探礦工程(巖土鉆掘工程)2010年第37卷第10期鉆采天然氣水合物的初步設想姚彤寶,周兢,李生紅(中國煤炭地質(zhì)總局,北京100039)摘要:天然氣水合物在一定溫度壓力條件下能以固體形式存在,但由于其特殊的熱物理力學性質(zhì)難以像開采其它固體礦產(chǎn)資源的“礦山”型式來開發(fā)。在現(xiàn)有技術條件下,鉆探技術是解決開采天然氣水合物的技術經(jīng)濟可行和避免可能由開采帶來的環(huán)境問題的關鍵。鑒于通過鉆探手段將天然氣水合物在地下轉(zhuǎn)化為可控的資源而后開采的現(xiàn)實,提出了采用化學漿液注入和降壓相結合的開采模式。關鍵詞:大然氣水合物;鉆探;開采;化學注漿;降壓中圖分類號:TD87;F634文獻標識碼:A文章編號: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 to 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 withKey words: gas hydrate; drilling; exploitation; chemical grout injection; depression天然氣水合物資源在全球分布極廣,且數(shù)量巨主要是通過CH的釋放來實現(xiàn),但這也可能是造成大,已被公認為是21世紀最理想和最具開發(fā)前景的災難的原因。一方面,由于CH4在大氣層中產(chǎn)生的非常規(guī)的新能源。現(xiàn)有成果表明,天然氣水合物既溫室效應是CO2的20倍,這種溫室效應會使兩極冰可形成于低溫、高壓環(huán)境下的海洋沉積物中,也可形層全部融化,大片陸地將會淹沒,大氣環(huán)境也會改變成于大陸上的永久凍土帶中2。天然氣水合物晶甚至被完全破壞,并有引發(fā)生物滅絕的可能。另體主要以客體形式充填于沉積層的孔隙之中,它的方面,由于天然氣水合物的分解所產(chǎn)生的大量氣體形成和聚集受控于溫度、壓力、孔隙水成分和氣源等和水的作用,使局部地質(zhì)應力場改變,從而誘發(fā)嚴重四個主要因素143)。盡管天然氣水合物在一定溫地質(zhì)災害67。度壓力條件下能以固體形式存在,但由于其具有常正是出于對天然氣水合物勘探、開發(fā)潛在風險溫常壓下不穩(wěn)定易分解出大量氣體和少量液態(tài)水的的擔心,世界各國對于能否把天然氣水合物作為未特性,難以象開采其它固體礦產(chǎn)資源一樣的“礦山”來能源的態(tài)度都是謹慎的。其實,環(huán)境問題反映的型式來開發(fā)。在當前技術條件下,只能通過鉆探技仍是技術問題。一旦技術成熟,能夠極大的降低帶術,將其在地下轉(zhuǎn)化為可控的資源而實現(xiàn)開采的目來環(huán)境問題的可能,天然氣水合物開采就將水到渠的成。我國雖已在南海海槽和青海木里地區(qū)獲得了天然氣水合物的實物樣品,但對于實質(zhì)性商業(yè)開發(fā),還1鉆探技術對于天然氣水合物勘探開發(fā)的作用需要大量的研究工作。由于1個單位體積的水合物分解后可產(chǎn)生164由于能直觀、真實、有效地揭露水合物賦存狀個單位體積的CH4氣,如果在勘探開發(fā)過程中任何態(tài),并為水合物的生成、運移等研究提供通道,鉆探一個環(huán)節(jié)的失誤而不能有效控制其溫壓條件,將可技術成為國內(nèi)外天然氣水合物勘查與研究的必要手能會帶來嚴重的環(huán)境問題。這也是當前針對天然氣段中國煤化工水合物儲藏條件水合物開采討論的焦點。因為天然氣水合物的開發(fā)最直YHCNMHG和制定開發(fā)方案收稿日期:2010-09-10作者簡介:姚形寶(1980-),男(漢族),河南南陽人,中國煤炭地質(zhì)總局工程師地質(zhì)工程專業(yè)博士,從事鉆探技術研究與項目管理工作,北京市豐臺區(qū)靛廠路299號,oblog@163.com。