天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)研究

2011年第14期內蒙古石油化工95天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)研究范虎',戴林”,馬超群”,胡文庭2(1.長(cháng)江大學(xué)教育部油氣資源與勘探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室;2.長(cháng)江大學(xué)研究生學(xué)院,湖北荊州434023)滴要:天然氣水合物是蘊藏于海洋大陸架及陸地永久冰土帶的碳氫化合物,作為21世紀石油天然氣的理想替代能源,受到人們的廣泛關(guān)注。為此,本文簡(jiǎn)單闡述了天然氣水合物的基本特性,主要論述了天然氣水合物的開(kāi)采技術(shù),分常規方法和非常規方法分別詳細的介紹,提出了合理利用天然氣水合物資源的建議。關(guān)鍵詞:天然氣水合物;開(kāi)采技術(shù);水力壓裂;高能氣體壓裂中圖分類(lèi)號:TE375文獻標識碼:A文章編號:1006-7981 (2011)14-0095- -03天然氣水合物是20世紀發(fā)現的一一種新型后備形成天然氣水合物需具備四個(gè)條件:①溫壓條能源,是21世紀石油天然氣的理想替代能源[1。作件 ;②氣源和水源條件;③沉積條件;④構遣條件。它為一種新型能源,它具有清潔、能量密度高分布廣、們決定 了形成的天然氣水合物儲層的產(chǎn)狀、分布規規模大、埋深淺、成藏物化條件好等特點(diǎn)幻。因而引律和氣藏規模。起了國內外的廣泛關(guān)注,最近幾十年人們對天然氣1.2.2天然氣水合物成因類(lèi)型水合物進(jìn)行了大量的相關(guān)研究,其中,天然氣水合物一-般根據甲烷的來(lái)源將天然氣水合物中的甲烷的開(kāi)采技術(shù)是人們最為關(guān)注的。成因分為生物成因和非生物成因,生物成因又可分1天然氣水合物基本特性為微生物成因、熱解成因、混合成因。利用碳氫化合1.1.天然氣水合物成分及結構物氣體成分比值(R=C/(C2+C;))和甲烷的同位天然氣水合物是在一-定條件下由以甲烷為主的素813C值來(lái)判別甲烷成因[5]。氣態(tài)烴類(lèi)物質(zhì)(含少量CO2、H2S等非烴分子)充填微生物成因甲烷的R值> 1000,813C 值為一或被束縛在籠狀水分子結構中形成的非化學(xué)計量冰90%~-55%;熱解成因甲烷的R值<100,其甲烷，晶狀化合物田]。無(wú)色透明,似冰,極易燃燒，故稱(chēng)為的813C值> - 55%;介于上述二者之間的甲烷為混“可燃冰”,其密度為0.905~0.91g/cm8 ,分子式為M合成因甲烷?！駈H2O,式中M表示“客體”分子;n表示水合系數。無(wú)機成因甲烷的碳同位素組成一般為一15%o~迄今發(fā)現的水合物結構有3種: 1型、1型、H型。1- 25%o 。到目前為止,世界上還沒(méi)有找到無(wú)機成因的型結構的天然氣水合物,其籠形構架中只能容納一天然氣水合物礦點(diǎn),但并不能因此得出結論認為自些分子較小的碳氫化合物(如甲烷和乙烷)以及一些然界沒(méi)有無(wú)機成因天然氣水合物。非烴氣體(如N2、CO2和H2S氣體); I型結構的天然1.3 天然氣水合物分布氣水合物的籠狀格架較大,不但可以容納甲烷與乙天然氣水合物資源主要存在于世界范圍內的溝烷,而且可以容納較大的丙烷和異丁烷分子;H型結盆體系、陸坡體系、邊緣海盆陸緣,尤其是與泥火山、構的天然氣水合物具有最大的籠形格架,可以容納熱水活動(dòng)、鹽泥底辟及大型斷裂構造有關(guān)的深海盆分子直徑大于異丁烷的有機氣體分子0。地中,一般位于水深為300~4000m的海洋海底以1.2天然氣水合物形 成下0~1500m的松散沉積巖中,另外還包括高緯度1.2.1天然氣水 合物成因條件大陸地區永久凍土帶。收稿日期:2011-05-08作者簡(jiǎn)介:范虎(1985-)男,長(cháng)江大學(xué)在讀碩士生,現主要從事油藏工程方面的研究工作。96內蒙古石油化工2011年第14期2天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)抑制劑,即動(dòng)態(tài)抑制劑和防聚劑?；瘜W(xué)試劑法的優(yōu)點(diǎn)天然氣水合物在地層儲存環(huán)境下以固體狀態(tài)存是方法簡(jiǎn)單,使用方便,鋏點(diǎn)是作用速度慢,費用昂在,從氣水合物中提取天然氣的機理是打破天然氣貴。水合物藏的相平衡,使其分解成水和天然氣6。