天然气水合物开采研究现状

第27卷第1期地质科技情报Vol.27 No.1Geological Science and Technology InformationJan.2008天然气水合物开采研究现状吴传芝' ,赵克斌' ,孙长青',孙冬胜“,徐旭辉2 ,陈昕华”,宣玲(1.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所.江苏无锡214151;2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京10083;3.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院西部分院,乌鲁木齐830011)摘要:随着天然气水合物基础研究的不断深入,天然气水合物开采研究空前活跃。在技术方法方面,传统的热激发开采法、减压开采法与化学抑制制注入开采法获得了不断的发展与改进;新型开采技术如CO2置换法与固体开采法引起了学者们的极大关注;最近我国还研制出适合于海洋天然气水合物开采的水力提升法。在开采研究实践方面,全世界已在3处东土区进行了天然气水合物试采研究。介绍了天然气水合物开采技术的研究进展与冻土区天然气水合物试采研究结果，分析了天然气水合物开采研究中可能涉及的环境问题,展现了现阶段天然气水合物开采研究领域的最新成果，总结了这一领域取得的经验与认识，强调了国际天然气水合物开采研究对我国天然气水合物研究的启示。关键词:天然气水合物;开采技术;开采试验;麦索亚哈气田;Malik地区中图分类号:TE31文献标识码:A文章编号:000-7849(200801 0047-06天然气水合物具有巨大的资源潜能,但只有解人开采法(-15)。随着天然气水合物基础研究的不断决了其开采问题,天然气水合物才能成为一种真正深入,近些年又涌现出一些新的开采技术，如CO2置的能源。近10年来,对天然气水合物研究起步较早换法与固体开采法等81213.1620。的一些国家,明显加速了天然气水合物开采研究的1.1传统开采方法的改进与技术缺陷步伐,在开采技术、开采工艺、开采面临的环境问题(1)热激发开采法热激发开采法是直接对天等方面做了大量工作,并在冻土区进行了天然气水然气水合物层进行加热，使天然气水合物层的温度合物开采试验。超过其平衡温度,从而促使天然气水合物分解为水我国近年来也已介人天然气水合物开采研究领与天然气的开采方法。这种方法经历了直接向天然域,但总体上,国内天然气水合物开采研究才刚刚开气水合物层中注人热流体加热、火驱法加热、井下电始，尚没有进行试采研究。笔者拟介绍天然气水合物开采技术的发展、试磁加热以及微波加热等发展历程(46.815]。热激发开采研究结果与开采涉及的环境问题等内容，展现现采法可实现循环注热，且作用方式较快。加热方式的阶段世界天然气水合物开采研究领域的最新成果，不断改进,促进了热激发开采法的发展。但这种方法总结这一研究领域已取得的经验与认识，强调国际:至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题，而且只天然气水合物开采研究对我国天然气水合物开采研能进行局部加热,因此该方法尚有待进一-步完善。(2)减压开采法减压开采法是一种通 过降低究的启示。压力促使天然气水合物分解的开采方法。减压途径;1开采方法的改进与发展主要有两种:①采用低密度泥浆钻井达到减压目的;②当天然气水合物层下方存在游离气或其他流体天然气水合物是一种由天然气和水组成的亚稳时,通过泵出天然气水合物层下方的游离气或其他定态矿物,存在于特定的温压条件下。一旦赋存条流体来降低天然气水合物层的压19681012-1。件发生变化,天然气水合物藏的相平衡就会被破坏，减压开采法不需要连续激发,成本较低,适合大面积引起天然气水合物分解。传统的天然气水合物开采开采，尤其适用于存在下伏游离气层的天然气水合技术就是根据天然气水合物的这种性质而设计的，物藏的开采,是天然气水合物传统开采方法中最有主要包括热激发开采法、减压开采法与化学试剂注前景的一种技术。但它对天然气水合物藏的性质有收稿日期:2007-04 28编辑:禹华珍基金项目:中国石油化工股份有限公司项目“天然气水合物勘探与开发现状调研"(P05072)48地质科技情报2008年特殊的要求,只有当天然气水合物藏位于温压平衡了海洋天然气水合物开采的水力提升法([21]。水力边界附近时,减压开采法才具有经济可行性。提升法是利用海底集矿系统对天然气水合物进行原(3)化学试剂注入开采法化学试剂注入开采地粉碎,采集含有固、液、气三相的混合物质,由水力法通过向天然气水合物层中注人某些化学试剂,如提升系统上传到海面作业船上的天然气水合物分解系盐水、甲醇、乙醇.乙二醇、丙三醇等,破坏天然气水统,再导入海面高温海水对天然气水合物进行分解。合物藏的相平衡条件，促使天然气水合物分在上述天然气水合物开采方法中,热激发开采解108.12131。