深水浅层天然气水合物固态流化绿色开采技术.pdf

第 2 6卷 5期 2 01 4 1 1 月 中国海上 油 气 HI NA FFSH RE I I ANI GAS Vo 1 ． 2 6 NO ．5 Oc t ． 2 1 1 4 深水浅层天然气水 合物 固态流化绿色开采技术 周 守为 陈 伟 李清平 1 [ } I 国海洋石油总公司 ； 2 中海油研究 总院 摘 要 天然 气水合 物主要 分布在 极地 和深 水 陆坡 区， 约 9 5 ％储 存在 深 水 区， 目前冻 土 和海域 试 采 目标 区为成岩 天然气水合 物矿 体并 多伴有 下覆游 离 气， 可采用 降压 、 注 热 、 注 剂 和 C 置换 等 方法进 行开发； 储存在深水浅层的细粒裂隙型、 分散型天然气水合物虽总量大， 但 因其埋深浅、 非成岩、 胶结 性差 ， 开采方法 尚属 空 白。根据世界 其他海域 和我 国海域 天然 气水 合物取样 进展 ， 首次提 出 了深水 浅 层天 然气水 合 物固态流 化绿 色开采 技术 ， 即将深 水 浅层 不可控 的非成岩 天然 气水 合 物藏通 过海 底采 掘 、 密闭流 化、 气液 固 多相举升 系统 变为可控 的天 然气水合 物资源 ， 从 而保证 生产 安全 ， 减 少浅 层水合 物分解可 能带来 的环境风 险． 达 到绿色 可控开采 的 目的。文 中重点论述 了该 技术提 出的背景 、 技 术原 理 、 数学 分析方法及 主要技 术核心等 ， 以期 为深水 浅层天然 气水 合物开采提 供借 鉴。 关 键词 深水 浅层 ； 天 然 气水 合物 ； 固态流 化开 采 ； 技 术原 理 ； 数学分 析 方法 火然 水合物又称“ 可燃冰” ， 足一种高密度、 高 热俯 的 常 规能 源 ， 主 要 分 布 在 北 极 冻 土带 及 E l 】 度 、太平 洋 、 北 冰 洋 、 大 西 洋 等 深 水 陆 坡 区 水 深 大 于 3 o 0 m 海 J术下 0 ～ 1 1 【 1 m ， 约 【 J 5 ％储 存 在 深 海区域 。据估 计 ， 令 球天 然 C 水 合物 的资 源总 h t 换 算 成 t t I 烷 为 1 ． 8 ～2 ． 1 1 0 r i 1 ， 相 当 于 全 t 界 煤 炭 、 石油 和天然 气等 能源 总储 量 的 2倍 。 此 ， 人 然 水 合 物 特 别 足 海 洋 人 然 气 水 合 物 有 可能 成 为 贞 柑 气 、 煤 层 气 之 后 又 一 储 馒 巨 大 的 接 替能 源 ． 深 水 将 成 为 未 来 天 然 气 水 合 物 资 源 开 发 的 主要 域 。 同 时 ． 深 水 浅 层 水 合 物 带 来 的 L程 地 质灾 千 潞 室 效 应 也 已经 引起 各 沿 海 网 家 的 高 度 酉 视 。 f 订 ． 食 世 界 已 狭 取 水 合 物 心 的 区域 有 3 2 个 ， 【 I 1 海洋 域有 2 4个 1 。 然 界天然气 水 合 物的 赋仃储 有 砂岩 型 、 砂 岩 裂 隙 型 、 细 粒 裂 隙 和分 敝J l l』 2 。从取 样情 况 看 ， 已发现 的 天然 气水 合物通 常仃 于 水深 ～3 0 0 0 m 的海 底 ， 主要 附存 于陆坡 、 岛屿和 盆地 的表 层 沉积 物 或 沉 积岩 中。 也 有 部 分 敞 f 海 底 或 湖 底 以 水 合 物 砂 粒 状 出 现 。 2 0 2 2 0 0 7年 、 2 0 1 2年及 2 0 1 3年 ， J J l l 拿 大 、 美 国、 口 木 等 分 别 采 J f 】 降 压 、 注 热 、 C 换 等 方 法 对 极 地 *“卜 h ” l 家科技 囊犬 擘 深 水流动安 令及水合物 风险控制技术 编 题“ 深海天然 水合物绿色钻采战略研究 ” 部 分研究 成果 。 图 I 世 界 天 然 气 水 合 物 资源 勘 查 概 况 资源估算 开采 图 2天然气水合物 资源分布 2 『 】 1 1 z X f } 5 0 2 6 } 4 ” 、 【 目 l 1 程院 t I 然利学 基金委 重大战略 第一作者简 介周守为 ． 男 ． 中间 l 程院院 1 ． 教授级高级 程师 ， 海洋 汕 J 1 发 l 程 々家 。 2 中 国 海 上 油 气 砂 岩 和海域 砂 岩储层 天 然气 水合 物进 行 了短 期试 采 技术示范验证 ， 其安全性有待深入研究 ， 并且单井测 试产 量距 离 商业 开采 门限还有 很 大距 离 。 因此 ， 对于储存在海底表层几米到 2 0 0 1 T I 之内 深水浅层 、 弱胶结 的天然气水合物的开发则需要考 虑一 种全 新 的开 采模 式 。