美国天然气水合物研发进展及对中国的启示_张炜

美国天然气水合物研发进展及对中国的启示

张 炜1,2,王淑玲1,2

(1. 中国地质图书馆,北京 100083;2. 中国地质调查局地学文献中心,北京 100083)

摘 要:天然气水合物作为一种潜在的能源资源,因其资源量丰富以及分布广泛,愈来愈受到世界各国的关注。尽管目前尚无法实现对天然气水合物的商业化开发,但部分国家,如美国、日本、加拿大、韩国等,已针对相关领域开展了数十年的研究工作。其中,美国于2000年通过了甲烷水合物研发法案,推动了国家级甲烷水合物研发计划的制定和实施。经过美国联邦机构、私人机构和学术机构间的跨机构合作,在勘探、资源量评估、基础理论研究、开采、环境影响评价等方面取得了显著的进展,处于世界领先地位。本文系统归纳了美国国家甲烷水合物研发计划的建立、工作进展和未来方向,并基于分析为改进和完善中国的甲烷水合物研发工作提出建议。

关键词:能源资源;天然气水合物;甲烷水合物;研发计划;勘探开发

中图分类号:P618.13 文献标志码:A 文章编号:2095-1329(2015)02-0079-4

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2015.02.018

尽管人类很早就认识到气体水合物的存在,但直到20世纪60年代末和70年代初,才通过前苏联西伯利亚和美国阿拉斯加多年冻土带的油气作业开始意识到水合物在自然界中的赋存及其中天然气资源的潜力[1,2]。直到20世纪80年代和90年代,通过一系列的深海考察和实验研究才发现海洋中赋存有资源量巨大的甲烷水合物[1],从而开启了针对甲烷水合物的资源勘查和研发工作。美国作为最早建立国家级甲烷水合物研发计划的国家之一,其在计划设立、组织结构构建和研发进展等方面值得我国借鉴,以建立和完善可以充分发挥政府、国有企业、私人企业、研究院所和高校等机构在甲烷水合物研发领域上的优势的国家级计划。本文系统归纳美国国家甲烷水合物研发计划的建立、工作进展和未来方向,并基于分析为改进和完善中国的甲烷水合物研发工作提出建议。

1 美国甲烷水合物研发概况

从1982年至1992年,美国能源部(DOE)投入了超过800万美元建立对天然甲烷水合物埋藏分布和物理/化学性质的基本认识,并逐渐向短期勘探和生产研发领域扩展。但是,20世纪90年代末美国和其他国家的研究结果表明美国联邦政府需要立即关注有关甲烷水合物的问题。因此,1997年DOE开始了多机构协作模式下的国家天然气水合物研发计划。1998年,DOE发布了甲烷水合物研发战略,目的是通过为期10年的科学和技术发展在2015年前获取甲烷水合物商业化生产所需的知识和技术,并应对随之而来的环境和安全问题。在上述研发战略基础上,DOE于1999年发布了国家甲烷水合物多年研发计划,目的是通过技术开发支持甲烷水合物研发活动,主要集中在4个技术领域:资源表征、生产、全球碳循环以及安全和海底稳定性。2000年,美国国会和总统签署通过了甲烷水合物研发法案。该法案要求DOE联合美国国家科学基金会(NSF)、美国商务部(DOC)(由美国国家海洋和大气局(NOAA)代表)、美国国防部(由美国海军研究实验室(NRL)代表)和美国内政部(由美国矿产资源管理局(MMS)和美国地质调查局(USGS)代表)共同制定一个国家级的研发计划,以充分利用联邦机构、私人机构和学术机构的资源[3]。该法案的目的是通过国家层面上的研发工作,认识近海和多年冻土带沉积地层中所赋存甲烷水合物的物理性质,建立用于勘探和量化甲烷水合物藏的方法,了解钻探和生产等扰动下甲烷水合物的稳定性和变化情况,确定从甲烷水合物中生产甲烷的技术要求,以及研究甲烷水合物分解可能造成的环境影响[4]。同年8月,DOE和美国雪佛龙公司共同召开墨西哥湾甲烷水合物研发计划的专题研讨会,计划在墨西哥湾开展甲烷水合物研发工作。2001至2005年针对该计划的年均拨款稳定在950万美元左右。2005年8月,能源法案获得通过,2005年至2010年的总拨款达到1.55亿美元,并增加了美国土地管理局(BLM)的参与。2006年7月,DOE公布了跨机构甲烷水合物研发路线图[5],该路线图根据2000年甲烷水合物研发法案和2005年能源法案制定了相应的活动计划,如资源潜力、海底稳定性、钻探安全和环境问题等。2007年6月,DOE发布了跨机构甲