这种方法虽然可降低初期能量输法与减压开采法投人的研究较多,也较为成熟;CO2入,但缺陷却很明显,它所需的化学试剂费用昂贵,对置换开采法正处于积极的研究之中;随着开采装置天然气水合物层的作用缓慢,而且还会带来--些环境的改进,固体开采法也获得了进一步发展。尽管如问题,所以，目前对这种方法投人的研究相对较少。此,天然气水合物开采目前还只是具有技术可行性，1.2开采新思路的涌现与发展现阶段天然气水合物开采面临的最大挑战是如何解随着天然气水合物开采研究的深人,近10年来决经济可行性问题。涌现出一些新的天然气水合物开采思路。CO2置换开采法是近期比较热门的研究对象。2典型开采研究实例这种方法首先由日本研究者提出1620),方法依据的仍然是天然气水合物稳定带的压力条件。在一定的天然气水合物试采研究是天然气水合物走向商温度条件下,天然气水合物保持稳定需要的压力比业开采的必由之路。从世界范围看,至今已在3个CO2水合物更高([2]。因此在某一特定的压力范围地区进行了天然气水合物试采研究,包括前苏联西内,天然气水合物会分解,而CO2水合物则易于形成西伯利亚的麦索亚哈气田、美国阿拉斯加北部斜坡并保持稳定。如果此时向天然气水合物藏内注人区以及加拿大西北部麦肯齐三角洲地区。CO2气体,CO2气体就可能与天然气水合物分解出2.1麦索亚哈气田天然气水合物的开采的水生成COz水合物[18]。这种作用释放出的热量可麦索亚哈气田发现于20世纪60年代末,是第使天然气水合物的分解反应得以持续地进行下去。一个也是迄今为止唯---一个对天然气水合物藏进行CO2置换开采法已引起了广泛关注。美国能源了商业性开采的气田。部目前正资助一项“CO2置换开采法”研究项目。该该气田位于前苏联西西伯利亚西北部，气田区项目已于2006年4月启动,预计到2008年6月完常年冻土层厚度大于500 m,具有天然气水合物赋成。目标是研制一种二氧化碳与水的乳化装置,从存的有利条件。麦索亚哈气田为常规气田,气田中.而制造出具有暂时稳定性的二氧化碳水微乳化溶的天然气透过盖层发生运移,在有利的环境条件下，液。通过向天然气水合物藏中注人这种微乳化溶在气田上方形成了天然气水合物层。液，置换出天然气水合物中的甲烷气体[21]该气田的天然气水合物藏首先是经由减压途径另一种开采新思路是固体开采法。固体开采法无意中得以开采的。通过开采天然气水合物藏之下最初是直接采集海底固态天然气水合物，将天然气的常规天然气，致使天然气水合物层压力降低,天然水合物拖至浅水区进行控制性分解13.1。这种.气水合物发生分解。后来,为了促使天然气水合物方法进而演化为混合开采法或称矿泥浆开采法。该的进一步分解,维持产气量,特意向天然气水合物藏方法的具体步骤是,首先促使天然气水合物在原地中注人了甲醇和氯化钙等化学抑制剂。分解为气液混合相,采集混有气、液、固体水合物的对麦索亚哈气田的产气量、实际压力变化以及混合泥浆,然后将这种混合泥浆导人海面作业船或理论压力变化曲线(图1)的分析证实，该气田的天生产平台进行处理,促使天然气水合物彻底分解,从然气水合物藏获得了成功开采。该气田自1970 年而获取天然气19.22]。1月投产以来,天然气水合物藏的平均压力从7.93近年来，我国加强了天然气水合物开采的研究MPa降到了目前的6.07 MPa。如果天然气水合物力度,以中国科学院广州能源研究所为代表的一些未发生分解,则经计算可知，气田压力将会降至3.65机构在海洋天然气水合物开采装置、开采技术方面MPaC8。从图1还可看出,自1982年以来，虽然产取得了一些创新性成果。在2004年研制出天然气气量有所变化，但气田压力基本保持恒定。Ma-水合物--维开采实验模拟系统的基础上,广州能源kogon等[28认为这是由于产气量与天然气水合物研究所又研制出国内第一套天然气水合物二维开采分解出的天然气量相持平所致。据估算[28],截止到实验模拟系统([21。此外,该所还在海洋天然气水2004年1月1日,麦索亚哈气田累计产气量的-半合物固体开采方面获得了几项技术专利2526],提出以上是天然气水合物分解的产物。第1期吴传芝等:天然气水合物开采研究现状492 5005L 38试采井按计划从井口至天然气水合物层基底以下50 m孔段全孔连续取心,同时还进行了全套.裸孔测井。2 000-在该区对减压开采法和热激发开采法2种开采.气藏实际压力方法进行了试验与评价。减压开采试验选择974.0~1 106.5 m深度范日1500围的6个层段进行,采用了一种具有快速降压与增.气藏理论压力压功能的MDT测井仪(可调控地层动态测井仪)。?1000在这6个层段中,天然气水合物稳定带基底附近储层、高饱和度中粒砂岩储层、低饱和度细粒砂岩粉产气量砂岩储层以及中等饱和度细粒砂岩储层4个含天然500-气水合物层的试采均取得了成功,减压措施成功地使上述层段的天然气水合物分解为天然气[58.0。对所采天然气的来源用如下原则进行区分:如果试1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005验层的压力高于该处天然气水合物的平衡压力,则年份将所采天然气视为原地固有气;如果压力低于该处图1麦索亚哈气田产气量、储层压力随时间的变化[28]天然气水合物的平衡压力,则将所采天然气视为天.Fig.1 Changes of gas production and reservoir pressure然气水合物分解气。