天然气水合物勘探开发技术评价

文章编号:1000-2634(2007)-11-0053-04天然气水合物勘探开发技术评价3巩艳,袁宗明(西南石油大学石油工程学院,四川成都610500)摘要:天然气水合物(NGH)作为继煤、石油和天然气等能源之后的一种潜在新型能源,勘探、开发的研究引人注目。

其独特的产出形式和赋存环境,决定天然气水合物对未来世界能源需求的贡献依赖于勘探开发技术的进步和巨大经费的投入。

简要介绍天然气水合物的性质及世界资源分布情况;详细阐述天然气水合物常用的勘探方法;对比分析以热激法、降压法、化学试剂法为主的天然气水合物开采技术;总结了天然气水合物勘探开发过程中所存在的风险。

关键词:天然气水合物;能源;勘探方法;开采技术中图分类号:TE132.2 文献标识码:A引　言从第一次发现天然产出的水合物到现在,只不过几十年的时间,但是由于天然气水合物分布广、能源密度高、产出形式以及赋存环境独特等问题,因此它给能源科学、环境科学、地质科学、以至生命科学都提出了一系列崭新的研究课题,研究天然气水合物对人类来说具有重要意义[1]。

1　天然气水合物1.1　天然气水合物的概念天然气水合物(Natural Gas Hydrates,简称NGH)是在一定的温度、压力条件下,由水分子和碳氢气体分子组成的一种类似于冰的、非化学计量的笼形结晶化合物[1,2]。

它是一种主-客体材料:水分子形成点阵间的空穴,这些形成点阵的水分子之间由较强的氢键结合,碳氢气体分子作为“客”气体分子充填在空穴中,并与水分子在低温和一定压力下通过较弱的范德华作用力稳定地相互结合在一起。

自然界中,甲烷是最常见的“客”气体分子。

天然气水合物极易燃烧,因此也被称为“可燃冰”,并且在燃烧以后几乎不产生任何残渣或废弃物。

1.2　天然气水合物的类型天然气水合物有2种分类方法。

一种是按产出环境或温度压力机制分类,另一种是按其结构类型进行分类。

按产出环境,可分为海底天然气水合物和极地天然气水合物2种类型。

这2种产出环境代表着2种截然不同的温度压力机制。

通常把海洋过渡带、边缘海相内陆海等世界洋底蕴藏的天然气水合物称为海底天然气水合物。

与极地天然气水合物相比,海底天然气水合物的环境温度较高,但由于深海较高的压力,海底天然气水合物仍可保持稳定。

压力是控制天然气水合物形成的主要因素。

极地天然气水合物是在较低的压力和温度下形成的,蕴藏的深度相对较浅。

极地天然气水合物的分布在很大程度上受地域限制,因而它的总量少于海底天然气水合物。

按结构类型,天然气水合物可分为Ⅰ型和Ⅱ型2类。

自然界中,Ⅰ型和Ⅱ型天然气水合物是2种互相联系的结构类型:它们是五角十二面体、十四面体和十六面体3种晶格类型的不同组合。

Ⅰ型结构天然气水合物由五角十二面体和十四面体组成,Ⅱ型结构天然气水合物由五角十二面体和十六面体组成。

1.3　天然气水合物的资源分布被誉为未来燃料的天然气水合物,期望于成为在整个21世纪为地球提供电力的一种新能源[3]。

但由于研究程度的限制,现在还很难确定地球上天　第29卷 西南石油大学学报 Vol.29 2007年　11月 Journal of Southwest Petr oleu m University Nov　2007 3收稿日期:2007-09-30作者简介:巩艳(1986-),女(汉族),四川绵阳人,油气储运专业2003级本科生。

然气水合物的绝对数量。

据统计[3-6],世界各大洋中,天然气水合物的总量换算为甲烷气体,高达2×1016m3,其含碳量比迄今世界上所有已知石油、天然气、煤炭矿产的总量大2倍,约占化石燃料(煤、石油、天然气)的53%。

