天然气水合物开采新技术及其工业化开采的制约因素.pdf

第17卷第3期 2010年6月 特 种 油 气 藏 SpecialOil and Gas Reservoirs Vol117 No13 Jun12010 收稿日期 20091010;改回日期 20100125 基金项目国家“ 十一五 ”863计划项目“ 注化学剂、CO2置换等单原理开采技术研究 ”2006AA09A209 作者简介李芳芳1984 - ,女, 2008年7月毕业于长江大学信息与计算科学专业,现为中国石油大学北京油气田开发专业在读硕士研究生,主要从事 油气藏渗流与油气田开发研究工作。 文章编号 1006 - 65352010 03 - 0001 - 03 天然气水合物开采新技术及其 工业化开采的制约因素 李芳芳 1 ,刘晓栋 2 1 1中国石油大学,北京 102249; 21中国石油集团工程技术研究院,天津 塘沽 300451 摘要天然气水合物作为一种新型的洁净能源,对缓解人类面临的能源危机具有举足轻重的作 用,其形成和开采机理受到全世界的关注。传统的水合物开采方式有热激发法、 减压法和化学 试剂法,由于存在着各种技术或成本缺陷,迄今为止未能成功应用于商业化开采。随着科技的 发展和水合物研究的深入,近年来,一些新的开采技术开始引起人们的关注,如CO2置换法、 固体开采法又称水力提升法和微波加热法等。这些方法从各个方面克服了天然气水合物 传统开采方式的缺点,并可能成为今后天然气水合物工业化开采的主要技术。对天然气水合 物形成和性质的分析及其开采方式的讨论,认为制约天然气水合物大规模商业化开采的因素 主要有3个对天然气水合物的形成与控制机理了解不深、 成本过高、 可能带来的环境问题和 地质灾害。为今后天然气水合物的开采和研究提供一定的方向和启示。 关键词天然气水合物;开采新技术;工业化开采;环境影响 中图分类号 TE13212 文献标识码A 引 言 众所周知,石油是不可再生资源,积极寻找石 油可替代品具有重要的意义。天然气水合物作为 一种新型洁净能源,具有使用方便、 燃烧值高、 清洁 无污染等优点。据了解,天然气水合物的蕴藏量约 为现有地球化石燃料总和的2倍左右 [1 ] ,如果能全 部开采出来,可满足人类1 000 a的能源需要。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164单位体积的甲烷气体。因而它是一种 重要的潜在未来资源,对缓解人类面临的能源危机 具有举足轻重的作用。天然气水合物不仅可满足 全球的能源需求,而且可减少CO2的排放量,有利 于缓解全球气候变暖的速度。 天然气水合物 [2 ]是在一定温度和压力下 ,天 然气与水结合形成的结晶状水合物。自然界中存 在的天然气水合物中天然气的主要成分为甲烷 90 ,所以又常称为甲烷水合物。自然界发 现的水合物多呈白色、 淡黄色、 琥珀色、 暗褐色的轴 状、 层状、 小针状结晶体或分散状晶体,其密度为 01905～01912 g/cm 3。天然气水合物的形成一般 需要具备3个条件 [3] 一是低温高压的环境,一般 要求温度低于0～10℃,压力高于10 MPa;二是要 有足够的烃类、 气体和水;三是要有合适的生长空 间。天然气水合物由于其特殊的性质和形成所需 条件的限制,只分布于特定的地理位置和地质构造 单元内,目前在自然界中发现的天然气水合物主要 分布在高纬度地区的极地冻土带及全球范围内的 深海海底、 陆坡、 陆基及海沟中。 1 天然气水合物开采新技术 传统的天然气水合物开采技术 [4 ]主要包括热 激发开采法、 减压开采法与化学试剂注入开采法, 但是这些开采方法存在着各种技术和成本缺陷。 热激发开采法至今尚未能很好地解决热利用效率 较低、 价格昂贵的问题,而且只能进行局部加热,并 要求向下注热和向上采气同步进行。减压开采法 虽然成本低,但对天然气水合物藏的性质有特殊的 2 特 种 油 气 藏第17卷 要求,只有当天然气水合物藏位于温压平衡边界附 近时,减压开采法才具有经济可行性。化学试剂注 入开采法所需的化学试剂费用昂贵,对天然气水合 物层的作用缓慢,而且还会带来一些环境问题。 随着天然气水合物基础研究的不断深入,近些 年又涌现出一些新的开采技术,如CO2置换法 [5]、 固体开采法又称水力提升法 [6 ]和微波加热法[7 ] 等。这些方法从各个方面克服了传统开采方式的 缺点,并可能成为今后天然气水合物工业化开采的 主要技术。 111 CO2置换法 CO2置换开采法是近期比较热门的研究对象。 这种方法首先由日本研究者提出,其依据仍然是天 然气水合物稳定带的压力条件。在一定的温度条 件下,天然气水合物保持稳定需要的压力比二氧化 碳水合物更高。因此在某一特定的压力范围内,天 然气水合物会分解,而二氧化碳水合物则易于形成 并保持稳定。如果此时向天然气水合物藏内注入 二氧化碳气体,其可能与天然气水合物分解出的水 生成二氧化碳水合物。这种作用释放出的热量可 使天然气水合物的分解反应得以持续地进行下去。 CO2置换法开采天然气水合物的研究具有非 常重要的意义。一方面,把空气中或者工业生产产 生的二氧化碳气体注入到天然气水合物储层中,可 以把二氧化碳以水合物的形式储存在海底,这样可 以有效减缓二氧化碳的温室效应;另一方面, CO2 置换CH4过程中可以完整地保存水合物沉积层, 避免因为水合物的开采而引起的海洋地质灾害。 