天然气水合物开采方法研究

IssN1005-2763矿业研究与开发第27卷第3期2007年6月CN43-1215/TDMiNING R&d. vol 27. No. 3Jun.2007天然气水合物开采方法研究赵建忠,石定贤(太原理工大学采矿工艺研究所,山西太原03002摘要:天然气水合物是蕴藏于海洋深水底和大陆架永久冰天然气水合物固然给人类带来了新的能源希土带的碳氢化合物,可能成为人类的重要能源来源之一。综望,但它也可对全球气候和生态环境甚至人类的生合论迷了目前可能采用的可行开采方法,通过对Mlik地区存环境造成严重的威胁。当前大气中的二氧化碳气的开采试验,分析提出了以水力压裂开采水合物的可行性方法,对我国宏观能源可持续发展具有重要理论意义和广阃的以每年0.3%的速率在增加,而大气中的甲烷气却应用前景。以每年0.9%的速率在更为迅速地增加。更为重要关键词:天然气水合物;开采方法;水力压裂的是,甲烷气的温室效应为二氧化碳气温室效应的中图分类号:P44.4,TD857文献标识码:A20倍。全球海底天然气水合物中的甲烷总量约为文章编号:1005-2763(2007)03-0032-03地球大气中甲烷量的3000倍,这些甲烷气如果释放,将对全球环境产生巨大的影响,严重地影响全球Study on Exploiting Method of Natural Gas HydratesZhao Jianzhong, Shi Dingxian的气候与海平面。另外,固结在海底沉积物中的水Institute of Mining Technology, Taiyuan University of合物,一旦条件发生变化,释出甲烷气,将会明显改Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, Chin变海底沉积物的物理性质。其后果是降低海底沉积Abstract: The natural gas hydrates is hydrocarbon that is con物的工程力学特性引发大规模的海底滑坡毁坏海tained in the sea bottom and the permafrost of continental she底输电或通信电缆、海洋石油钻井平台等重要工程设施,甚至造成雪崩式的大规模海底滑坡,并使大量of natural gas hydrates at present, provides hydraulic fract的甲烷气逸散到大气中,造成极大的灾难与经济损technology for the exploitation of natural gas hydrates through an- s oalyzing the exploiting experiment of naturralydrates made inMallik area. it is of great theoretic significance for Chinas sus1目前提出的开采方法tainable天然气水合物开采的思路基本上是首先将蕴藏cision-making, and it has also a wide application prospectKey Words: Natural gas hydrates, Exploiting method, Hydrau于沉积物中的天然气水合物偏离相平衡条件进行分解,然后加以利用,由于难度较大,迄今没有形成较天然气水合物( gas hydrate))是一种白色固体结为理想的开采方案。晶物质,外形像冰,有极强的燃烧力,1体积的水合1.1减压法3物分解可释放出160~200体积的天然气。世界上通过降低压力而使天然气水合物稳定的相平衡绝大部分的天然气水合物分布在海洋里,储存在特曲线移动,从而达到促使水合物分解的目的。一般定的海底沉积物中,只有极其少数的天然气水合物是在水合物层之下的游离气聚集层中“降低”天然是分布在常年冰冻的陆地上1l地层中已探明的气压力或形成一个天然气空腔(可由热激发或化学天然气水合物贮量相当于全球传统化石能源(煤、试剂作用人为形成),使与天然气接触的水合物变石油天然气与油页岩等)贮量的2倍左右,总资源得不稳定并且分解为天然气和水。