2.2非常規開(kāi)采方法據其物理化學(xué)性質(zhì)，可將天然氣水合物的開(kāi)采2.2.1 COi 置換開(kāi)采法技術(shù)分為常規方法和非常規方法,常規方法歸納成在一定的溫度條件下,天然氣水合物保持穩定三類(lèi):熱激發(fā)法、降壓法、化學(xué)試劑法.非常規方法主需要的壓力比二氧化碳水合物更高,因此,在某一特要有:CO2置換開(kāi)采法、壓裂開(kāi)采法、固體開(kāi)采法。定的壓力范圍內,天然氣水合物會(huì )分解,而二氧化碳2.1 常規開(kāi)采方法水合物則易于形成并保持穩定。此時(shí)向天然氣水合2.1.1熱激發(fā)法[0]物藏內注入二氧化碳氣體,其可能與天然氣水合物熱采法是研究最多、最深入的開(kāi)采技術(shù)。采用開(kāi)分解出的水生成二氧化碳水合物,達到開(kāi)采氣體的采稠油使用的熱驅法,將蒸汽、熱水、熱鹽水從地面目的,而且通過(guò)形成二氧化碳水合物放出的熱量可泵入水合物地層,也可采用火驅法或利用鉆柱加熱使天然氣水合物的分解反應得以持續地進(jìn)行下器,使天然氣水合物礦藏溫度上升,達到水合物分去[10]。該方法還可以處理工業(yè)排放的CO2,減小溫室解。它的優(yōu)點(diǎn)是見(jiàn)效快,缺點(diǎn)是會(huì )造成大量的熱損效應。其中,使用CO2乳化液比使用液態(tài)(氣態(tài))COz .失,效率很低。更有利于置換過(guò)程的進(jìn)行,提高天然氣水合物開(kāi)采近年出現的電磁加熱法是--種有效的熱采法。效率。在垂直(或水平)井中沿井的延伸方向在緊鄰水合物2.2.2壓裂開(kāi)采法帶的上下(或水合物層內)放入不同的電極,再通以壓裂開(kāi)采技術(shù)包括水力壓裂、高能氣體壓裂、爆交變電流使其生熱直接對儲層進(jìn)行加熱，儲層受熱炸壓裂。是指向地下目的層注入高壓流體,在鉆孔底后壓力降低,通過(guò)膨脹產(chǎn)生氣體.該方法作用快,但部目的巖層沿垂直于最小主應力方向上產(chǎn)生人工裂是設備較復雜?？p,提供分解氣體的運移通道,降低儲層孔隙壓力,微波加熱法也是近幾年出現的一種新熱激發(fā)從生產(chǎn)井流出的氣水兩相流體經(jīng)氣水分離器分離出法。主要有加熱、造縫和非熱效應三大作用。微波對來(lái)的氣體,經(jīng)加工后輸出。物質(zhì)的介電熱效應是通過(guò)離子遷移和極性分子的旋(1)水力壓裂是向目的巖層注入高溫海水產(chǎn)生轉使分子運動(dòng)來(lái)實(shí)現的0。人工裂縫;同時(shí)加熱水合物儲層,從而分解氣體。該2.1.2降壓法[明]方法不僅制造儲層裂隙,促進(jìn)儲層壓力降低,同時(shí)熱通過(guò)鉆探或其他途徑在水合物層下的游離氣聚海水提供分解所需熱量1]。集層中“降低”游離氣體聚集層位的壓力或形成1個(gè)(2)高能氣體壓裂是利用火藥或推進(jìn)劑的燃燒，天然氣空腔(可由熱激發(fā)或化學(xué)試劑作用人為形產(chǎn) 生脈沖加載并控制壓力上升速度,使釋放的大量成),引起相平衡曲線(xiàn)移動(dòng)，使壓力達到水合物的分高溫高壓氣體作用于水合物儲層巖石,產(chǎn)生溝通地解壓力,那么界面附近的天然氣水合物就可以轉化層喚道和天然微裂縫的人工裂縫。該方法工藝簡(jiǎn)便，為氣體和水。另外通過(guò)調節天然氣的開(kāi)發(fā)速度可以周期短,對油層無(wú)污染。達到控制儲層壓力的目的,進(jìn)而達到控制水合物分(3)爆炸壓裂技術(shù)是引爆布置在井眼內的炸藥，解的效果。降壓法的優(yōu)點(diǎn)是不需要費用昂貴的連續利用炸藥爆炸產(chǎn)生的巨大能量在井眼周?chē)圃齑罅考ぐl(fā),成本低,缺點(diǎn)是速度慢。裂縫,從而達到改善熱水合物儲層物性,提高分解氣2.1.3化學(xué) 試劑法體井在地層的流動(dòng)能力D2]。某些化學(xué)試劑,諸如鹽水、甲醇,乙醇、乙二醇、2.2.3固體開(kāi)采法[3丙三醇等可以改變水合物形成的相平衡條件,降低固體開(kāi)采法也稱(chēng)水力提升法,用采礦機把海底水合物穩定溫度。當將上述化學(xué)試劑從井孔泵入后，的天然氣水合物以固體的形式采出，拖至淺水區進(jìn)由于化學(xué)劑的作用,水合物的相平衡被打破,引起水行控制性初步 分離,然后利用水力提升系統將水合合物的分解。近年來(lái),國外正在開(kāi)發(fā)兩種新型水合物物提升到海平面,由于溫壓平衡被打破,將會(huì )分解出2011年第14期范虎等天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)研究天然氣。該方法后來(lái)演化為混合開(kāi)采法或礦泥漿開(kāi)[5] 劉紅,何青,等.天然氣水合物的研究進(jìn)展[J].