2010年第37卷第10期探礦工程(巖土鉆掘工程)的重要依據(jù)。國外已通過試采天然氣水合物積累了過程實質(zhì)是一個減壓的過程,因此減壓法最大的優(yōu)豐富的經(jīng)驗使得未來開采天然氣水合物成為可能,勢便是不需要連續(xù)激發(fā),但它對天然氣水合物藏的但核心技術仍只被少數(shù)幾個國家或機構掌握。劉廣性質(zhì)有特殊的要求,只有當天然氣水合物處于溫壓志院士曾指出,開發(fā)天然氣水合物鉆探設備工藝是平衡臨界條件下時,減壓開采法的效能才最大。關鍵。而且,現(xiàn)有主要天然氣水合物開采方法都化學試劑注入開采法是通過鉆孔向儲層中注入與鉆探技術緊密相關。從這個角度來看,只有鉆探鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化學試劑,打破天然氣水合物從技術上獲得突破,才能破解我國天原有平衡,致使天然氣水合物分解,從而達到開采的然氣水合物開采這一技術難題,才有可能通過技術目的。在研究天然氣水合物分解的過程中,發(fā)現(xiàn)部手段來解決或避免可能由開采帶來的環(huán)境問題分化學試劑能夠改變其相平衡條件,從而提出該辦法。它主要是通過降低天然氣水合物的平衡溫度,2天然氣水合物開采技術現(xiàn)狀促使其在原平衡溫度下分解。因此,這種方法可被天然氣水合物特殊的熱物理力學性質(zhì)決定其只認為是特殊的熱激發(fā)開采法。相應地,化學試劑注能在一定的溫壓條件下存在,一旦它賦存的溫度壓開采法的效率也較低,且隨著開采后“空腔”范圍力條件變化,各組份的相平衡就會被破壞,從而導致的增大,該方法的效率將明顯降低分解。從天然氣水合物被發(fā)現(xiàn)可作為資源以來,人研究發(fā)現(xiàn),CO2與CH4的水合物均為結構I型類都暢想加以利用。正是基于對天然氣水合物熱物且CO2與H2O的化學親和力大于CH4與H2O之間理力學特性的認識傳統(tǒng)的天然氣水合物開采技術的親和力;在一定溫壓條件下,天然氣水合物雖會分就是通過人為打破天然氣水合物穩(wěn)定存在的溫度壓解而CO2水合物則易于形成并保持穩(wěn)定。因力條件,使蘊藏在沉積物中的天然氣水合物分解,然此研究者提出用CO2置換天然氣水合物中CH4的后再將分解產(chǎn)生的天然氣采至地面。人們最初設想設想。室內(nèi)實驗證明,由注入井連續(xù)不斷地注人通過加熱或減壓的方法實現(xiàn)天然氣水合物的開采,CO2,由采出井不斷的抽出CH4,可實現(xiàn)連續(xù)化生隨著研究的深入,又提出了通過添加化學試劑改變產(chǎn)。然而,這種置換需要在一定壓力條件下進天然氣水合物平衡條件實現(xiàn)開采的設想,部分學者行,反應條件相對苛刻,而且反應速率極低,因此,該還建議用CO2將天然氣水合物中的烴類物質(zhì)置換出方法目前仍停留在理論研究階段。來的方法來實現(xiàn)開采。總的來看,現(xiàn)階段天然氣水另外,國內(nèi)外也有研究者提出直接采集海底固合物開采技術可以分為熱激發(fā)開采減壓開采、化學態(tài)天然氣水合物,或?qū)⑻烊粴馑衔镅b入一種可膨試劑注入開采和CO2置換等方法012l。脹的軟式氣袋(其內(nèi)部保持天然氣水合物穩(wěn)定所需熱激發(fā)開采法的原理是通過提高天然氣水合物的溫壓條件)中,再拖至淺水區(qū)進行控制性分解的儲層溫度,打破它的平衡條件促使其分解,從而實這種方法被稱為固體開采方法,國內(nèi)稱之為水力提現(xiàn)開采的目的。這種方法主要利用鉆探技術在天然升法0。它主要是基于避免采取CH4等氣體的過氣水合物穩(wěn)定層中安裝管道,對含天然氣水合物的程中管道因生成天然氣水合物導致管塞等問題。但地層進行加熱,破壞天然氣水合物的平衡條件,致使它對設備的要求較高,當前技術條件限制了其可行其分解,再用管道收集析出的天然氣。