天然气水合物的开采技术及其应用
责任编辑:cnlng    浏览:4191次    时间: 2009-07-28 13:09:04      

摘要:作为2l世纪最理想的替代能源,天然气水合物不仅可满足全球的能源需求,而且可减少CO2的排放量,缓解全球气候变暖的速度。同时,天然气水合物的勘探开发本身也将是地质、海洋、深海钻探、采矿和环境保护等学科与高新技术的综合应用。 一、赋存形式及能源潜力 饱和的..

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作为2l世纪最理想的替代能源,天然气水合物不仅可满足全球的能源需求,而且可减少CO2的排放量,缓解全球气候变暖的速度。同时,天然气水合物的勘探开发本身也将是地质、海洋、深海钻探、采矿和环境保护等学科与高新技术的综合应用。

    一、赋存形式及能源潜力

    饱和的天然气水合物的能量密度很大,因为晶体结构迫使甲烷分子相互紧密结合在一起 不论压力或深度如何变化,水合物的能量密度总是固定的。在一定的压力一温度条件下,原生赋存具有经济潜力的天然气水合物广泛分布在永久冻土带和大陆外部边缘的浅层沉积物中(图1)。

    图1 甲烷水合物和水——冰相图



    1.海洋中的天然气水合物

  海洋中的天然气水合物通常存在于水深500~4000 m(压力为5~40 MPa)、温度2.5~25℃ 的环境中。迄今为止,发现最富集的海洋水合物矿床位于沿紧邻老洋壳的被动大陆边缘沉积物中,最著名的是美国东南海岸的布莱克外海岭。对布莱克海岭的初步评价认为,其中很小的地区所含的甲烷等量于美国数百年来的天然气用量总和。

    2.永冻层中的天然气水合物

    永冻层中的天然气水合物存在于极地的低压低温区,在俄罗斯、加拿大和阿拉斯加的陆地及大陆架上均有发现,是以一种永冻的水一冰和水合物的混合物形式存在的。Max等认为,海域永冻层水合物是在陆架暴露出水面时,最近一次冰川作用下形成的,之后在海进期陆架被淹没。

    3.水合物层之下的常规天然气藏

    含水合物岩层可对常规油、气藏起到屏蔽作用,气水合物层之下往往有大型常规气藏。与水合物相关的甲烷既可产出于水合物本身,也可圈闭于水合物稳定带下方。圈闭于天然气水合物带的常规天然气或石油比包含于气水合物中的非常规天然气在目前更具经济价值。


    二、水合物的开采技术

    1.减压法

    减压法是指通过钻探方法或其他途径降低水合物层下面的游离气体聚集层位的平衡压力,当压力达到水合物分解压力时,界面附近的天然气水合物转化为气体和水。降低压力能达到水合物分解的目的。一般是通过在水合物层之下的游离气聚集层中“降低”天然气压力或形成一个天然气“囊”(由热激发或化学试剂作用人为形成),与天然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气和水。这种技术在西西伯利亚的Messoyhaka气田得到了应用。

    开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法,另外通过调节天然气的提取速度可以达到控制储层压力的目的,进而达到控制水合物分解的效果。
  
    减压法最大的特点是不需要昂贵的连续激发,因而可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一。

    2.热激法

    该方法是指在压力一定的条件下,注入蒸气、热水、热盐水或其它热流体,也可采用开采重油时使用的火驱法或钻柱加热器法,对水合物稳定层进行加热,将设计区段的温度提高到分解温度,这一温度下,所注热量完全用于水合物的分解作用。再用导管将析出的天然气收集于贮藏器内或采取采集常规天然气输气管道的方式将其输送到船载贮藏器。
  这种方法的问题在于储层和水中的大量热能损失,效率很低。特别是在永久冻土区,即使利用绝热管道,永冻层也会降低传递给储集层的有效热量。如果没有热损,注入能量是开发能量的1O 左右;有热损时,注入能量可能会超过气体的价值。这种方法非常昂贵,且要求向下注热和向上采气同步进行。
  近年来,为了提高热激法的效率,人们采用了井下加热技术,井下电磁加热方法就是其中之一。实践证明电磁加热法是一种比常规开采技术更为有效的方法,其在开采重油方面已显示出它的有效性,该方法的使用将会给热激法带来不错的前景。

    3.抑制刺激法

  采用诸如盐水、酒精等抑制剂流体,可降低水合物的冻结点,将抑制剂注入井内会引起熔融。近来人们又发现了另外两种新型的阻止技术,即以表面活性剂为基础的反聚结技术和阻止晶核成长的动力学技术。其总体思想都是注入某些化学试剂,以改变水合物形成的相平衡条件,促进水合物分解。此方法较热刺激缓慢得多,花费昂贵,但初始输入能量较低。由于海洋水合物中压力太高,用这种方法可有效地改变相界曲线,但回采气体较困难。

