2010年天然氣技術(shù)Vol.4, No.1第4卷.第1期Natural Cas TechnologyFeb.2010文章編號(hào):1673- 9035(2010)01-0063-03天然氣水合物形成機(jī)理與開采方式"徐興恩'蔣季洪2白樹強(qiáng)’陳玉峰4劉金晶‘(1.中國(guó)海洋石油上海分公司,浙江寧波315800; 2. 中國(guó)石油四川銷售倉(cāng)儲(chǔ)分公司104油庫(kù),四川成都610083;3.中國(guó)石油大港油田第六采油廠，河北黃驊061100; 4.中國(guó)石油冀東油田鉆采工藝研究院，河北唐山063004)摘要天然氣水合物是蘊(yùn)藏于海洋大陸架及陸地永久冰土帶的碳?xì)浠衔铮瑢?lái)可能成為人類的重要能源之一。為此，闡述了天然氣水合物的分布和形成機(jī)理，對(duì)比研究了天然氣水合物的降壓法、熱采法、化學(xué)試劑法、水力壓裂法等幾種不同的開采方式，提出了盡快開展室外天然氣水合物鉆采方法研究以及我國(guó)南海和東海海區(qū)天然氣水合物勘查研究工作的建議。關(guān)鍵詞天然氣水合物 形威機(jī)理 開采方式鉆采方法中圖分類號(hào): TE122.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A過(guò)程描述如下:0引言H2O+ λ2A -→AnxnH2O(1)天然氣水合物是在低溫、高壓條件下由水和天然氣(主要是甲烷)組成的非化學(xué)計(jì)量的籠形結(jié)晶化式中: λ2為氣體分子A的孔穴常數(shù); n為水合物形成合物，透明無(wú)色、似冰，俗稱“可燃冰”、“氣冰”、的摩爾分子數(shù)?！肮腆w瓦斯”，其廣泛分布于海洋大陸架的沉積物和由于基礎(chǔ)水合物間存在空的孔穴，一些氣體小陸地的永久凍土帶中，常溫下可分解出天然氣。在分子，如Ar、 N、02、CH.等會(huì)吸附于其中，導(dǎo)致水標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1單位體積的天然氣水合物分解最多可合物的非化學(xué)計(jì)量性。產(chǎn)生164單位體積的甲烷氣體，是- -種重要的潛在資天然氣水合物的生成是晶核形成和晶體成長(zhǎng)的源。過(guò)程。在動(dòng)力學(xué)上，天然氣水合物的形成分為3步:①具有臨界半徑晶核的形成;②固態(tài)晶核的長(zhǎng)大;1天然氣水合物形 成機(jī)理③組分向處于聚集狀態(tài)晶核的固液界面轉(zhuǎn)移。天然氣水合物的形成有3個(gè)基本條件:①溫度晶核的形成比較困難，- -般都包含1個(gè)誘導(dǎo)期，不能太高;②壓力要足夠大，0吣時(shí)30個(gè)大氣壓以當(dāng)過(guò)飽和溶液中的晶核達(dá)到某- - 穩(wěn)定的臨界尺寸，上可生成;③地下要有氣源。系統(tǒng)將自發(fā)進(jìn)入水合物的快速生長(zhǎng)期”。在一定壓前蘇聯(lián)學(xué)者首先提出氣體水合物屬于固體溶液力條件下，當(dāng)溫度過(guò)低達(dá)到一定攝氏度時(shí)，天然氣的假設(shè)，認(rèn)為氣體水合物是水分子與氣體分子構(gòu)成水合物結(jié)晶即可形成。誘導(dǎo)時(shí)間與過(guò)冷程度的經(jīng)驗(yàn)的絡(luò)合物，按照固體溶液理論，由水分子構(gòu)成的結(jié)函數(shù)關(guān)系式(誘導(dǎo)時(shí)間為水與客體分子接觸到形成水晶體晶格是“溶劑"，而氣體分子則被看作是“溶合物晶核這一過(guò)程所需的時(shí)間)如下:質(zhì)"1gτ =1.84(OT-7.49) 0(2)在生成水合物時(shí)，體系中存在兩種平衡，即準(zhǔn)化學(xué)平衡和氣體分子在孔穴中的物理吸附平衡。