但是CO2置换法开采水合物也存在着各种技 术难关,尚未得到很好的解决。首先CO2置换 CH4水合物过程中的反应速率很慢且随着反应的 进行迅速降低,Masaki Ota [8 ]提出以 CO2乳化液的 形式注入水合物沉积层强化置换反应,但由于CO2 分子的直径介于CH4水合物小晶穴和中晶穴之 间, CH4水合物小晶穴的分解速率远低于中晶穴, 即使置换反应完全,仍有部分CH4残留在水合物 晶体中。其次,一定的压力条件下CH4水合物的 分解温度比液态CO2形成的水合物温度高,如果 CO2不能转化为CH4水合物,而是以液态形式储 存起来,那么海底水合物就会失去稳定性。因此, 对于CO2置换法开采水合物的储层温度和压力条 件,多孔介质的特性必须经过严格的选择。 112 微波加热法 微波作为一种特殊形式的能量,在油气开发中 的应用研究已引起人们的重视。微波加热技术可以 看作是热激发法开采天然气水合物的一种,但是又 与传统的热激发法不同。微波加热技术开采天然气 水合物主要有加热、 造缝和非热效应三大作用。 微波对物质的介电热效应是通过离子迁移和极 性分子的旋转使分子运动来实现的。由于天然气水 合物是一种极性分子,它对微波有一定的吸收作用 天然气水合物的介电常数大约为58,比冰略小。 天然气水合物接受能量后,能量将以热的形式耗散 在水合物气藏中,从而促使天然气水合物的分解。 微波开采天然气水合物气藏技术是利用大功 率微波源对地层辐射。由于不同的物质组分在微 波作用下的温度变化和膨胀系数差异极大,造成膨 胀收缩不均匀,产生很大的热应力,致使地层岩石 产生很多微裂缝,提高了地层的渗透率。同时,天 然气水合物是一种极性物质,当微波频率接近天然 气水合物分子的固有频率时,极易引起强烈的共 振,导致天然气水合物中天然气分子与水分子的结 合键发生断裂,进一步促进了水合物的分解,从而 提高采收率。 微波加热技术作用具有速度快、 设备简单灵活 性高、 不对储层造成任何污染等优点,是电磁加热 技术中最有效的方法。但是微波加热技术开采水 合物仍处于起步阶段,大功率微波装置的研制,提 高微波穿透深度等技术还需要进一步研究。 113 固体开采法又称水力提升法 水力提升法的原理是在海底利用采矿机把天然 气水合物以固体的形式采出,再利用海底集矿总系 统对浅层的水合物进行初步的分离,然后利用水力 提升系统将水合物提升到海平面,水合物在提升的 过程中由于压力和温度的变化,将会发生部分分解。 因此,必须采用固、 液、 气三相混输技术输送固态水 合物及分解出的气体。采出的固体水合物在研碎机 充分磨碎后进入分离器,利用水泵向水合物分离器 中加入适量海水,利用高温海水海水的温度基本在 20℃ 左右对天然气水合物进行充分分解。 水力提升法开采海底浅层天然气水合物克服 第3期李芳芳等天然气水合物开采新技术及其工业化开采的制约因素3 了海底分解水合物效率低、 无法持续进行的缺点, 并充分利用了海平面海水温度的能量。但由于对 固体水合物的采出和提升需要消耗大量能量,且提 升水合物的过程涉及复杂的三相流动。因此水力 提升法开采水合物应用于实际生产,仍有许多技术 瓶颈需要攻关。 此外,中国石油大学北京的祝道平和宁正 福提出了利用高能气体压裂技术开采天然气水合 物 [9 ] ;太原理工大学的赵建忠和石定贤提出了水 力压裂法开采天然气水合物矿藏 [10 ] ;参考文献 [11 ]中美国学者提出氟气加微波法开采天然气水 合物。这些方法大大扩展了天然气水合物开采方 法的新视野,但其现场应用的可行性还有待研究。 中海石油研究中心的白玉湖、 李清平和中国石 油大学的李相方教授等 [12]通过大量数值模拟和物 理实验提出在水合物开采的初期阶段采用降压法 开采,在水合物开采的中后期阶段,由于储层能量 的消耗,冰相饱和度的不断上升,降压法开采的采 气速度不断下降,此时转为热激发法、 化学试剂法 等其他开采方法将收到较好的经济效果。 2 制约天热气水合物商业化开采的因素 天然气水合物具有广阔的资源前景和应用前 景,但是直到今天,天然气水合物的开采还只处于 实验和探索阶段,大规模的商业开采还未能成功开 展 [13 ]。20世纪 60年代末发现的麦索亚哈气田是 第一个也是迄今为止唯一一个对天然气水合物进 行商业性开采的气田,但这是由该气田天然气水合 物藏的特殊性质决定的。2002年,在麦肯齐三角 洲地区实施的一项举世瞩目的天然气水合物试采 研究,虽然成功地从天然气水合物层中采出了天然 气,但远没有证明其天然气水合物开采的可持续性 和经济可行性; 2003年到2004年,在阿拉斯加北 部斜坡区开展的开采实验更是因为没有发现天然 气水合物而以失败告终。 通过对天然气水合物形成和性质的分析及其 开采方式的讨论,对制约天然气水合物大规模商业 化开采的因素进行了研究。 211 对天然气水合物储层的形成和控制因素认识 不深 天然气水合物仅仅在低温和高压状态下才能 稳定存在,同自然环境条件处于十分敏感的平衡之 中。迄今为止,对天然气水合物在多孔介质中的形 成和成藏机理认识不够深入,对极地地区和海洋区 域天然气水合物中天然气的释放量和天然气水合 物分解和释放的动力学过程了解不够清楚。此外, 对水合物的结构、 稳定性、 物理化学性质、 形成与分 解的热动力学规律缺乏可靠的基础实验数据。 