天然气水合物开采技术研究

2011年第14期内蒙古石油化工天然气水合物开采技术研究范虎1,戴林2,马超群2,胡文庭(1.长江大学教育部油气资源与劫探技术重点实验室;2.长江大学研究生学院,湖北荆州434023)摘要:天然气水合物是蕴藏于海洋大陆架及陆地永久冰土带的碳氢化合物,作为21世纪石油天然气的理怒替代能源,受到人们的广泛关注。为此,本文简单阐逑了天然气水合物的基本特性,主要论述了天然气水合物的开采技术,分常规方法和非常规方法分别详细的介绍,提出了合理利用天然气水合物資源的建议。关键词:天然气水合物;开釆技术;水力压裂;高能气体压裂中图分类号:TE375文献标识码:A文章编号:1006-7981(2011)140095-03天然气水合物是20世纪发现的一种新型后备形成天然气水合物需具备四个条件:①温压条能源,是21世纪石油天然气的理想替代能源(。作件;②气源和水源条件;③沉积条件;④构造条件。它为一种新型能源,它具有清洁、能量密度高分布广、们决定了形成的天然气水合物储层的产状、分布规规模大、埋深浅、成藏物化条件好等特点。因而引律和气藏规模。起了国内外的广泛关注,最近几十年人们对天然气1.2.2天然气水合物成因类型水合物进行了大量的相关研究,其中,天然气水合物般根据甲烷的来源将天然气水合物中的甲烷的开采技术是人们最为关注的。成因分为生物成因和非生物成因,生物成因又可分1天然气水合物基本特性为微生物成因、热解成因、混合成因。利用碳氢化合1.1天然气水合物成分及结构物气体成分比值(R=C1/(C2+C3))和甲烷的同位天然气水合物是在一定条件下由以甲烷为主的素813C值来判别甲烷成因气态烃类物质(含少量CO2H2S等非烃分子)充填微生物成因甲烷的R值>1000,813C值为一或被東缚在笼状水分子结构中形成的非化学计量冰90‰~-55‰;热解成因甲烷的R值<100,其甲烷晶状化合物。无色透明,似冰,极易燃烧,故称为的813C值>-55‰;介于上述二者之间的甲烷为混“可燃冰”,其密度为0.905~0.91g/cm3,分子式为M合成因甲烷。nH2O,式中M表示“客体”分子,n表示水合系数。无机成因甲烷的碳同位素组成一般为-15‰~迄今发现的水合物结构有3种:I型、I型H型。I25‰到目前为止,世界上还没有找到无机成因的型结构的天然气水合物,其笼形构架中只能容纳一天然气水合物矿点,但并不能因此得出结论认为自些分子较小的碳氢化合物(如甲烷和乙烷)以及一些然界没有无机成因天然气水合物。非烃气体(如N2、CO2和H2S气体);I型结构的天然1.3天然气水合物分布气水合物的笼状格架较大,不但可以容纳甲烷与乙天然气水合物资源主要存在于世界范围内的沟烷,而且可以容纳较大的丙烷和异丁烷分子;H型结盆体系、陆坡体系、边缘海盆陆缘,尤其是与泥火山、构的天然气水合物具有最大的笼形格架,可以容纳热水活动盐泥底辟及大型断裂构造有关的深海盆分子直径大于异丁烷的有机气体分子地中,一般位于水深为300~4000m的海洋海底以1.2天然气水合物形成下0~1500m的松散沉积岩中,另外还包括高纬度1.2.1天然气水合物成因条件大陆地区永中国煤化工CNMHG收稿日期:2011-05-08作者筒介:苊虎(1985-)另,长江大学在读硕士生,現主要从事油藏工程方面的研究工作。96内蒙古石油化工2011年第14期2天然气水合物开采技术抑制剂,即动态抑制剂和防聚剂。化学试剂法的优点天然气水合物在地层储存环境下以固体状态存是方法简单,使用方便,缺点是作用速度慢,费用昂在,从气水合物中提取天然气的机理是打破天然气贵。水合物藏的相平衡,使其分解成水和天然气02.2非常规开采方法据其物理化学性质,可将天然气水合物的开采2.21CO2置换开采法技术分为常规方法和非常规方法,常规方法归纳成在一定的温度条件下,天然气水合物保持稳定三类:热激发法、降压法、化学试剂法。非常规方法主需要的压力比二氧化碳水合物更高,因此,在某一特要有:CO2置换开采法、压裂开采法、固体开采法定的压力范围内,天然气水合物会分解,而二氧化碳2.1常规开采方法水合物则易于形成并保持稳定。