天然气水合物开采理论及开采方法分析.pdf

第 4 3卷第 1 1期 2 0 1 4年 1 1月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a ] I n d u s t r y V o 1 ． 4 3． 0 ． 11 N o v e mb e r ，2 0 1 4 天然气水合物开采理论及开采方法分析 刘俊杰，马贵阳，潘 振，刘培胜 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 摘 要天然气水合物在地球上含量巨大，是未来极具开发潜力的清洁不可再生自然资源，虽然其含量巨 大令研究者感到振奋， 但是目前为止任未有一套真正意义上成熟完整的天然气水合物开采理论。 在前人基础上 总结分析了传统的天然气水合物开采机理， 并叙述了～些新型的天然气水合物开采设想。 通过分析比较提出了 水合物大规模开采需要采用联合开采设想。同时，也叙述了天然气水合物若开采不当，则可能带来的最严重后 果温室效应加剧。最终 ，提出开采前，需要结合地质勘探技术，获得开采层区域三维实景数据图，防止因 意外坍塌而导致的天然气泄漏。 关键词天然气水合物； 开采理论； 未来开采模式； 地质勘探三维实景图 中图分类号T E 3 5 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 41 1 - 2 2 9 3 0 4 Ana l y s i s o n t he M i ni ng The o r y a nd M e t ho ds o f Na t ur a l Ga s Hy dr a t e L I UJ u n -j i e ，MA G u i - y a n g ，P A NZ h e n ，L I UP e i - s h e n g Co l l e g e o f P e t r o l e u m a n d Na t u r a l Ga s En g i n e e ri n g ， L i a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y , L i a o n i n g F u s h u n l 1 3 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t Na t u r a l g a s h y d r a t e ， wh i c h i s wi d e l y d i s t r i b u t e d i n n a t u r e ， i s a k i n d o f p o t e n t i a l c l e an an d n o n r e n e wa b l e n a t u r a l r e s o u r c e i n t h e f u t u r e ． Bu t ， a s e t o f r e l a t i v e l y c o mp l e t e the o r y a b o u t i t s p r o d u c t i o n p r o c e s s i s s t i l l n o t f o r m e d s o f a r ． I n thi s p a p e r , the tr a d i t i o n a l n a t u r a l g a s h y dr a t e p r o d u c t i o n me c h a n i s m wa s s u mme d u p a n d a n a l y z e d ， an d the a s s u mp t i o n o f s o me n e w t y p e s o f n a t u r a l g a s h y dra t e e x p l o i t a t i o n me t h o d s wa s d e s c r i b e d ．