根據(jù)加熱的性。方式,又可分為熱流注入加熱、火驅(qū)法加熱、井下電截止目前,全球范圍內(nèi)都還沒有真正意義上地磁加熱和微波加熱等方法。熱激發(fā)開采法可實開采天然氣水合物,僅在西西伯利亞的麥索亞哈氣現(xiàn)循環(huán)注熱,通過控制加熱的溫度能夠控制水合物田、阿拉斯加北部斜坡區(qū)和加拿大西北部麥肯齊三的分解速度,但該方法熱損失大,效率低。特別是在角洲等3個地區(qū)進行了天然氣水合物試采研究。麥永久凍土區(qū),即使利用絕熱管,永凍層也會降低傳遞索亞哈氣田的天然氣水合物是因開采天然氣水合物給儲層的有效熱量)。藏之下的常規(guī)天然氣,使天然氣水合物儲層壓力降減壓開采法則是通過降低或卸掉天然氣水合物低T中國煤化工無意中開采到的所處的地層壓力打破原有平衡條件促使其分解進減莊而實現(xiàn)開采的目的。一般是通過低密度泥漿鉆井或兩CNMHG舉”而提出。其它即是恒關國家或研究機構通過鉆探常規(guī)型式油氣井后泵出天然氣水合物層下盡快掌握天然氣水合物開采的核心技術,并驗證天方的游離氣或其他流體實現(xiàn)減壓目的。由于開采的然氣水合物開采技術可行性而進行的。探礦工程(巖土鉆掘工程)2010年第37卷第10期3鉆采天然氣水合物的初步設想開采和化學試劑注入兩種方法簡單有效,熱激發(fā)方事實上,天然氣水合物只有在一定壓力條件下法其次,化學試劑注入方法效率最低。而且,可以肯才在自然狀態(tài)下存在,其晶體主要以客體形式充填定的是,上述開采方法都是基于破壞天然氣水合物于沉積層的孔隙之中。盡管沉積層原有孔隙率可能平衡條件而提出的。但天然氣水合物的平衡條件包較大但在外界壓力下,以及水合物生產(chǎn)過程中結晶含諸多因素,因此這些開采方法的原理并不只是孤膨脹作用,自然狀態(tài)下含有天然氣水合物晶體的沉立地認為是由單一因素的改變引起的,而是平衡條積層將變得較為致密地層的滲透性則相應較差致件復雜地、動態(tài)地系統(tǒng)地變化的過程所引起天然氣使能量傳遞緩慢。這可能正是引起熱激發(fā)開采、減水合物分解的結果。換句話說,上述開采方法引起壓開采化學試劑注入開采和CO2置換等方法效率天然氣水合物分解的過程是一個綜合的系統(tǒng)的結較低的主要原因。提高天然氣水合物的開采效率,果。因此,從某種層面來看,采用單一開采方法是不就需要人為地增加天然氣水合物晶體與介質(zhì)或能量經(jīng)濟的,只有將不同方法的優(yōu)點綜合起來才能達到接觸(交換)的表面積。但天然氣水合物儲層或礦天然氣水合物有效開采的目的藏作為地下的客觀存在,其物理性質(zhì)基本不變,增加基于此,筆者認為,只有立足天然氣水合物熱物接觸面積就須借助其它手段實現(xiàn)。而鉆探技術正是理化學特性,深入研究并掌握天然氣水合物的形成當前深部地下空間連通的主要手段,也使得增加上與分解的熱動力學機制,在能夠準確地判析溫度、壓述接觸面積成為可能力等因素對天然氣水合物分解的影響作用和影響程此外天然氣水合物作為資源其開采就必須要度的前提下,才能找尋到真正意義上切實可行的開考慮技術可行性、經(jīng)濟可行性和社會環(huán)境效應。也采方法。以前,天然氣水合物實物樣品難于在通常就是說,即使開采天然氣水合物的技術是可行的但條件下得到,對其研究主要建立在實驗室基礎上,由其經(jīng)濟或社會環(huán)境不可行,也是不適宜開采的。反于實驗室條件與實際自然狀況差別較大,致使實驗之,亦然。盡管經(jīng)濟可行性與資源的客觀情況也緊室所得到的結論不能夠與實際情況完全吻合。筆者密相關,但從廣義上講技術可行性包含著其它兩個也在模擬研究天然氣水合物分解的過程中發(fā)現(xiàn),在方面,即開采天然氣水合物的技術方案如果真正可較低溫度范圍內(nèi)保持CH4水合物不分解所需的壓行,其它兩個層面很也應可行。