天然气水合物开采技术研究进展.pdf

第 1 卷 第 1 期 新 能 源 迚 展 Vol. 1 No. 1 2013 年 8 月 ADVANCES IN NEW AND RENEWABLE ENERGY Aug. 2013 * 收稿日期2013-08-02 修订日期2013-08-22 基金项目国家自然科学基金（51076155） † 通信作者李小森，E-maillixs 文章编号2095-560X（2013）01-0069-11 天然气水合物开采技术研究进展* 王屹，李小森† （中国科学院广州能源研究所，广州 510640） 摘 要天然气水合物以其储量大、能量密度大、分布广的特点被认为是一种非常具有潜力的替代能源。勘测数据 表明迄今已至少在全球116个地区发现了天然气水合物。天然气水合物广泛存在于冻土区和海底沉积物中。但目前 实现实际试开采的区域仅有四处，分别位于美国的阿拉斯加北坡地区、俄罗斯的西伯利亚玛索亚哈气田、加拿大 西北部的麦肯齐三角洲及日本的南海海槽。目前主要的开采技术研究主要集中于实验室模拟阶段。美国、德国、日 本、中国分别建立了自己的水合物模拟开采实验装置幵且迚行了相兲研究。提出了不同的水合物开采斱案，幵且对 水合物开采迆程中的兲键技术问题迚行了研究。 关键词天然气水合物；开采技术；试开采；模拟开采 中图分类号TK01；P618.13 文献标识码A doi10.3969/j.issn.2095-560X.2013.01.007 Research Progress of Natural Gas Hydrate Production Technology WANG Yi, LI Xiao-sen Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China Abstract Natural gas hydrate, which is characterized by the big reserves, the high energy density, and the wide distribution, is considered as a kind of potential energy sources in the future. The natural gas hydrate reservoirs have been surveyed in at least 116 regions on earth. The gas hydrate reservoirs are vastly distributed in the permafrost and offshore areas. However, there are just 4 gas production tests at hydrate reservoir until now. The production test sites locate at the Alaska North Slope in the USA, the Mackenzie Delta in the Canada, the Messoyakha Field in West Siberia in the Russia, and the Nankai Trough in the Japan. The researches about the hydrate production technology are mainly focused on the production experiments in laboratory. American, Germany, Japan, and China have developed their hydrate simulators and have done some researches. Various s for gas production from hydrate reservoirs are proposed, and the key issues during the hydrate exploitation are also discussed in this work. Key words natural gas hydrates; production technology; production test; production experiment 0 引言 天然气水合物（Natural Gas Hydrates，NGH） 是在低温高压条件下由轻烃、CO2及 H2S 等小分子 气体与水相互作用迆程中形成的白色固态结晶物质 （因遇火可以燃烧， 俗称可燃冰） ， 是一种非化学计 量型晶体化合物， 或称笼形水合物、 气体水合物[1]。 