T h r o u g h c o mp a ri n g a n d ana l y z i n g ， t h e i d e a a b o u t n a t u r a l g a s h y dra t e l a r g e s c a l e mi n i n g wa s p u t f o r ward t h e c o mb i n e d mi n i n g mo d e s s h o u l d b e a d o p t e d ．Me anwh i l e ，i t ’ s p o i n t e d o u t tha t i mp r o p e r e x p l o i t a t i o n o f n a t u r a l g a s h y dra t e ma y b e c a u s e s t h e mo s t s e rio u s c o n s e q u e n c e ， t h e g r e e n h o u s e e ff e c t wo r s e n i n g ． F i n a l l y , i n o r d e r t o p r e v e n t a c c i d e n tal c o l l a p s e t o t r i g g e r n a t u r a l g a s l e a k ， t h r e e d i me n s i o n a l i ma g i n g d a t a o f mi n i n g a r e a s h o u l d b e g o t b y c o mb i n i n g wi th the g e o l o g i c a l e x p l o r a t i o n t e c h n o l o g y ． Ke y wo r d s Na t u r a l g a s h y d r a t e ； M i n i n g the o r y ； M i n i n g p r o s p e c t ； 3 D r e a l i s t i c t e r r a i n s c e n e o f g e o l o g i c p r o s p e c t i n g 毋庸置疑 ，天然气水合物作为一种储量极大的 清洁不可再生能源物质，其开采价值值得世界各国 科学家、学者去关注。但是 目前为止任未有一套真 正意义上完整的天然气水合物开采理论 ，多数开采 方法 尚处于理论概念和实验研究阶段 ，用于商业实 用价值任有一段距离。 天然气水合物在研究上大致经历了三个阶段 第一阶段 英 国科学家 D a v y 于 1 8 1 0年首次在实验 室发现天然气水合物开始到 2 O 世纪 3 0 年代初，这 一 阶段 ， 对水合物研究仅仅停留在实验室研究阶段 ， 仅仅 以一种普通物质研究 ， 此时并未涉及能源领域 ； 第二阶段 1 9 3 4年美国 H a m me r c h m i d t 发表了关于 水合物造成输气管道堵塞数据后，科学家们开始深 刻认识水合物形成对输气管道的不利影响，对水合 物结构、相平衡、生成与分解条件有了深刻认识， 这一阶段科学家致力于如何防止水合物生成；第三 阶段 从 2 0 世纪 6 0 年代开始，对水合物研究进入 了全新阶段把天然气水合物作为一种能源物质 研究 ，这一阶段 的开端是前苏联特罗菲姆科发现了 天然气的一个特陡天然气可以可以形成水合物以 固态形式存在于地壳岩石圈中， 并形成稳定的矿藏， 此后世界第一个天然气水合物矿藏麦索亚哈气 田的发现 、勘探与开发标志这一新阶段的意义 ，在 这一开采中 “ 偶然间”形成了后面将会提到的传统 水合物开采方法 降压法 n 。 我国对天然气水合物开采研究比较晚，与国外 相比处 于起步阶段 ，我国是 2 O世纪 8 0年代末开始 进行水合物研究的，可喜的是我国近些年来在天然 气水合物研究与开采方面也取得 了丰硕的成果 。 1 天然气水合物开采理论 由于天然气水合物与传统能源物质在开采相 态和能源利用形式上有所不同， 其开采方法有其 自 身的特点。煤炭在矿井下是固体，开采出来任是固 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 4 - 2 0 作者筒介 刘俊杰 1 9 8 9 一 ，男 ，山西晋中人 ，硕士学位，研究方 向天然气水合物生成与分解动力学研究。