水力输送法开采海底浅层天然气水合物技术研究.doc

第45卷 第4期2009年7月 地质与勘探GEOLOGY AND EXPLORAT I ON V o.l 45 N o .4 J u l y ,2009 [收稿日期]2009-03-13;[修订日期]2009-06-01。[责任编辑]杨 欣。 [基金项目]国家自然科学基金项目编号50504012,国家自然科学基金项目编号50844062,中国博士后科学基金项目特别资助编 号2008010274,中国博士后科学基金项目编号20080430124及教育部国际合作项目编号2008052017联合资助。 [作者简介]窦 斌,1973年 ,男,2003年毕业于中国地质大学,获博士学位,副教授,现主要从事石油及天然气水合物钻采方面的 教学及科研工作。 技术 方法 水力输送法开采海底浅层天然气水合物技术研究 窦 斌 1,2 ,蒋国盛1,秦明举1,吴 翔1,高 辉 1 1.岩土钻掘与防护教育部工程研究中心,武汉 430074;2.中国地质大学工程学院,武汉 430074[摘 要]海洋天然气水合物占全球水合物总储量的99,海洋天然气水合物大部分沉积在海底浅层没有良好的覆盖层,无法采用开采传统油气资源的方法进行开采。为了开采海底浅层天然气水合物,分析了海洋天然气水合物的存在类型及地质特征,探讨了目前开采海洋天然气水合物的理论方法及局限性。根据海底天然气水合物成矿的地质特点及水合物的物理特性,提出了以水力输送技术为主要理论的海洋浅层天然气水合物开采方法。该方法克服了其他方法开采海底天然气水合物面临的技术困难,为海洋天然气水合物的开采提供了技术基础及理论支撑。 [关键词]天然气水合物 存在类型 水力输送 开采技术 [中图分类号]TE1 [文献标识码]A [文章编号]0495-5331200904-0427-04 Dou B i n ,Jiang G uo sheng ,Q i ng M i ng ju ,W u X iang ,G ao H u.i H ydrau lic m i n ing technology u sed for exp l oitation of m ar i n e gas hydrates[J].G eology and Exp loration ,2009,454427-430. 天然气水合物NGH 因其储量巨大、能量密度高、分布广等特点,被认为是21世纪最理想的替代 能源[1] 。迄今已至少在全球116个地区发现了NGH 。大约27的陆地大部分分布在冻结岩层和90的海域都含有NGH [2] 。世界上绝大部分的天然气水合物分布在海洋里,储存在特定的海底沉积物中,只有极其少数的天然气水合物分布在常年冰冻的陆地上 [3] 。因此,海洋天然气水合物的开采 技术是工程技术人员及科研人员研究的热点及难点 问题。 1 海洋天然气水合物存在类型及地质特征 1.1 水合物存在类型 天然气水合物的形成与分布主要受烃类气体来源和一定的温度压力条件控制。天然气水合物的形成必须有充足的天然气来源,必须有低温或高压条件,这决定了它的特殊分布。海洋天然气水合物分布在水深为3004000m 的海洋,主要分布于泥质海底,赋存于海底以下01500m 的松散沉积层中。 M a lone 1985 [2] 进行多年研究指出水合物存 在于以下4种类型,如图1 。 图1 天然气水合物的存在类型Fig .1 T he existence state of h ydrates 1 沉积物; 2 水合物1 sed i m en t ;2 gas hydrates 图1a是良好分散型水合物,在诸如墨西哥湾的密西西比峡谷和O rca 地区中发现了该种样品。图1b是结核状水合物,其直径为5c m,可存在于诸如墨西哥湾的绿色峡谷中。该水合物气体为从深处迁移的热成因气体。图1c是层状水合物,分散于沉积物的各薄层中,例如在布莱克-白哈马山脉 427 发现的晶核,该水合物存在于所有的近海区域和永久冻土中。图1d是块状水合物,厚度为34m,水合物的含量为95,沉积物含量少于5,例如在远离中美洲海沟的DSDP84航次570井位发现的水合物样品。 现在还不清楚该样品是来自于生物起源还是来自于热成因。当该水合物增长时,大部分气体可转移到水合物处,或者形成于断层中,或当块状水合物增加时气体挤压沉积物。 1.2 海洋水合物地质特征 浅层水合物和海底冷泉相伴生。在海底表现为圆形凸起的海底气体泄漏机构。从冷泉区采集到的柱状重力样品大都含气,具有标志水合物存贮在的逸气揭皮构造。样品温度底,含水量高,含有大量硅藻及贝壳碎屑、漂砾和自生碳酸盐岩结核。在沉积物表面还见有活的大型海底生物,主要是贝类和蠕虫类,以管状虫最多。水合物呈薄层状与沉积物互层,薄层的厚度从几毫米到几厘米不等。出现水合物的层段,肉眼可见的水合物约占柱样体积的10 80不等。水合物硬度较不含水合物的沉积物大很多。常温、常压条件下,由于水合物的自保护作用,水合物分解缓慢。重力取样管中含有的气体并不完全是水合物上升过程中发生分解形成的。在水合物的稳定区域内,当气体含量不足时,地层中的气体可以以游离态的形式存在。 2 水合物开采方法及难点 2.1 水合物开采方法 要将天然气水合物转化为商业用天然气,实现途径不仅要经济而且要安全。由于天然气水合物的物理化学特性,传统的开采固体矿产的方法不适合开采天然气水合物。根据水合物的形成原理,用于水合物分解开采的理论方法有三种热溶法、抑制剂刺激法、减压法[6,7]。 