天然气水合物开采研究现状

天然气水合物开采研究现状*

吴传芝1,赵克斌1,孙长青1,孙冬胜2,徐旭辉2,陈昕华3,宣玲1

(1.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所,江苏无锡214151;

2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京100083;

3.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院西部分院,乌鲁木齐830011)

摘要:随着天然气水合物基础研究的不断深入,天然气水合物开采研究空前活跃。在技术方法方面,传统的热激发开采法、减压开采法与化学抑制剂注入开采法获得了不断的发展与改进;新型开采技术如CO2置换法与固体开采法引起了学者们的极大关注;最近我国还研制出适合于海洋天然气水合物开采的水力提升法。在开采研究实践方面,全世界已在3处冻土区进行了天然气水合物试采研究。介绍了天然气水合物开采技术的研究进展与冻土区天然气水合物试采研究结果,分析了天然气水合物开采研究中可能涉及的环境问题,展现了现阶段天然气水合物开采研究领域的最新成果,总结了这一领域取得的经验与认识,强调了国际天然气水合物开采研究对我国天然气水合物研究的启示。

关键词:天然气水合物;开采技术;开采试验;麦索亚哈气田;M allik地区

中图分类号:T E31文献标识码:A文章编号:1000-7849(2008)01-0047-06

天然气水合物具有巨大的资源潜能,但只有解决了其开采问题,天然气水合物才能成为一种真正的能源。近10年来,对天然气水合物研究起步较早的一些国家,明显加速了天然气水合物开采研究的步伐,在开采技术、开采工艺、开采面临的环境问题等方面做了大量工作,并在冻土区进行了天然气水合物开采试验。

我国近年来也已介入天然气水合物开采研究领域,但总体上,国内天然气水合物开采研究才刚刚开始,尚没有进行试采研究。

笔者拟介绍天然气水合物开采技术的发展、试采研究结果与开采涉及的环境问题等内容,展现现阶段世界天然气水合物开采研究领域的最新成果,总结这一研究领域已取得的经验与认识,强调国际天然气水合物开采研究对我国天然气水合物开采研究的启示。

1开采方法的改进与发展

天然气水合物是一种由天然气和水组成的亚稳定态矿物,存在于特定的温压条件下。一旦赋存条件发生变化,天然气水合物藏的相平衡就会被破坏,引起天然气水合物分解。传统的天然气水合物开采技术就是根据天然气水合物的这种性质而设计的,主要包括热激发开采法、减压开采法与化学试剂注入开采法[1-15]。随着天然气水合物基础研究的不断深入,近些年又涌现出一些新的开采技术,如CO2置换法与固体开采法等[8,12-13,16-20]。

1.1传统开采方法的改进与技术缺陷

(1)热激发开采法热激发开采法是直接对天然气水合物层进行加热,使天然气水合物层的温度超过其平衡温度,从而促使天然气水合物分解为水与天然气的开采方法。这种方法经历了直接向天然气水合物层中注入热流体加热、火驱法加热、井下电磁加热以及微波加热等发展历程[4-6,8-15]。热激发开采法可实现循环注热,且作用方式较快。加热方式的不断改进,促进了热激发开采法的发展。但这种方法至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题,而且只能进行局部加热,因此该方法尚有待进一步完善。

(2)减压开采法减压开采法是一种通过降低压力促使天然气水合物分解的开采方法。减压途径主要有两种:¹采用低密度泥浆钻井达到减压目的;º当天然气水合物层下方存在游离气或其他流体时,通过泵出天然气水合物层下方的游离气或其他流体来降低天然气水合物层的压力[4,6,8-10,12-13,15]。减压开采法不需要连续激发,成本较低,适合大面积开采,尤其适用于存在下伏游离气层的天然气水合物藏的开采,是天然气水合物传统开采方法中最有前景的一种技术。但它对天然气水合物藏的性质有

第27卷第1期2008年1月

地质科技情报

Geolog ical Science and Technolog y Information

Vol.27No.1

Jan.2008

*收稿日期:2007-04-28编辑:禹华珍

基金项目:中国石油化工股份有限公司项目/天然气水合物勘探与开发现状调研0(P05072)作者简介:吴传芝(1966)),女,工程师,主要从事油气地球化学勘探领域的科技情报工作。

特殊的要求,只有当天然气水合物藏位于温压平衡边界附近时,减压开采法才具有经济可行性。

(3)化学试剂注入开采法化学试剂注入开采法通过向天然气水合物层中注入某些化学试剂,如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等,破坏天然气水合物藏的相平衡条件,促使天然气水合物分解[4,6,8-10,12-13,15]。这种方法虽然可降低初期能量输入,但缺陷却很明显,它所需的化学试剂费用昂贵,对天然气水合物层的作用缓慢,而且还会带来一些环境问题,所以,目前对这种方法投入的研究相对较少。1.2开采新思路的涌现与发展