首OT=T_-T(3)先通過(guò)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)生成化學(xué)計(jì)量型的基礎(chǔ)水合物。式中: t為誘導(dǎo)時(shí)間，min; ST為過(guò)冷度，C; T。為收稿日期: 2009- 10-13修訂日期: 2010-01 -06*本文受到四川省科技攻關(guān)計(jì)劃(中俄合作)項(xiàng)目(編號(hào): 05GG021- 021)的資助。作者簡(jiǎn)介:徐興恩(1978-)， 工程師，從事天然氣水合物及天然氣處理方面的研究工作。E- mail: weina8081@163.com天然氣技術(shù)/ 63第4卷徐興恩，等;天然氣水合物形成機(jī)理與開采方式第1期給定壓力下水合物的平衡溫度，C; T為實(shí)驗(yàn)溫2.1 降壓法度，C。水合物的形成過(guò)程與周圍環(huán)境及水的狀態(tài)有通過(guò)降低壓力使天然氣水合物穩(wěn)定的平衡曲線關(guān)，在融化的冰中最容易生長(zhǎng)并聚集。移動(dòng)，從而達(dá)到促使水合物分解的目的。一般是在水合物層下的游離氣聚集層中“降低”天然氣壓力2天然氣水合物開采方式或形成1個(gè)天然氣空腔(可由熱激發(fā)或化學(xué)試劑作用天然氣水合物在地層儲(chǔ)存環(huán)境(低溫、高壓)下人為形成)，使水合物變得不穩(wěn)定并分解為天然氣和以固體狀態(tài)存在，而在開采過(guò)程中由于減壓或升溫水。開采水合物層下的游離氣是降低儲(chǔ)層壓力的--的原因，將分解成水和天然氣。天然氣水合物的開種有效方法。降壓法最大的特點(diǎn)是不需要費(fèi)用昂貴發(fā)必須控制固體向液體、氣體的分解，控制采收過(guò)的連續(xù)激發(fā)，因而其可能成為今后大規(guī)模開采天然程中分解的氣體和水會(huì)再次形成天然氣水合物。這氣水 合物的有效方法之一。但是僅使用降壓法開采是天然氣水合物開采的技術(shù)難點(diǎn)。天然氣速度很慢。天然氣水合物的開發(fā)技術(shù)目前尚處于實(shí)驗(yàn)階通常降壓開采適合于高滲透率和深度超過(guò)700m段，唯一的工業(yè)開采案例是前蘇聯(lián)麥索雅哈天然氣的水合物氣藏，若氣體中含有重?zé)N就需要較大的降水合物氣田。目前，大多數(shù)天然氣水合物的開發(fā)思?jí)?。另外通過(guò)調(diào)節(jié)天然氣的開發(fā)速度可以達(dá)到控制路基本.上都是首先考慮如何使蘊(yùn)藏在沉積物中的天儲(chǔ)層壓力的目的，進(jìn)而達(dá)到控制水合物分解的效果。然氣水合物分解，然后再將天然氣采至地面。- -般2.2熱采法來(lái)說(shuō)改變天然氣水合物穩(wěn)定存在的溫度及壓力，造成其分解，是目前開發(fā)天然氣水合物資源的主要方熱采法是研究最多、最深人的天然氣水合物開式。天然氣水合物開采方法有降壓法、熱采法、化采技術(shù)。熱采法是利用鉆探技術(shù)在天然氣水合物穩(wěn)學(xué)試劑法口-期、水力壓裂法等H。定層中安裝管道，對(duì)水合物地層進(jìn)行加熱，提高儲(chǔ)(上接第51頁(yè))具和附件也應(yīng)值得關(guān)注，如小接箍或控制，在套管生產(chǎn)中實(shí)施第三方監(jiān)造并檢測(cè)，確保無(wú)接箍套管的扶正器、厚壁超厚壁套管安全下人工套管生產(chǎn)質(zhì)量， 在鉆井中實(shí)施有效的防磨減磨技具、非API標(biāo)準(zhǔn)套管的井口工具甚至鉆機(jī)相關(guān)設(shè)備術(shù)，提高套管磨損后的剩余強(qiáng)度;統(tǒng)- -完井試樂(lè)標(biāo)等。