1热熔法,该方法原理就是将热量注入水合物沉积层,水合物吸收热量后温度升高引起水合物颗粒的分解。一些学者认为可以从地面将热的液体如水、盐水、蒸汽注入到水合物开采层,或者在水合物开采层燃烧高能量物质以及采用电磁加热等方法。有很多学者提出利用地热或者太阳能来开采天然气水合物,但是其原理都是热熔法; 2抑制剂刺激法,该方法原理是通过注入化学试剂使水合物热动力相平衡发生改变从而引起水合物分解。但是,抑制剂刺激法只限于少量开发时采用,因为这与抑制剂成本比较高相关。在某些石油开采井,当出现水合物阻塞现象时,通过注入甲醇和氯化钙溶液可以成功的疏通水合物的阻塞; 3减压法,在该方法中,通过减小液体与水合物的接触面压力,促使水合物处在相平衡稳定区域以外从而发生分解。在该方法中,由于没有额外的热量注入到水合物开采层,分解所吸收的热量必须由周围物质提供,但是当水合物分解吸收的热量达到一定程度,水合物周围环境温度降低会抑制水合物的进一步分解。很多研究指出,这种方法在气体全面分解过程中有利于控制开采气体的流量。对于减压法适合于那些储藏中存在大量自由气体的水合物储层。 这三种方法只适合天然气水合物上层具有良好的不可分解的覆盖层的矿藏。然而,海底的大多数水合物形成于海底浅层,以上三种方法都不适合于海底浅层的水合物的开采。可以采用地面分解的方法开采海底的水合物[11]。 2.2 技术难点 最普遍的减压法开采技术是当钻井穿越水合物储层并在自由气体层完井,导致压力下降并使上部覆盖的水合物分解。很多学者认为,尽管减压法开采技术是最经济的方法,但减压法开采技术在生产过程中气体分解吸收热量释放出水会产生冰,进而阻止水合物的进一步分解[8]。当然,也有认为冰不会对水合物生产产生影响,在必要的时候,减压法生产可以通过控制压力来调节水合物的分解速度进而防止冰的生成[9]。水合物生产过程中有大量的水产生,在这种情况下将通过地面设备人为排除井中的水,从而使生产过程持续进行[10]。 天然气水合物的分解会引起海底滑坡、海啸等自然灾害,另一方面甲烷是一种重要的温室气体,其温室效应是二氧化碳的21倍,天然气水合物分解后气体进入大气圈,将对全球气候变暖产生重要影响[12-14]。此外,随着在海上进行天然气水合物、天然气田及油田等勘探与开发活动的增加,天然气水合物可对海上深水钻探和生产带来重大生产安全隐患[11,12]。 天然气水合物对海底地质灾害有重要的影响。在进行深水海底钻探勘察或开采,钻井活动会引起水合物沉积层分解,随着水合物分解出天然气的释放,水合物沉积层压力降低导致上覆地层坍塌或引起海底滑坡,从而诱发海底天然气水合物的大量分解[13],分解的气体进入钻井液使其密度下降,造成 428 地质与勘探 2009年 井喷等钻井事故;还会导致沉积物胶结强度和坡体稳定性的降低,引起海底滑坡甚至海啸,对海岸环境和生命财产造成巨大破坏[14]。 进行天然气水合物钻井时,已经碰见发生天然气水合物的分解,引起大量气体释放,产生井喷、火灾、钻井场沉降、钻杆折断、井壁坍塌及套管破裂气体释放到地面等重大灾难[4]。天然气水合物在钻井和开采过程中由于天然气的分解导致所在岩体中存在着大量断层、节理以及软弱夹层等不连续面,这些不连续面造成了水合物所在岩体与岩石材料存在巨大差别,天然气水合物的存在决定了所在岩体具有很强的蠕变性。 3 水力输送法开采天然气水合物技术 3.1 系统组成 地面分解法开采天然气水合物系统结构如图2。该系统主要由1海底采矿车、2输送管道、3矿石中继仓、4矿浆泵、5采矿平台或采矿船、6研磨机、7水泵、8除气器、9分解器、10大体积容器及11压缩机等几部分组成。 3.2 工作原理 由海底采矿车把海底表面的水合物输送到矿石中继仓,再由矿浆泵逐级将天然气水合物输送到开采平台或者采矿船上的研磨机。水合物在采矿系统的提升过程中,由于温度压力发生变化,部分水合物会发生分解。但是整个系统是密封的,所以分解的天然气也会随着未分解的水合物进入研磨机,水合物矿产在研磨机中被充分研磨,然后进入分解器,当水合物在分解器中完全分解以后,气体、沙石及水的混合物进入大体积容器。气体通过大体积容器的上部管道进入压缩机,然后进入密闭容器或者输送到用户端。对于分解器可以利用开采船发动机的尾气与海水同时进行加热,使天然气水合物充分分解。由于气、水和砂石分离,由于气体的密度小,因此,气体在容器的上部并沿着出口管线排出。 根据海底采矿车的开采速度,由水泵往大体积容器中适量加入海水。由于海水的温度基本上在20左右。一方面,利用海水的温度使磨碎的水合物在分解器中充分分解,另一方面,利用海水的冲刷力天然天水合物分解后剩下的沙石冲到大体积容器中,从而通过大体积容器的底部管道排入海底。水和沙石沿着容器的底部排出,通过底部的管道进入除气器。除气器把混合物中的气体分离出来然后排到容器, 防止天然气进入海水对大气环境构成影响。 