212 开采成本过高 单纯采用减压开采法开采天然气水合物,虽然 简单易行、 成本低,但是开采速度慢,不能满足工业 需求,一般不具有经济可行性。而不管是采用热激 发法、 化学试剂法,还是采用后面所提到的CO2置 换、 水力提升、 微波加热等新方法开采天然气水合 物,大多面临着仪器设备复杂、 试剂价格昂贵等问 题。因此,如何把天然气水合物作为能源使用,特 别是如何解决天然气水合物的低成本开发技术问 题,在目前阶段仍是主要克服的障碍之一。 213 开采天然气水合物所带来的地质灾害和环境 问题 甲烷是大气中重要的微量组分之一,甲烷也是 一种“ 温室 ” 气体,其温室效应是等质量的二氧化 碳的20倍 [14 ]。圈闭在大陆和海洋天然气水合物 中的甲烷量大约是大气中甲烷量的3 000倍。由 于天然气水合物对温度和压力非常敏感,不管采用 哪种开采方式,对天然气水合物的分解速度都很难 控制。若开采不当,可能导致天然气水合物的失稳 和大量释放,从而影响气候的变化,引起强烈的环 境效应。科学研究表明,地球进化史在21510 8 a 和5 50010 4 a前出现过2次全球气温峰值,一种 解释是海水的升温诱发海底天然气水合物的大量 分解,甲烷气体的温室效应使得全球的气温骤然增 加,海水缺氧导致大量的海洋生物灭绝和迁移。 其次,开采过程中由于天然气水合物的分解, 固态的天然气水合物分解成天然气和液态水,释放 了岩层的孔隙空间 [15 ]。天然气水合物储层区地层 结构和固结程度的变化,可能带来大片水合物层的 滑坡,并导致岩层流动或崩塌等现象,从而引发海 啸、 海平面上升和海底地震等地质灾害。这些都将 严重危害海平面作业、 海底电缆和输气管道的铺 设、 海洋石油天然气钻探、 海洋渔业下转第9页 第3期肖 武等低品位储量开发现状及其措施对策9 与对策[J ]1石油勘探与开发, 2006, 33 4 393 - 3981 [11 ]张吴文,刘世航,等 1我国难动用储量动用基本现状及建 议[EB/OL ]1资源网, [2009 - 11 - 05]1http / /www1lrn1cn/ zjtg/ujv mbnsociety Discussion/200911/t20091105_4296841ht m1 [12 ]任芳祥,等 1石油资源二次评价的四种转变唤醒低品 位储量开发[J ]1石油知识, 2009, 2 9 - 111 [13 ]刘其先 1让油气难动用储量“ 动 ” 起来 东胜精攻 公司有效开发难动用储量模式调研[ J ]1特种油气 藏, 2004, 11 2 84 - 871 [14]鲁明春,李余成 1柴达木盆地难采储量开发技术探讨 [J ]1西南石油大学学报, 2007, 291 67 - 691 [15 ]谌廷姗 1江苏油田低品位储量开发技术对策[J ]1内 蒙古石油化工, 2008, 499 105 - 1091 [16 ] Jean F, Giannesini C,Virondaud,等 1边际油田开发战 略的重要性和技术的挑战性[ J ]1国外油田工程, 2000, 1611 42 - 461 [17]查全衡 1代表性石油资源分类的比较研究[J ]1石油 学报, 2008, 20 6 23 - 281 [18]周清春 1专家建议加大对二氧化碳驱油技术投入[N/ OL ].科 技 日 报,[ 2006 -05 -05 ]1http / / www1stdaily1com /gb/gdnews/2006-05/01/node_ 851ht m1 [19]王志田 1大庆油田二氧化碳驱油技术攻关试验侧记[EB/ OL ]1中国石油新闻中心, [2009 - 06 - 02 ]1http / / news1cnpc1com1cn/system/2009/06/02/0012399601sht ml1 [20]尹文盛,等 1胜利油田二氧化碳入井驱油技术“ 一箭 双雕 ”[ EB /OL ]1中国新闻网, [ 2010 - 01 - 20 ]. ht2 tp / /www1chinanews1com1cn/cj/cj - cyzh/news/2010/ 01 - 19/20807561sht ml1 编辑 刘兆芝 上接第3页和海上船只行驶的安全。 3 结束语 天然气水合物作为一种巨大的潜在能源,对面 临能源危机的人类来讲,无疑具有极大的吸引力, 因此,天然气水合物开采研究获得了空前重视。但 是天然气水合物开发研究涉及到多学科高端科学 技术问题,如天然气水合物的形成机理及时空分 布、 天然气水合物的分解条件及环境效应、 天然气 水合物的未来资源潜力及替代性,开采天然气水 合物成本过高以及可能带来的环境地质灾害等问 题,因此开发利用天然气水合物资源是一项系统的 科学研究和技术发展工程。目前,世界各国对天然 气水合物的研究都持以非常谨慎的态度,如何解决 开采天然气水合物一系列技术问题和环境问题,特 别是如何解决开采天然气水合物仪器设备复杂、 试 剂价格昂贵问题,如何把天然气水合物作为像煤和 石油一样的能源广泛开采使用,还需要广大能源科 研人员的不懈努力和深入研究。 