基金项目: 中国地质调查局工作项目

与分析研究”(1212011220914);

能源资源调查评价选区研究

烷水合物研发5年计划[3]。2011年10月1日,美国海洋能源管理、监督和执行局(BOEMRE)(前美国矿产资源管理局)的职能被美国海洋能源管理局(BOEM)和美国安全与环境执法局(BSEE)所取代,由前者参加水合物研发计划。2013年5月,DOE发布了新的跨机构甲烷水合物研发计划(2015~2030年)。

2 工作进展

2000年以来,美国国家甲烷水合物研发计划广泛支持实验室、工程和现场项目,以增加对水合物性质、含水合物沉积物以及全球甲烷水合物储层与世界海洋和大气间相互作用的理解。下面对已开展的主要甲烷水合物研发工作和重要成果作简要介绍:

(1)2001年9月,在DOE的主要资助下,英国石油公司阿拉斯加勘探分公司启动了阿拉斯加北坡天然气水合物储层表征项目,目的是基于之前USGS对阿拉斯加北坡天然气水合物中未探明技术可采天然气资源量的估算(2.42万亿m3),通过3D地震勘探圈定Milne Point油气区内的甲烷水合物资源范围,并通过现场和实验室研究确定从甲烷水合物中生产甲烷的可能。该项目的工作分为3个阶段,主要成果包括:①圈定、表征和评估了Milne Point区域中14个分散的天然气水合物藏的资源潜力(原地气储量达170亿m3);②开展可进行地震属性与水合物储层参数(如厚度和水合物饱和度)间相关性分析的地球物理模拟;③分析了Milne Point区域的地震数据,并整合了该区域及其周围普拉德霍湾(Prudhoe Bay)和Kuparuk River油气区的相关测井数据。

(2)2001年,工业参与者和政府机构与DOE合作成立了以美国雪佛龙公司为主导的墨西哥湾天然气水合物联合工业项目,目的是研究与含水合物沉积层中的钻探有关的地质灾害,开发和测试地质和地球物理工具以预测和表征甲烷水合物的赋存,以及通过取样获取分析海洋甲烷水合物资源和生产问题所需要的数据。在该项目2005年的第一阶段工作中开展了科学钻探、取心和井下测井来评估具低浓度甲烷水合物的细粒沉积层中可能的安全和海底稳定性问题。

(3)2007年,DOE、英国石油公司阿拉斯加勘探分公司、USGS等机构在阿拉斯加北坡的Milne Point区域实施了科学钻探和数据收集计划。除了证实在正在进行工业活动的地区开展安全且高效的科学数据收集计划的能力,又确定了由USGS开发的地球物理技术可用于圈定和表征Milne Point区域内14个分散的气体水合物藏。对所获测井、岩心和井底压力响应数据的分析可用于解释阿拉斯加北坡典型水合物藏的演化、岩石物理特性和可能的生产行为。该项目已于2014年3月31日宣告结束,因多方面原因,并没有按计划开展长期的水合物生产测试[6]。

(4)MMS利用2D和3D地震数据、井数据以及地质、地球化学和古生物学信息估计墨西哥湾内有较大区域(面积约45km2)的压力和温度条件可使水合物处于稳定,水合物中的总原地气评估储量为315万亿~975万亿m3[7],平均储量为607万亿m3,其中赋存于砂岩储层中的约190万亿m3,赋存于页岩和裂缝性储层中的约417万亿m3[4]。但需要注意的是,此次储量评估工作未给出技术或经济可采资源量。