图2 水利法开采海底浅层水合物技术示意图 F i g.2 Sch e mat i c map show i ng th e hydrau lic m i n i n g technol ogy used for exp loitati on of mar i ne gas hyd rates 1 单向阀; 2 压缩机; 3 放喷阀; 4 压力表; 5 大容器; 6 发动机尾气进口; 7 分解器;8,9 单向阀;10 研磨机; 11 水泵;12 采矿船;13 矿浆泵;14 矿石中继仓;15 软 管;16 浮体;17 采矿车;18 水合物;19 沙石;20 除气器; 21 排沙口;22 排气口 1 one w ayvalve; 2 co mp res sor; 3 spray rel ease val ve; 4 pres s u re gauge;5 b i g contai n er;6 i ntak e of engi n e exhau st;7 de co m pos iti on con t ainer;8,9 one w ay val ve;10 gri nder;11 pum ps;12 m i n i ng sh i p;13 sl u rry pum p;14 m i d transferi ng barn;15 hose;16 fl oati ng;17 m i ng i ng veh i cles;18 gas hy d rates;19 grave;l20 gas stri pper;21 w ay out of grave;l22 w ay ou t of exh aust 4 结论 1海洋天然气水合物分布在水深为300 4000m的海洋,主要分布于泥质海底,赋存于海底以下01500m的松散沉积层中。海洋水合物成藏地质条件复杂,水合物藏上部覆盖层厚度不均匀且具有很多的裂隙,不完全能用开采传统油气资源的方法钻井来开采海洋天然气水合物; 2进行海洋天然气水合物开采时,如果方法不科学,天然气水合物的分解可对海上深水钻探和生产带来重大生产安全隐患,会引起全球气候变化、海底滑坡、海啸等自然灾害; 3利用热熔法开采时容易形成热段塞;而降压法需要水合物藏下具有游离的气藏;抑制剂刺激法不仅成本高,而且在多孔介质中不能持续流动; 4利用水力输送技术开采海底天然气水合物克服了热溶法、减压法及抑制剂刺激法等理论方法开采海底天然气水合物面临的困难,为海底天然气水合物的采取提供了新的技术方法。 429 第4期 窦 斌等水力输送法开采海底浅层天然气水合物技术研究 [参考文献] [1] Darvi sh,M P.Gas Produ cti on fro m H yd rat e Reservo i rs and Its M odeli ng[J].Journ al of Petroleum Tec hno l ogy,2004,566 65-71. [2] M al on e R D.G as H ydrates Top icalR eport[A].DOE/M ETC/SP -218,U.S.Depart m ent of Energy,1985,33-50. [3] Lee S,H ol der G D.M et h ane hydrates pot enti al as a f uture energy s ource[J].Fuel Process i ng Tec hno l ogy,2007,713181- 186. [4] S loan E D.C l at h rate H ydrat es of Nat u ral Gases[M].3rd E d. N e w Yor k,M arcelDekk er,199868-90. [5] Tan C P,C lennellM B,Ayoub R F.M echan ical and Petroche m i calC haracterizati on and W ellbore S t abilit yM anage m en t i n GasH y d rate-B eari ng Sed i m en ts[C].The40t h U.S.Sympos i u m on Rock M echan ics,An chorage,A l as ka,200525-29. [6] 姚永坚,黄永样,吴能友,张光学,何家雄.天然气水合物的形 成条件及勘探现状[J].新疆石油地质,2007,286668- 672. Y ao Yong ji an,H uang Yong xi ang,W u Neng you,Zhang Guang xue,H e Jia xi ong.C ond i ti on s and Stat u s f or For m i ng and E xp l o ri ng Gas H ydrate[J].X i n ji ang Petro l eum G eol ogy,2007,286 668-672. [7] 王淑红,宋海斌,颜 文,施小斌,阎 贫,樊栓狮.南海南部天 然气水合物稳定带厚度及资源量估算[J].天然气工业,2005, 25824-30. W ang Shu hong,Song H ai b i n,Yan W en,Sh iX iao b i n,Y an Pi n, Fan Shuan sh.i A Stab l e Zone Th i cken ess and Res ou rce Esti m a ti on of Gas H yd rate i n Sou t her Nsou t h Ch i n a S ea[J].N aturalGas Indus try,2005,25824-30. [8] Ka m at h V A.A perspective on gas p roducti on from hyd rat es[C]. J NOC∀s M et han eH yd rate In t.l Sy m posi um,C h i ba C it y,Japan, 