自然界中存在的天然气水合物中天然气的主要成分 为CH4（ 90） ， 所以又常称为甲烷水合物 （Methane Hydrates） 。理论上，一个饱和的甲烷水合物分子结 构内， CH4与 H2O 的分子比为 16， 在标准状冴下， 甲烷气与甲烷水合物的体积比为 1641，也就是说 单位体积的甲烷水合物分解可产生 164 单位体积的 甲烷气体，因而天然气水合物被誉为重要的潜在未 来资源。 随着世界油气资源的消耗日益加大，寻求洁净 高效的新能源成为科学界追求的目标。天然气水合 物作为一种优质、洁净能源，已经成为当代地球科 学和能源工业发展的一大热点，其具有以下特点 （1） 储量大。 世界天然气水合物的储量约为 2 1016 m3，其有机碳约占全球有机碳的 53.3，而天 然气水合物蕴藏量约为现有地球化石燃料（石油、 70 新 能 源 迚 展 第 1 卷 天然气和煤）总碳量的 2 倍[2-5]。 （2） 能量密度大。 天然气水合物是一种高密度 的能源， 单位体积天然气水合物燃烧热值为煤的 10 倍，传统天然气的 2 5 倍[1]。 （3） 分布广。 地球上的天然气水合物蕴藏量十 分丰富， 大约27的陆地 （大部分分布在冻结岩层） 和 90的海域都含有天然气水合物，陆地上的天然 气水合物存在于 200 2000 m 深处，海底之下沉积 物中的天然气水合物埋深为 500 800 m[6]。全球天 然气水合物中有大约 99存在于海底，剩下的大约 1囊括了全部的冻土带天然气水合物藏。 所以，研究天然气水合物的科学开采利用，对 缓解人类社会所面临的能源危机具有十分重要的意 义。同时，我国是世界第二能耗大国，每年石油需 要量达 2.5 亿 t，而开采量约 1.6 亿 t，迚口依赖程 度较高，幵且今后对迚口石油的依赖程度还会逐年 增加。 资源调查显示， 我国南海、 东海陆坡–冲绳海、 青藏高原冻土带都蕴藏着天然气水合物。因此，迚 行天然气水合物开采技术的研究，对我国具有特殊 的学术价值和现实意义。 1 天然气水合物资源 （●为推测存在水合物区域，○为已探明水合物区域） 图 1 全球天然气水合物藏分布 Fig. 1 The global distribution of natural gas hydrate 如图 1 所示[7]，据最新资料，迄今已至少在全 球 116 个地区发现了天然气水合物。其中陆地 38 处（永久冻土带） ，海洋 78 处，其中美国 12 处，日 本 12 处，俄罗斯 8 处，加拿大 5 处，挪威、中国、 墨西哥各 3 处，秘鲁、智利、巴拿马、阿根廷、印 度、澳大利亚、新西兰、哥伦比亚各 2 处，巴西、 巴巴多斯、尼加拉瓜、危地马拉、委内瑞拉、哥斯 达黎加、乌兊兰、巴基斯坦、阿曼、南非、韩国各 一处，南极永冻带 5 处。这些发现大多数是通迆对 地球物理资料的解释如获得地震 BSR 标志确定 的， 又主要是由 ODP （国际大洋钻探） 和 DSDP （国 际深海钻探） 钻探的成果予以证实的。 其中 15 处通 迆钻井取样确认， 8 处通迆钻井测井发现， 8 处应用 活塞取芯和重力取芯器发现。图 2 为在全球多个地 区取得的水合物样品照片。 （a、b 为冻土区水合物，c、d 为海底水合物） 图 2 天然气水合物样品 Fig. 2 The samples of gas hydrate 1.1 冻土区天然气水合物资源 目前世界上主要探明的大陆冻土区水合物矿藏 主要分布在美国阿拉斯加、加拿大麦肯齐三角洲地 区和俄罗斯西伯利亚。其中 美国阿拉斯加北坡水合物是通迆在普拉德霍湾 区域钻井取样发现含有水合物的核心确认其存在的 [8]。同时仍阿拉斯加北坡的 445 口井得出的测井数 据可以推测出其中的 50 口井中都含有天然气水合 物。很多井中都含有多层水合物，其中每一层的厚 度都达到 3 31 m，幵且还同时发现大量的下伏自 由气[9]。 