钻采天然气水合物的初步设想

探矿工程(岩土钻掘工程)2010年第37卷第10期钻采天然气水合物的初步设想姚彤宝,周兢,李生红(中国煤炭地质总局,北京100039)摘要:天然气水合物在一定温度压力条件下能以固体形式存在,但由于其特殊的热物理力学性质,难以像开采其它固体矿产资源的“矿山”型式来开发。在现有技术条件下,钻探技术是解决开采天然气水合物的技术经济可行和避免可能由开采带来的环境问题的关键。鉴于通过钻探手段将天然气水合物在地下转化为可控的资源而后开采的现实提出了采用化学浆液注入和降压相结合的开采模式。关键词:大然气水合物;钻探;开采;化学注浆;降压中图分类号:TD87;F634文献标识码:A文章编号:1672-7428(2010)10-0022-04Drilling and Exploitation of Gas Hydrate/YAO Tong-bao, ZHOU Jing, L Sheng-hong( China National Administrationof Coal Geology, Beijing 100039, China)Abstract: Gas hydrate can exist in certain temperature and pressure conditions as solid form, but because of its specialthermal physical and mechanical properties, it is impossible lo be developed with"mining"type like other solid mineral re-sources. Under the present condition, drilling technology is the key for the exploitation of gas hydrate; it is economicallyfeasible and can avoid the environmental problems that might be brought by mining, Based on the situation that gas hydratewas converted to the controlled resource underground before mining, mining mode combining chemical grout injection withdepression was proposedKey words: gas hydrate; drilling: exploitation; chemical grout injection; depression天然气水合物资源在全球分布极广,且数量巨主要是通过CH4的释放来实现,但这也可能是造成大,已被公认为是21世纪最理想和最具开发前景的灾难的原因。一方面,由于CH4在大气层中产生的非常规的新能源。现有成果表明,天然气水合物既温室效应是CO2的20倍这种温室效应会使两极冰可形成于低温、高压环境下的海洋沉积物中,也可形层全部融化,大片陆地将会淹没大气环境也会改变成于大陆上的永久冻土带中2。天然气水合物晶甚至被完全破坏并有引发生物灭绝的可能。另体主要以客体形式充填于沉积层的孔隙之中,它的方面由于天然气水合物的分解所产生的大量气体形成和聚集受控于温度、压力、孔隙水成分和气源等和水的作用,使局部地质应力场改变,从而诱发严重四个主要因素14)。尽管天然气水合物在一定温地质灾害07度压力条件下能以固体形式存在,但由于其具有常正是出于对天然气水合物勘探、开发潜在风险温常压下不稳定易分解出大量气体和少量液态水的的担心,世界各国对于能否把天然气水合物作为未特性,难以象开采其它固体矿产资源一样的“矿山”来能源的态度都是谨慎的。其实,环境问题反映的型式来开发。在当前技术条件下,只能通过钻探技仍是技术问题。一旦技术成熟,能够极大的降低带术,将其在地下转化为可控的资源而实现开采的目来环境问题的可能,天然气水合物开采就将水到渠的成。我国虽已在南海海槽和青海木里地区获得了天然气水合物的实物样品,但对于实质性商业开发,还1钻探技术对于天然气水合物勘探开发的作用需要大量的研究工作。由于1个单位体积的水合物分解后可产生164由于能直观、真实、有效地揭露水合物赋存状个单位体积的CH气,如果在勘探开发过程中任何态,并为水合物的生成、运移等研究提供通道,钻探一个环节的失误而不能有效控制其温压条件,将可技术成为国内外天然气水合物勘查与研究的必要手能会带来严重的环境问题。这也是当前针对天然气段之一。钻探取样不仅是揭示水合物储藏条件水合物开采讨论的焦点。