199820-22. [9] C ollett T S,Kus k ra V A.H ydrates contai n vast store ofw orld gas resou rces[J].O il and Gas,1998,961990-95. [10] S l oan E D.J ou rnal of Petroleum T echnol ogy[J].Natural gas hyd rates,1991,38121414-1417. [11] K a w a m aur T,Saka m oto Y,Oh take M.D i ssoci ation behavi or of pellet shaped m i xed gas hydrate s a m p l es that con tai n p ropane as a gu est[J].En ergy Convers i on and M anage ment,2006,451 360-364. [12] Barher JW,Go m ez R K.For m ati on ofhydrates duri ng deepw ater d rilli ng operati on s[J].J ournal of Petrol eum Tec hno l ogy,1989, 413297-301. [13] C ollett T S,Dalli m ore S R.Detailed anal ys i s of gas hydrate i n du ced drilli ng and produ cti on hazard s[C].Proceed i ngs of the 4th I n tern ati ona l C onferen ce on G as H ydrates,Yokoh a m a,Ja pan,M ay,200220-32. [14] S l oan E D.Funda m en t al Pri n ci p l es and App li cati on of N at ure Gas H yd rat e[J].Nat u re,2003,42620353-359. [15] S loan Jr.,E.D.C l at h rate H ydratesThe O ther C o mm on So li d W ater Phase[J].Industrial2.Eng ineering Facult y,China Uni versity of Geo sciences,W uhan 430074 AbstractIn the w orld about99percen t gas hydrate reserves is m ari n e gas hyd rat es,and t he vast ma j ori ty of gas hydrates i s hos t ed i n seafloor sed i m ents,wh ich has not good/s oli d cover l ayers.A ll t h ese gas hydrates can not be exp loit ed by us i ng traditi onalm i n i ngm ethods of o il and gas w ell s.In or der to exploitm ari ne gas hydrates from s hallo w depth of seafl oor,t he ex ist en ce s t ate and geol ogi cal features of m ari n e gas hydrates w ere st ud i ed and the t heory,techn i ques and t he li m itati on s of the curren tm ari ne gas hydrate exploitati on w ere d i scu s sed.A ccord i ng t o geol og i cal charact eristics and phys i cal properti es ofm ari ne gas hydrates,w e propose a ne w techn iqu e to extract nat u ral gas fro m m ari ne gas hydrates,wh ich i s based on the theory of hydrau lic m i n i ng technol ogy.Th is m et hod overco m es t h e techn icald iffi cu lties of otherm et hod s to exp l o i tm ari ne gas hydrat es and p rov i des a techn i cal foundati on f or extracti ng gas f or m m ari ne gas hydrates. K ey w ordsm ari ne gas hydrates,geol og i cal features,hydrau lic m i n i ng,exp l o i tation techn ol ogy 430 地质与勘探 2009年