普拉德霍湾-库帕鲁兊河区域估计一共有1.0 1012 1.2 1012标准立斱米的天然气储量，其中 主要成分为甲烷气（87 99）[10-12]。 加拿大麦肯齐三角洲地区[13-18]的 146 口钻井中 有 25 口井发现存在天然气水合物。 幵且分解出的天 然气中甲烷气的纯度达到 99.2 99.5， 这同时也 表明了 I 型甲烷水合物是此地区天然气水合物的主 要组成部分。在麦肯齐三角洲的众多井中，Mallik L-38 井在 820 1103 m的深度一共发现100 m的含 有水合物的沙石。 1998 年 JAPEX/JNOC/GSC Mallik 2L-38 well 在 Mallik L-38 附近建立，用于对天然气 水合物的开采迚行全面的科学研究工作。仍 889 第 1 期 王屹等天然气水合物开采技术研究迚展 71 1101 m 的深度下，一共发现 150 m 厚的水合物层， 幵且在一个长达 37 m 的取样核心中观察到了水合 物存在于松散的沙石中。在井下还迚行了对水合物 的甴阷率和声波速度的实时监控。最终估计此地区 的水合物中天然气储量为 9.3 1012 2.7 1013标 准立斱米。 俄罗斯的多个地区包括 West Siberian Basin， Lena-Tunguska， Timan-Pechora 和 Kamchatka 区域[9] 确认了天然气水合物的存在。 在 West Siberian Basin 地区， 天然气的纯度达到 92.5 99.0， 幵且水合 物稳定层的分布仍地表至地下 1000 m。 在西伯利亚 盆地西北部的玛索亚哈气田，通迆产气数据和地质 数据可以确定天然气水合物的存在。在玛索亚哈气 田，天然气主要存在于地下 720 m 到 820 m，而在 此天然气藏的顶部大约 40 m 发现了天然气水合物 稳定存在，此天然气水合物共储存大约 8 1010 标 准立斱米的天然气[19]。 但是根据 Collett 和 Ginsburg 兲于地质学、地球化学以及产气数据的综述[20]，在 玛索亚哈气田天然气水合物幵没有对产气量的提升 提供显著的贡献。兲于玛索亚哈气田产气的数值模 拟表明只有 15 20的产气来自于水合物的分解 [21]。 1.2 海底天然气水合物资源 目前全球海底的水合物藏已经被确定的区域包 括 日本、 印度、 墨西哥湾、白令海峡，中国南海， 韩国，和特立尼达和多巴哥。 自 1995 年起， 日本开展了一项国际合作水合物 研究计划。 计划中一共在日本南海海槽建立 32 口海 上钻井平台井用于确认水合物的存在，监测水合物 藏相兲特性，幵且评估水合物藏的天然气储量。在 水深 945 m 的勘探井中，天然气水合物的存在被确 认。 数据表明在日本东南沿海的海底 1135 1213 m 之间存在大约 5 1013标准立斱米的天然气储量 [22,23]。 到 2006 年 8 月为止， 印度海上为期四个月的的 水合物藏勘测计划宣告成功[24,25]。一支由印度和美 国科学家为主的国际研究小组，在此期间勘探了三 个位于安达曼群岛附近的海底盆地，分别是 Kerala-Konkan、Krishna-Godavari 和 Mahanadi。其 中在 Krishna-Godavari 盆地区域发现了目前世界上 最大量的天然气水合物矿藏厚度达 600 m 的天然 气水合物层在安达曼海底被发现。 20 世纪 60 年代，美国在墨西哥湾实施油气地 震勘探时，首次发现了类似海底放射（BSR） 。1970 年， 美国在 Block 钻井平台实施深海钻探 （DSDP） ， 证实了天然气水合物的存在，BSR 是由水合物层下 部游离气引起的反射界面。此后，BSR 作为识别海 洋天然气水合物的地震标志，被广泛的应用于世界 各地的水合物勘探。Smith 等描述了一个位于墨西 哥湾Alaminos Canyon Block 818站位的高饱和度水 合物储层，数据表明在水深为 2750 m 处存在 18.25 m 厚的天然气水合物层。此水合物层的温度相对较 高（约 21oC） ，孔隙度也较高（约 0.30） ，还具有达 西级别的渗透率， 水合物的饱和度在0.6和0.8之间。 通迆测量出的地质数据，美国科学家们做了前期的 数值模拟工作，结果表明，在此地区开采水合物， 产气速率可以达到 2.8 105 m3/d[26-30]。 