如前所述,天然氣水力與溫度呈現(xiàn)近線性趨勢,降低溫度比提高壓力更合物資源難以如同開采其它固體礦產(chǎn)資源的“礦有利于抑制甲烷水合物分解。當下,我國已在南海山”型式來開發(fā),只能將其先在地下轉(zhuǎn)化為可控的海槽和青海木里地區(qū)勘探到天然氣水合物實物這資源再通過采取轉(zhuǎn)化后的資源從而實現(xiàn)開采的目將為國內(nèi)全方位研究天然氣水合物勘探開發(fā)提供良的。鉆探成井是當前條件下開采天然氣水合物的基好的“試驗田”,也將促進我國研究開采天然氣水合本條件,也是開采技術是否可行的關鍵因素。但無物的水平。論采用何種方法來開采天然氣水合物,都需要通過由于凍土帶內(nèi)天然氣水合物與海底天然氣水合鉆探出如同常規(guī)油氣井一樣的天然氣水合物開采物相比埋深較淺賦存的溫壓條件較低,且陸地勘探井,特別是對于CO2置換開采法,則需要通過一對井開發(fā)比海域在開采工藝與作業(yè)施工方面更為成熟和來實現(xiàn)。因此鉆探成井是天然氣水合物開采的關易實現(xiàn),僅從安全的角度考慮,天然氣水合物鍵技術之一,成井的質(zhì)量也決定著開采方法的成敗,的開采應經(jīng)由陸地凍土區(qū)向海域逐步發(fā)展的過程鉆采方案相應成為研究天然氣水合物開采的重點。正因為此,青海木里永凍區(qū)天然氣水合物的發(fā)現(xiàn)對就天然氣水合物開采型式而言,與巖鹽的開采我國天然氣水合物向?qū)嵸|(zhì)性開采具有重要的意義。和煤層氣、頁巖氣的開發(fā)基本相同,與水驅(qū)采油法也那么,如何開采永凍區(qū)天然氣水合物呢?筆者認為,有相似之處。因此,巖鹽等資源的開采方案對天然可采用化學漿液注入和降壓相結合的模式。它工作氣水合物開采從型式上具有一定的借鑒意義。即可及實現(xiàn)開采的原理主要包括:首先利用對接井技術通過定向鉆井技術、對接井技術、大水平位移井技術分別和叢式井技術等鉆探手段提供開采天然氣水合物的氣水中國煤化上在已證實的天然將配置好的常溫通道。雖然已開展的3個試采項目都是在單井眼的(或其CNMHG氣井連接成閉合條件下進行的,這很可能是因為它們僅為驗證開采回路;最后通過采氣井泵出漿液并分離采集氣體方法是否可行。試開采也證明,減壓開采比熱激發(fā)當然,上述方法各個環(huán)節(jié)的具體參數(shù)應根據(jù)儲層的2010年第37卷第10期探礦工程(巖土鉆掘工程)性質(zhì)決定,從而實現(xiàn)有效開采天然氣水合物資源的開采技術、開采工藝、開采面臨的環(huán)境問題等方面做目的。俄羅斯學者提出的運用雙井筒大水平距定向了大量工作,并在凍土區(qū)進行了天然氣水合物開采對接智能井鉆井技術,采用核廢料產(chǎn)生的熱量來試驗。我國永凍帶和海域面積巨大,天然氣水合物開采天然氣水合物的方法也能佐證上述開采模式是空間上賦存的可能性極大。隨著我國天然氣水合物可行的。的查證工作的展開,尤其是凍土地區(qū)天然氣水合物當然,在目前技術條件下,必須對天然氣水合物的發(fā)現(xiàn)將會提供更寬廣的天然氣水合物研究平臺,的鉆采持謹慎態(tài)度,剛剛發(fā)生的墨西哥灣漏油事件也有利于提升國內(nèi)在該領域的研究水平。但需承就是最好的警示。只有天然氣水合物開采和配套安認,國內(nèi)研究天然氣水合物起步較晚還需要在研究全技術完善提高之后,經(jīng)過一段時間充分的生產(chǎn)試中充分吸收國外天然氣水合物開采的技術與經(jīng)驗,驗之后,才能投入實際生產(chǎn)并通過聯(lián)合共同攻克相關核心技術,以期早日實現(xiàn)工業(yè)化開采天然氣水合物這一愿望。4結論與展望面對經(jīng)濟社會巨大的“減排”壓力作為一種極參考文獻:具潛力的未來清潔能源,天然氣水合物的開采研究1]蔣國盛王達湯鳳林天然氣水合物的勘探與開發(fā)M湖北對于未來能源具有重要的戰(zhàn)略意義,但欲將天然氣武漢:中國地質(zhì)大學出版社,2002[2]張洪濤張海啟祝有海中國天然氣水合物調(diào)查研究現(xiàn)狀及水合物作為真正意義上的資源,其開采就必須解決其進展[』].