IssN1005-2763礦業(yè)研究與開發(fā)第27卷第3期2007年6月CN43-1215/TDMiNING R&d. vol 27. No. 3Jun.2007天然氣水合物開采方法研究趙建忠,石定賢(太原理工大學(xué)采礦工藝研究所,山西太原03002摘要:天然氣水合物是蘊(yùn)藏于海洋深水底和大陸架永久冰天然氣水合物固然給人類帶來了新的能源希土帶的碳?xì)浠衔?可能成為人類的重要能源來源之一。綜望,但它也可對全球氣候和生態(tài)環(huán)境甚至人類的生合論迷了目前可能采用的可行開采方法,通過對Mlik地區(qū)存環(huán)境造成嚴(yán)重的威脅。當(dāng)前大氣中的二氧化碳?xì)獾拈_采試驗(yàn),分析提出了以水力壓裂開采水合物的可行性方法,對我國宏觀能源可持續(xù)發(fā)展具有重要理論意義和廣閫的以每年0.3%的速率在增加,而大氣中的甲烷氣卻應(yīng)用前景。以每年0.9%的速率在更為迅速地增加。更為重要關(guān)鍵詞:天然氣水合物;開采方法;水力壓裂的是,甲烷氣的溫室效應(yīng)為二氧化碳?xì)鉁厥倚?yīng)的中圖分類號:P44.4,TD857文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A20倍。全球海底天然氣水合物中的甲烷總量約為文章編號:1005-2763(2007)03-0032-03地球大氣中甲烷量的3000倍,這些甲烷氣如果釋放,將對全球環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響,嚴(yán)重地影響全球Study on Exploiting Method of Natural Gas HydratesZhao Jianzhong, Shi Dingxian的氣候與海平面。另外,固結(jié)在海底沉積物中的水Institute of Mining Technology, Taiyuan University of合物,一旦條件發(fā)生變化,釋出甲烷氣,將會明顯改Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, Chin變海底沉積物的物理性質(zhì)。其后果是降低海底沉積Abstract: The natural gas hydrates is hydrocarbon that is con物的工程力學(xué)特性引發(fā)大規(guī)模的海底滑坡毀壞海tained in the sea bottom and the permafrost of continental she底輸電或通信電纜、海洋石油鉆井平臺等重要工程設(shè)施,甚至造成雪崩式的大規(guī)模海底滑坡,并使大量of natural gas hydrates at present, provides hydraulic fract的甲烷氣逸散到大氣中,造成極大的災(zāi)難與經(jīng)濟(jì)損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目前提出的開采方法tainable天然氣水合物開采的思路基本上是首先將蘊(yùn)藏cision-making, and it has also a wide application prospectKey Words: Natural gas hydrates, Exploiting method, Hydrau于沉積物中的天然氣水合物偏離相平衡條件進(jìn)行分解,然后加以利用,由于難度較大,迄今沒有形成較天然氣水合物( gas hydrate))是一種白色固體結(jié)為理想的開采方案。晶物質(zhì),外形像冰,有極強(qiáng)的燃燒力,1體積的水合1.1減壓法3物分解可釋放出160~200體積的天然氣。世界上通過降低壓力而使天然氣水合物穩(wěn)定的相平衡絕大部分的天然氣水合物分布在海洋里,儲存在特曲線移動,從而達(dá)到促使水合物分解的目的。