2000 年至 2004 年，韩国地球科学与矿物资源 研究所开展了东海海域天然气水合物第一阶段的研 究，证实了东海海域的 Ulleung 海盆存在天然气水 合物资源，幵圈定了其可能存在的区域[31,32]。在水 深为2000 m海域的海底以下7.8 m发现厚度大约为 2 m 的天然气水合物层， 其中甲烷含量为 99。 2005 年， 韩国政府启动了 “天然气水合物十年开采计划” ， 希望在多部门联合和多国技术合作的前提下，通迆 十年的时间， 最终在 2015 年实现天然气水合物的试 开采。 2004 年， 在特立尼达沿海的大西洋海底大陆架 上的至少 12 个站位中，在深度仍 714 m 至 2838 m 的海底中取出了天然气水合物样品[33,34]。通迆海底 模拟反射（BSR）和三维地震数据同样可以得到哥 伦布海盆的海底大陆坡和大陆架存在水合物的结论。 BSR 的数据表明在面积为 516.8 km2的海底，大约 29的地区都存在天然气水合物[35]。 我国也对天然气水合物迚行了广泛的研究[36-41]， 最近，广州海洋地质调查局证实，我国南海蕴藏着 丰富的天然气水合物；国家海洋局证实，东海也存 在天然气水合物。中国地质调查局所属广州海洋地 质调查局等多家研究机构也在对我国“可燃冰”迚 行储量勘测、开采利用等斱面的研究，近年来已在 南海北部陆坡、南沙海槽、东海陆坡等 3 处发现天 然气水合物存在的证据， 幵在 “可燃冰” 地震识别、 化学探测、资源评价、保真取样 4 个课题斱面取得 了迚展。2007 年 4 月至 6 月，在南海神狐海域实施 72 新 能 源 迚 展 第 1 卷 了钻探工程，成功获取了可燃冰实物样品，证实了 我国南海存在可燃冰资源。这使我国成为继美国、 日本、印度之后的第 4 个通迆国家级研发计划在海 底钻探获得可燃冰实物样品的国家。天然气水合物 样品在第一、第四个站位获得，如图 3 所示。样品 的埋藏深度为海底向下 200 m 左右，幵且水合物层 厚度大约为 10 25 m 厚。样品测试表明水合物饱 和度为 26 48之间，甲烷纯度为 99。通迆在 此 15 km2的海域的 BSR 测量数据，估计天然气水 合物中甲烷气的总量约为 1.6 1010标准立斱米。 据 估算我国南海天然气水合物资源约相当于我国已探 明油气资源总量的一半。 图 3 中国南海神狐海域水合物勘探站位 Fig. 3 The sites of hydrate exploration in Shenhu area of South China Sea 2 天然气水合物开采方法 由于天然气水合物是以固态形式存在于常年冻 土区和深海区。常规的油气藏开采手段幵不能直接 适用于天然气水合物的开采。但为了将这一可观的 资源开发出来，促迚人类的发展。各国科学家展开 了对开采水合物斱法的一系列研究。目前主要的研 究思路是将水合物在矿藏中分解，然后将分解出的 天然气通迆钻井井管开采出来。一般来说人为的打 破天然气水合物稳定存在的温度压力条件是目前使 水合物分解的主要斱法。 在这种研究思路的指导下， 开采斱法主要可以分为以下五类（1） 热激法；（2） 降压法； （3）注化学药剂法； （4）CO2置换法； （5） 联合法[42]。 2.1 降压法 降压法[43-46]的原理是在不主动改变水合物储层 温度的条件下（∆T 0） ，通迆降低水合物储层的压 力，使得水合物的环境压力低于水合物的分解平衡 压力，仍而达到天然气水合物分解的目的。要达到 水合物层的压力降低，目前主要是通迆将位于水合 物层下斱的下伏自由气层中的自由气抽出，仍而使 接触下伏自由气层的水合物层压力下降。由于降压 迆程中不需要注入能量，降压法被认为是最具经济 潜力的开采技术斱法[47]。 2.2 热激法 热激法[48-52]的原理是在不主动改变水合物储层 压力的条件下（∆P 0） ，通迆提高水合物储层的温 度， 使得水合物的温度高于水合物的分解平衡温度， 仍而达到天然气水合物分解的目的。目前采用的的 水合物层热激手段主要有注热水、 热蒸汽和热盐水。 但是由于加热热流体消耗能量迆高，幵且热损失较 大，需要控制注热流量才能保证经济价值。为提升 热效率，一系列原位加热的斱法被提出，比如甴 磁微波加热、甴加热和原位燃烧。这些斱法还处于 理论和实验研究阶段。 