天然气水合物形成机理与开采方式-.pdf

201 0矩 第4 卷 第 1 期 天 然 气 技 术 Na t u r a l Ga s Te c h n o l o g y Vo1 ． 4． NO． 1 Fe b． 2 01 0 文章编号 1 6 7 3 9 0 3 5 2 0 1 0 0 1 0 0 6 3 0 3 夭 然气 水 合 物形 成 机 理 与开 采 方 式 徐兴恩 蒋季洪 白树强 陈玉峰 刘金晶 1 ． 中国海洋石油上海分公司，浙江宁波3 1 5 8 0 0 ；2 ． 中国石油四川销售仓储分公司 1 0 4 油库，四川成都6 1 0 0 8 3 ； 3 ． 中国石油大港油田第六采油厂，河北黄骅0 6 1 1 0 0 ；4 ． 中国石油冀东油田钻采工艺研究院，河北唐山0 6 3 0 0 4 摘要 天然气水合物是蕴藏于海洋大陆架及陆地永久冰土带的碳氢化合物，将来可能成为人类的重要能源 之一。为此，阐述 了天然气水合物的分布和形成机理，对比研究了天然气水合物的降压法、热采法、化学试剂 法、水力压裂法等几种不同的开采方式，提出了尽快开展 室外天然气水合物钻采方法研究以及我国南海和东海海 区天然气水合物勘查研究工作的建议。 关键词 天然气水合物形成机理开采方式钻采方法 中图分类号 T E l 2 2 ． 2 文献标 识码 A 0 引言 过程描述如下 天然气水合物是在低温 、高压条件下 由水和天 然气 主要是 甲烷 组成 的非化学计 量的笼形结 晶化 合物，透明无色、似冰，俗称 “ 可燃冰” 、“ 气冰” 、 “ 固体瓦斯” ，其广泛分布于海洋大陆架的沉积物和 陆地的永久冻土带中，常温下可分解出天然气。在 标准状况下，1 单位体积的天然气水合物分解最多可 产生 1 6 4 单位体积的甲烷气体，是一种重要的潜在资 源 。 1 天然气水合物形成机理 天然气水合物 的形成有 3 个基本条件 ① 温度 不能太高；② 压力要足够大 ，0 ℃时3 0 个大气压以 上可生成；③ 地下要有气源。 前苏联学者首先提出气体水合物属于固体溶液 的假设 ，认为气体水合物是水分子与气体分子构成 的络合物 ，按照 固体溶液理论 ，由水分子构成 的结 晶体晶格是 “ 溶剂” ，而气体分子则被看作是 “ 溶 质 ” 。 在生成水合物时，体系中存在两种平衡，即准 化学平衡和气体分子在孔穴 中的物理 吸附平衡 。首 先通过准化学反应生成化学计量型的基础水合物。 H 2 0A 2 A} A 2 n H2 0 1 式 中 A 为气体分子 A的孔穴常数 ；n 为水合物形成 的摩尔分子数 。 由于基础水合物间存在空的孔穴 ，一些气体小 分子，如A r 、N 、0 、C H 等会吸附于其中，导致水 合物的非化学计量性。 天然气水合物的生成是晶核形成和晶体成长的 过程 。在动力学上 ，天然气水合物的形成分为 3 步 ① 具有临界半径晶核的形成 ；② 固态晶核的长大 ； ③ 组分向处于聚集状态晶核的固液界面转移。 晶核 的形成 比较困难 ，一般都包含 1 个诱导期 ， 当过饱和溶液中的晶核达到某一稳定的临界尺寸， 系统将 自发进入水合物 的快速生 长期 [ 1 1 。在一定压 力条件下 ，当温度过低达到一定摄氏度时，天然气 水合物结 晶即可形成 。诱 导时间与过冷程度 的经验 函数关系式 诱导时间为水与客体分子接触到形成水 合物晶核这一过程所需 的时间 如下 l 1 ． 8 4 △ 一7 ． 4 9 2 A T 一 3 式中r 为诱导时间，m i n ；A T 为过冷度 ，℃； 为 收稿 日期 2 0 0 91 01 3 修订 日期 2 0 1 0 0 1 0 6 本义受到四川省科技攻关计划 中俄合作 项 目 编号0 5 G G 0 2 1 0 2 1 的资助。 作者简介徐兴恩 1 9 7 8 一 ， I 程师，从事天然气水合物及天然气处王 甲 方面的研究 I 作。Em a i l w e i n a 8 0 8 1 1 6 3 ． t2 o n l 天然气技术 ／ 63 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 卷 徐兴恩，等天然气水合物形成机理与开采方式 第1 期 竺 定 力 下 水 合 物 的 平 衡 温 度 ， ℃ ； 为 实 验 温 2 ．