一般定的海底沉積物中,只有極其少數(shù)的天然氣水合物是在水合物層之下的游離氣聚集層中“降低”天然是分布在常年冰凍的陸地上1l地層中已探明的氣壓力或形成一個天然氣空腔(可由熱激發(fā)或化學(xué)天然氣水合物貯量相當(dāng)于全球傳統(tǒng)化石能源(煤、試劑作用人為形成),使與天然氣接觸的水合物變石油天然氣與油頁巖等)貯量的2倍左右,總資源得不穩(wěn)定并且分解為天然氣和水。開采水合物層之量約為(118~21)×103m3。下低儲壓十的一種有效方法,另外中國煤化工收稿日期:CNMHG趙建忠,等:天然氣水合物開采方法研究33通過調(diào)節(jié)天然氣的提取速度可以達(dá)到控制儲層壓力也有人提出直接在井底放一個高溫催化爐,把的目的,進(jìn)而達(dá)到控制水合物分解的效果。減壓法甲烷催化成一氧化碳和氫氣,利用放出的熱量來分最大的特點(diǎn)是不需要昂貴的連續(xù)激發(fā),因而其可能解水合物,該方案的化學(xué)反應(yīng)方程式為成為今后大規(guī)模開采天然氣水合物的有效方法之2CH4+O2+2CO+4H2但是,單使用減壓法開采天然氣是很慢的,是一從以上各方法的使用來看,單單采用某一種方種弱化被動式開采。法來開采天然氣水合物是不經(jīng)濟(jì)的,只有結(jié)合不同1.2熱激法方法的優(yōu)點(diǎn)才能達(dá)到對水合物的有效開采。例如將將蒸汽、熱水、熱鹽水或其它熱流體從地面泵入降壓法和熱開采技術(shù)結(jié)合使用,即先用熱激發(fā)法分水合物地層,也可采用開采重油時使用的火驅(qū)法,總解天然氣水合物,后用降壓法提取游離氣體。稱為熱激發(fā)法。熱開采技術(shù)的主要不足是會造成2 Mallik地區(qū)的試采實(shí)驗(yàn)之只要能促使溫度上升達(dá)到水合物分解的方法都可量的熱損失,效率很低。特別是在永久凍土區(qū),即使由熱衷于開發(fā)這種可能的替代能源的日本主利用絕熱管道,永凍層也會降低傳遞給儲層的有效導(dǎo),一個由石油公司和政府機(jī)構(gòu)組成的團(tuán)體開展了熱量。為期16a的研究,其目標(biāo)是在2010年前確定水合在熱刺激模型中,水合物產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)控制技物是否能成為一種資源。1998年,研究人員在加拿術(shù)有兩種大西北部的北極圈地區(qū)鉆了第一口試驗(yàn)井;2002年(1)用熱水或蒸汽循環(huán)注入預(yù)熱井。通過數(shù)值第一季度,承擔(dān)此計(jì)劃的團(tuán)體在經(jīng)過組織擴(kuò)充后,開實(shí)驗(yàn)表明:水合物的儲層最小應(yīng)有15%的孔隙度,展了2002年Mlik天然氣水合物生產(chǎn)研究井計(jì)劃,厚度應(yīng)有7.5cm。如果注射液的溫度為340K~該計(jì)劃包括鉆一個垂直深度為178m的主要生產(chǎn)395K之間,則可滿足其經(jīng)濟(jì)可行性的需要。井和兩個與主井相距50m的觀察井,全方位的野外(2)利用電磁或微波等直接加熱。為了更有效試驗(yàn)監(jiān)視了天然氣水合物礦床對減壓和熱激化的物利用熱能,可在井下安裝加熱裝置,設(shè)備較復(fù)雜,也理反應(yīng)。在幾次試生產(chǎn)期間,可以通過兩個觀察井可利用微波加熱,通過波導(dǎo)將微波導(dǎo)入井底,直接加進(jìn)行跨孔層析成像試驗(yàn),試驗(yàn)中使用了裸眼井測井熱水合物或水。和先進(jìn)的天然氣水合物測井儀等大量先進(jìn)技術(shù),并1.3抑制劑法連續(xù)從水合物層段中回收鋼繩巖心。日本、德國、加某些化學(xué)試劑,諸如鹽水、甲醇、乙醇、乙二醇、拿大、印度和美國的政府機(jī)構(gòu)是此次試生產(chǎn)的參與丙三醇等化學(xué)試劑可以改變水合物形成的相平衡條者,日本石油勘查公司的加拿大分部負(fù)責(zé)施工,加拿件降低水合物穩(wěn)定溫度。