with time, Messoyakha Field热激发开采法试验采用热流体循环得以实现。80C左右的热流体沿注入管输送到试采层段下部，麦索亚哈气田天然气水合物藏的发现与开采，对试采层段加热后返回地表,经再次加热后循环利使人们首次认识到天然气水合物可成为一种天然能用。混有试采层溶解气和水的返浆经回流管汇入气源，从此拉开了天然气水合物作为能源研究的序幕。水分离器,分离出气体。经过5天多的加热开采试2.2麦肯齐三角洲地区天然气水合物试采验,共采出468 m2天然气(图2)535]。这样采出的天.麦肯齐三角洲地区位于加拿大西北部,地处北然气在火炬塔上点燃后形成了历史性的天然气水合.极寒冷环境,具有天然气水合物生成与保存的有利物气燃烧火焰，象征着麦肯齐三角洲Mallik 5L-38条件。该区天然气水合物研究具有悠久的历史。早井天然气水合物开采试验获得了成功29]。在1971~1972年间,在该区钻探常规勘探井Mallik5001 500L-38井时,偶然于永冻层下800~1 100 m井段发。400-t 400-现了天然气水合物存在的证据132;1998年专为天E 300-300然气水合物勘探钻探了Mallik 2L-38 井,该井于.中897~952 m井段发现了天然气水合物13.2-20] ,并采想200-} 平均日产量200 #出了天然气水合物岩心3。)0-~累计产气量100所2002年,在麦肯齐三角洲地区实施了一项举世关注的天然气水合物试采研究341。该项目由加拿010 305070 90 110 130大地质调查局、日本石油公团、德国地球科学研究图2 Malik 5L-38井天然气水合物加热试采结果[35]所、美国地质调查局、美国能源部,印度燃气供给公Fig.2 Results of gas hydrate production test by司、印度石油与天然气公司等5个国家9个机构共thermal method,Mllik 5L 38 well同参与投资，是该区有史以来的首次天然气水合物开采试验，也是世界上首次这样大规模对天然气水Mallik天然气水合物试采研究项目的成功再次合物进行的国际性合作试采研究。说明，天然气水合物开采在技术上是可行的，而如何该区天然气水合物试采研究共钻了3口探井，完善天然气水合物开采技术、减少开采成本，则是天试采研究井为Mallik5L-38井,观察井为Mallik然气水合物开采领域今后的研究目标。3L-38井和Mallik4L-38井。3口井均按计划钻穿2.3阿拉斯加北部斜坡区天然气水合物开采试验了天然气水合物层。两口观察井用于温度测量、地另一个天然气水合物试采区是美国阿拉斯加北震测量与常规泥浆气测量,以便弄清天然气水合物部普拉德霍湾一库帕勒克河地区,位于阿拉斯加北发生分解的位置,确定产气层段的部位。Mallik部斜坡地带。1972年阿科石油公司和埃克森石油50地质科技情报2008年公司在普拉德霍湾油田钻探常规油气井时于664~水合物层而以失败告终。因此,天然气水合物的开667 m层段采出了天然气水合物岩心2.6.3837]。采目前还只处于实验与探讨阶段。对天然气水合物其后在阿拉斯加北部斜坡区进行了大量天然气藏进行大规模商业开采,还有待于开采理论的进一水合物研究。在此基础上,2003年在该区实施了一步完善与开采技术的提高;此外,还要解决开采所面项引人注目的天然气水合物试采研究项目(3]。该临的环境问题。项目由美国Anadarko石油公司、Noble公司、Mau-rer技术公司以及美国能源部甲烷水合物研究与开3天然气水合物开采中的环境问题发计划处联合发起，目标是钻探天然气水合物研究与试采井一热冰1井。这是阿拉斯加北部斜坡区天然气水合物藏的开采会改变天然气水合物赖专为天然气水合物研究和试采而钻的第一-口探井。以赋存的温压条件,引起天然气水合物的分解。在热冰1井选在库帕勒克河油田以南近32.2km天然气水合物藏的开采过程中如果不能有效地实现(20英里)、普拉德霍湾西南64.6 km(40英里)处布对温压条件的控制,就可能产生一系列环境问题,如钻，预期于永冻层底部砂岩层中钻遇天然气水合物温室效应的加剧、海洋生态的变化以及海底滑塌事稳定带。该井于2003年3月31日开钻，中途因季件等[840]。节性升温,于2003年4月21日停钻，2004 年1月(1)甲烷作为强温室气体,它对大气辐射平衡的重新开钻,2月7日封井。贡献仅次于二氧化碳。一方面,全球天然气水合物热冰1井天然气水合物试采研究充分利用了最中蕴含的甲烷量约是大气圈中甲烷量的3 000新科技成果:①采用了Anadarko石油公司的新型.倍58];另-方面,天然气水合物分解产生的甲烷进极地陆上平台。这种平台不仅适用于坡度很陡的无人大气的量即使只有大气甲烷总量的0.5%,也会通路冻土区,而且因其着地面积很小对环境的影响明显加速全球变暖的进程[1。因此,天然气水合物也很小。