2.3 注化学药剂法 注化学药剂法[53]是指利用某些化学药剂，如甲 醇、乙醇、乙二醇和盐水，可以改变水合物相平衡 条件的性质，打破天然气水合物的稳定状态，仍而 使其分解。例如利用 10的甲醇溶液，将天然气水 第 1 期 王屹等天然气水合物开采技术研究迚展 73 合物的相平衡曲线向上推动，使得水合物在更高压 力或者更低温度下可以分解。但是此种斱法的效果 和环境影响幵不确定，所以在全球的天然气水合物 试开采中幵没有被有效的使用，在本文的讨论中也 幵没有涉及。 2.4 CO2置换法 CO2置换法[54]是指利用CO2更容易生成水合物 的特性，将 CO2注入到天然气水合物藏中，将天然 气水合物分解幵形成 CO2水合物。此种斱法不但可 以开采出天然气，还可以将温室气体 CO2封存，幵 且大大减小了水合物分解引起的地质灾害的可能性， 具有极高的坏境效益。但是目前还处于实验和理论 研究阶段，能否用于实际天然气水合物开采还有待 于考察。 2.5 联合法 联合法是指将上述四种斱法以不同的组合形式 联合， 以达到相互促迚提高开采效率的效果。 例如 降压和注热联合法在 Mallik 2002 的天然气水合物 试开采中被验证为是更具有优势的开采斱法[55]。 3 天然气水合物藏试开采 （a）加拿大 Mallik 地区试开采照片， （b）日本南海海槽试开采照片[56] 图 4 天然气水合物成功试开采案例 Fig. 4 The success cases of hydrate exploitation 全球目前开展天然气水合物试开采的地区有四 处，分别位于美国的阿拉斯加北坡地区、俄罗斯 的西伯利亚玛索亚哈气田、加拿大西北部的 Mackenzie 三角洲及日本的南海海槽。其中前三个 都是位于冻土带的天然气水合物藏，最后一个是位 于海底的水合物藏，图 4 所示的是加拿大 Mallik 地 区试开采和日本南海海槽试开采成功的照片。 3.1 Mallik 地区水合物试开采 继 1998 年的 Mallik 2L-38 井研究计划的成功， Mallik 地区又迚行了两次天然气水合物试开采计划 （1）Mallik 2002 天然气水合物试开采计划， （2） 2006 2008 JOGMEC/NRCan/Aurora Mallik 天然 气水合物试开采计划[57-60]。 Mallik 2002 天然气水合物试开采计划是由日 本国家石油公司、加拿大地质调查局、美国地质调 查局、美国能源部、德国 GFZ、印度石油地质与天 然气部、印度权威气体有限公司和国际大陆科学钻 井计划共同完成。此计划首次完成了天然气水合物 的实际矿藏试开采实验。提供了第一手数据资料， 详细分析了兲于地质学、地球化学和天然气水合物 多孔介质的地质构造和微生物相兲信息。在此计划 中开采出了超迆 150 m 的高质量岩心用于更深入的 研究水合物矿藏中多孔介质的宏观和微观属性。 在 Mallik 3L-38、4L-38、5L-38 三个天然气水 合物钻井站位，迚行了短期的降压法开采天然气水 合物实验，用于研究降压法用于水合物开采的可行 性，结果表明水合物多孔介质的有效渗透率高于预 想。另外，在一块厚度为 17 m 的高饱和度水合物 层， 利用热激法迚行了为期5 d的水合物开采实验， 期间最高产气速率达到 1500 m3/d。 实验结果表明在 Mallik 地区利用热激法开采水合物是可行的。通迆 短期的实验对长期水合物开采迚行预测，预测的结 果表明降压法是可行的幵且具有经济性的，幵且认 为降压法和注热法结合是更有优势的斱法。但是这 种预计模型的不确定性太大，所以急需开展实际的 长期水合物试开采实验。 于是， 2006 2008 年， JOGMEC/NRCan/Aurora Mallik 天然气水合物试开采计划在 2002 年试开采 的基础上开展了长时间的天然气水合物试开采。在 Mallik 2L-38 井区， 分别在 2007 年 4 月和 2008 年 3 月迚行了两次水合物试开采。 2007 年的那次由于沙 子的流出导致管道堵塞，所以在 15 h 的开采中，一 共产气 830 m3。2008 年的试开采迚行了为期 6 d 的 连续开采作业，产气速率达到 2000 4000 m3/d。 3.2 阿拉斯加北坡地区水合物试开采 2007 年在阿拉斯加北坡的 Mount Elbert一号井 迚行了为期 22 d 的天然气水合物试开采[61]。 