1 降 压 法 度 ， 。 一 ⋯ 水合 物 的形成 过程 与周 围环境 及水 的状态 有 关 ，在融化的冰中最容易生长并聚集 。 2 天然气水合物开采方式 天然气水合物在地层储存环境 低温 、高压 下 以固体状态存在 ，而在开采过程 中由于减压或升温 的原 因，将分解成水和天然气 。天然气水合物 的开 发必须控制固体向液体 、气体的分解，控制采收过 程中分解的气体和水会再次形成天然气水合物。这 是天然气水合物开采的技术难点 。 天 然气水 合物 的开发 技术 目前 尚处 于实验 阶 段 ，唯一的工业开采案例是前苏联麦索雅 哈天然气 水合物气 田。目 前 ，大多数天然气水合物的开发思 路基本 上都是首先考虑如何使蕴藏在沉积物 中的天 然气水合物分解 ，然后再将天然气采至地 面。一般 来说改变天然气水合物稳定存在 的温度及压力 ，造 成其分解 ，是 目 前开发天然气水合物资源的主要方 式 。天然气水合物开采方法有 降压法 、热采法 、化 学试剂法 [2 - 3 ] 、水力压裂法等 。 通过降低压力使天然气水合物稳定的平衡 曲线 移动 ，从而达到促使水合物分解 的 目的。一般是在 水合物层下的游离气聚集层中 “ 降低”天然气压力 或形成 1 个天然气空腔 可由热激发或化学试剂作用 人为形成 ，使水合物变得不稳定并分解为天然气和 水 。开采水合物层下 的游离气是 降低储层压力的一 种有效方法 。降压法最大的特点是不需要 费用昂贵 的连续激发 ，因而其可能成为今后大规模 开采天然 气水合物 的有效方法之一 。但是仅使用降压法开采 天然气速度很慢 。 通常降压开采适合于高渗透率和深度超过 7 0 0 IT I 的水合物气藏 ，若气体 中含有重烃就需要较大的降 压。另外通过调节天然气的开发速度可以达到控制 储层压力的 目的，进而达到控制水合物分解的效果 。 2 ． 2 热采法 热采法是研究最多 、最深入的天然气水合物开 采技术 。热采法是利用钻探技术在天然气水合物稳 定层中安装管道 ，对水合物地层进行加热，提高储 上接第5 1 页 具和附件也应值得关注 ，如小接箍或 无接箍套管的扶正器、厚壁超厚壁套管安全下人工 具 、非A P I 标准套管的井口工具甚至钻机相关设备 等。 4 对于油层套管试压 ，目前存在钻井 、完井试 压标准不统一 、增产作业无标准的状况 ，建议通过 某一部 门或组织制定统一标准 ，以避免钻井 、完井 和增产作业中的分歧。 4 结论 1 川 I 西深井超深井套管损坏问题严重 ，主要原 因有套管材质 、性能 或质量 达不 到套管安全要求 ， 井身质量差或井眼轨迹复杂 、施工周期 长导致磨损 严重，防磨减磨措施实际应用效果差，完井及增产 作业要求高压力试压而导致套管破坏等。 2 要解决川西深井超深井套管损坏问题，应在 采购套管时要求厂商提高套管质量的相关参数，确 保性能，并在钻井工程设计中明确要求 ；加强过程 64 ／ N a t u r a l G a s T e c h n o l o g y 控制 ，在套管生产 中实施第三方监造并检测 ，确保 套管生产质量 ，在钻井中实施有效的防磨减磨技 术 ，提高套管磨损后的剩余强度 ；统一完井试压标 准，针对钻井、完井、增产作业之间试压标准存在 差距的情况 ，在 已有套管强度的基础上 ，以安全为 原则 ，通过工艺措施等方法提高钻井试压标准和降 低完井相关的工作压力。 参考文献 、 [ 1 ]仵雪飞 ，林元华 ，巫才文，等． 套管防磨措施研究进展 [ J ] ． 西南石油学院学报，2 0 0 4 ，2 6 4 6 5 6 9 ． [ 2 ]张红生，郭永宾． 套管防磨保护措施[ J ] ． 石油钻采工艺 ， 2 0 0 7 ．2 9 6 1 1 6 1 1 8 ． [ 3 ]谢桂芳，高翔． 深井套管防磨技术研究与应用[ J ] ． 石油矿 场机械 ，2 0 0 8 ，3 7 2 6 9 7 4 ． [ 4 ]杨进，朱虎军，于海永 ，等． 套管磨损防护技术应用研究 [ J ] ． 石油钻采工艺，2 0 0 6 ，2 8 3 1 0 1 2 ． [ 5 ]王卫，马清明，徐俊 良，等． 套管减磨接头的研制与应用 [ J ] ． 石油钻采技术，2 0 0 3 ，3 1 3 3 8 3 9 ． 