②配备了现场实验室,实现了岩心样品的开采过程中如果不能很好地对甲烷气体进行控制,保温现场分析;采用了连续取心钻机;进行了先进的就必然会加剧全球温室效应。除温室效应之外,海三维VSP地震测量;数据与成果图件采用网络传洋环境中的天然气水合物开采还会带来更多问题。输,使科研人员能够对项目进行远程实时监控;能源①进人海水中的甲烷会影响海洋生态。甲烷进入海部国家能源技术实验室还专门创立了一个网站,及水中后会发生较快的微生物氧化作用(4-4],影响海时发布热冰1井试采研究的最新信息。尽管采用了水的化学性质。甲烷气体如果大量排入海水中,其大量先进的技术与设备,但热冰1井天然气水合物氧化作用会消耗海水中大量的氧气,使海洋形成缺试采研究却没有达到预期的目标。该井设计井深为氧环境，从而对海洋微生物的生长发育带来危700 m(2 300英尺),但直至钻井结束也未发现天然1害4143]。②进入海水中的甲烷量如果特别大，则还气水合物层。在约380 m(1 250英尺)处钻遇永冻可能造成海水汽化和海啸,甚至会产生海水动荡和层底部,钻至设计深度时已超过预期天然气水合物气流负压卷吸作用,严重危害海面作业甚至海域航稳定带基底90 m(300英尺),在预期存在天然气水空作业[45]。合物的多孔砂岩层中发现了游离气[37]。(2)开采过程中天然气水合物的分解还会产生大麦索亚哈气田天然气水合物藏是截至目前进行量的水,释放岩层孔隙空间,使天然气水合物赋存区天然气水合物商业性开采的唯- -特例,这是由该气地层的固结性变差,引发地质灾变[142]。海洋天然气田天然气水合物藏的特殊性质所决定的。首先该气水合物的分解则可能导致海底滑塌事件13839]。近年田中的天然气水合物藏位于天然气水合物温压平衡的研究发现，因海底天然气水合物分解而导致陆坡区带边界附近,只需要较小的压降就可打破天然气水稳定性降低是海底滑塌事件产生的重要原因[404.416。合物藏的压力平衡,从而保证了天然气水合物藏的钻井过程中如果引起天然气水合物大量分解,还可能减压开采具有经济可行性;其次该气田是一常规气导致钻井变形,加大海上钻井平台的风险101。田,天然气水合物藏下方存在大量天然气,能够通过(3)如何在天然气水合物开采中对天然气水合直接开采常规天然气来降低天然气水合物藏的压物分解所产生的水进行处理,也是一个应该引起重力,促使天然气水合物的分解。Mallik 地区天然气视的问题。水合物试采研究项目虽然成功地从天然气水合物层中采出了天然气,但远没有证明其天然气水合物开4结论与启示采的可持续性、最终产气量以及经济可行性。阿拉斯加北部斜坡区的开采试验更是因没有发现天然气作为--种极具潜力的未来清洁能源，天然气水第1期吴传芝等:天然气水合物开采研究现状1合物研究尤其是开采研究对于未来能源具有重要的[9]方银霞，金翔龙 ,黎明碧.天然气水合物的勘探与开发技术[J]. .中国海洋平台,2002,17(2);11-15.战略意义，因此,天然气水合物开采研究获得了空前[10]陈会鑫.天然气水合物勘探与开发研究进展[J].当代石油石重视。在开采技术方面,传统的热激发开采法与减化，2003,11(8);33- -36.压开采法得到了不断完善，一些新的开采思路如[11] 李栋梁,樊栓狮.微波作用下天然气水合物分解的研究及应用CO2置换法与固体开采法正处于积极研究之中;在[].化工进展,2003,22(3) :280- 282.开采研究实践方面,已开展了冻土区天然气水合物[12]刘士鑫,郭平,杜建芬，天然气水合物气田开发技术进展[J].天试采研究,积累了一些经验性的认识。然气工业,2005.25(3):121- 123.试采研究是天然气水合物走向商业开采的关键[13]张志杰,于兴河,郑秀娟.等天然气水合物的开采技术及其应用[J].天然气工业,2005 ,25(4);128- 130. :环节。已进行的试采研究集中于陆上冻土区，与海[14]李登伟,张烈辉,郭了萍,等.微波开采天然气水合物气藏技术域环境相比,冻土区的天然气水合物赋存于较低的[J].特种油气藏,2005,12(6);1-2.7.温压条件下,在开采工艺与作业施工方面都更适于[15] Recovery from methane hydrate ( production) [ EB/OL]. ht-开采研究。我国青藏高原等地的多年冻土层具有天tp:// www. mh2]japan. gr. jp/ english/ mh/ 06scisan. html.2002,然气水合物成藏条件[47-48],应积极加强冻土区天然[16] Ohgaki K.Takano K,Sangawe T H,et al. Methane expoitation气水合物的勘探,掌握天然气水合物的分布规律、赋by carbon dioxide from gas bydrates: Phase equilibria for CO2-存状态、资源潜量等相关信息,为实施我国天然气水CH4 mixed hydrate system[J]. J. Chem, Eng. Japan, 1996,合物试采研究创造条件。