此时向天然气水合2.1.1热激发法物藏内注入二氧化碳气体,其可能与天然气水合物热采法是研究最多、最深入的开采技术。采用开分解出的水生成二氧化碳水合物,达到开采气体的采稠油使用的热驱法,将蒸汽、热水、热盐水从地面目的,而且通过形成二氧化碳水合物放出的热量可泵入水合物地层,也可采用火驱法或利用钻柱加热使天然气水合物的分解反应得以持续地进行下器,使天然气水合物矿藏温度上升,达到水合物分去0。该方法还可以处理工业排放的CO2,减小温室解。它的优点是见效快,缺点是会造成大量的热损效应。其中,使用CO2乳化液比使用液态(气态)CO2失,效率很低。更有利于置换过程的进行,提高天然气水合物开采近年出现的电磁加热法是一种有效的热采法。效率在垂直(或水平)井中沿井的延伸方向在紧邻水合物2.2.2压裂开采法带的上下(或水合物层内)放入不同的电极,再通以压裂开采技术包括水力压裂、高能气体压裂、爆交变电流使其生热直接对储层进行加热,储层受热炸压裂。是指向地下目的层注入高压流体,在钻孔底后压力降低,通过膨胀产生气体。该方法作用快,但部目的岩层沿垂直于最小主应力方向上产生人工裂是设备较复杂。缝,提供分解气体的运移通道,降低储层孔隙压力,微波加热法也是近几年出现的一种新热激发从生产井流出的气水两相流体经气水分离器分离出法。主要有加热、造缝和非热效应三大作用。微波对来的气体,经加工后输出。物质的介电热效应是通过离子迁移和极性分子的旋(1)水力压裂是向目的岩层注入高温海水产生转使分子运动来实现的。人工裂缝,同时加热水合物储层,从而分解气体。该2.1.2降压法方法不仅制造储层裂隙,促进储层压力降低,同时热通过钻探或其他途径在水合物层下的游离气聚海水提供分解所需热量1集层中“降低”游离气体聚集层位的压力或形成1个(2)高能气体压裂是利用火药或推进剂的燃烧,天然气空腔(可由热激发或化学试剂作用人为形产生脉冲加载并控制压力上升速度,使释放的大量成)引起相平衡曲线移动,使压力达到水合物的分高温高压气体作用于水合物储层岩石,产生沟通地解压力,那么界面附近的天然气水合物就可以转化层喉道和天然微裂缝的人工裂缝该方法工艺简便,为气体和水。另外通过调节天然气的开发速度可以周期短,对油层无污染。达到控制储层压力的目的,进而达到控制水合物分(3)爆炸压裂技术是引爆布置在井眼内的炸药解的效果。降压法的优点是不需要费用昂贵的连续利用炸药爆炸产生的巨大能量在井眼周围制造大量激发,成本低,缺点是速度慢。裂缝,从而达到改善热水合物储层物性,提高分解气2.1.3化学试剂法体井在地层的流动能力02。某些化学试剂,诸如盐水、甲醇,乙醇、乙二醇、2,2.3固体开采法丙三醇等可以改变水合物形成的相平衡条件,降低固体中国煤化工目采矿机把海底水合物稳定温度。当将上述化学试剂从井孔泵入后,的天然气CNMHG,拖至浅水区进由于化学剂的作用,水合物的相平衡被打破引起水行控制性初步分离然后利用水力提升系统将水合合物的分解近年来,国外正在开发两种新型水合物物提升到海平面由于温压平衡被打破将会分解出2011年第14期范虎等天然气水合物开采技术研究天然气。该方法后来演化为混合开采法或矿泥浆开[5]刘红,何青,等.天然气水合物的研究进展[采法,首先促使天然气水合物在原地分解为气液混上海地质,2007,94(2):11-15.合相采集混有气液固体水合物的混合泥浆然后[6] a strategy for methane hydrates将这种混合泥浆导入海面作业船或生产平台进行处research&developmen [J]. USDOE理,促使天然气水合物彻底分解,从而获取天然气。1998单纯采用某一种方法开采天然气水合物是不经[7] LI Shuxia, Chen Yueming Du Qingjun济的,只有结合不同方法的优点才能达到对水合物Schemes of gas production from natural gas的有效开采。比如高压热射流技术,将裂解降压法与hydrate [J]. Journalof chemical industryand热激法相结合的复合式开采。