因为天然气水合物的开发最直接的手段,而且也是计算储量和制定开发方案收稿日期:2010-09-10作者简介:姚形宝(1980-)男(汉族),河南南阳人,中国煤炭地质总局工程师地质工程专业博士从事钻探技术研究与项目管理工作北京巾丰台区靛厂路299号,oblog@163.com。2010年第37卷第10期探矿工程(岩土钻掘工程)23的重要依据。国外已通过试采天然气水合物积累了过程实质是一个减压的过程,因此,减压法最大的优丰富的经验使得未来开采天然气水合物成为可能,势便是不需要连续激发,但它对天然气水合物藏的但核心技术仍只被少数几个国家或机构掌握。刘广性质有特殊的要求,只有当天然气水合物处于温压志院士曾指出,开发天然气水合物钻探设备工艺是平衡临界条件下时减压开采法的效能才最大。关键。而且,现有主要天然气水合物开采方法都化学试剂注入开采法是通过钻孔向储层中注入与钻探技术紧密相关。从这个角度来看,只有钻探盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化学试剂,打破天然气水合物从技术上获得突破,才能破解我国天原有平衡,致使天然气水合物分解,从而达到开采的然气水合物开采这一技术难题,才有可能通过技术目的。在研究天然气水合物分解的过程中,发现部手段来解决或避免可能由开采带来的环境问题。分化学试剂能够改变其相平衡条件,从而提出该办法。它主要是通过降低天然气水合物的平衡温度2天然气水合物开采技术现状促使其在原平衡温度下分解。因此,这种方法可被天然气水合物特殊的热物理力学性质决定其只认为是特殊的热激发开采法。相应地,化学试剂注能在一定的温压条件下存在,一旦它赋存的温度压开采法的效率也较低,且随着开采后“空腔”范围力条件变化,各组份的相平衡就会被破坏,从而导致的增大,该方法的效率将明显降低。分解。从天然气水合物被发现可作为资源以来,人研究发现,CO2与CH4的水合物均为结构I型类都畅想加以利用。正是基于对天然气水合物热物且CO2与H2O的化学亲和力大于CH4与H2O之间理力学特性的认识传统的天然气水合物开采技术的亲和力;在一定温压条件下,天然气水合物虽会分就是通过人为打破天然气水合物稳定存在的温度压解而CO2水合物则易于形成并保持稳定。因力条件,使蕴藏在沉积物中的天然气水合物分解然此研究者提出用CO2置换天然气水合物中CH4的后再将分解产生的天然气采至地面。人们最初设想设想。室内实验证明,由注入井连续不断地注人通过加热或减压的方法实现天然气水合物的开采,CO2,由采出井不断的抽出CH4,可实现连续化生随着研究的深入,又提出了通过添加化学试剂改变产。然而,这种置换需要在一定压力条件下进天然气水合物平衡条件实现开采的设想部分学者行,反应条件相对苛刻,而且反应速率极低,因此,该还建议用CO2将天然气水合物中的烃类物质置换出方法目前仍停留在理论研究阶段。来的方法来实现开采。总的来看,现阶段天然气水另外,国内外也有研究者提出直接采集海底固合物开采技术可以分为热激发开采减压开采化学态天然气水合物,或将天然气水合物装入一种可膨试剂注入开采和CO2置换等方法0:12l。胀的软式气袋(其内部保持天然气水合物稳定所需热激发开采法的原理是通过提高天然气水合物的温压条件)中,再拖至浅水区进行控制性分解。的储层温度,打破它的平衡条件促使其分解,从而实这种方法被称为固体开采方法,国内称之为水力提现开采的目的。这种方法主要利用钻探技术在天然升法0。它主要是基于避免采取CH等气体的过气水合物稳定层中安装管道对含天然气水合物的程中管道因生成天然气水合物导致管塞等问题。但地层进行加热,破坏天然气水合物的平衡条件,致使它对设备的要求较高,当前技术条件限制了其可行其分解再用管道收集析出的天然气。根据加热的性。方式,又可分为热流注入加热、火驱法加热、井下电截止目前,全球范围内都还没有真正意义上地磁加热和微波加热等方法。热激发开采法可实开采天然气水合物,仅在西西伯利亚的麦索亚哈气现循环注热,通过控制加热的温度能够控制水合物田、阿拉斯加北部斜坡区和加拿大西北部麦肯齐三的分解速度,但该方法热损失大,效率低。特别是在角洲等3个地区进行了天然气水合物试采研究。麦永久冻土区,即使利用绝热管,永冻层也会降低传递索亚哈气田的天然气水合物是因开采天然气水合物给储层的有效热量)。藏之下的常规天然气,使天然气水合物储层压力降减压开采法则是通过降低或卸掉天然气水合物低,引起天然气水合物发生分解而无意中开采到的。所处的地层压力打破原有平衡条件促使其分解,进减压开采法正是由这一“无意之举”而提出。其它而实现开采的目的。一般是通过低密度泥浆钻井或两个地区的试采试验都是为了相关国家或研究机构通过钻探常规型式油气井后泵出天然气水合物层下尽快掌握天然气水合物开采的核心技术,并验证天方的游离气或其他流体实现减压目的。