【摘 要】
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二氧化碳置换法开采天然气水合物可以同时实现能源开发和碳封存,是天然气水合物开采技术中最具有应用潜力的方法。但二氧化碳置换法的开采率和能效较低,应用经济性较差,距工业化应用仍有差距。针对以上问题,本文将二氧化碳置换法与热激法联合,提出逐级式注热和Ca O自生热原位强化置换开采技术,以提高开采率和能效。并使用HYSYS软件模拟设计两种开采方案工艺,并计算和比较了两种开采方案的开采能效。为提高CH4开采
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（21736005和51876069）；
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二氧化碳置换法开采天然气水合物可以同时实现能源开发和碳封存,是天然气水合物开采技术中最具有应用潜力的方法。但二氧化碳置换法的开采率和能效较低,应用经济性较差,距工业化应用仍有差距。针对以上问题,本文将二氧化碳置换法与热激法联合,提出逐级式注热和Ca O自生热原位强化置换开采技术,以提高开采率和能效。并使用HYSYS软件模拟设计两种开采方案工艺,并计算和比较了两种开采方案的开采能效。为提高CH4开采率并降低热量在传输过程中的损耗,首先采用原位间歇注热强化置换开采CH4水合物。相对于递减式间歇注热,递增注热强化置换的CH4开采率从8.60%提高至16.96%,采注比从0.041增加到0.076,相对提高85.36%,出口气的CH4浓度从7.71%上升至15.13%。在2.16-3.7 MPa范围内,降低初始置换压力有利于提高CH4水合物的开采效果。最优开采条件为275.15 K,2.16 MPa下的递增式注热置换,甲烷开采率为25.4%,采注比为0.53。接着,为了进一步降低能耗并提高CO2埋存率,采用原位Ca O水化热强化CO2置换开采。相比于空白对照实验,注入Ca O后甲烷开采率从8.64%最高可提升至21.0%,采注比从0.055最高提升至0.124。当置换压力从3.4 MPa降至2.6MPa后,甲烷开采率从20.96%提高至31.43%,产出气的甲烷浓度从15.9%提高至31.1%。在281.15 K,3 MPa条件下,注Ca O自生热强化置换的甲烷开采率为69.81%,强化效果显著。在实验的基础上,使用HYSYS设计了开采工艺,并比较了两种开采方案能源投入回报比（EROI值）。能效分析结果表明,递增式注热开采的EROI值为5.23～11.90,最低开采能耗为0.851 k Wh/Nm~3-CH4。注Ca O强化置换开采甲烷水合物的EROI值为4.68～18.96,整体高于注热强化置换开采,开采经济性更高。在279.15 K,3.00 MPa下注Ca O强化置换开采的EROI值达到最高,为18.96,高于热激法开采水合物的EROI理论值17.3,对应的单位能耗为0.536 k Wh/Nm~3-CH4。引入注Ca O后,强化开采过程单位能耗降低了37.01%。
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