天然气水合物在陆地上的地质储量约为5.3×1011t,主要分布在永久冻土带;在海洋中的地质储量约为1.61×1014t,主要分布在大陆架斜坡带、洋中脊、海沟和海岭等[4]。

从发现的天然气水合物藏地质特征来看,沟盆体系、陆坡体系、边缘海盆陆缘等环境所形成的构造热动力学过程有利于天然气水合物的形成,如与西太平洋构造相似并成矿带的阿留申海盆、日本海盆、千岛海盆、四国海盆、冲绳海槽、菲律宾海盆、玛利亚纳海槽和我国的南海海盆均具备天然气水合物形成的地质条件[3-7]。

从已发现的海上油气、油气苗来看[3],我国海域及属于陆坡体系的东海大陆架斜坡和东海诸岛很可能贮存有天然气水合物;南海北部大陆坡也是寻找天然气水合物最有利的远景区。

2　天然气水合物的勘探天然气水合物的勘探方法与常规油气的勘探方法基本相同[3]:陆地上主要依靠发现异常、寻找特殊标志及根据电测井、声波测井来判断产层界面(在天然气水合物的形成过程中,岩面会发生坍塌,通过井径测量可以发现水合物);在海域,利用地震声波速度异常和海底模拟反射层(BSR)可以预测天然气水合物的存在。

2.1　地震勘探地震勘探是目前最常用、也是最为重要的天然气水合物普查方法。

地震方法的主要原理是利用不同地层中地震反射波速率的差异进行天然气水合物层的探测。

声波在天然气水合物中的传播速率较高,约为3.3k m/s,是一般海底沉积物的2倍,所以能够利用地震波反射资料检测到大面积分布的天然气水合物。

天然气水合物存在的一个重要地震特征是具有因天然气水合物胶结地层造成的速率差异而显示的“底部模拟反射层”(BSR)。

一般来说,在BSR以上,烃类气体以固态天然气水合物形式存在;BSR以下,烃类以游离气的形式存在。

天然气水合物存在的另一个地震特征被称作“亮点”(blanking)。

“亮点”是地震波强反射的标志。

它也是由于天然气水合物胶结体的存在而造成的。

天然气水合物的胶结作用使地震波在天然气水合物胶结带上的反射变弱,产生明显的速度-振幅异常,从而在地震剖面上形成“亮点”,其长度可达1～2k m,呈弯曲状并与下浮层位相衔接。

“亮点”是天然气水合物存在的有效指示。

天然气水合物在地震资料上的第三个特征是速度反转[5],即当地震波由水合物层向BSR下部的沉积物传递时,其速度会突然减小。

2.2　地球化学异常识别技术由于天然气水合物极易因温度升高和压力降低而分解,海底浅部沉积物中常常呈现天然气地球化学异常。

这些异常指示出天然气水合物存在的可能位置。

天然气水合物的地球化学异常主要表现在沉积物和地层孔隙中水的矿化度低,呈淡水状;由于天然气水合物中的被水分子所包围的笼状结构不允许盐离子进入,硫酸盐含量也较低;天然气水合物的形成使周围的海水矿化度增高。

这些水的化学异常是寻找天然气水合物的重要显示。

随着研究的深入,天然气水合物的一些新的地球化学特征不断被发现,如天然气水合物形成时比值增高,形成水的同位素异常。

此外,水中氘的富集、烃类气体中He的增高等特征,都将会成为天然气水合物地质勘探中的重要特征。

2.3　钻孔取芯油气钻探技术和海洋深水取样技术的提高使人们有机会直接对自然界中天然形成的天然气水合物进行研究。

钻孔取芯资料是证明地下存在天然气水合物最直观和最有效的方法之一,用于研究的样品通常来自钻杆岩芯或用活塞式取样器、恒压取样器采集的海底样品。

2.4　测井天然气水合物储存于泥质砂岩或空隙型的风化壳中,一些在陆上油井和海上油井中行之有效的测井方法和测井系列被部分移植到了天然气水合物测井中。

这些测井系列包括:电阻率测井(R t)、微电阻率扫描测井(F M I)、中子测井(<N)、密度测井(<D)、核磁共振测井(NMR)、声波测井(AC)、自然伽马测井(GR)、微差井径和自然电位(SP)测井等。