準(zhǔn)，針對(duì)鉆井、完井、增產(chǎn)作業(yè)之間試壓標(biāo)準(zhǔn)存在4)對(duì)于油層套管試壓，目前存在鉆井、完井試差距的情況，在已有套管強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，以安全為壓標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)- -、 增產(chǎn)作業(yè)無(wú)標(biāo)準(zhǔn)的狀況，建議通過(guò)原則，通過(guò)工藝措施等方法提高鉆井試壓標(biāo)準(zhǔn)和降某一部門或組織制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)， 以避免鉆井、完井低完井相關(guān)的工作壓力。和增產(chǎn)作業(yè)中的分歧。參考文獻(xiàn)[1] 仵雪飛，林元華，巫才文，等套管防磨措施研究進(jìn)展4結(jié)論[J].西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2004, 26(4): 65-69.1)川西深井超深井套管損壞問(wèn)題嚴(yán)重，主要原[2]張紅生，郭永賓套管防磨保護(hù)措施[J].石油鉆采工藝，2007, 29(6): 116-118.因有套管材質(zhì)、性能或質(zhì)量達(dá)不到套管安全要求，[3]謝桂芳，高翔.深井套管防磨技術(shù)研究與應(yīng)用[J].石油礦井身質(zhì)量差或井眼軌跡復(fù)雜、施工周期長(zhǎng)導(dǎo)致磨損場(chǎng)機(jī)械.2008. 37(2): 69-74.嚴(yán)重，防磨減磨措施實(shí)際應(yīng)用效果差，完井及增產(chǎn)[4]楊進(jìn)，朱虎軍，于海永，等套管磨損防護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究作業(yè)要求高壓力試壓而導(dǎo)致套管破壞等。[J].石油鉆采T藝，2006，28(3): 10-12.2)要解決川西深井超深井套管損壞問(wèn)題，應(yīng)在[5]王衛(wèi)，馬清明，徐俊良，等.套管減磨接頭的研制與應(yīng)用采購(gòu)套管時(shí)要求廠商提高套管質(zhì)量的相關(guān)參數(shù)，確[J]石油鉆采技術(shù)，2003, 31(3); 38-39.保性能，并在鉆井工程設(shè)計(jì)中明確要求;加強(qiáng)過(guò)程(編輯:蔣龍)64 Natural Gas Technology總第19期天然氣技術(shù).新能源2010年層溫度，造成天然氣水合物分解，再用管道收集分解出的天然氣，其主要方法是將蒸汽、熱水、熱鹽edh水從地面注入水合物層，這些方法各有其優(yōu)點(diǎn)和不U壓力泵氣水分離器足。例如，蒸汽注人在薄水合物氣層的熱損失很失|大，只有在氣層大于15 m時(shí)熱效率才較高;注人熱井水的熱損失較注入蒸汽的小，但水合物氣層內(nèi)水的注人率限制了該方法的大規(guī)模使用。熱開采技術(shù)特別是在永久凍土區(qū)，即使利用絕熱管道，永凍層也水合物鍺層5445壓裂區(qū)，會(huì)降低傳遞給儲(chǔ)集層的有效熱量。實(shí)踐證明，電磁加熱法是一種較常規(guī)加熱方法更為有效的方法，電磁熱很好地降低了流體的黏團(tuán)1水力壓裂法開采天然氣水合物示意圖度，促進(jìn)了氣體的流動(dòng)。