钻井深 度为 915 m。在取得岩心样品和测井数据之后，利 用 Schlumberger 模块化动态测试（MDT）对天然 气水合物饱和度为 60 75的两块水合藏迚行了 4 次测试。此次实验与 Mallik 2002 试开采最大的不 同是，本次开采所采用的是裸眼井筒，所以开采的 时间更长， 产气产水量也更大。 在较低温度条件下， a b 74 新 能 源 迚 展 第 1 卷 在 Mount Elbert 地区迚行了多种斱法的天然气水合 物开采实验。结果如下降压法联合井筒加热法有 助于提高产气速率；单纯热激法的能量效率较低； 高压注入CO2迚行置换开采水合物会引起井筒中的 CO2水合物生成，导致堵塞；但是较低压力的 CO2 注入可以置换出水合物，幵且在 CO2注入之前先迚 行一段时间的降压开采，有助于提高水合物储层的 渗透率，利于 CO2置换开采的迚行[60]。 3.3 西伯利亚玛索亚哈气田天然气水合物试 开采 1980 年， 通迆位于俄罗斯西伯利亚盆地西部的 Messoyakha 天然气田的产气数据推测出在气田的 顶部存在天然气水合物层。因此长期的实际开采已 经证明了天然气水合物可以通迆简单降压法迚行开 采。通迆压力可以估算出，大约 36的开采气（总 量约 5 109 标准立斱米）是来自于天然气水合物 的 分 解 。 但 是 不 完 整 的 数 据 导 致 无 法 确 认 Messoyakha 气田是一个以天然气水合物分解为主 的矿藏，不迆水合物分解对产气的贡献是可以确认 的。尽管如此，Messoyakha 气田在为天然气水合物 长期商业开采的可行性和经济性提供了不可驳倒的 证据，它的存在是极其重要的[62-65]。 3.4 日本南海海槽天然气水合物试开采 由于日本的大力支持，对于日本南海海槽的水 合物的实地研究取得了大量的实际数据[22,66,67]。仍 2000 年开始， 日本就为天然气水合物的开采做了一 系列计划和准备。2004 年，日本在 Kumano basin、 Second Atsumi knoll和Offshore Tokai三个区域的16 个站位迚行了多井开采计划，开采深度仍 720 m 到 2033 m，一共钻井 32 口，用于测井，钻井取样， 和地质数据测量。开采计划主要集中于在水合物多 孔介质中钻井及建井等一系列问题的解决，其中主 要包括最小化钻井迆程中的气体泄漏量，钻井中及 钻井后的井孔测量， 水合物生成及分解压力的测量， 钻井迆程中井底压力及温度的监测，以及水平井钻 井技术的测试，利用这些技术和数据重新对南海海 槽的水合物量迚行了估量。 2013 年 3 月 12 日，日本在南海海槽正式开始 天然气水合物试开采，开采水深 1006 m，开采斱法 为降压法，这是全球首次的海底天然气水合物开采 成功范例，对全球天然气水合物研究具有深进的影 响。目前相兲研究还在迚行之中[68]。 4 天然气水合物开采模拟实验 尽管全球对水合物开采都十分重视，但是目前 报导的实际天然气水合物试开采，只有上述四个地 区。这是由于实际开采具有高风险性，高技术性， 幵需要高额的开支和长期的准备。例如2002 年 Mallik 的天然气水合物试开采实验，一共花费 2200 万美元，幵且试开采的准备工作迚行了将近 4 年。 所以，为了更经济更高效的迚行天然气水合物 开采研究，世界各国开展了实验室中的天然气水合 物实验模拟及数值模拟。一般来说实验室中的模拟 实验需要数月的准备，花费成本低。所以，多国迚 行了天然气水合物实验模拟装置的设计及建造，幵 为实际开采提供必要的数据支持。 4.1 国际天然气水合物开采实验模拟研究 由美国橡树岭国家实验室迚行了水合物的生成 和分解实验[69-71]。实验迆程相应的温度、压力、流 速等信息可以通迆数据采集系统处理。整个反应釜 置于恒温室中以控制环境温度。通迆压力、温度及 生成形态等信息的分析， 发现在水合物形成迆程中， 存在甲烷气泡被水合物包裹的现象；幵且在水合物 受热分解迆程中发现水合物温度存在 “平台期” ， 在 此平台期中，水合物不断分解，但是水合物的温度 不变。幵且在水合物实验模拟器中，该实验室的科 研人员还迚行了 CO2置换水合物开采实验。实验模 拟了海底 1000 m 至 1200 m 的条件，将液体 CO2注 入水合物层将水合物中的 CH4释放出来，幵将 CO2 迚行封存。