29(3); 478- 483.天然气水合物开采研究需要多学科高端科学技[17] Nakano s, Yamamoto K,Ohgaki K. Natural gas exploitation bycarbon dioxide from gas bhydrate fields: High-pressure phase e-术和巨大的资金投入作为后盾,需要多机构联合攻quilibrium for an ethane hydrate system[J]. Proc. Instn.关。我国在天然气水合物研究方面起步较晚,对天Mech. Engrs. ,1998, 212; 159- 163.然气水合物进行试采研究更应充分考虑多机构合[18] Smith D H, Seshadri K, Wilder J w. Assessing the thermody-作,利用多渠道资金,吸收国外天然气水合物开采的namic feasibility of the conversion of methane hydrate into car-技术与经验,进行联合攻关。bon dioxide hydrate in porous media[ EB/OL]. ww. netl. doe.gov/events/01 conferences/ carseq/ carbseq01. html. 2001.环境效应是天然气水合物开采研究中不能忽视[19] Lee H, Holder G D. Methane hydrates potential as a future en-的问题。天然气水合物开采研究中应对甲烷的排放ergy souree[J]. 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Research Institule of Petroleum Ex plorationand Production, SINOPEC, Beijing 100083 ,China;3. West Branch of Research Institute ofPetroleum Ex ploration and Production, SINOPEC ,Urumqi 830011 ,China)Abstract:In the constant research in the basic areas of natural gas hydrate, the research in the productionhas been unprecedentedly active. The past decades have witnessed the constant improvement of conven-tional production methods, such as thermal stimulation, depressurization and inhibitor injection, and thedevelopment of some new production methods, such as CO2 swapping and solid hydrate collecing. In addi-tion, some new production devices, for oceanic gas hydrate production, including a hydraulic lifting sys-tem, have been developed recently, and several production tests have been conducted in the arctic perma-frost areas. This paper provides the current situation of the conventional and newly developed methods fornatural gas hydrate production, analyzes the environmental issues possibly involved in the production re-search of gas hydrate, and presents the newest advances in this research field. At the same time it summa-rizes the experience and knowledge gained in this field, and emphasizes the enlightenment from foreignproduction research in the same field.Key words: gas hydrate; production technique; production test; Messoyakha field; Mallik area