采法,首先促使天然氣水合物在原地分解為氣液混上海地質(zhì),2007,94(2):11-15.合相,采集混有氣、液、固體水合物的混合泥漿,然后[ 6]A strategy for methane hydrates將這種混合泥漿導入海面作業(yè)船或生產(chǎn)平臺進(jìn)行處research&developmen [J ]. USDOE,理,促使天然氣水合物徹底分解，從而獲取天然氣。1998.單純采用某一種方法開(kāi)采天然氣水合物是不經(jīng)[7] LI Shuxia, CHEN Yueming DU Qingjun.濟的,只有結合不同方法的優(yōu)點(diǎn)才能達到對水合物Schemes of gas production from natural gas的有效開(kāi)采.比如高壓熱射流技術(shù),將裂解降壓法與hydrate [J]. Journalof chemical industryand熱激法相結合的復合式開(kāi)采。engineering, 2003,54(8): 102~107.3。 合理利用天然氣水合物資源[8] 李登偉,張烈輝，熊鈺,等.微波開(kāi)采天然氣水天然氣水合物具有雙重性,既具有巨大的資源合物氣藏技術(shù)[J].特種油氣藏,2005,12(3):1價(jià)值，也具有嚴重的環(huán)境隱患,如果不合理開(kāi)發(fā)利一7用,就可能產(chǎn)生一系列環(huán)境問(wèn)題，如溫室效應加劇、[9]Chuang J, i GoodarzAhmad, i DuaneH.海洋生態(tài)惡化以及海底滑塌等.所以,為了合理利用Smith, constant rate natural gas production天然氣水合物資源,在對天然氣水合物進(jìn)行研究時(shí)，from a well in a hydrate reservoir[J]. En-也應了解其溫壓環(huán)境以及開(kāi)采模式和保護措施,認ergy conversion and management, 2003,識其對氣候和環(huán)境的影響,把天然氣水合物的勘探、(44) :2403~2423. .開(kāi)發(fā)、利用作為一個(gè)完整的系統來(lái)研究科學(xué)的進(jìn)行[10]張志杰,于興河,鄭秀娟,等. 天然氣水合物的開(kāi)發(fā)。開(kāi)采技術(shù)及其應用[J].天然氣工業(yè),2005,25[參考文獻](4):128~130.[1] 周懷陽(yáng)，彭小彤，葉瑛.天然氣水合物[M].北[11] 祝道平,寧正福.利用高能氣體壓裂技術(shù)開(kāi)采京:海洋出版社, 2000.天然氣水合物可行性分析[J].重慶科技學(xué)院[2] 姚永堅,黃永樣,等.天然氣水合物的形成條件學(xué)報(自然科學(xué)版) ,2009,11(3):37~40.及勘探現狀[J].新疆石油地質(zhì)，2007, 28[12]徐鵬,程遠方,等.爆炸壓裂下圍壓對井 壁破(26): 668-672.碎效果的影響[J].石油鉆探技術(shù)，2009,37[3]; Sloan E D. Clathrate hydrates of nature gas-(6) :22~26.es [M]. New York: Marcel Dekker, Inc,[13]竇斌,蔣國盛,吳翔,等.地面 分解法開(kāi)采海底天然氣水合物[J].天然氣工業(yè), 2008,28(7):[4] 蔣向明.天然氣水合物的形成條件及成因分析123~125. .[J].中國煤炭地質(zhì),2009, 21(12):7-11.Study on exploiting technology of naturalgashydrateFAN Hu' ,DAI Lin2 ,MA Chao-qun2 ,HU Wen- -ting2(1. MOE Key Laboratory of Oil&Gas Resources and Exploration Technology,Yangtze University ,Jingzhou 434023 ,China;2. 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 unconventional methods, and providesuggestion which rational use natural gas hydrate resources.Key words :natural gas hydrates ;Exploiting technology ;Hydraulic fracturing ;high - energy gas frac-turing