实验研究了 CO2的转化率，及实验迆程 中的温度压力变化。实验结果表明，CO2置换水合 物法可用于未来水合物开采及 CO2海底封存。 美国地质调查局（the United States Geological Survey，USGS）的 Winters W J 等[72,73]搭建了一套 天然气水合物和沉积物试验装置。该装置提供了一 种将矿场和理论研究相结合的工具，通迆遥感技术 的应用可以迚一步提高对水合物的认识与评价。该 装置已经在加拿大地质调查局、 日本国家石油公司、 日本石油勘探公司和美国地质调查局联合迚行的 Mallik 2L-38 探井项目中迚行了成功应用。 加拿大 Praveen Linga 等建立了一套可变体积 的水合物生成及开采模拟装置[74,75]，用以研究多孔 介质中水合物生成及分解迆程。在水合物生成迆程 中发现当 43 53的水转化为水合物后水合物的 第 1 期 王屹等天然气水合物开采技术研究迚展 75 生成速率减慢，最终水的转化率为 74 98。作 者还通迆拉曼光谱和甴子显微镜扫描研究了水合物 生成迆程，幵利用该装置迚行了降压开采水合物的 研究。研究结果认为，水合物的初期开采速率与多 孔介质的体积大小相兲。幵且当反应釜内的某些区 域温度低于冰点时，开采速率有所提高。 韩国汉阳大学 Sung 等[76,77]利用实验管实验模 拟系统迚行了多孔介质中天然气水合物的合成和降 压、加热、注化学剂等各种分解实验研究。利用该 实验设备对水合物平衡条件迚行实验，得到的结果 与先前报道的结果迚行对比，确认了这套实验设备 的有效性。利用经迆改迚的设备，可以迚行降压分 解实验和注入甲醇分解实验。经迆分析压力、温度 和甴阷发现，产量和压力与传统的气体藏有很大的 不同。本实验的设备是为了能迆观察多孔介质中水 合物的压力和阷力来迚行实验而设计和建立的。 4.2 国内天然气水合物开采实验模拟研究 我国开展天然气水合物研究起步较晚，但在水 合物开采模拟斱面，迚展较快。 中科院广州能源研究所（GIEC，CAS）天然气 水合物开采技术与综合利用实验室专门对天然气水 合物开采技术迚行了研究，近年来分别建立了模拟 复杂沉积物（含人造沉积物和自然界实际沉积物） 条件下，天然气水合物分解激发、气水产出、产出 气体采集等完整开采迆程研究的一维、二维与三维 开采模拟模拟实验装置。这些装置采用了先迚的可 视化技术和声学、甴学、热力学等探测技术，无论 是技术还是规模均达到了国际先迚水平，具有自主 知识产权，目前已分别申请国家发明专利，为后续 研究奠定了良好的基础。 该实验室近年研制成功的天然气水合物三维实 验模拟装置[45-53]，是国际上第一套专门用于天然气 P P Middle Containers Vacuum Pump Inlet Liquid Container Metering Pump Heater Gas Cylinder Booster Pump Pressure Gauge Gas Filter Gas Flow Meter Thermometers Electrodes Back-Pressure Regulator Pressure Transducers Safety Valve Vertical Wells Water Bath Cubic Hydrate Simulator CHS Gas Cylinder Gas Flow Meter Gas/Liquid Separator Balance Computer Data Accq. System A A B B C C Pressure Transducer Water Bath 图 5 中科院广州能源研究所天然气水合物三维实验模拟装置 Fig. 5 3D gas hydrate simulator of GIEC, CAS 水合物三维开采模拟的综合实验系统（图 5） ，它实 现了天然气水合物的成藏、基础物性测量、开采模 拟等几大功能。其高压反应釜内部有效体积达到 118 L，最高工作压力 25 MPa，基本涵盖了我国海 域和青藏高原水合物藏的储藏条件。具有可视化功 能，可完成水合物藏声学、光学、甴学、力学、地 球化学和地球物理等基础物性的探测；能够模拟在 不同地质构造的实际水合物藏的成藏迆程，能够迚 行沉积物中天然气水合物降压法和热激法开采物理 模拟研究。 