E - m a i l 1 0 7 0 6 5 8 9 1 7 q q ． c o m 。 化 工 2 0 1 4年 1 1月 体，其能量利用形式为煤炭本身；石油在井下是流 体，开采出来任是流体， 其能量利用形式为石油本 身；而水合物埋藏在地下是固态，其开采出来一般 是天然气和液态水 ，其相态上发生了改变 ，并且能 量利用形式仅仅是天然气。基于这个原因，现阶段 天然气水合物开采的主要方法都是通过人为地改变 水合物所处环境的温度和压力，来充分打破水合物 相平衡 ，使得天然气水合物分解得到天然气 ，从而 开采利用 。据此 ，天然气水合物主要开采方法有 注热法 、降压法 、添加化学试剂法。 1 ． 1 传统天然气水合物开采方法 如图 1 给出了打破天然气水合物稳定状态各种 方法 。 如 A点所示， 此时 A点处于固态水合物区， 即位于曲线 I 上部 。由于天然气水合物在形成初期 有很长的诱导期 ，目前世界公认的天然气水合物相 平衡条件判定标准是在高压低温下使水合物大量 生成 ，然后降低压力和升高温度 ，使水合物大量分 解，当水合物中有微量的水合物存在，保持体系状 态不变，若经4 6 h 后，体系温度和压力都不变， 且体系中任有水合物存在，此时温度和压力便称为 水合物相平衡点，不同的相平衡点连接起来构成相 平衡线 。 图 1各种方法引起天然气水合物相平衡移动曲线 F i g ． 1 Th e g a s h y d r a t e e q u i l i b r i u m c u r v e 图 1点划线 Ⅱ代表加入化学试剂后天然气水合 物相平衡移动曲线，当加人化学试剂后 ， 降低了水合 物的分解温度并且提高了水合物的分解压力， 使水合 物脱离固相从而达到分解 目的， 这便是添加化学试剂 法原理 。同时图 1 也给出了注热法 、降压法原理。 不断降低水合物层中压力， 直到低于水合物相平衡压 力， 由于水合物本身有自己的蒸汽压， 当水合物层力 降低时， 水合物分压会降低， 此时为了保持其蒸汽压， 水合物必须分解， 这样便可以开采。 注热法是通过向 水合物层注入温度高的流体 ， 通常注入的是热的水蒸 气或者高温液态水，当高温流体遇到低温水合物 ， 会 提供大量的热量供水合物分解。 1 ． 2 新型天然气水合物开采方法 传统的水合物开采方法均是通过人为改变水合 物所处环境， 使得水合物打破原有的相平衡而分解， 从而达到开采目的。随着近年来科学家对水合物的 不断研究 ，对天然气水合物 的物性有新 的认识 ，也 提出了一些新的开采理念 C O 置换法 、微波加热 法、固体开采法 水力提升法 。 C O z 置换法首先是由 日本提出的。理论中指出 在一定温度下天然气水合物形成需要压力要比C O 水合物高，因此在一定的温度下，当某一压力区间 内，天然气水合物会分解 ，而 C O 水合物却可以形 成， 并且研究发现大多数 C O 与 C H 水合物均为 I 型结构，并且 C O 与水的亲和力要大于同条件下 C H 与水的亲和力， 因此设想通过在一定温度和压力下 通过向水合物层注入 C O 气体 ，置换出天然气 。 但是这种开采方法反应极慢 ，暂时处于实验理论阶 段 ，同时 C O 安全封存也是这一技术得 以实施的重 中之重。 微波加热法是热激法的一种 ，但是又不同于传 统热激法注热法 ，笔者认为是未来大规模开采 天然气水合物的行之有效 的途径。微波加热法对水 合物有加热、造缝、非热效应三大作用，因此微 波蚶水合物加热是体型加热，而且加热均匀，造缝 作用使得水合物内部出现小裂纹有助于水合物的分 解。由于天然气水合物是分子是极性的，对微波有 很好的吸收作用 ，这使得微波开采法极具前景 ，笔 者对这种开采方法极具信心，现阶段我们需要做的 是的结合深井钻探技术 ，在切合实际的钻探条件 下寻得合理的开采装置 ，设计合理的大功率微波发 射装置，以便实现大规模天然气水合物开采。 固体开采法是在海底把天然气水合物利用采矿 机以固体的形式采出，然后应用海底集矿总系统对 浅层水合物进行初步分离，再利用水力提升系统将 水合物提升到海平面。