开采水合物层之量约为(118~21)×103m3。下低储压十的一种有效方法,另外中国煤化工收稿日期:CNMHG赵建忠,等:天然气水合物开采方法研究33通过调节天然气的提取速度可以达到控制储层压力也有人提出直接在井底放一个高温催化炉,把的目的,进而达到控制水合物分解的效果。减压法甲烷催化成一氧化碳和氢气,利用放出的热量来分最大的特点是不需要昂贵的连续激发,因而其可能解水合物,该方案的化学反应方程式为成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之2CH4+O2+2CO+4H2但是,单使用减压法开采天然气是很慢的,是一从以上各方法的使用来看,单单采用某一种方种弱化被动式开采。法来开采天然气水合物是不经济的,只有结合不同1.2热激法方法的优点才能达到对水合物的有效开采。例如将将蒸汽、热水、热盐水或其它热流体从地面泵入降压法和热开采技术结合使用,即先用热激发法分水合物地层,也可采用开采重油时使用的火驱法,总解天然气水合物,后用降压法提取游离气体。称为热激发法。热开采技术的主要不足是会造成2 Mallik地区的试采实验之只要能促使温度上升达到水合物分解的方法都可量的热损失,效率很低。特别是在永久冻土区,即使由热衷于开发这种可能的替代能源的日本主利用绝热管道,永冻层也会降低传递给储层的有效导,一个由石油公司和政府机构组成的团体开展了热量。为期16a的研究,其目标是在2010年前确定水合在热刺激模型中,水合物产生的热传导控制技物是否能成为一种资源。1998年,研究人员在加拿术有两种大西北部的北极圈地区钻了第一口试验井;2002年(1)用热水或蒸汽循环注入预热井。通过数值第一季度,承担此计划的团体在经过组织扩充后,开实验表明:水合物的储层最小应有15%的孔隙度,展了2002年Mlik天然气水合物生产研究井计划,厚度应有7.5cm。如果注射液的温度为340K~该计划包括钻一个垂直深度为178m的主要生产395K之间,则可满足其经济可行性的需要。井和两个与主井相距50m的观察井,全方位的野外(2)利用电磁或微波等直接加热。为了更有效试验监视了天然气水合物矿床对减压和热激化的物利用热能,可在井下安装加热装置,设备较复杂,也理反应。在几次试生产期间,可以通过两个观察井可利用微波加热,通过波导将微波导入井底,直接加进行跨孔层析成像试验,试验中使用了裸眼井测井热水合物或水。和先进的天然气水合物测井仪等大量先进技术,并1.3抑制剂法连续从水合物层段中回收钢绳岩心。日本、德国、加某些化学试剂,诸如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、拿大、印度和美国的政府机构是此次试生产的参与丙三醇等化学试剂可以改变水合物形成的相平衡条者,日本石油勘查公司的加拿大分部负责施工,加拿件降低水合物稳定温度。当将上述化学试剂从井大地质调查局鱼责整个科学计划的协调工作。孔泵注入后,就会引起水合物的分解。化学试剂法2003年12月,在日本千叶城举行的题为“从较热激发法作用缓慢,但确有降低初始能源输入的Mlik到未来”的研讨会上,公布了人们期待已久的优点。化学试剂法最大的缺点是开采成本高。由于关于2002年 Mallik研究计划的资料。根据这些资大洋中水合物的压力较高,因而不宜采用此方法。料,水合物变成真正资源的可能性增大了。在专家化学试剂法曾被在俄罗斯的梅索雅哈气田使用过,建议的3种最普通的生产水合物方法中,减压法在例如:在五口气井中注射了抑制剂,结果使气体的把水合物转化成气和水方面比另外两种方法简单得平均产量增加了4倍。在美国阿拉斯加的永冻层水多。把热水或热流注入地层的方法在其次,把诸如合物中也做过实验,它在成功的移动相边界方面显甲醇这样的化学物质注入地层的方法居末位。3次得有效,获得明显的气体回收短期减压试验的结果表明,只使用这一种方法就可1.4其它方法以从不同浓度和特性的天然气水合物中生产出天然近期有学者提出用CO2置换开采,用压力将相气。试验得出的数据支持了这样的解释,即天然气平衡压力较低,更容易形成水合物的CO2通入天然水合V凵中国煤化工的流动性都大超气水合物储层,通过形成二氧化碳水合物放出的热出过CNMHG现对储集层进行人量来分解天然气水合物同时可以用来处理工业排工破碎,可以大大增加大然气的产量。