研究结果表明[3],一个特殊层段含有天然气水合物,必然具备以下几个主要特征:(1)电阻率高(大约是水的50倍以上)、声波传45西南石油大学学报 2007年播时间短(约比水低131μm/s)、钻探过程中有明显的气体排放(气体的体积浓度为50‰～100‰);(2)天然气水合物是由纯水形成,在γ射线测井时,水合物层段的AP I值明显高于相邻层段;(3)水合物堵塞了地层空隙,降低了扩散和渗透作用的强度,因此与气水饱和层相比,水合物层段的自然电位差幅度较低;(4)钻井过程中,若钻遇天然气水合物层段,该水合物将分解并引起该层段的井壁滑塌,反应在测井曲线上表现为井径比相邻层位扩大;(5)天然气水合物层段孔隙度较低,中子测井曲线值则较高,因此中子测井必须在已钻两口或多口井的地区使用。

3　天然气水合物的开采3.1　开采原理[2]甲烷气体和水反应生成天然气水合物,天然气水合物分解生成甲烷气体和水,其化学反应方程式如下(CH4)气+n(H2O)水(CH4・nH2O)水合物地层压力升高或温度降低时,反应朝右进行,此时地层多孔介质中的甲烷气体分子会结合在水分子中,水分子之间借助氢键形成结晶网格,甲烷气体分子和水分子之间通过范德华力结合成固体状的水合物。

地层压力降低或温度升高时,反应向左进行,此时甲烷气体分子和水分子之间范德华力减弱,固体状的水合物释放出大量的甲烷气体分子。

因此,从已形成天然气水合物的地层中开采出天然气,实际上是天然气水合物的分解反应,即水合物的分解过程。

3.2　开采技术天然气水合物的开采技术是天然气水合物勘探开发中的最艰巨复杂和充满危险变数的工作,传统的开发方法几乎不能移植到天然气水合物开采上,人们面临的是一个完全陌生的全新课题。

天然气水合物稳定带(HSZ)的形成需要一定的温度压力条件(温度10℃以下,压力10MPa以上),目前的大多数有关天然气水合物开发的基本思路是考虑如何人为的打破这种相平衡,使蕴藏于沉积物中的天然气水合物发生分解,然后对其进行利用。

具体的方法主要有热激法、降压法、化学试剂法等[1-11]。

3.2.1　热激法热激法是在一定的压力条件下,利用特殊的设备向水合物地层注入热水、蒸汽、热盐水或其他热流体,或采用开采重油时使用的火驱法或利用钻柱加热器,对天然气水合物稳定层进行加热,促使天然气水合物分解而采出天然气,然后用导管收集析出的甲烷气于储藏器内,或采用采集常规天然气的输气管道输送到船载储藏器。

热激法会造成大量的热量损失,效率低,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。

近年来,为提高热激法的效率,常采用井下加热技术,井下电磁加热法就是其中之一。

实践证明井下电磁加热法是一种比常规开采技术更为有效的方法,在开采重油方面已显示出它的有效性。

井下电磁技术作用速度快,能很好地降低流体粘度,促进气体的流动。

3.2.2　降压法降压法是迄今为止将水合物转化为天然气的最简单的方法。

它通过钻探方法或其他途径降低天然气水合物层下面的游离气体聚集层位的平衡压力,从而使天然气水合物发生分解以达到开发天然气水合物中的甲烷资源的目的。

一般是通过钻井井眼的压力降或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),使与天然气接触的水合物变得不稳定,从而分解为天然气和水。