水合物在提升过程中，温度 和压力均发生变化 ，水合物会不断分解 ，所以开采 过程中用到了固、液、气三相混输技术。采出的天 然气水合物固体经粉碎机磨碎后送往分离器 ，然后 使用水泵将海水引入分离器， 利用海水温度 一般 为 2 0℃左右 对天然气水合物加热使其充分分解。 2 天然气水合物开采方法分析 迄今为止全球范 围内都还没有真正 意义上实 现大规模开采天然气水合物。全世界 目前只有俄罗 斯西伯利亚麦索雅哈天然气水合物矿藏进行了规模 比较大的工业性开采， 到现在已有近 4 0 年的历史， 麦索亚哈气田是因开采天然气水合物藏之下的常规 天然气，使得天然气水合物储层压力 降低，引起天 第 4 3 卷 第 1 1期 刘俊 杰 ，等 天然气水合物开采理论及开采方 法分析 _ 2 9 5 然气水合物分解而无意中实现的开采到。然而， 麦 当然在所有的开采方法中， 不外乎排除有直接 索雅哈气田有其本身的独特性，使得并非所有水合 将水合物以固态形式直接开采出水平面的设想，比 物矿藏均可以沿用降压法开采 。 如上面提到的固体开采法。但是笔者认为，从能量 究其原因， 笔者认为天然气水合物不同于常规 利用形式来看，将固态水合物整体开采出地面，其 能源，如煤和石油，其开采很大程度上都依赖于水 消耗的动力能源过大，是不足取的， 很多能量耗费 合物层地质结构以及形成特点。降压法可以开采两 在水相成分是不经济的。未来水合物开采依旧是应 种类型的天然气水合物矿藏一种是水合物底层和 以天然气形式开采出井。 盖层都是非渗透层 州 ； 另一种是水合物盖层是非渗 透层 ，而水合物层下面蕴藏着大量 的游离天然气 ， 由于其对水合物开采层地质结构有特殊的要求，使 得降压法成功开采变得困难 。 注热法开采热损耗 大，设备复杂 ，特别是在永久冻土区，即使利用绝 热管， 穿越厚厚的永冻层也会大大降低传递给水合 物储层的有效热量 ，因此在开采上需要耗费很大的 能量，也是阻碍了注热法高效投产原因。注化学试 剂法是 向储层中注入盐水 、甲醇 、乙醇 、乙二醇 、 丙三醇等化学试剂 ，化学试剂注入开采法 的效率也 较低，且随着水合物分解 内部形成 “ 腔体”不断增 大，其效率将明显降低 ，并且注人化学试剂必定会 对地下淡水以及深层地质造成破坏和威胁。新型开 采方法中 C O z 置换法由于其反应极慢 ，对于大规模 开采不适用，而且保证 C O 安全封存也是技术上很 大的难题 -- 。固体开采法其动力耗费过大，其开采 效益也不足取，若有别 的开采方法 ，其 固体开采法 必定被淘汰，因为固体开采法把大多的动力均用于 提升水合物中可分解为液态水成分做功，而这部分 功是无利用价值的。 笔者认为单一 的开采方法不足取 ，需要进行联 合开采。比如开采初期，天然气水合物处于温压平 衡条件，采用降压开采法的效能最大n ， 但是在降压 开采过程中，由于气藏内部没有热源，水合物需要 从周围环境中吸取热量来分解，因此周围环境提供 的热量的多少决定了水合物的分解情况，此时若辅 以注热法，不但加速天然气生成，而且有助于避免 因水合物分解吸热温降带来的井中以及管道结冰 [ 1 4 。与传统注热法 比较起来 ，笔者认为微波加热法 更优越 ，因为本身水合物是极 f生分子 ，对微波有一 定 的吸收作用 ， 这为微波加热开采提供了天然条件 ， 微波作为热源直接在井底，其能量损失比传统注热 法少之又少n 。笔者认为，在开采初期可以采用化 学试剂法 ，当水合物分解形成的 “ 腔体”差不多大 时，此时采用降压法，同时应辅以热激法，当降压 法 已满足不了开采要求时 ，此时应以热激法为主， 此 时笔者认 为井下微波加热法是热激法中比较优 良 的选择，因为在考虑开采可行性同时，经济效益与 对周围环境也需要考虑的问题。微波加热法是热激 发中综合这三种因素比较优良的方法。 3 天然气水合物开采前景分析 据 目前各国科学家保守估计天然气水合物资 源量约为 2 1 0 M m ， 约为地球有机碳总量的一半以 上 ，约为所有化石燃料总量 的两倍。 天然气水合物最可能形成的区域有 永久冻土 区和海底 。永久冻土区水合物一般位于冻土层 以下 1 0 0 ～ 1 0 0 0m，而海水深度超过 5 0 0 r l l 时 ，温度和压 力就满足水合物的生产条件。