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天 然 气 勘 探 与 开 发 2 0 1 0年7月出版 天然气水合物勘探与开采进展 杜冰鑫 陈冀嵋 钱文博 王燕 1 ． 西南石油大学石油工程学院2 ．中国石油大庆油田 地质录井公司 摘要 目前， 天然气水合物以能量密度高、 储量大和分布广等特点， 被公认为是2 1 世纪的重要后续能源。各国 纷纷加大天然气水合物勘探和开发的研究力度。现有天然气水合物开采方法主要有注热开采法和非注热开采法两 种， 都不同程度地存在一些问题。本文在对现有开采方法优缺点进行分析的基础上， 对注热开采天然气水合物方法进 行了重点阐述， 分析了采用注热开采方法的几种不同形式， 为经济有效的开采天然气水合物提供依据。图5 参 5 关键词 天然气水合物勘探能源注热开采法研究进展 0 引言 天然气水合物生成于地下低温、 高压、 富含有机 质的沉积层内， 特别是在石油、 天然气藏的周围。从 目前调查情况看， 天然气水合物遍布全球， 无论是高 原冰雪、 永久冻土、 两极冰盖还是大陆架边缘、 大陆 坡和深海区都有其踪迹。 天然气水合物的主要成分是甲烷， 形状与干冰 相似， 遇火极易燃烧， 具有极高的热值。能效是煤的 l 0 倍， 是常规天然气的2 倍 一 5倍。燃烧后几乎不 产生任何残渣， 其污染要比煤、 石油、 天然气小得多。 天然气水合物资源储备量特别 巨大， 其甲烷有机碳 储备量约为 1 ． 82 ． 1 1 0 m ， 是 2 1世纪理想 的、 潜在的、 非常规的、 最具开发前景的新能源。 1 天然气水合物勘探和开发现状 由于天然气水合物主要储存在海底或寒冷地区 的永久冻土带， 较难寻找和勘探。近几年来 ， 将一些 先进的技术、 方法应用于天然气水合物的勘探和开 发之中。目前， 天然气水合物的研究主要集中在天 然气水合物资源的勘测与评估、 物理化学性质、 开采 模拟与环境评价、 储运及其利用等方面。 至今世界上已有 7 9个国家和地区发现了天然 气水合物， 其中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 三角洲地区已经进行了试采开发， 而加拿大则成功 实现了从天然气水合物层向地面输送甲烷气体。这 些地区的勘探开发经验为以后天然气水合物的开采 提供了有力的依据。 根据调查研究， 我国的天然气水合物主要分布在 南海海域、 东海海域、 青藏高原冻土带以及东北冻土 带， 据估算储量极为可观。南海是我国目 前天然气水 合物资源最丰富且研究程度较高的地区。研究表明青 藏高原的冻土层， 也都具备天然气水合物的形成条件。 2 天然气水合物探测技术 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， 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 ； 在海域 中利用地震声波速度异常和海底模拟反射层 B S R 预测是否存在天然气水合物。 2 ． 1 地震反演技术 地震勘探是目前最常用、 最有效的天然气水合 物的勘探方法 ] ， 其原理是利用不同地层中地震反 射波速率之间的差异对天然气水合物层进行探测。 地震剖面上的拟海底反射层 B S R通常具有与海底 大体平行、 负极性、 高振幅、 与沉积层理斜交的特点， 表现为含天然气水合物沉积层与游离气沉积层或含 水沉积层的边界 ， 在这些地 区 B S R振幅极 小， 呈现 空白的特征 。 2 ． 2 测井法 另一种重要的地球物理方法就是测井法 ， 粘结 作者简介杜冰鑫 ， 女， 1 9 8 1 年出生 ， 助理工程师； 西南石油大学油气田开发在读硕士， 研究方向为油气藏开采理论。地址 6 1 0 5 0 0 四 川省成都市新都区西南石油大学研究生院2 0 0 7级2 班。 1 5 8 8 2 4 0 2 6 6 8 。 