参考文献 [1]樊栓狮,梁德青,陈勇 1天然气水合物资源开发现状及 前景[J ]1微波现代化工, 2003, 249 1 - 71 [2]龚建明,戴春山,蔡峰,等 1天然气水合物的成因类型 初探[J ]1海洋地质动态, 2001, 1211 1 - 51 [3]赵治宇,向丹波,诸林 1天然气水合物开采的方法及对 环境的影响[J ]1中外能源, 2009, 144 33 - 361 [4]吴传芝,赵克斌,孙长青,等 1天然气水合物开采研究 现状[J ]1地质科技情报, 2008, 271 47 - 511 [5]罗莎莎,刘宏菊,孙也 1CO2开采海底天然气水合物的 研究进展[J ]1中国资源综合利用, 2008, 26 3 19 - 231 [6]窦斌,蒋国盛,吴翔,等 1地面分解法开采海底天然气 水合物[J ]1天然气工业, 2008, 287 123 - 1251 [7]李登伟,张烈辉,熊钰,等 1微波开采天然气水合物气 藏技术[J ]1特种油气藏, 2005, 123 1 - 71 [8] MasakiOta, Kenji Morohashi, YukiAbe, et al1Replacement of CH4in the hydrate by use of liquid CO2[ J ]1Energy Conversion andManagement, 2005, 46 5 1680 - 16911 [9]祝道平,宁正福 1利用高能气体压裂技术开采天然气 水合物可行性分析[J ]1重庆科技学院学报自然科学 版, 2009, 113 37 - 391 [10]赵建忠,石定贤 1天然气水合物开采方法研究[J ]1 矿业研究与开发, 2007, 273 32 - 341 [11]李莹,刘义兴 1天然气水合物开发新视野氟气微波 开采技术[J ]1国外油田工程,2009,253 46 - 481 [12]白玉湖,李清平,李相方,等 1降压法开采海洋水合物 藏的数值模拟[J ]1中国科学E辑技术科学, 2009, 392 368 - 3751 [13]刘士鑫,郭平,杜建芬,等 1天然气水合物气田开发技 术进展[J ]1天然气工业, 2005, 253 121 - 1231 [14]刘广志 1天然气水合物 未来新能源及其勘探开 发难度[J ]1自然杂志, 2005, 275 258 - 2631 [15]李登伟,张烈辉,熊钰,等 1天然气水合物气藏开发技 术探讨[J ]1可再生能源, 20062 65 - 671 编辑 刘兆芝 New technology of gas hydrate recovery and constra i nts on commercial recovery L I Fang - fang 1 , L I U Xiao - dong 2 1.China University of Petroleum, Beijing102249, China; 2.Research Institute of Engineering Technology, CNPC, Tianjin300451, China Abstract Gas hydrate as a new type of clean alternative energy plays a very i mportant role in alleviating energy crisis, so its a2 tion and recoverymechanis m have arousedworldwide attention. The conventional gas hydrate recoverys include thermal stim2 ulation, depressurization and chemical reagent, which haven’t been successfully applied to commercial recovery to date because of various technical or cost drawbacks . As the development of science and technology and the deepening of gas hydrate study, some new recoverys have been concerned in recent years, including CO2replacement, solid mining i . e. hydraulic hoisting and microwave heating .These s overcome the drawbacks of conventional recoverys and may become the main technology in future commercial recovery of gas hydrate. This paper analyzes the ation and propertiesof gas hydrate, discusses the recovery s, and assumes that there are three main factors constraining large - scale commercial recovery of gas hydrate insufficient knowledge about the ation