摘要
天然气水合物作为一种新型的清洁能源，被认为是未来能源发展的重要方向之一。天然气水合物的安全高效开采一直是目前科学界和工业界研究的重要焦点。目前，天然气水合物的开采方法有降压法、热激法、化学剂注入法、CO2置换法等多种方法。其中CO2置换法是一种既能实现开采CH4气体供人类使用，又能同时封存CO2气体减缓温室效应的方法，具有良好的应用前景。但CO2置换法存在传质及传热的局限性，同时存在CH4置换效率低下的问题，因此，在三轴应力条件下，本文提出了升高注入温度与储层温度两种加热方式强化置换开采的方法来提高CH4置换效率，并在研究加热方式强化置换开采之前对氯化钠体系、储层初始饱和度以及置换压力对液态CO2置换开采的影响进行了探究，得出了以下结论： （1）在三轴应力以及孔隙度约46.70%的条件下，氯化钠体系对CH4置换效率影响较小，但对CO2水合物的合成表现出了抑制作用；储层初始饱和度与CH4置换效率之间是负相关关系；置换压力的增长有助于CH4置换效率和CO2封存效率的提高，更高的置换压力增强了 CO2分子向储层内部扩散的能力同时也为 CO2水合物的合成提供了高的驱动力。 （2）在三轴应力条件下，注281.15K液态CO2进行置换开采的时间越长，CH4置换效率越高，但281.15K液态CO2置换开采对CH4置换效率的促进并不明显；注277.15K气态CO2进行置换开采对CH4置换效率的促进作用主要表现在0-12h快速置换阶段，0-12h快速置换阶段的CH4置换效率占总CH4置换效率的75.93%。将281.15K液态CO2或277.15K气态CO2注入274.15K的储层中，热量的大量损耗导致了CH4置换效率提升不明显的结果。CO2合成水合物的占比与注281.15K液态CO2置换的时长呈现负相关关系，与注277.15K气态CO2置换的时长同样呈现负相关关系，这是因为CO2水合物在高温环境下不易合成。 （3）在三轴应力条件下，对液态CO2置换在0-12h快速置换阶段加热储层置换开采的效果最佳，0-12h内的CH4置换效率占总CH4置换效率的77.51%；对气态CO2置换在0-24h（0-12h快速置换阶段以及12-24h缓慢置换阶段）加热储层置换开采的效果最佳，0-48h 全程加热储层置换开采其 0-24h 内的 CH4置换效率占总 CH4置换效率的75.21%。加热储层阻碍了CO2分子直接合成CO2水合物，因此CO2合成水合物占比与加热储层的时长呈现负相关的关系。 （4）在三轴应力条件下，加热储层置换开采比提高注入温度置换开采效果更好。加热储层可以在一定程度上对水合物层造成“破坏”，进而增大CO2分子与水合物储层的接触面积；此外，加热储层会促进CO2分子的运移速度，CO2分子得以向水合物储层内部进一步扩散进而置换内部的水合物。加热储层置换开采的方式不仅可以在一定程度上提高CH4置换效率还可以有效的缩短天然气水合物的开采时间。
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