(5)2008年11月,USGS发布了针对阿拉斯加北坡陆域甲烷水合物的资源量评估结果。此次评估采用油气系统方法,是首次评估利用常规油气生产技术可从甲烷水合物中采出的甲烷的资源量。针对不同的水合物生产技术,USGS指出降压法是最具前景的。评估结果表明,阿拉斯加北坡中甲烷水合物的未探明天然气技术可采资源量为0.7万亿~4.5万亿m3,平均资源量为2.4万亿m3[4]。

(6)2009年4月,在墨西哥湾天然气水合物联合工业项目第一阶段工作的基础上,美国雪佛龙公司领导开展了第二阶段工作,目的是证实在墨西哥湾深水中的砂岩储层赋存有甲烷水合物,以及在钻探前通过综合性的地球物理和地质勘探方法确定和表征砂岩储层中具体的甲烷水合物藏,其中以采集含甲烷水合物砂岩储层中一整套随钻测井数据为主[8]。在墨西哥湾3处场地的7口井中开展了随钻测井作业。首次利用结合了含天然气水合物地层的直接物理证据、水合物稳定性条件范围的评估、气源的存在、预期的储层岩性(砂岩)以及烃源岩和储集层间的气体运移通道的地质和地球物理勘探方法来选择井场。7口井中有6口井证实了钻前的预期,其中4口井中的天然气水合物饱和度为50%~80%,余下2口井的饱和度则较低[7]。总的来说,从作业角度,第二阶段的工作非常成功,在预算范围内按时完成且零伤亡。随钻测井工具的表现也很突出,没有因设备问题耽误作业时间。本阶段获得了针对砂岩储层中赋存的低至高饱和度甲烷水合物以及泥岩储层中厚段裂隙充填型甲烷水合物的极具价值的数据集。

(7)墨西哥湾天然气水合物联合工业项目第三阶段的重点是表征粗颗粒层段中富集的天然气水合物藏,这有助于量化该项目的水合物地震和地质预测方法,从而获得对富集水合物藏更有价值的认识。另一个目的是推动该项目在评估海洋水合物储层和确定海洋水合物技术可采性上的目标。2013年11月,在俄克拉何马州的Catoosa实验设施完成了对项目所研制保压取心系统(PCS)的陆基钻探/取心测试。技术评估组根据此次现场测试深入研究和评估了PCS的性能和作业过程中存在的问题,并为改进PCS的性能提出了建议[9]。

(8)2012年,BOEM指出美国本土外大陆架的天然气水合物中蕴藏有约1454万亿m3的天然气。其中,墨西哥湾砂岩储层中所赋存的高富集度水合物藏的天然气总量为190万亿m3,而沿美国大西洋边缘分布的砂岩储层中的天然气

总量为447万亿m3[10]。

(9)2012年5月2日,DOE前部长朱棣文宣布,由DOE、美国康菲石油公司、日本石油天然气金属矿物资源机构(JOGMEC)共同在美国阿拉斯加北坡普拉德霍湾区开展的Ignik Sikumi现场试验成功完成[11,12]。这是首个设计用于调查研究天然气水合物藏中CO2-CH4置换潜力的现场试验工程。试验准备工作完成后,2012年2月15~28日间,约有6000m3含有少量化学示踪剂的CO2(23%)和N2(77%)被成功注入地层中[12,13]。同年3月4日,重新开井生产混合气体,并于4月11日最终关井,由于设备问题,实际生产时间为30天。整个生产周期内气体总产量约为28300m3。2013年3月,DOE发布了此次现场试验的测井和生产测试数据,所有的研究人员和公众都可以获取这些数据用于分析和评估[14]。2013年7月,美国康菲石油公司完成了此次水合物生产试验的最终技术报告[15]。