and control mechanis m, high cost, and potential environmental problem and geologic hazard.This study provides some certain direction and inspiration to future gas hydrate recovery . Key words gas hydrate; new recovery technology; commercial recovery; environmental i mpact Current status of low - grade reserves and the countermeasures XI AO Wu1,2, TI AN Shi - cheng 1 1.China University of Geosciences, Beijing100083, China; 2.Shengli O ilfield Com pany, SINOPEC, Dongying, Shandong257015, China Abstract Low - grade reserves are of certain significance in the constitution of oil and gas reserves in China.This paper explains the concept, connotation and current status of exploration and development of low - grade reserves at home and abroad, introduces the existing domestic problems in recovering low - grade reserves, proposes stimulative tax policy, suggests some counter measures includingmulti - ownership for exploration and development, improving resource value uation, striving to make technical breakthrough in supporting technology, simplifying process flow and above ground coping facilities, and popularizing CO2flooding . Key words low - grade reserves; current status of development; supporting technology; tax policy; carbon dioxide emission reduction An overview of dynam ic model study on wax deposit YU Yan, L I U Jian - yi, ZHANG Jiong, YU Yi - yang, CHEN Zheng - long Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan610500, China Abstract Wax deposits occurred in the ation, wellbore, pipeline and surface oil storage facilities often bringmany difficulties to oil recovery and gathering and transportation.This paper expounds the dynamic forecasting models for wax deposit in pipeline transportation during oil/gas field development process at home and abroad, analyzes the deposition mechanis m of each model, pro2 vides solutions and pros and consof each, and proposes themain direction and problems to be solved in future dynamicmod2 el study . Key words oil/gas field development; pipeline transportation; wax deposit; mechanis m; dynamic forecasting model; experiment parameter; development trend Lacustrine li mestone characteristics and its petroleum geology i mplication in Qingshankou ation of Songliao Basin YANG