随着天然气水合物开采研究的深入,近10年来涌现出一些新的天然气水合物开采思路。

CO2置换开采法是近期比较热门的研究对象。这种方法首先由日本研究者提出[16-20],方法依据的仍然是天然气水合物稳定带的压力条件。在一定的温度条件下,天然气水合物保持稳定需要的压力比CO2水合物更高[13]。因此在某一特定的压力范围内,天然气水合物会分解,而CO2水合物则易于形成并保持稳定。如果此时向天然气水合物藏内注入CO2气体,CO2气体就可能与天然气水合物分解出的水生成CO2水合物[13]。这种作用释放出的热量可使天然气水合物的分解反应得以持续地进行下去。

CO2置换开采法已引起了广泛关注。美国能源部目前正资助一项/CO2置换开采法0研究项目。该项目已于2006年4月启动,预计到2008年6月完成。目标是研制一种二氧化碳与水的乳化装置,从而制造出具有暂时稳定性的二氧化碳-水微乳化溶液。通过向天然气水合物藏中注入这种微乳化溶液,置换出天然气水合物中的甲烷气体[21]。

另一种开采新思路是固体开采法。固体开采法最初是直接采集海底固态天然气水合物,将天然气水合物拖至浅水区进行控制性分解[8,12-13,19]。这种方法进而演化为混合开采法或称矿泥浆开采法。该方法的具体步骤是,首先促使天然气水合物在原地分解为气液混合相,采集混有气、液、固体水合物的混合泥浆,然后将这种混合泥浆导入海面作业船或生产平台进行处理,促使天然气水合物彻底分解,从而获取天然气[13,19,22]。

近年来,我国加强了天然气水合物开采的研究力度,以中国科学院广州能源研究所为代表的一些机构在海洋天然气水合物开采装置、开采技术方面取得了一些创新性成果。在2004年研制出天然气水合物一维开采实验模拟系统的基础上,广州能源研究所又研制出国内第一套天然气水合物二维开采实验模拟系统[23-24]。此外,该所还在海洋天然气水合物固体开采方面获得了几项技术专利[25-26],提出了海洋天然气水合物开采的水力提升法[27]。水力提升法是利用海底集矿系统对天然气水合物进行原地粉碎,采集含有固、液、气三相的混合物质,由水力提升系统上传到海面作业船上的天然气水合物分解系统,再导入海面高温海水对天然气水合物进行分解。

在上述天然气水合物开采方法中,热激发开采法与减压开采法投入的研究较多,也较为成熟;CO2置换开采法正处于积极的研究之中;随着开采装置的改进,固体开采法也获得了进一步发展。尽管如此,天然气水合物开采目前还只是具有技术可行性,现阶段天然气水合物开采面临的最大挑战是如何解决经济可行性问题。

2典型开采研究实例

天然气水合物试采研究是天然气水合物走向商业开采的必由之路。从世界范围看,至今已在3个地区进行了天然气水合物试采研究,包括前苏联西西伯利亚的麦索亚哈气田、美国阿拉斯加北部斜坡区以及加拿大西北部麦肯齐三角洲地区。

2.1麦索亚哈气田天然气水合物的开采

麦索亚哈气田发现于20世纪60年代末,是第一个也是迄今为止唯一一个对天然气水合物藏进行了商业性开采的气田。

该气田位于前苏联西西伯利亚西北部,气田区常年冻土层厚度大于500m,具有天然气水合物赋存的有利条件。麦索亚哈气田为常规气田,气田中的天然气透过盖层发生运移,在有利的环境条件下,在气田上方形成了天然气水合物层。

该气田的天然气水合物藏首先是经由减压途径无意中得以开采的。通过开采天然气水合物藏之下的常规天然气,致使天然气水合物层压力降低,天然气水合物发生分解。后来,为了促使天然气水合物的进一步分解,维持产气量,特意向天然气水合物藏中注入了甲醇和氯化钙等化学抑制剂。

对麦索亚哈气田的产气量、实际压力变化以及理论压力变化曲线(图1)的分析证实,该气田的天然气水合物藏获得了成功开采。该气田自1970年1月投产以来,天然气水合物藏的平均压力从7.93 M Pa降到了目前的6.07MPa。如果天然气水合物未发生分解,则经计算可知,气田压力将会降至3.65 M Pa[28]。从图1还可看出,自1982年以来,虽然产气量有所变化,但气田压力基本保持恒定。M a-kogo n等[28]认为这是由于产气量与天然气水合物分解出的天然气量相持平所致。据估算[28],截止到2004年1月1日,麦索亚哈气田累计产气量的一半以上是天然气水合物分解的产物。

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地质科技情报2008年