E m a i l d u b i n g x i n 2 0 0 7 1 6 3 ． t o m 2 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 3 卷第 3 期 天 然 气 勘 探 与 开 发 沉积在一起的天然气水合物变得更加致密， 它不仅 在地震剖面上表现为明显的异常而且在测井曲线上 也有明显 的反应 。 I 电阻率测井 R 含天然气水合物的地层， 岩石粒间孔隙和裂缝被固体水合物 占据， 造成地层 致密、 渗透性差 ， 表现为电阻率的增加。 2 自然电位 s P 由于天然气水合物堵塞地层 空隙， 降低气体的扩散和渗透， 所以与气水饱和层相 比自然极化电位小。 3 地震波速测井 天然气水合物导致地层粘 结， 地震波传播速度加强。 4 密度测井 。 利用岩石对 射线的吸收 性质进行测定， 由于天然气水合物的密度略小于水 的密度， 因此略有降低。 5 井径测井 s v 钻井过程中 ， 分解后的天然 气水合物会造成井壁垮塌， 井径扩大。 6 放射性测井 G R 在中子测井中含有天然 气水合物的地层略有增加， 而伽玛能谱测井中含天 然气水合物的气层与饱和水相比略有降低。 2 ． 3地球化学探测技术 地球化学探测技术提供了多种有效的天然气水 合物的识别方法 ] ， 可用于分析与天然气水合物有关 的气体性质、 孔隙水特性、 沉积物全岩地球化学特性、 沉积物中自 生矿物的地球化学特性等， 与地球物理方 法互为补充。地球化学探测发生异常的原因有 1 地层中水合物分解出来的甲烷向上扩散引起 沉积物和附近海水中甲烷的含量和同位素发生异常。 2 受水合物的笼型结构限制， 水合物生成过 程是排盐的过程 ， 由此造成地层孔隙水、 盐离子浓度 发生异常。 3 在水、 水合物的液 一 固转化过程中， 由于同 为素的选择性造成同位素发生异常。 2 ． 4 保真取芯技术 保真取芯技术是天然气水合物评价最直接的方 法， 利用它可以验证地球物理和地球化学等间接方 法的有效性。 近几年， 勘探研究新技术暂露头角， 其中一些新 的技术进行了试验与应用， 取得了良好的效果。如 海底地震仪 O D S 、 海底电缆 O B C 、 天然气水合 物的海底电磁探测技术 E M 等。同时， 在海底观 测方面支持和发展 N O A _A 、 M M S 和 D O S 海底观测系 统的安装、 运行和维护， 该观测系统是实现实时监测 水体、 近海底沉积物和水合物稳定带之间相互作用 的第一站。 3 天然气水合物的开采技术 天然气水合物的储量巨大， 但有效的从天然气水 合物中开采天然气的方法至今还在探索和研究之中。 3 ． 1 非注热开采天然气水合物方法 开采天然气水合物的方法众多， 主要分为注热 开采和非注热开采法， 但都不同程度的存在不足。 压降法 只需控制井口压力， 使井底压力低于地 层温度下水合物的平衡压力， 此方法适用于高渗透 层， 深度超过7 0 0 m的大型水合物的开采。缺点是在 井 口易于再次形成天然气水合物； 分解的气体中若含 有 C 组分时， 其平衡压力会显著降低， 不利开采。 注人抑制剂 采用甲醇、 乙二醇、 丙三醇等化学 药剂作为抑制剂， 改变水合物平衡条件使部分天然 气水合物分解。该方法十分简单， 使用方便； 缺点是 费用昂贵， 作用缓慢， 对海底环境造成危害。 C O 置换法 将相平衡压力较低、 更容易形成水 合物的 C O 注人天然气水合物储层。形成二氧化 碳水合物过程中释放热量， 从而加热天然气水合物 使之分解。此方法开采天然气水合物可以避免污染 海底环境。缺点是开采时的反应速率较低。 3 ． 2 注热开采天然气水合物方法 注热开采天然气水合物是一种较为有前景的开 采水合物方法， 它是借助热水、 蒸汽将热量输送到井 底或是利用井底加热装置和钻具旋转产生热量分解 天然气水合物。但是由于注入的热量大多都加热岩 层而损失掉了， 所以效果并不理想。对此， 提出了以 下开采新思路。 1 直井注热开采 在直井注热开采中 图 1 ， 推荐采用盐水作为 注热载体 】 ， 盐水具有抑制水合物生成、 防止采气 过程中孔隙和井眼堵塞。