Mlik研究放的CO201计划的数据还显示出天然气水合物矿床中存在天然矿业研究与开发2007,27(3)裂隙,但这些裂隙也可能是人为的。一些证据表明,的综合热激法与减压法开采的新方法天然和扩张的裂隙可能是天然气的传输通道,试验井附近储集层中的天然气可能就是沿着这些裂隙传输的。此次试验还发现,如果同时使用这两种方法压力泵气水分离器则可获得更高的产量。注3水力压裂开采水合物的可行性水力压裂,其实质是在地面通过钻孔向地下被水合物储层压目的岩层注入一定量高压流体,在钻孔底部一定压裂区N范围内诱发人工裂缝,将目的岩层沿垂直于最小主应力方向压裂。该技术最初应用于地应力测量,通图2水力压裂开采水合物示意过观测记录分析水力压裂时间曲线,获得目标层位原岩地应力的大小和方向。1940年代将该技术引4讨论和展望人石油天然气工业,用于低渗透性难采储集层的激(1)在假设无能量损失的情况下,从水合物气化以提高石油天然气的采收率和产量。之后,该技体中获得的能量是分解水合物能量的15.5倍在有术又被用于干热岩体的地热开发与盐类矿床的开损失的情况下,该能量之差可能较小,因此如何对现釆。,并取得良好效果。海底水合物储层一般处于有的开采方案进行筛选和组合或者开发新的技术两不渗透岩层且水合物层具有一定的裂隙度利于寻找经济可行的开采方法将是一个非常重要的压裂,储层状态见图1。任务。海平面(2)通过Mlik地区的开采试验,裂隙的发展对水合物分解有重要影响,由此提出了利用温热海相平衡曲线水通过水力压裂开采水合物矿藏的方法,是一种强温度梯度化的综合热激法与减压法开采的新方法。参考文献[1 Sloan E D. Clathrate Hydrates of Nature Gases [M].New York不渗透岩层Marcel Dekker, Ine, 1998水合物层〔2]樊栓狮,梁德青,陈勇.天然气水合物资源开发现状及前水合物生成区景[J].天然气工业,2003,23(9):1-5[3] Chuang Ji, Goodarz Ahmadi, Duane H. Smith. Constant rate nat深不渗透岩层画ural gas production from a well in a hydrate reservoir [J]. EnergyConversion and Management, 2003, (44): 2403-2423图1天然气水合物储层示意[4] LI Shuxia, CHEN Yueming, DU Qingjun. Schemes of gas pro-水力压裂开采天然气水合物工艺利用浅层温度duction from natural gas hydrate [J]. Joumal of chemical Industryand engineering, 2003, 54( suppl ): 102-107相对较高的海水或在管路系统设置加热装置由高(5 Naval Goel, Michael wiggins, Subhash Shah. Analytical modelin压泵通过注水井注入水合物储层,在加热水合物储of gas recovery from in situ hydrates dissociation [J]. Joumal of层同时使其产生人为裂隙,为分解气体提供运移通Petroleum Science and Engineering, 2001, 29: 115-127道,产生的连通裂隙可以降低储层孔隙压力,从而达[6周锡堂,樊栓狮梁德青CO2置换开采天然气水合物研究进到高效开采水合物储层的目的;从生产井流出的气展[J化工进展,2006,25(5):524-527水两相流体经气水分离器分离后气体经加工后直接[7]祝有海,加拿大马更些冻土区天然气水合物试生产进展与展望[J]地球科学进展,2006,21(5):513-520运输,开采工艺见图2。这种方法通过人工控制增(8升,徐素国盐矿群井致裂控制水溶开采技术加储层裂隙,促进储层压力降低,同时温热海水提供中国煤化工25(4):7分解所需热量,可以认为水力压裂开采是一种强化CNMHG