天然气水合物注热开采能量分析.pdf

第2 8 卷第5 期 天然气工业 天然气 水合物注热开 采能量分析 * 张卫东 刘永军 任韶然 王瑞和 中 国石油大学 华东 张 卫东等． 天然气水合 物注 热开采能量分 析． 天然 气工 业， 2 0 0 8 ， 2 8 5 7 7 7 9 ． 摘 要 天然气水合物储量 巨大 、 清洁环保， 作 为一种 潜在 战略能 源逐 渐 受到 了重视。综述 了天然 气水合 物 开采方式并进行 了分析 ， 认 为由于水 合物 以固体形 式存 在 ， 原始状 态下 渗透 率极低 ， 压 力传播 范 围十分有 限， 降压 法开采面临一定 的困难 ； 考虑 了加热法开采水合物过程 中地层 内的所 有 吸热 因素 ， 把水合 物加 热分解过 程分 为 了 三个 阶段 ； 计 算 了各部 分吸收热量 占注入热量 的比例。结果表 明 注热 开采水合 物 的大 部分 能量 被非水 合物 升温 所消耗 ， 因此提供 足够 的热源是水合物开发 的关键 。针对海底水合 物开采所需要大量 能量供给 的状 况提 出 了两种 经济廉价 的热源。 主题词 天然气 水合物 开采 热 能 一 、水合物开采方法综述 综合各种天然气水合物开采 的方法， 主要包括 加热法 、 降压法、 化学剂法 、 置换法_ l ] 。各种开采技 术都有其本身 的局 限性 加热法热损失大、 效率低 ； 降压法开采速度慢 ， 化学剂法 费用昂贵； 置换法如何 保持置换反应进行的连续性等关键技术仍 没有解决 等。采用某一种方法来开采天然气水合物是不经济 的， 只有结合不 同方法 的优点才能达到对天然气水 合物的经济有效地开采 。 在上述开采方法 中， 多数研究人员认为热激发 中的注热水与降压开采是经济上可行 的开采水合物 的方法。水合物的固态赋存状态使饱和水合物 的地 层渗透率 比较低 ， 压力传播 十分有 限。若仅依靠压 力的降低促使水合物的分解 ， 将很难达 到商业开采 所要求的分解速率。因此 ， 将 降压 与注 热结合 的开 采方式对水合物藏进行开发是开采天然气水合物 的 可行性方法之一。水合物生成和分解过程 中伴 随着 能量 的变化 ， 下面就水合物开采的能量进行分析。 二 、 水合物 开采能量分析 水合物分解热大约为 6 2 ． 8 3 k J ／ mo l l_ 3 ] ， 考虑到 地层 吸收得热量与输热中的损失 ， 商业 开采水合物 需要 极 大 的能量供 应 。 1 ． 水 合物 的相 变焓 水合物的分解是一个吸热过程 。水合物 的分界 热可以利用水合物相平衡数据及其他数据来计算得 到。气体水合 物 的分 解热可 以用克拉 贝隆方程 求 得 d p ． △H 如。 实 验室测 得 的 △ H如 。 为 6 2 ． 8 3 k J ／ mo l 。 2 ． 水 合 物分 解过 程描 述 对 于地 层 中水 合 物 的热 分 解 过 程作 了如 下 描 述 。 热 量 注 入 地 层 后 ， 地 层 由初 始 温 度 T 。开 始 上 升 。假设整个地层均质， 且热平衡 。当地层温度达 到 T 时， 地层 中水合物开始分解 。如 图 1中水平 段 ， 水合物在分解 过程中系统温 度保持不变 。直到 系统 中所有 水合物分解完 毕， 系统温度继续 上升。 为防止分解后的产生的天然气与地层水重新结合成 水 合物 ， 地层最终温度必须高 于临界水合物分解温 王 图 1理想状态下水合物分解过程 系统温度变化 图 *本文受到国家“ 8 6 3 ’ ， 基金项 目 编号 2 0 0 6 A A 0 9 A 2 0 9 和中国石化“ 天然气水合物开发前期研究项 目” 编号 P 0 6 0 7 0 的资助。 作 者简 介 张卫东 ， 1 9 6 8年生 ， 副教授 ； 主要从事天然气水 合物开 采及储 层稳定 性研究 工作 。地址 2 5 7 0 6 1 山东省东 营 市 中国石油 大学 华东 石油工程学院 。电话 0 5 4 6 8 3 9 4 6 6 5 。E ma i l w d z h a n g h d p u ． e d u ． c n 7 7 维普资讯 天然气工业 2 0 0 8 年5 月 度 T 。此温度与水合物藏 的天然气产 量等 因素有 关 。假设最终地层温度稳定为 T ， 在此温度下水合 物分解产生 的天然气 和水渗流到生产井底 ， 开采至 地 面 。 3 ． 热分解 能 量模 型 根据 上述描述过程 ， 可 以建立水合物热分解能 量 模型 。 假设系统 中仅存在岩石 、 水合物 、 水 3种组分 。 岩石孔隙度为 ， 水合物饱和度为 S n ， 其余空间为地 层 水所 饱 和 。 1 水合物分解第一 阶段 地层温度从 T 。上升 到 T 。 