而两者各含自 水合物 量 的比较为国际上大多数研究者认 为海洋中 天然 气水合物的储量至少比冻土区水合物储量高两个数 量级 ，以至于对海洋的估计误差就有冻土区水合物 的储量多。虽然两者含量有如此大的悬殊，但是笔 者认为开采水合物顺序应当是先从陆地开采着手， 陆地勘探开采技术和工艺成熟后 ，为海洋深海水合 物开采提供有力的数据和良好的技术支持[ 16 10 在看到天然气开采诱人方面的同时，我们也应 当看的开采水合物可能会带来的负面影响。在研究 水合物的同时，科学家也清晰地认识到天然气是一 种温室气体，而且可怕的是其造成的温室效应是相 同质量 C O 的 2 0多倍 。 数据表明海底水合物甲烷气 体含量是大气 甲烷总含量的 3 0 0 0多倍 ，设想一旦 开发不慎，造成天然气的泄露，其结果是不可想象 的[ 17 。而且科学界有一种恐慌，随着气候温度的提 高 ，本身海水和冻土 区底层温度也会随着提高，到 那时水合物层就如同处在天然加热状态，那时候水 合物会自发分解，散发到大气中，这样子会引发恶 性循环，那个时候气候必定会有大的变化，长此以 往发展下去 ，那是灾难性 的毁灭 [ 18 1 0因此在对待天 然气水合物开采问题上，笔者深切地期望各国研究 者持谨慎严谨的态度 。 4 结 语 任何一种技术革新要想获得成功并被广泛接受 都需要具备两个条件①广阔的市场需求；②前期 技术的成熟。天然气水合物开采显然已经符合第一 个要求， 现阶段正在努力攻克技术上的要求。当然， 随着对水合物的开采研究的不断深入，其自动化水 平也在不断提高。同时也应该借鉴煤和石油的开采 2 2 9 6 当 代 化 工 2 0 1 4年 1 1月 经验和理论， 因为煤和石油开采技术是比较成熟的。 在未来笔者认为在对水合物物性有更好的了解后 ， 可 以深度结合地质勘探技术 ，可以在清晰了解水合 物层所处的地质结构以及可以确定水合物层不会因 为开采后水合物盖层坍塌等地质灾害后使得天然气 外泄状态下进行安全 、可持续开采。笔者希望最好 有一套完整的地质信息图，有可视的深层地质结构 图，地面操作平台可以清晰地了解深层水合物层应 力集中区域以及力学结构薄弱区域，并给予及时的 修复。天然气水合物作为一种极具开发潜力的能源 物质，需要研究者不断地努力，相信在不远的将来 在开采天然气水合物技术层次上必定会有所突破 ， 笔者相信天然气水合物在合理开采模式下，一定可 以如同开采煤炭和石油那样实现大规模的开采，为 人类生活提供能量 。 参考文献 [ 1 ]张卫东，王瑞和，任昭然，等- 由麦索雅哈水合物气E l 的开发谈水 合物的开采 [ J ]．石油钻探技术，2 0 0 7 ，3 5 4 9 6 9 4 ． [ 2 ]祝有海，张永勤，文怀军，等． 青海祁连山冻土区发现天然气水合 物 [ J ]．地质学报，2 0 0 9 ， 8 3 1 1 1 7 6 2 1 7 7 1 ． [ 3 ]顾锋 ，赵会军 ，王树立 ．盐类体系中天然气水合物相平衡条件的 研究 [ J ]． 石油与天然气化工 ，3 7 2 1 4 9 1 5 1 ． [ 4 ] 陈保东 ，王海霞 ，张富江 ，王超． 油气 田节流时天然气水合物的预 测 [ J ]．管道技术与设备 ，2 0 0 6 3 8 9 ． [ 5 ]肖刚 ，白玉湖．天然气水合物 [ M]．湖北武汉大学出版社 ，2 0 1 2 ． [ 6] 李鹏飞，雷新华 ，徐 浩 ，向 虹 ．天然气水合物相平衡影响因素 研究． [ J ]． 天然气化I e化学与化工 ，2 0 1 2 ，3 7 1 3 1 6 ． [ 7] 李芳芳，刘晓栋．天然气水合物开采新技术及其工业化开采的制约 因素 [ J ] ，特种油气藏，2 0 1 0 ， 1 7 3 ，2 - 3 ． [ 8] 汤凤林 ，蒋国盛，吴 翔，等利 用双井筒大水平距对接井钻井技 术热力开采天然气水合物 [ J ]．探矿工程 岩土钻掘工程 ，2 0 1 0 3 7 3 2 ． [ 9] 袭建明． Ma l l i k天然气水合物国际研讨会综述 [ J ]． 海洋地质动态 ， 2 0 0 4 ， 2 0 2 2 8 3 1 ． [ 1 0 ] G i n s b u r g G D ， S o l o v i e v k A ．