中國地質(zhì),2007,34(6):953-961其技術、經(jīng)濟可行和可能帶來的社會環(huán)境效應?，F(xiàn)3]cege. Cordis,廉抗利譯天然氣水合物走向生產(chǎn);現(xiàn)狀技階段提出的熱激發(fā)開采減壓開采、化學試劑注入開術和潛力[J石油科技動態(tài),200(5):74[4] Sloan E D. Clathrate hydrates of natural gases[M]. New York采和CO2置換等開采天然氣水合物的方法仍非完Marcel Dekker, 1998.善,尚需要深入研究天然氣水合物的形成與分解的5] Buffett B A. Clathrate hydrates. Annu rey earth planet sci,熱動力學機制準確掌握溫度、壓力等因素對天然氣2000,(28):477-507水合物平衡的影響作用,從而找尋到真正意義上切[6]方銀霞金翔龍,天然氣水合物的勘探與開發(fā)技術[打].中國海洋平明圖17(2):11-15.實可行的開采方法。[7]于曉果李家彪天然氣水合物分解及其生態(tài)環(huán)境效應研究進鉆探技術是天然氣水合物勘查與研究的必要手展[J]地球科學進展2004,19(6):947-954段之一,也是計算儲量和制定開發(fā)方案的重要依據(jù)。[8]許俊良薄萬順朱杰然天然氣水合物鉆探取心關鍵技術研究進展[冂].石油鉆探技術,2008,36(5):32-36.國外試采天然氣水合物的經(jīng)驗表明,開采天然氣水[9]劉廣志天然氣水合物開發(fā)的現(xiàn)狀和商業(yè)化的技術關鍵[]合物的關鍵技術包括鉆探;只有鉆探技術才能在當探礦工程,2003,(2):8-10前技術條件下使開采天然氣水合物成為可能。因10]吳傳芝趙克斌,孫長青等天然氣水合物開采研究現(xiàn)狀].地質(zhì)科技情報,2008,27(1):47-52.此,只有鉆探天然氣水合物從技術上獲得重大突破,[1安青,許維秀,天然氣水合物開采研究現(xiàn)狀J].河南化工,才能保證開采天然氣水合物的技術、經(jīng)濟可行,才有,25(6):10可能通過技術手段來解決或避免可能由開采帶來的[12]張志杰,于興河鄭秀娟等天然氣水合物的開采技術及其應用】.天然氣工業(yè)2005,25(4):128-130.環(huán)境問題。by carbon dioxide from gas hydrates: Phase equilibria for C[13] Ohgaki K, Takano K, Sangawe T H, et al. Methane exploitat基于上述分析,筆者提出利用對接井技術,分別鉆出注入井和采氣井并使它們在天然氣水合物儲層CH, mixed hydrate system[ J]. J. Chem. Eng. Japan, 1996, 29內(nèi)連通,由注入井下注入化學漿液,并通過采氣井分[14]陳多福,王茂春,夏斌青藏高原凍土帶天然氣水合物的形成離并收集天然氣水合物分解的烴類氣體的開采方條件與分布預測[門].地球物理學報,2005,48(1):165-172案。但鑒于剛剛發(fā)生的墨西哥灣漏油事件的教訓[15]吳自成,呂新彪,王造成青藏高原多年凍土區(qū)天然氣水合物形成及地球化學勘查[]地質(zhì)科技情報2006,25(4):9應謹慎對待鉆采天然氣水合物。毫無疑問,天然氣水合物的開采引起了全球很[16】湯風林蔣國盛, K. E. bacHE利用雙井筒大水平距對接井多國家的重視,特別是自20世紀90年代以來,研究開平蛋鐵何水合物[冂]探礦工程,2010,37中國煤化工者們明顯加快了天然氣水合物開采研究的步伐,在CNMHG