(10)在DOE所属美国国家能源技术实验室(NETL)的资助下,美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)开发了第一个对公众开放下载且只用于评估天然气水合物储层行为和生产潜力的模拟程序TOUGH+/HYDRATE。该模拟程序通过与FLAC3D模拟程序的耦合可评估与因水合物失稳相关的地质力学问题,利用现场数据可应对愈加复杂的研究以及模拟天然气水合物在较长时间尺度下对环境变化的响应。此外,NETL还免费发布了该早期版本(Hydra-teResSim)的源代码,NETL将为这一版本提供有限的用户支持,包括基于改进和/或用户建议对其的升级。美国太平洋西北国家实验室(PNNL)开发的STOMP-HYD模拟程序,可用于研究利用CO2注入从甲烷水合物中通过置换反应生产CH4的可能[16],并通过不断改进开发了可考虑甲烷水合物和二氧化碳水合物以外的第三种水合物的形成(即引入了N2)的新模拟程序STOMP-HYDT-KE[17]。

(11)NETL和USGS正在努力开展甲烷水合物储层模拟器间的比较性研究。其目的是交换可用于改进储层模拟的天然气水合物分解和物理特性信息;通过交流和模拟结果的交叉验证,建立对所有主要模拟器的信任;建立和收集不同天然气水合物相关试验/生产方案下,模拟器对它们的预测,以达到相互比较的目的。

(12)在实验室工作方面,美国国家研发计划持续给予资助,目的是通过建立新认识和研发新设备,推动对现场试验中能源潜力、安全和环境影响的研究。新数据的获得可用于对计算机程序的进一步测试和改进,以模拟甲烷水合物在自然环境和其他诱发环境下的行为变化。这些模型对评估天然气水合物在海底稳定性、全球气候和未来能源供给中所起作用上十分必要。

(13)2013年11月,在DOE的资助下,美国海洋发展领导联盟(COL)组建的甲烷水合物项目科学小组(成员来自学术界、工业界和政府机构)发布了海洋甲烷水合物现场研究计划,该计划的目的是为大洋科学钻探提供指南,以确定在数据和信息收集上具有最大潜力的钻探靶区和航次,从而应对甲烷水合物在科学和技术上面临的重要挑战[18]。

3 未来的挑战及对中国的启示

COL组建的甲烷水合物项目科学小组,在《海洋甲烷水合物现场研究计划》中提出了天然气水合物研发工作未来面临的挑战,主要涉及如下领域:

(1)甲烷水合物的资源量评估和全球碳循环:海洋系统中以甲烷形式赋存的碳的总量和通量随时间的变化及其影响因素,对甲烷水合物藏的可靠评估,甲烷水合物储层对自然和人为扰动的响应;

(2)甲烷水合物的生产:近海甲烷水合物生产测试中优先采用的生产方法,影响近海甲烷水合物储层中生产率的关键储层参数,确定近海甲烷水合物生产的经济可行性所需要的最小生产率和测试时长;

(3)与甲烷水合物相关的地质灾害:影响甲烷水合物生产的地质灾害,自然过程是否是诱发甲烷水合物地质灾害的唯一因素;

(4)模拟、实验室和现场系统的要求和集成:开展实验室测量以辅助对现场数据的校正和解释,改进现场表征工具以应对关键的甲烷水合物科学挑战,增加储层模拟器的准确性和可靠性以评估甲烷水合物的资源潜力及甲烷水合物在地质灾害和气候变化中所起的作用,更好地整合模拟、试验和现场数据。

中国的天然气水合物研究始于20世纪80年代,尽管起步较晚,但在天然气水合物基础理论、资源勘查和评价等方面取得了显著的进展并获得了国际同行的认可,在2011年于英国召开的第七届国际天然气水合物大会上,中国从美国、日本、韩国、印度等多国竞争中脱颖而出,成功获得第八届国际天然气水合物大会的主办权。该大会已于2014年7月29日~8月1日在北京成功召开。纵观美国国家天然气水合物研发计划的经验,我们应重点开展以下几方面的工作:

(1)尽管甲烷水合物中的天然气资源潜力极其巨大,但因地质条件(如温度、压力)和赋存形式(固相水合物)的特殊以及潜在的安全和环境问题等,对其的开发不同于常规或其他非常规天然气资源,在短时间内很难实现经济和社会效益,这就需要政府长期而稳定的政策和资金支持,以国有企业、研究机构和高校等为依托,全面、系统、深入地开展甲烷水合物的相关科学研究和技术研发工作。

(2)重视基础科学研究和技术研发,加大政策和资金的支持力度,如天然气水合物的基本物理化学性质(结构形态、热力学性质、力学性质)及其测试技术和方法、

勘探方法(成藏机理、地震响应特征、测井识别特征、地球化学特征、生物学特征)、资源量评估方法、取样技术(非保温保压取样技术、保温保压取样技术)、开采方法。

(3)随着天然气水合物研发工作的不断深入,部分国家已开展了对陆域和海域天然气水合物的试采,如加拿大马更些三角洲的Mallik、美国阿拉斯加北坡的Mount El-bert和Ignik Sikumi以及日本的Nankai海槽。我国计划于2015年在中国海域实施天然气水合物试采工程,根据已有的经验,为了更好地开展水合物试采工作,应深入了解天然气水合物储层的特征,通过室内试验与生产模拟分别测量和量化不同天然气水合物藏的生产响应,确定可影响天然气水合物最终资源潜力的环境问题[10]。

(4)尽管天然气水合物的开发利用对满足人类的能源需求有着重要的意义,但也不应忽略水合物开发可能造成的环境和地质灾害问题,应首先确定可能产生的主要风险因素,如甲烷泄漏、地面(海底)沉降、海底滑坡等,然后针对不同的地质条件建立更可靠的环境和地质灾害风险评价方法,最后根据可能的环境和地质灾害风险制定作业规范和应对措施。

(5)天然气水合物研发是一项综合性的工作,涉及物理、化学、热力学、地质、地球物理、油气工程等多个学科,涵盖陆地和海洋,这就需要像美国一样在国家级甲烷水合物研发计划的制定和实施中发挥相关政府机构(如国土资源部所属的中国地质调查局和国家海洋局、国家发展和改革委员会所属的国家能源局、科技部)的优势,统一协调天然气水合物的研发工作。

(6)积极参与天然气水合物领域的国际性研发计划或项目,与相关政府机构、企业、学术机构等建立长期稳定的联系,一方面追踪和分享国外最新研究成果,另一方面加强学习和积累技术研发和项目管理等方面的先进经验。

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Progress on research on the development of natural gas hydrates in the United States and its application to China

ZHANG Wei1,2, WANG Shu-Ling1,2

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WANG Yang1, ZHANG Ke-Ni2, FAN Rui3, WANG Xiao-Qing1

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Abstract: To ensure that a ground source heat pump can be used effectively, basic methods for conducting numerical simulations of vertical U-shape buried pipe are described based on TOUGH2 code. The operating characteristics of the system are analyzed throughout the year according to the characteristics of heat load imbalance in winter and summer. Heat exchange quantities per unit well depth that affect soil temperature and recovery are discussed. This study also shows that numerical simulation methods can be used to study geothermal heat exchange under coupled thermal conduction and groundwater advection.

Key words: ground source heat pump; temperature field; numerical simulation; TOUGH2

Abstract: Natural gas hydrates are being given increasing attention due to their extensive distribution and role as a potential energy source. Commercial production of natural gas hydrates is not yet feasible; however, countries such as USA, Japan, Canada, and Korea have been researching this energy source for decades. The Methane Hydrate Research and Development (R&D) Act of 2000 was authorized by U.S. Congress, to promote the planning and implementation of a national methane hydrate R&D program. Through cooperation among federal agencies, private institutions, and academics, significant progress has been made in areas such as exploration, resource assessment, fundamental research, production, and environmental impact assessments. This paper firstly summarizes the establishment, progress, and future direction of America’s methane hydrate R&D program, and then provides suggestions for improving methane hydrate R&D in China.

Key words: energy resources; natural gas hydrate; methane hydrate; research and development program; exploration and exploitation

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