由于开采的然气水合物开采技术可行性而进行的。探矿工程(岩土钻掘工程)2010年第37卷第10期3钻采天然气水合物的初步设想开采和化学试剂注入两种方法简单有效,热激发方事实上,天然气水合物只有在一定压力条件下法其次,化学试剂注入方法效率最低。而且,可以肯才在自然状态下存在,其晶体主要以客体形式充填定的是,上述开采方法都是基于破坏天然气水合物于沉积层的孔隙之中。尽管沉积层原有孔隙率可能平衡条件而提出的。但天然气水合物的平衡条件包较大但在外界压力下,以及水合物生产过程中结晶含诸多因素因此这些开采方法的原理并不只是孤膨胀作用,自然状态下含有天然气水合物晶体的沉立地认为是由单一因素的改变引起的,而是平衡条积层将变得较为致密地层的渗透性则相应较差致件复杂地、动态地、系统地变化的过程所引起天然气使能量传递缓慢。这可能正是引起热激发开采、减水合物分解的结果。换句话说,上述开采方法引起压开采化学试剂注入开采和CO2置换等方法效率天然气水合物分解的过程是一个综合的、系统的结较低的主要原因。提高天然气水合物的开采效率,果。因此,从某种层面来看采用单一开采方法是不就需要人为地增加天然气水合物晶体与介质或能量经济的,只有将不同方法的优点综合起来才能达到接触(交换)的表面积。但天然气水合物储层或矿天然气水合物有效开采的目的藏作为地下的客观存在,其物理性质基本不变,增加基于此,笔者认为,只有立足天然气水合物热物接触面积就须借助其它手段实现。而钻探技术正是理化学特性,深入研究并掌握天然气水合物的形成当前深部地下空间连通的主要手段,也使得增加上与分解的热动力学机制,在能够准确地判析温度、压述接触面积成为可能力等因素对天然气水合物分解的影响作用和影响程此外,天然气水合物作为资源,其开采就必须要度的前提下,才能找寻到真正意义上切实可行的开考虑技术可行性、经济可行性和社会环境效应。也采方法。以前天然气水合物实物样品难于在通常就是说,即使开采天然气水合物的技术是可行的但条件下得到,对其研究主要建立在实验室基础上,由其经济或社会环境不可行,也是不适宜开采的。反于实验室条件与实际自然状况差别较大,致使实验之,亦然。尽管经济可行性与资源的客观情况也紧室所得到的结论不能够与实际情况完全吻合。笔者密相关但从广义上讲技术可行性包含着其它两个也在模拟研究天然气水合物分解的过程中发现,在方面,即开采天然气水合物的技术方案如果真正可较低温度范围内保持CH4水合物不分解所需的压行,其它两个层面很也应可行。如前所述,天然气水力与温度呈现近线性趋势降低温度比提高压力更合物资源难以如同开采其它固体矿产资源的“矿有利于抑制甲烷水合物分解。当下,我国已在南海山”型式来开发,只能将其先在地下转化为可控的海槽和青海木里地区勘探到天然气水合物实物,这资源再通过采取转化后的资源从而实现开采的目将为国内全方位研究天然气水合物勘探开发提供良的。钻探成井是当前条件下开采天然气水合物的基好的“试验田”,也将促进我国研究开采天然气水合本条件,也是开采技术是否可行的关键因素。但无物的水平。论采用何种方法来开采天然气水合物,都需要通过由于冻土带内天然气水合物与海底天然气水合钻探出如同常规油气井一样的天然气水合物开采物相比埋深较浅、赋存的温压条件较低,且陆地勘探井,特别是对于CO2置换开采法则需要通过一对井开发比海域在开采工艺与作业施工方面更为成熟和来实现。因此钻探成井是天然气水合物开采的关易实现,仅从安全的角度考虑,天然气水合物键技术之一,成井的质量也决定着开采方法的成败,的开采应经由陆地冻土区向海域逐步发展的过程。钻采方案相应成为研究天然气水合物开采的重点。正因为此,青海木里永冻区天然气水合物的发现对就天然气水合物开采型式而言,与岩盐的开采我国天然气水合物向实质性开采具有重要的意义。和煤层气、页岩气的开发基本相同,与水驱采油法也那么,如何开采永冻区天然气水合物呢?笔者认为,有相似之处。因此,岩盐等资源的开采方案对天然可采用化学浆液注入和降压相结合的模式。它工作气水合物开采从型式上具有一定的借鉴意义。即可及实现开采的原理主要包括:首先利用对接井技术,通过定向钻井技术、对接井技术大水平位移井技术分别钻出注入井和采气井,使它们在已证实的天然和丛式井技术等钻探手段提供开采天然气水合物的气水合物储层内导通;然后用管子将配置好的常温通道。虽然已开展的3个试采项目都是在单井眼的(或其以上)化学浆液和注入井采气井连接成闭合条件下进行的,这很可能是因为它们仅为验证开采回路;最后通过采气井泵出浆液并分离采集气体方法是否可行。试开采也证明,减压开采比热激发当然,上述方法各个环节的具体参数应根据储层的2010年第37卷第10期探矿工程(岩土钻掘工程)性质决定,从而实现有效开采天然气水合物资源的开采技术开采工艺、开采面临的环境问题等方面做目的。