當(dāng)將上述化學(xué)試劑從井大地質(zhì)調(diào)查局魚責(zé)整個科學(xué)計(jì)劃的協(xié)調(diào)工作?？妆米⑷牒?就會引起水合物的分解?；瘜W(xué)試劑法2003年12月,在日本千葉城舉行的題為“從較熱激發(fā)法作用緩慢,但確有降低初始能源輸入的Mlik到未來”的研討會上,公布了人們期待已久的優(yōu)點(diǎn)?；瘜W(xué)試劑法最大的缺點(diǎn)是開采成本高。由于關(guān)于2002年 Mallik研究計(jì)劃的資料。根據(jù)這些資大洋中水合物的壓力較高,因而不宜采用此方法。料,水合物變成真正資源的可能性增大了。在專家化學(xué)試劑法曾被在俄羅斯的梅索雅哈氣田使用過,建議的3種最普通的生產(chǎn)水合物方法中,減壓法在例如:在五口氣井中注射了抑制劑,結(jié)果使氣體的把水合物轉(zhuǎn)化成氣和水方面比另外兩種方法簡單得平均產(chǎn)量增加了4倍。在美國阿拉斯加的永凍層水多。把熱水或熱流注入地層的方法在其次,把諸如合物中也做過實(shí)驗(yàn),它在成功的移動相邊界方面顯甲醇這樣的化學(xué)物質(zhì)注入地層的方法居末位。3次得有效,獲得明顯的氣體回收短期減壓試驗(yàn)的結(jié)果表明,只使用這一種方法就可1.4其它方法以從不同濃度和特性的天然氣水合物中生產(chǎn)出天然近期有學(xué)者提出用CO2置換開采,用壓力將相氣。試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)支持了這樣的解釋,即天然氣平衡壓力較低,更容易形成水合物的CO2通入天然水合V凵中國煤化工的流動性都大超氣水合物儲層,通過形成二氧化碳水合物放出的熱出過CNMHG現(xiàn)對儲集層進(jìn)行人量來分解天然氣水合物同時可以用來處理工業(yè)排工破碎,可以大大增加大然氣的產(chǎn)量。Mlik研究放的CO201計(jì)劃的數(shù)據(jù)還顯示出天然氣水合物礦床中存在天然礦業(yè)研究與開發(fā)2007,27(3)裂隙,但這些裂隙也可能是人為的。一些證據(jù)表明,的綜合熱激法與減壓法開采的新方法天然和擴(kuò)張的裂隙可能是天然氣的傳輸通道,試驗(yàn)井附近儲集層中的天然氣可能就是沿著這些裂隙傳輸?shù)?。此次試?yàn)還發(fā)現(xiàn),如果同時使用這兩種方法壓力泵氣水分離器則可獲得更高的產(chǎn)量。注3水力壓裂開采水合物的可行性水力壓裂,其實(shí)質(zhì)是在地面通過鉆孔向地下被水合物儲層壓目的巖層注入一定量高壓流體,在鉆孔底部一定壓裂區(qū)N范圍內(nèi)誘發(fā)人工裂縫,將目的巖層沿垂直于最小主應(yīng)力方向壓裂。該技術(shù)最初應(yīng)用于地應(yīng)力測量,通圖2水力壓裂開采水合物示意過觀測記錄分析水力壓裂時間曲線,獲得目標(biāo)層位原巖地應(yīng)力的大小和方向。1940年代將該技術(shù)引4討論和展望人石油天然氣工業(yè),用于低滲透性難采儲集層的激(1)在假設(shè)無能量損失的情況下,從水合物氣化以提高石油天然氣的采收率和產(chǎn)量。之后,該技體中獲得的能量是分解水合物能量的15.5倍在有術(shù)又被用于干熱巖體的地?zé)衢_發(fā)與鹽類礦床的開損失的情況下,該能量之差可能較小,因此如何對現(xiàn)釆。,并取得良好效果。海底水合物儲層一般處于有的開采方案進(jìn)行篩選和組合或者開發(fā)新的技術(shù)兩不滲透巖層且水合物層具有一定的裂隙度利于尋找經(jīng)濟(jì)可行的開采方法將是一個非常重要的壓裂,儲層狀態(tài)見圖1。任務(wù)。海平面(2)通過Mlik地區(qū)的開采試驗(yàn),裂隙的發(fā)展對水合物分解有重要影響,由此提出了利用溫?zé)岷Ｏ嗥胶馇€水通過水力壓裂開采水合物礦藏的方法,是一種強(qiáng)溫度梯度化的綜合熱激法與減壓法開采的新方法。參考文獻(xiàn)[1 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