为提高热效， 尽量增加盐 度， 可使用饱和或超饱和盐水， 若采用地热层的盐 水， 则地热层的温度便是盐水温度的上限， 地热层盐 水温度为 3 9 4 K一 4 7 7 K。 2 多分支水平井结构 采取向水合物储层的非渗透层底部注入能自 动 生热的放射性废液， 生成的热量向上传递， 加热水合 物产层 图2 。可结合水合物的开采周期采取间断 性的注入放射性废液。具有费用小、 放热多的优点。 缺点是不渗透的热量交换慢， 产生放射性危险污染。 3 多层联合加热 此法采用热水或蒸汽作为载热体， 循环操作热 效高 图3 。这种装置还可与海洋船舶的海底发电 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 天 然 气 勘 探 与 开 发 2 0 1 0年7月出版 机燃料箱相连接， 燃料燃烧获得的剩余热能可以加 热载体水。井口热水温度为 3 0 8 K一 3 4 8 K ， 高温 为 3 4 8 K一 3 7 3 K ， 过热 超过 3 7 3 K 。 1 一 注水管柱2 一热盐水3 一套管4 一 电缆温度测量器 5 一测量仪6 一密封装置7 一射孔区 图 1 直井注热开采图 1 一不渗透层2 一放射性废液3 一天然气水合物矿藏 4 一填充物5 一隔层6 、 7 ～开采井和加热井 ； 图2 多分支水平井注热开采图 5 6 1 一 天然气水合物矿藏2 一开采线3 ， 4 一加热线 5 一采气装置6 一注热装置 图3 多层联合注热开采图 2 8 4 采用循环系统 将热源安装在储层 中， 产生的热水通过井网系 统上升至水合物层， 而冷水则注人到低温储层 图 4 ， 优点是可检测泵入 的水量和温度 ， 缺点是对储 层注人了多余的水， 使气相的相对渗透率降低。 5 水力压裂多分支水平井 在天然气水合物储层采用水力压裂多分支井是 较为有前景的开采方法 图 5 ， 在压裂后形成裂缝 系统 ， 增加热载体与水合物产层之间的对流， 加快并 实现表面热交换， 明显提高了分解强度。 台 - 3 2 1 一天然气 水2 一冷水3 分离器4 一天然气水合物矿藏 5 一泵6 一填料器7 一 热水层8 一泵 开关9 一热水 图 4 循环 注热开采图 1 一不渗透层2 一裂缝3 一天然气水合物矿藏 4 ， 5 一开采井和加热井； 图 5 水力压裂多分支水 平井注热开采图 6 燃烧法开采天然气水合物 天然气水合物燃烧法主要是通过燃烧储层， 使 温度达到天然气水合物的相平衡温度以上， 使其分 解开采的一种方法。主要分为两种形式， 一种是自 燃， 另一种是强制燃烧 j 。 强制燃烧法是在天然气水合物储层通过催化 氧化燃烧一种低品位的燃料， 利用燃烧释放的热 量来加热天然气水合物 的分解促进剂， 注入分解 促进剂的同时将催化氧化所产生的 C O 回注人到 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 3卷第 3期 天 然 气 勘 探 与 开 发 水合物层 ， 形成的 C O 水合物填充开采天然气水 合物所留下的空隙。同时， 形成 C O 水合物时放 出的反应热加热水合物分解促进剂 ， 增加分解水 合物促进剂的浓度 。该方法 可 以减小 常规注热开 采 中的能量损失 ， 提高开采速率 和能源利用率 ； 催 化氧化加热和 C O 水合 物 的形 成 ， 避免 促进 剂浓 度不断降低的缺陷， 同时 C O 水合物回填有利于 保证海底地质构造稳定 ， 避免海底塌 陷、 滑坡 等地 质灾害发生。不足是储层燃烧的火舌和“ 地下火” 的控制等还需进行研究 。 目前 ， 开采天然气水合物的国家还很少 ， 大多都 处于勘探、 钻采取样及试验开采之中。各 国对天然 气水合物的开采都进行着积极 的研究 ， 也有较为成 功的例子。