Yu - fang 1,2 , ZHONG Jian - hua1, 3, HUANGLi - rong4, SIWei - liu5, CHEN Xin3 1.Guangzhou Institute of Geochem istry, Chinese Academ y of Sciences, Guangzhou, Guangdong510640, China; 2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences, Beijing100039, China; 3.China University of Petroleum, Dongying, Shandong257061, China; 4. NorthwestO ilfield Company, SINOPEC, U rum qi, Xinjiang830011, China; 5. Dagang O ilfield Com pany, PetroChina, Tianjin300280, China Abstract Fresh water carbonate sedimentation, oncolitic limestone and stromatolithic limestone, had been found in Qingshankou ation Qn2 3 at the juncture ofLonghupao - Da’an terrace andwest Taikang uplift in the central depression of SongliaoBasin. Typical oncolite was found in the secondmember of Gaotaizi ation inWellDu 30, and typical stromatolitewas found in the third member of Gaotaizi ation inWellDu 402. Such li mestone has been systematically studied in respects of litho - electro property, composition, sedi mentary characteristics and rock types on which basis a preliminary understanding of sedimentary environment is presented.The study of the distribution of lacustrine limestone and petroleum generation and preservation in this area shows that the extensive lacustrine limestone in Taikang had a high oil - generating potential and occurred in a large reservoir rock system, there2 fore is of great significance to exploration of new type of reservoirs . Key words Songliao Basin; Qingshankou ation; oncolite layer; stromatolite layer; sedimentary environment; faciesmigration Overpressure characteristics and classification of the tight gas reservoirs in upper Tri assic Xujiahe ation in the m iddle section of west Sichuan Depression, China L ILin - tao1,2, DENG Ke1,2, ZHANG Jian - hua1, 2 1.State Key Laboratory of Hydrocarbon Resources and Exploration, China University of Petroleum, Beijing102249, China; 2. Basin and Reservoir Research Center, China University of Petroleum, Beijing102249, China Abstract The upper Triassic Xujiahe for mation is the main gas production interval in west Sichuan Depression, has two main char2 acteristics of ultra - tight and overpressure. Mostof the gas reservoirs are found in the positive tectonic units in themiddle section of