    4.其他开采技术

    Holder等人对水合物的开采技术进行过大量的研究,除上面介绍的3种方法外,还提出了置换开采和混合开采的理念。
  
    置换法的原理是甲烷水合物所需的稳定压力较CO2高,在某一压力条件下,甲烷水合物不稳定,而CO2水合物却是稳定的,这时CO2进入到天然气水合物中,与水形成水合物,这时所释放的热量可用于分解天然气水合物。用CO 水合物来置换天然气水合物的研究已经开展起来,然而复杂的相变过程可能会给这一方法的实施带来一定的困难。
  
    混合法原理是先将洋底粉碎,开采混有固体水合物的混合物,在提升过程中水合物就可能分解。混合开采法目前还没有深入研究,但也很有建设性意义。
  
    从以上各方法的使用来看,仅采用某一种方法来开采水合物是不明智的,只有综合不同方法的优点才能达到对水合物的有效开采。降压法和热激法技术的联合使用是目前最受推崇的方案,用热激发法分解气水合物,而用减压法提取游离气体。单从技术角度来看,开发天然气水合物资源已具可行性,但尚未找到一种在当前的技术条件下比较经济而合理的开采方案。


    三、水合物开发的实例与前景

    1.俄 斯Messoyakha气田

    Messoyakha气田通过简单的降压技术处理,取得了长期开采气体水合物层的成就。该气田发现于1968年,于1969年开始采气,在与天然气水合物有关的永冻层水合物中开采甲烷。为了证实该气田的上部地层存在气体水合物,曾进行过一系列的注入水合物阻化剂的试验。试验过程中,对推测含气体水合物的岩层注入了诸如甲醇和氯化钙一类可扰动并阻止气体水合物形成的物质。这些试验大多数都使产量有显著提高,这应归功于原地气体水合物的分解。
  
    Messoyakha气田整个开采史中,气一水界面的深度未发生位移。估计该气田开采出的天然气中约有36%(5.17亿立方米)气体产自气体水合物层。

    2.加拿大Beaufort海Mackensie三角洲

    2002年3月,国际上第一个持续生产的水合物矿床天然气生产井Malik5L-38井投声,。该井位于加拿大Beaufort海Mackensie三角洲东北缘的永久冻土带,井深1166 ITI。该项目由一个国际研究联合体实施,联合体成员包括日本国家石油公司、加拿大地质调查局,德国GFZ研究院、美国地质调查局、美国能源部和国际大陆钻井行动组织。该井在800~1100 rn的深度范围内穿越了大约150 ITI含水合物的粗粒砂岩,而此前完成的Mallik2L~38井也在8974 952 In深度段冻土层中发现了天然气水合物。
  
    由于含水合物地层之下存在的游离态甲烷气很少,因此未采用传统的降压原理进行大规模生产试验,而是采用了2种方法进行小规模试生产:在0.5131厚的游离气体区段和另外一个含水合物区段进行了小规模压降试验;在该井所穿越的一个厚13 m的水合物饱和层段进行了套管射孔,用60℃的热水进行每分钟400 L的循环热采,生产出水合物分解气和游离气。

    3.水合物勘探开发前景

    海洋气水合物是全球天然气水合物资源开发的重头戏,不仅因为海洋气水合物占总资源量的大半以上,而且分布广泛,它不像陆上天然气水合物仅局限在少数的几个高纬度国家的永冻带或两极,对那些滨海而又缺乏能源的国家来说,天然气水合物则带来了很大的希望和寄托。
  
    不仅含天然气水合物地层本身存在巨大无比的甲烷资源,而且往往在含天然气水合物层之下同时还蕴藏了巨大的常规天然气资源。
  
    Messoyakha气田的开发经验证明,在永冻区开发常规天然气,不可避免地会遇到天然气水合物问题。一般来说,永冻区的天然气水合物形成深度总是浅于常规气藏的深度,它像盖层一样封闭了其下的常规天然气,高浓度的水合物和与气有关的水合物盖层的探测为深层的烃类勘探提供了指导。因此,开发天然气水合物不是单一的资源开发,而是一种综合开发。

    四、结束语

    (1)天然气水合物因其具有多项特殊性能而成为一种优质燃料,既可以满足全球的能源需求,也可以缓解全球气候变暖的速度。资源量巨大的原生天然气水合物广泛分布在永久冻土带和大陆边缘的浅层沉积物中,并可对其下的大型常规油、气藏起到屏蔽作用。

    (2)从水合物中提取天然气常用的方法有:热激法、降压法、抑制刺激法、置换法和混合开采法等。不同方法各有利弊,目前较宜采用的是将降压法和热激法技术相结合,用热激发法分解气水合物,而用减压法提取游离气体。

    (3)我国是石油进口国,开发水合物资源,增加天然气产量,可逐步改善我国能源结构不合理的现状。广州海洋地质调查局在我国南海北部陆缘已发现了代表气水合物藏的似海底反射,中科院兰州所对青藏高原多年冻土区也做了大量工作,为我国天然气水合物的勘查展示了良好前景。

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