如俄罗斯的 M e s s o y a k h a水合物矿藏采 取了简单降压技术， 取得了长期开采天然气的成绩， 本区块也曾进行过一系列的注入水合物阻化剂， 大 多都使产量显著提高； 加拿大马利克水合物矿 藏 ] ， 采取了降压与热激发以及两者组合进行了水 合物短期试采试验 ， 得出 水合物的产气速率完全达 到作为资源开采的要求， 但利用这种方法进行水合 物开采， 在经济上是否合算 ， 则没有可靠的评估和先 验的知识。 我国天然气水合物主要可能存在于海洋和东北 及青藏高原冻土带中。海洋气水合物是全球天然气 水合物资源开采的主要方向， 由于在海洋中开采水 合物存在着许多的风险和环境问题， 开采时应采取 多分支井结构、 多层联合加热、 采用循环系统等开采 方案， 避免注人降阻剂和放射性废液等污染物质， 同 时可与降压法联合使用， 即可利用资源又提高经济 效率。而对于储集在高纬度冻土带或两极浅层沉积 中的天然气水合物资源 ， 采用燃烧法开采较为有效。 4 开采天然气水合物存在的问题 天然气水合物作为巨大的甲烷资源， 展示出诱 人的前景。但在开发这种巨大能源的过程中也存在 着极大的风险。开采时， 除了产生温室效应、 破坏海 洋生态平衡、 发生海沟崩塌、 海底滑塌等环境问题 外， 还存在有水合物分解时产生大量水的处理问题 及钻井中分解水使井壁垮塌、 变形所带来的钻井平 台风险等问题。所以我们在考虑其资源价值的同 时， 必须充分注意到它的开发利用将给人类带来的 严重环境影响 ， 从而寻求一种能够降低开采时产生 的负面效应的有效方法。 5 结束语 天然气水合物作为一种极具潜质的清洁能源， 其开采技术 已经成 为石 油天然气工业新 的研究热 点。但是由于天然气水合物 自身特点、 成藏条件等 增加其开采难度 ， 本 文主要从勘探和开发两方面对 天然气水合物的开发进行了论述。在勘探开发方面 应采用先进 的探测技术 ， 进行多方面全方位的勘察 ， 从而可以准确得知其储存信息； 在开采方面， 由于注 热开采技术见效快， 所以本文推荐采用注热开采方 法， 并提出注热开采 降低热量消耗和节约能源的几 种有效途径。在实际应用中应根据具体的地质条件 及实际情况选用不 同方式 。另外 ， 天然气水合物赋 存条件复杂 ， 开采 时必 须注意对环境的保护。天然 气水合物的开发是一项艰巨而复杂的任务， 建立清 洁的天然气水合物勘探、 开采、 储存、 运输等生态一 条龙工艺才是具有前景的开发方式。 参考文献 1 晨光进 ， 张长宇 ， 马庆兰， 等． 气体水合物科学与技术 [ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 7 ． 1 1 ． 2 周怀阳， 彭晓彤 ， 叶瑛． 天然气水合物勘探开发技术研究 进展[ J ] ． 地质与勘探， 2 0 0 2， 3 8 1 7 0 7 3 ． 3 E．B ．Kp e A mm 1 -I e p c n e x r s p a a p a 6 o T x T e x H 0 Ⅱ 0 r 删 Ⅱ p 0 h 叫 Ⅱ 皿 e 衄 O 兹 a o 6 r a H Y a 3一 O B I X r H p a T O B／ ／ r a 3 o B a ．q Ⅱ p O d I 脚 e 髓 Oc r b 2 0 0 7． No 1 ． 4 34 6． 4 Kp e mi E ． B． He T p a H I X H O H H a g T C p MH e c K a R T H O H O F I O I且 O 6 唧1 1 y ／I I O H 3 B H C K a eMO F O y I -Ⅱ e B O 且 O p 0 Ⅱ H 0 r O c l ，I p b J 王／ ／ r a 3 o B a R r r p o 2 0 o 5 ． N0 3 ． 1 92 2 ． 5 栾锡武， 赵克斌 ， 孙冬胜， 等． 天然气水合物的开采一以马 利克钻井为例[ J ] ． 地球物理学进展， 2 0 0 7 ， 2 2 4 1 3 0 3 ． 修改回稿 日期2 0 0 9 1 2 2 2 编辑王晓清 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m