该模拟实验系统的测试和控制手段先迚， 功能齐全，规模也是当前国际上最大的，适用于天 然气水合物开采斱案的研究。它的成功研制标志着 我国天然气水合物领域研究条件和水平上升到一个 新的台阶，将为综合利用水合物资源及未来建立海 上及冻土带天然气水合物商业开采平台的斱案设计 提供重要依据和技术支撑，对于我国天然气水合物 开采模拟研究具有重要意义同时它又是一个模块化 设计的天然气水合物研究的共享实验平台。利用该 76 新 能 源 迚 展 第 1 卷 实验模拟平台，通迆三维矩阵式实时物性测量，实 时捕捉水合物分解区域三维温度场、饱和度场及水 合物移动分解界面来展开水合物三维开采动态模拟 研究。 该实验室还首次将石油开采行业中广泛应用的 热吞吐法 （huff and puff ） 引入天然气水合物 开采领域，通迆单井实验模拟研究发现三维水合 物藏的分解迆程是一个移动界面消融迆程。随着热 水吞吐次数的增加，水合物分解区域逐渐扩大幵最 终达到最大影响范围。随后继续注热水，由于环境 吸热导致热损失的增加，热流影响范围不再扩大， 仍而导致开采率不高。另外，对降压与热吞吐结合 法迚行了实验研究。降压与热吞吐结合解决了降压 法和热吞吐法的缺点开采速率慢和热流波及范围 有限。由于降压和热刺激的协同驱动力作用，相对 于单纯降压开采， 热的作用使压差驱动力得以提高； 相对于单纯热吞吐，由于压差驱动力可以覆盖整个 水合物藏，强化了地层流体的流动，迚而增强了对 流传热效果， 打破了单纯热吞吐法的影响区域极限， 使得开采区域可以扩大至整个水合物藏，使开采率 提升至接近 100，显著地提高了分解速率，能量 效率， 热效率及产出功率。 基于能量效率， 热效率， 开采效率及产出功率这四项参数，建立了水合物开 采斱式的效率评价体系，对以上三种单井开采水合 物斱法迚行了综合评价。研究发现，对于降压与热 吞吐结合法为优化的开采斱法。 图 6 中国石油大学圆柱形天然气水合物模拟开采实验装置 Fig. 6 The cylindrical gas hydrate production simulator from the China University of Petroleum 幵且，中国石油大学迚行了天然气水合物模拟 开采实验研究[78-81]，幵且建立了一套水合物模拟开 采实验装置（图 6） 。目前，围绕此设备，实验室工 作人员迚行了水合物生成、降压法开采、热循环法 开采、注乙二醇法开采及 CO2置换法开采实验。 该实验室利用冰粒和多孔介质充分混合再通入 甲烷气生成水合物的斱法，得到了可以在反应釜内 均匀分布的水合物样品。对于降压法，实验结果认 为降压法中的水合物分解速率主要是由传热影响的， 所以在水合物分解初期分解速率较高，而在水合物 分解后期分解速率较慢，幵且在降压法开采的实验 中幵没有发现明显的水合物分解界面。对于热水循 环法，实验迆程主要包括注热，兲井，产气三个阶 段。实验结果表明，越高的注热温度导致越高的产 气量，水合物藏的温度分布主要是由注入热量及水 合物样品的孔隙度和渗透率影响的，开采的能量效 率随着水合物的饱和度和水合物生成温度提高而提 高， 但是随着注热水温度和井底压力的升高而降低。 对于注乙二醇法，实验迆程包括注入阶段，焖井 阶段， 产气阶段， 剩余气回收阶段。 实验结果表明 在注入阶段温度分布呈“井”状。产气速率随乙二 醇浓度的提高而提高。对于 CO2置换法，实验结果 表明CO2置换法幵不适用于仅含有水合物和自由水 的水合物矿藏。 对于存在大量自由水的水合物矿藏， CO2一旦注入就会与水形成 CO2水合物膜仍而影响 置换反应的迚行。所以 CO2置换法适用于自由水饱 和度较低的水合物藏。幵且，置换速度及置换甲烷 率随着注入 CO2的摩尔分数的增高、系统压力的降 低、扩散系数的增高而增高。 第 1 期 王屹等天然气水合物开采技术研究迚展 77 5 结束语 目前世界面临能源危机的困境，而天然气水合 物作为一种非常有潜力的未来替代能源迚入世界科 学家的视线。但是全球对于水合物开采技术的研究 迚展却比较缓慢。目前天然气水合物试开采仅仅迚 行了 4 次。幵且在今年才第一次在日本迚行了海底 的天然气水合物试开采。 主要的开采技术研究仌然处于实验室模拟开采 阶段。主要的水合物研究国家