engineering,2003,54(8):102~107.3合理利用天然气水合物资源[8]李登伟,张烈辉,熊钰,等,微波开采天然气水天然气水合物具有双重性,既具有巨大的资源合物气藏技术[J].特种油气藏,2005,12(3):1价值,也具有严重的环境隐患,如果不合理开发利用,就可能产生一系列环境问题,如温室效应加剧、[9] Chuang J, i Goodarz Ahmad, i Duane海洋生态恶化以及海底滑塌等。所以,为了合理利用Smith. constant rate natural gas production天然气水合物资源,在对天然气水合物进行研究时,from a well in a hydrate reservoir[J].En也应了解其温压环境以及开采模式和保护措施,认ergy conversion and management, 2003,识其对气候和环境的影响,把天然气水合物的勘探(44):2403~2423.开发、利用作为一个完整的系统来研究,科学的进行[10]张志杰,于兴河,郑秀娟,等.天然气水合物的开发。开采技术及其应用[J].天然气工业,205,25[参考文献](4):128~130[1]周怀阳,彭小彤,叶瑛,天然气水合物[M].北[11]祝道平,宁正福.利用高能气体压裂技术开采京:海洋出版社,2000天然气水合物可行性分析[]重庆科技学院[2]姚永坚,黄永样,等.天然气水合物的形成条件学报(自然科学版),2009,11(3):37~40.及勘探现状[J].新疆石油地质,2007,28[12]徐鹛,程远方,等,爆炸压裂下围压对井壁破26):668-672碎效果的影响[].石油钻探技术,2009,37[3] Sloan E D. Clathrate hydrates of nature gas-(6):22~26.es[M]. New York: Marcel Dekker,inc,[13]窦斌,蒋国盛,吴翔,等.地面分解法开采海底1998.天然气水合物[J]天然气工业,2008,28(7):[4]蒋向明.天然气水合物的形成条件及成因分析123~125.[J].中国煤炭地质,2009,21(12):7-11Study on exploiting technology of naturalgashydrateFAN Hu, DAI Lin', MA Chao-qun',HU Wen-ting(1. MOE Key Laboratory of Oil& Gas Resources and Exploration TechnologyYangtze University, Jingzhou 434023, China2. College of Petroleum Engineering, Yangtze University, Jingzhou 434023, China)Abstract: the natural gas hydrate is hydrocarbon that is contained in the sea bottom and the permafrostof continental shelfand which is widely concerned by the people as the ideal alternative energy of oil and gasin 21st century. So, the article briefly describe basic characteristics of natural gas hydrate, discusses themain exploitation methods which divide conventional methods and y中国煤化 Z and provideuggestion which rational use natural gas hydrate resourcesCNMHGKey words: natural gas hydrates Exploiting technology Hydraulic fracturing high-energy gas fracturing