,5%. Actualmente no existe una estimación de la saturación de gas libre en el área HSZ o BSR en esta área, pero dado que la estructura geológica de toda el área de la pendiente de Nanhai North Road es similar a la del Golfo de México, se puede calcular de manera aproximada. como el 5% de la saturación de gas libre que ingresa a la HSZ en el fondo [20] Al mismo tiempo, no conocemos el flujo de metano que se escapa al fondo de la HSZ en el área de Shenhu. Sin embargo, en el sitio de perforación SH2, la saturación máxima de hidratos alcanzó el 48% en un espesor de aproximadamente 80 metros. En comparación con los puntos de fuga típicos, la saturación máxima en el rango de espesor de la cresta de hidrato de Cascadia de aproximadamente 65,438+0249 y 65,438+0250 puede alcanzar aproximadamente el 70 %, y su volumen de fuga puede alcanzar aproximadamente el 70 %. En base a esto, con estos parámetros básicos de propiedades físicas, combinados con los datos detectados como la saturación de hidratos y la salinidad de los poros, se pueden hacer especulaciones razonables.
Bajo los parámetros físicos dados anteriormente, la simulación calculó la situación general de la distribución de saturación de hidratos detectada. El diagrama de distribución de saturación de metano y la salinidad de poro calculada usando qm como 0,5 kg/(m2·a) se muestran en la Figura 3, que concuerda con los resultados de la perforación.
Figura 3 Distribución de saturación de hidratos en la estación Shenhu SH2
Los puntos negros representan la distribución de saturación de hidratos medida en el sitio y la línea de puntos roja representa la distribución de hidratos simulada en profundidad. la saturación máxima es de aproximadamente el 48%.
En este modelo, la saturación de hidratos en la superficie del fondo marino está limitada a 0, y el tiempo de reacción para que la evolución continua alcance la saturación máxima (75%) se calcula en aproximadamente 5 500 ka (Fig. 4). Muestra que esta área se forma y acumula en grandes cantidades en la etapa inicial cuando el flujo de gas-líquido ingresa a la zona estable de hidratos. Según la existencia de un depósito de hidrato de metano con un área de aproximadamente 16 km2, la probabilidad de área es del 10% y la probabilidad de profundidad es del 20%. Se supone que la tasa de conversión de metano de los poros es del 10%. Se calcula que alrededor de 5.500 ka, la cantidad máxima de recursos en esta zona puede alcanzar unos 125 millones de m3 de gas metano, lo que supone entre 7 y 8 veces la estimación actual.
Figura 4. Diagrama de nubes de distribución de hidratos después de que SH2 se haya desarrollado por completo en el área de Shenhu.
4 Conclusión
El área de filtración del fondo marino es rica en gas libre y se mueve rápidamente, y se considera el reservorio de hidratos con mayor potencial. Basado en el mecanismo de reacción flujo-transporte, se estableció un modelo de flujo multifásico para simular la formación y acumulación de hidratos de fuga. Se dedujo la relación de vinculación entre la presión capilar, la permeabilidad, la saturación de cada fase y la salinidad en los poros de la capa sedimentaria al inicio y al final de la migración de gas libre, se analizó el proceso de formación de hidratos y se discutió el efecto del flujo de fuga sobre la acumulación de hidratos. . Influencia. Finalmente, combinados con los datos geológicos del área del mar de Shenhu, se infirieron el tipo de acumulación de hidratos y el potencial de recursos en el área.
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