的天然氣水合物形成深度總是淺于常規(guī)氣藏的深度，它像蓋層一樣封閉了其下的常規(guī)天然氣。因2.3添加化學(xué)劑法此，開發(fā)天然氣水合物不是采用單- -方式的資源開在儲(chǔ)層注入抑制劑(甲醇、乙二醇、氯化鈣等)發(fā)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的，而需要利用綜合開發(fā)技術(shù)。以打破水合物平衡，造成部分天然氣水合物的分3結(jié)論解。近年來(lái)，國(guó)外正在開發(fā)兩種新型水合物抑制劑，即動(dòng)態(tài)抑制劑和防聚劑，它們抑制水合物形成1)天然氣水合物的開發(fā)技術(shù)現(xiàn)在仍處于探討階的機(jī)理與傳統(tǒng)的熱力學(xué)抑制劑不同，加入量少，一段， 需將來(lái)在生產(chǎn)中進(jìn)行檢驗(yàn)，逐步完善。般注入濃度低于1%。實(shí)驗(yàn)表明，天然氣水合物的溶2)天然氣水合物礦藏的最終確定必須通過(guò)鉆探解速率與抑制劑濃度、注人排量、壓力、抑制液溫來(lái)實(shí)現(xiàn)，其難度比常規(guī)海上油氣鉆探要大得多，- -度等因素有關(guān)。方面是水太深，另--方面由于天然氣水合物遇減壓麥索雅哈氣田在開采初期，有兩口井在其底部會(huì)迅速分解，極易造成井噴。日益增多的成果表層段注人甲醇后產(chǎn)量增加了6倍。在美國(guó)阿拉斯加的明，由自然或人為因素所引起的溫壓變化均可使水永凍層天然氣水合物中做過(guò)實(shí)驗(yàn)，也獲得明顯的產(chǎn)合物分解，造成海底滑坡、生物滅亡和氣候變暖等氣量。環(huán)境災(zāi)害。因此，建議盡快開展室外天然氣水合物鉆采方法的研究工作。2.4水力壓裂法3)我國(guó)南海廣闊的陸架及東海部分陸架具有形水力壓裂工藝是利用溫度相對(duì)較高的海水由高成天然氣水合物的地質(zhì)條件,建議盡快開展這兩個(gè)壓泵通過(guò)注人井注人水合物儲(chǔ)層，在加熱水合物儲(chǔ)海區(qū)天然氣水合物的勘查研究工作，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)層的同時(shí)還使其產(chǎn)生人工裂縫，為分解氣體提供運(yùn)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供新能源。移通道，從而達(dá)到高效開采水合物儲(chǔ)層的目的。從參考文獻(xiàn)生產(chǎn)井流出的氣水兩相流體經(jīng)氣水分離器分離出來(lái)[1]孫志高，王如竹.天然氣水合物研究進(jìn)展[J].天然氣工的氣體，經(jīng)加工后直接輸出(圖1)。這種方法通過(guò)人業(yè)，2002, 22(1): 92-94.工控制增加儲(chǔ)層裂隙，促進(jìn)儲(chǔ)層壓力降低，同時(shí)溫[2]趙建忠，石定賢.天然氣水合物開采方法研究[J]礦業(yè)研究與開發(fā)，2007, 27(3): 32-35.熱海水提供分解所需熱量，可以認(rèn)為水力壓裂開采[3]張修安.天然氣水合物開采及輸送工藝技術(shù)研究[D].北是一種強(qiáng)化的綜合熱激法與減壓法開采結(jié)合的新方京:中國(guó)石油大學(xué)，2007.法。[4]李穎川，胡順渠.天然氣節(jié)流溫降機(jī)理模型[J].天然氣工天然氣水合物儲(chǔ)層蘊(yùn)藏有巨大的天然氣資源,業(yè)，2003, 23(3): 70-73. .而且在天然氣水合物儲(chǔ)層之下往往還存在常規(guī)天然(編輯:蔣龍)氣資源。前蘇聯(lián)開發(fā)的麥索雅哈氣田證明，永陳區(qū)天然氣技術(shù)/ 65