编辑蒋龙 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 9 期 天然气技术 新能源 层温度 ，造成天然气水合物分解 ，再用管道收集分 解 出的天然气 ，其主要方法是将蒸汽 、热水 、热盐 水从地面注入水合 物层 ，这些方法各有其优点和不 足 。例 如 ，蒸 汽注 入在 薄水合 物 气层 的热 损失很 大 ，只有在气层大于 1 5 m时热效率才较高 ；注入热 水 的热损失较注入蒸汽 的小 ，但水合物气 层 内水 的 注入率限制了该方法 的大规模使用 。热开采技术特 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。 实践证 明 ，电磁加热法是一种较常规加热方法 更为有效的方法 ，电磁热很好地 降低了流体的黏 度 ，促进 了气体的流动。 2 ． 3 添加化学剂法 在储层 注入抑制剂 甲醇 、乙二醇 、氯化钙等 以打破水合物平衡 ，造成部分天然气水合物的分 解 。近年来 ，国外正 在开 发两 种新 型水合 物抑 制 剂 ，即动态抑制剂和防聚剂 ，它们抑制水合物形成 的机理与传统的热力学抑制 剂不 同 ，加人量少 ，一 般注入浓度低于 1 ％。实验表 明，天然气水合物 的溶 解速率与抑制剂浓度 、注入排量 、压力 、抑制液温 度等因素有关。 麦索雅哈气田在开采初期，有两口井在其底部 层段注入甲醇后产量增加 了6 倍 。在美 国阿拉斯加的 永冻层天然气 水合物 中做过实验 ，也获得 明显的产 气量。 2 ． 4 水力压裂法 水力压裂工艺是利用 温度相对较高 的海水 由高 压泵通过注入井注入水合物储层，在加热水合物储 层 的同时还使其产生人工裂缝 ，为分解气体提供运 移通道，从而达到高效开采水合物储层的目的。从 生产井流出的气水两相流体经气水分离器分离出来 的气体 ，经加工后直接输 出 图 1 。这种方法通过人 工控制增加储层裂隙 ，促 进储层压力 降低 ，同时温 热海水提供分解所需热量 ，可以认为水力压裂开采 是一种强化 的综合热激法 与减压法开采结合 的新方 法 。 天然气水合物储层蕴藏有巨大的天然气资源， 而且在天然气水合物储层 之下往往还存在常规天然 气资源。前苏联开发的麦索雅哈气田证明，永冻区 水 0 压 力 泵 气 水 分 离 器 注 生 入 声 井 井 物 储 层 二 二 、 利 图 1 水力压裂法开采天然气水 合物 示意图 的天 然气水 合 物形 成深 度 总是浅 于常规 气藏 的深 度 ，它像盖层一样封闭了其下的常规天然气 。因 此，开发天然气水合物不是采用单一方式的资源开 发技术可 以实现的 ，而需要利用综合开发技术 。 3 结论 1 天然气水合物的开发技术现在仍处于探讨 阶 段 ，需将来在生产 中进行检验 ，逐步完善。 2 天然气水合物矿藏 的最终确定必须通过钻探 来实现 ，其难度 比常规海上油气钻探要大得多 ，一 方面是水太深 ，另一方面 由于天然气水合物遇减压 会迅速分解 ，极易造成井喷。 日益增多的成果表 明，由自然或人为因素所引起的温压变化均可使水 合物分解 ，造成海底 滑坡 、生物灭亡和气候变暖等 环境灾害 。因此 ，建议尽快开展室外天然气水 合物 钻采方法的研究工作 。 3 我国南海广阔的陆架及东海部分陆架具有形 成天然气水合物的地质条件 ，建议尽快开展这两个 海区天然气水合物 的勘查研究工作 ，为我国国民经 济可持续发展提供新能源 。 参考文献 [ 1 ]孙志高 ，王如竹． 天然气水合物研究进展[ J ] ． 天然气工 业 ，2 0 0 2 ，2 2 1 9 2 9 4 ． [ 2 ]赵建忠，石定贤． 天然气水合物开采方法研究[ J ] _ 矿业研 究 与开发 ，2 0 0 7 ，2 7 3 3 2 3 5 ． [ 3 ]张修安． 天然气水合物开采及输送工艺技术研究 [ D] ． 北 京中国石油大学，2 0 0 7 ． [ 4 ]李颖川 ，胡顺渠． 天然气节流温降机理模型[ J ] _ 天然气工 业 ，2 0 0 3 ，2 3 3 7 0 7 3 ． 编辑 蒋龙 天然气技术 ／ 65 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m