时 W Qh Q Q 2 2 水合物分解第二阶段 水合物分解阶段 在此阶段 ， 地层温度保持恒定 ， 外界提供能量仅 供水合物分解 ， 故 W 2一 Qd iS 3 3 水 合 物分 解 第 三 阶段 分 解 后继 续 升 温 阶段 在此 阶段 系统 中水合物已经全部分解 ， 系统 中 仅存在地层岩石 、 水和天然气三种组分。 W 。一 W 。 z Q 。 Q 4 由于在此阶段地层孔隙中的水包含原地层水和 水合物分解后产生 的分解水 ， 所 以 Q 啪可 以分为两 部 分 Q z Q z 。 Q z a 5 将 上述三个 阶段系统吸收的能量相加 ， 即得到 整个水合物分解过程 中所需要的总能量 。 W W W 2 W 。 6 利用岩石 的热容 ， 可 以求解水合物系统 中岩石 骨架升温所吸收的热量 。由于在水合物分解的三个 阶段 中， 地层岩石质量并没有发生变化 因升温引起 的性质变化可忽略 ， 故 Q。 与 Q。 可以合并写为 Q 一 p 。 V C。 △T 7 同理 ， 对 于原 来地 层 中饱 和 的地 层水 ， 可 写为 Q 一 p w V C △T 8 Q 一 Q Q讹。 9 Qh p h Vh C h T。 一 To 1 0 对于水合物分解后产生 的水和天然气升温所吸 收 的热量 ， 可 做如 下计 算 W 2 d p w V d C T 一 T 1 1 整个水合物藏的体积为 V， 忽略温度和压力对 固体和液体体积的影响， 则 V 一 V 1一 1 2 7 8 Vh一 Sh 1 3 V 一 1～ s h 1 4 V d一 p h Vh NM m w 1 5 由于气体体积受压力温度影 响较大 ， 则水合物 分 解后 产生 天然 气升 温所 吸 收的热 量可 以写 为 Q 一 C T 一 T C Tt T 1 6 Vh M N M w 1 7 水合物分解所需要的热量 、 Q diss p h V n △ ss 靠 8 将各组分体积 因素代入式 4 ， 并进行合并与简 化 ， 可以得到水合物分解能量方程 W 一 T 一T o [ fD C 1 一S h fD C V 1 一 ] 垒 璺堕一4 - h V 9 S h N Mw Mg C g T t --T c ． M NM Mg NM 1 9 式 1 9 即为水合物分解能量方程。 4 ． 模型 分 析 1 甲烷水合物地层各组分性质 根据 ODP 、 D C D P、 I OD P以及美 国阿拉斯加 和 加拿大 Ma l l i k等区域的水合物探井的测井分析， 可以 得到甲烷水合物地层各组分的物理性质。结合实验 室实验分析 ， 可以得到水合物地层的相关参数 表 1 。 表 1 甲烷水合物性质对 比表E 2 水合物分解能量分布分析 从式 1 9 可 以看到 ， 水合 物分解所需要 的能量 主要分为 5部分 水合物分解能量 、 岩石骨架升温所 需能量 、 水合物升温所需要 的能量 、 地层 中束缚水升 温所需要的能量 、 水合物分解后分解水和天然气升 温 所需 要 的能量 。 不 同的水合物藏 的物性参数不 同， 上述各部分 能 量所 占的 比例 有 所 不 同 。在 理想 状 态 下 ， 假 设 岩 石孔隙度为 3 O ； 水合物为甲烷水合物， 水合系数为 维普资讯 第 2 8 卷第5 期 天然气工业 6且饱和度为 6 o ％； 原始地层温度为 4℃， 水合物开 始分解温度为 1 2。C， 地层最终温度为 1 5。C； 整个过 程保持底层压力不变 。根据式 1 9 和表 1可以大致 计算各个部分所 占的输入能量的比例 图 2 。 _水合物分解能量 0 ． 3％ 髓束缚水升温吸收的热量 1 7 1 ％ 口岩石升温所需要的热量 6 8 5 ％ 目水合物分解前升温吸收热量 9 ． 3 ％ _水合物分解后分解水升温吸热 4 8％ 图 2 水合物分解各部分 吸热示意图 可以看 出， 注热开采水合物的大部分 能量都被 非水合物升温所消耗 。但 对于水合 物的分解来讲 ， 只有水合物原始赋存状态下温度 上升 ， 才能够使水 合物完全分解 ， 并能够防止水合 物的二次生成。因 此 ， 提供足够的热源是水合物开发的关键 。 三 、 天然气水合物开采技术建议 到 目前 为 止 ， 还 没 有 一种 可 以用 来 开 采 天 然气 水 合物 的有 效方 法 。实 际投 入生 产 只有 尚存 争议 的 俄罗斯 的麦索雅哈气 田。 日本、 美国、 印度等 国家在 加 拿大 Ma l l i k永 冻土 带进 行 了水合 物勘 探 以及 测 井 工作 ， 进一步掌握了水合物层 的性质 ， 为以后水合物 的商业性开发提供了支持 。