俄罗斯学者提出的运用双井筒大水平距定向了大量工作,并在冻土区进行了天然气水合物开采对接智能井钻井技术,采用核废料产生的热量来试验。我国永冻带和海域面积巨大,天然气水合物开采天然气水合物的方法也能佐证上述开采模式是空间上赋存的可能性极大。随着我国天然气水合物可行的的查证工作的展开,尤其是冻土地区天然气水合物当然,在目前技术条件下,必须对天然气水合物的发现将会提供更宽广的天然气水合物研究平台,的钻采持谨慎态度,刚刚发生的墨西哥湾漏油事件也有利于提升国内在该领域的研究水平。但需承就是最好的警示。只有天然气水合物开采和配套安认,国内研究天然气水合物起步较晚还需要在研究全技术完善提高之后经过一段时间充分的生产试中充分吸收国外天然气水合物开采的技术与经验验之后,才能投入实际生产并通过联合共同攻克相关核心技术,以期早日实现工业化开采天然气水合物这一愿望。4结论与展望面对经济社会巨大的“减排压力作为一种极参考文献:具潜力的未来清洁能源,天然气水合物的开采研究1]蒋国盛王达汤风林天然气水合物的勘探与开发[M]湖北对于未来能源具有重要的战略意义,但欲将天然气武汉:中国地质大学出版社,2002[2]张洪涛张海启祝有海中国天然气水合物调查研究现状及水合物作为真正意义上的资源,其开采就必须解决其进展[]中国地质,2007,34(6):953-961其技术、经济可行和可能带来的社会环境效应。现[3] George J. cordis,廉抗利译天然气水合物走向生产;现状技阶段提出的热激发开采减压开采、化学试剂注入开术和潜力门]石油科技动态,200(5):74-78采和CO2置换等开采天然气水合物的方法仍非完4]smED. Clathrate hydrates of natural gases[ M].NewYork;善,尚需要深入研究天然气水合物的形成与分解的5] Buffett b a. Clathrate hydrates[ J]. Annu Rev Earth Planet Sci热动力学机制准确掌握温度、压力等因素对天然气水合物平衡的影响作用,从而找寻到真正意义上切[6]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):1-15实可行的开采方法。[7]于晓果李家彪天然气水合物分解及其生态环境效应研究进钻探技术是天然气水合物勘查与研究的必要手展[刀]地球科学进展2004,19(6):947-954段之一,也是计算储量和制定开发方案的重要依据。[8]许俊良薄万顺朱杰然天然气水合物钻探取心关键技术研究进展[J].石油钻探技术,2008,36(5):32-36国外试采天然气水合物的经验表明,开采天然气水[9]刘广志天然气水合物开发的现状和商业化的技术关键[]合物的关键技术包括钻探;只有钻探技术才能在当探矿工程,2003,(2):8-10.前技术条件下使开采天然气水合物成为可能。因101吴传芝赵克斌孙长青等天然气水合物开采研究现状[J]地质科技情报,2008,27(1):47-5此只有钻探天然气水合物从技术上获得重大突破,[1]妄青,许维秀,天然气水合物开采研究现状[J河南化工,才能保证开采天然气水合物的技术、经济可行,才有2008,25(6):10-12可能通过技术手段来解决或避免可能由开采带来的2张志杰,于兴河郑秀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):128-1390.环境问题。[13] Ohgaki K, Takano K. Sangawe T H, et al. Methane exploitation基于上述分析,笔者提出利用对接井技术,分别by carbon dioxide from gas hydrates: Phase equilibria for CO2钻出注入井和采气井并使它们在天然气水合物储层CH mixed hydrate system[J]. J. Chem. Eng. Japan, 1996, 29(3):478-48内连通由注入井下注人化学浆液并通过采气井分(14]陈多福,王茂春夏斌青藏高原冻土带天然气水合物的形成离并收集天然气水合物分解的烃类气体的开采方条件与分布预测[.地球物理学报,2005,48(1):165-172.案。但鉴于刚刚发生的墨西哥湾漏油事件的教训,[15果自成,吕新彪王造成青藏高原多年冻土区天然气水合物的形成及地球化学勘查[J]地质科技情报,2006,25(4):9应谨慎对待钻采天然气水合物。毫无疑问,天然气水合物的开采引起了全球很[16】汤凤林蒋国盛 K.E. SacHI利用双井筒大水平距对接井多国家的重视特别是自20世纪90年代以来,研究钻井技术热力开采天然气水合物[冂].探矿工程,2010,37者们明显加快了天然气水合物开采研究的步伐,在(3):1-4.