S u b m a ri n e g a s h y d r a t e e s t i m a t i o n T h e o r e t i e al a n d e mp i r i c a l a p p r o a c h e s[ C ] ． P r o c e e d in g s o f o f f s h o r e T e c h n o l o g y C o n f e r e n c e， H o u s t o n ， T X ， 1 9 9 5 1 5 1 3 5 1 8 [ 1 1 ]吴时国，姚伯初．天然气水合物赋存的地质构造分析与资源评价 [ M]． 北京 科学出版社 ，2 0 0 8 ． [ 1 2 ]陈月明，李淑霞，郝永卯 ，杜庆军 [ M]． 山东 中国石油大学出 版社，2 0 1 1 ． [ 1 3 ]姚彤宝，周兢 ，李生红．钻采天然气水合物的初步设想 [ J] ．探矿 工程 土钻掘工程 ，2 0 1 0 ，3 0 1 0 2 3 2 5 ． 【 1 4 ]白玉湖， 李清平， 李相方等 降压法开采海洋水合物藏的数值模拟 [ J J ． 中国科学 E辑 技术科学， 2 0 0 9 ， 3 9 2 3 6 8 3 7 5 ． [ 1 5 ]史斗，郑军卫． 世界天然气水合物研究开发现状和前景 [ J ]．地 球科学进展 ，1 4 4 l 一 1 2 ． 【 1 6 ]陈志豪 ，吴能友．国际多年冻土区天然气水合物勘探开发现状与 启示 [ J ]． 海洋地质动态 ，2 0 1 0 ，2 6 1 I 3 7 4 1 【 1 7 ]彭晓彤 ，周怀阳，陈光谦 ，等．论天然气水合物与海底地质灾害 、 气象灾害和生物灾害的关系[ J ] ． 自然灾害学报 ， 2 0 0 2 ， 1 1 4 1 8 2 1 ． [ 1 8] 潘振，刘鑫 ，王荧光 ，等． 天然气水合物勘探和开采方法研究进 展 [ J ]． 当代化工，2 0 1 3 ，4 2 7 9 5 8 9 6 0 ． 上接 第 2 2 9 2页 戴金星 1 9 9 0 研究了我国若干含油气区天然 气 中烷烃气氢同位素与源岩成熟度的关系 ，指出当 有机物类型基本相似时，8 D值明显有随源岩成熟 度增大而增大的趋势。但通常认为烷烃气的氢同位 素首先受制约于沉积环境， 其次才是成熟度的影响。 利用戴金星 8” C H 与 c ／ c c s 天然气成 因 判断模板 图 3 及张义钢模板 图 4 分析呼和湖 凹陷和 1 0井天然气类型 ，可见和 1 0井天然气主要 为凝析油伴生气和煤型气的混合气。 2 结 论 1 呼和湖凹陷发育良好烃源岩和煤系地层， 有多套生储盖组合， 和 1 0 井发现工业油气流， 表明 了该凹陷可观的资源潜力； 2 研究区南二段天然气为近源、 成熟阶段的 湿气， 其碳同位素组成不是典型的煤型气，介于油 型气与煤型气之间，属于混合气； 3利用 S t a h l 公式 以及戴金星 、张义钢的天 然气成因判别图版 ， 和 1 0井天然气主要为凝析油伴 生气和煤型气的混合气 。 参考文献 [ 1 ]王青海 ，陈守 田， 等．海拉尔盆地油气勘探开发前景l J I ． 中国石油勘 探， 2 0 0 2 ，7 3 1 6 1 9 ． [ 2] 陈均亮 ，吴河勇，朱德丰， 等． 海拉尔盆地构造演化及油气勘探前景 [ J ] ．地质科学，2 0 0 7 ，4 2 1 1 4 7 1 5 9 ． [ 3] 曹瑞成 ，李军辉 ，卢双舫，等． 海拉尔盆地呼和湖凹陷白垩系层序地 层 特 征 及 沉 积 演 化 [ J ] ． 吉 林 大 学 学 报 地 球 科 学 版 ． 2 0 1 0， 4 0 3 5 3 5 - 5 4 1 ． [ 4]戴金星 ，王庭斌 ，宋岩， 等．中国大中型天然气 田形成条件与分布 规律[ M] ．北京地质出版社， 1 9 9 7 2 5 6 0 ． [ 5 ]卢双舫，王子文 ，刘晓艳，等．海拉尔盆地呼和湖凹陷有机质原始 生烃潜力和原始丰度的恢复【 J 】 ． 大庆石油学院学报 ， 1 9 9 5 ， 1 9 1 ． [ 6 ] 杨子荣 ，张艳飞 ， 姚远，等．海拉尔盆地呼和湖凹陷煤层气资源潜力 分析【 J ] ． 煤田地质与勘探， 2 0 0 8 ，3 6 2 1 5 1 8 ．