美国、 日本 、 德 国等国家 都 把海 地水 合物 的商业性 开 发 时 问表 定 在 2 0 1 5年 ， 我国中石油、 中海油等单位也计划于 2 0 1 5年进行水 合物的商业性试采_ 4 ] 。 目前情况下天然气水合物的开采 ， 必然要把水 合物分解为流体， 才有可能从数千米深 的井筒 中开 采至地面。而伴随着水合物的分解 ， 又需要大量 的 能量供给去破坏水合物 内部 的氢键 ， 使其 释放其 中 的客体气体分子。因此， 要实现水合物 的商业 性开 发 ， 必须找到一种适合的、 经济的且大量的能量供应。 从 陆地引进能量不仅技术 复杂， 而且从环境保 护 、 运行成本等方面考虑都很难实施 。但水合物分解 要求温度不高 ， 最高温度为 2 1℃。因此 ， 可以考虑利 用海平 面 的海水 和底下地热 水来开采海底 水合物 。 中国南海和东海的海面平均温度都在 2 O℃以 上【 6 ] ， 因此可 以用来对水合 物的分解提供能量 。 中 国南海地热资源比较丰富 ， 地温梯度可 以达到 4℃／ 1 0 0 1 T I ， 因此也可以在海底 以下找一个适合 的地热水 层， 泵入水合物层 ， 给水合物的分解提供能量_ 7 ] 。 四、 结 论 笔者总结了 目前各种水合物开采方式 ， 并进行 了分析。对水合物分解能量需求进行了计算 ， 把水 合物分为分解前升温 、 分解、 分解后升温三个 阶段 ， 并分析了每个阶段的水合物藏温度变化 。最后还对 于水合物开采过程 中能量 的提供提出建议 ， 推荐 了 两种 廉价 经济 的热 源 。 符号说明 P为水合物形成 的压力 ； T为水合物形成 的温度 ； V n、 V o 分别 为水合 物及水合 物分解后容积 ； △ H一 为水合物 分解 热 ； w 为水合物分解第 i阶段 系统 所需要 的总 能量 ， i一1 ， 2 ， 3 ； Q 为各 阶段 不同组分升温吸收 的热量 ， h 、 S 、 w， k J ； Q 为 水合 物分解 吸收的热量 ， k J ； △ T为地层最 终温度 与初始温 度 之 差 ， K； T o 、 T t 为分别 代表 地层 初始温 度和 最终 温度 ， K； f0 为地层 岩石密度 ， k g ／ m。 ； C 。为地层岩 石热 容 ， k J ／ k gK 为地层 岩石 骨架 体积 ， m。 ； M 、 M 分别为 天然气 、 水分 子 量 ； N 为水合系数 ， 一般取 5 ． 5 ～6 。 下标 h代表水合物 ； S 代表岩石 ； w代表水 。 参考 文 献 I- 1 ]MOR I D I S G J ． Nu me r i c a l s t u d i e s o f g a s p r o d u c t i o n f r o m me t h a n e h y d r a t e s I- J ] ． S P E J o u r n a l ， 8 4 ， 2 0 0 3 3 5 9 3 7 0 ． E 2 ]NO RI KY P ． R e s e a r c h o n d i s p l a c e me n t me t h a n e b y C O2 i n c l a t h r a t e h y d r a t e [- J ] ． Ni h o n E n e r u g i Ga k k a i s h i J o u r n a l o f t h e J a p a n I n s t i t u t e o f En e r g y ， 2 0 0 0， 7 9 1 0 1 0 1 1 - 1 0 1 9 ． I- 3 ]张烈辉 ， 李 登伟 ， 熊钰 ， 等． 天然气水合物相平衡 的实验研 究I- J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 6 ， 2 6 3 1 2 9 1 3 0 ． 1- 4 3陈多福． 美 国天然气水 合物研 究计划介 绍 I- J ] ． 地 球科学 进展 ， 2 0 0 3 ， 1 8 2 3 2 1 3 2 5 ． E 5 ]宋海斌． 海洋 天然气水合 物 的地球物 理研 究 I 岩石 物 性_ J ] ． 地球物理学进展 ， 2 0 0 1 ， 1 6 2 1 1 8 1 2 6 ． E 6 ]张庆荣． 南海 暖水 形态 特征 I- J ] ． 热带 海洋学 报 ， 2 0 0 1 ， 2 0 1 6 9 7 5 ． E 7 ]陈科 ， 刘建仪 ， 张烈辉 ， 等． 水合物气藏降压开采数学模 型 I- J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 6 ， 2 6 1 9 3 ～ 9 4 ． 收稿 日期2 0 0 7 0 4 0 3 编辑 韩晓渝 7 9 维普资讯