笔者 根 据世 界海 域水 合物 取样和我 国海域水合物取样情况 ， 首次提出了深水 浅层天然气水合物固态 流化 开采技术 ， 即将深水浅 层 不 可控 的非 成 岩 天然 气水 合 物 藏 通 过 海 底 采 掘 、 密 闭流化举 升系统变为可控 的天然气水合物资源 ， 从而保证生产安全 ， 减少浅层水合物分解可能带来 的环境风险， 达 到绿色可控开采的 目的。本文主要 围绕深水浅层天然气水合物固态流化开采技术提 出 的背景 、 技术原理、 数学分析方法及主要技术核心问 题等内容展开论述 ， 以期 为天然气水合物开采提供 借鉴。 1 世界 天然气水 合物试采技术工程 1 ． 1 试 采 项 目概况 天然气水合物巨大的资 源潜力 以及 对环 境 的 潜在影响吸 引着 世 界各 国勘查 、 试 验开采 以及配 套 环 境影 响 评 价 工 作 的不 断 深 入 ， 美 国 、 加 拿 大 、 德 国 、 挪 威 以及 我 国 周 边 的 日本 、 印度 、 韩 国 、 越 南 等 国家纷 纷制定 了天然气 水合 物长期 研究 计划 ， “ 一 陆三海” 格局初步形成 。“ 一陆” 是指 以北 极冻 土 带 的加 拿 大 马 更 歇 、 美 国阿 拉 斯 加 、 俄 罗 斯 西 西 伯利亚为主 ， “ 三海” 包 括 墨西 哥湾 、 印度沿 海 、 南 中 国海 和 日本 海 。 目前基于传统 的注热 、 降压 、 注剂等开采方法正 在逐 步开 展 系统 的室 内模 拟 ， 并 建 立 了针 对 天 然 气 水合物藏开 发的多相渗 流数值模 拟系统。与此 同 时， 加拿大马更歇永久冻土、 阿拉斯加永久冻土、 墨 西哥湾海域、 新西兰海域等 4个天然气水合物勘探 试采的工业联合项 目吸引了诸多国家和研究机构参 与 。加 拿 大 马 更 歇 永 久 冻 土 已 于 2 0 0 2年 、 2 0 0 7 2 0 0 8年实施了降压、 注热等天然气水合物试采方法 验 证_ 2 j ， 美 国于 2 0 1 2年在 阿拉 斯加 永 久冻 土成 功 实 施 了降压 和 C O 置换开发天然气水合物试采技术 验 证 ， 墨西 哥湾 已经 实施 了勘 探 和 取 样 以及 试 采 方 案 的制 定 ， 日本也 于 2 0 1 3年 实施 了海 域试 开采 技 术 验 证工 程 。表 1为 目前世 界 各 国天然 气水 合物 试 采 项 目概 况 。 表 1 目前世界各 国天然气 水合物试采项 目概况 驾 萎 垂 萋 篓 盖 茎20笑02 1 4 X2006-- 2008 加 拿 大 厚 度 11 O m 盐 水 、降 压 ⋯ ⋯ ， 马 更 歇 储 层 砂 岩 年 ’ 类 型 下 覆 游 离 气 降 压 ⋯ ～ ⋯ 篓 垂 黧2003-- 2005篡lI 降压 陆地技术验证基础之 上， 于 2 0 1 3 年 3 月 1 2 1 8日试采 ， 报道 日产 2万 m 1 ． 2 天然气 水 合物试 采 面临 的挑 战 虽 然天 然气 水合 物冻 土和 海域 的短 期试 采 已实 施 ， 但 天然气 水合 物 开 发 或 无 序分 解 潜 在 的环境 风 险和市场风险还未解决。 1 安 全 问题 。尽 管 美 国 、 加 拿 大 、 日本 在 北 极 冻土区域和 日本近海进行了短期的天然气水合物藏 试采技术测试 ， 但制约天然气水合物开发的技术瓶 颈“ 环境安全和高效开发” 还没有真正解决 。在环境 安全 方 面 ， 大 多数 已证 实 的 天然 气 水 合 物 矿体 没 有 像常规油气一样封 闭的储盖层 ， 即使在北极试采 区 天然气水合物藏虽 以砂岩 的形式赋存 ， 其最坚实 的 盖层 仍是 6 0 0多 m 的永 久 冻土 层 ； 同 时 目前有 限 的 现场试验时间 最长 2个月 并没有很好地解决安全 问题 ， 包括 环境 安全 、 装 备安 全 、 生 产安 全 的风 险 ， 一 旦长期开发 ， 可能引发的地质塌陷、 生产安全等正在 评 估 和继续 研究 中。 2 潜 在 工 程 地 质 风 险 。 目前 已经 实 施 的天 然 气 水合 物试 采 工程均 在致 密 、 成岩储 层 内进 行 ， 试 采 时间短 ， 回避 了长期 开 采 以及 深水 非成 岩 天 然 气 水 合 物 开发 面临 的潜在 工程 地质 风 险 。 3 商业开发风险。天然气水合物短期生产测 试 证 明 了有 关天 然 气 水 合 物开 采 技 术 的可行 性 ， 同 时试采区多为有下覆游离气 的水合物矿藏， 短期测 试获得 日产约为 2万 m。 ， 距离当前天然气商业开发 的门 限还有 很大距 离 。 4 技术挑 战。天然气水合 物分解 过程 中将产 生大量的水 ， 面临地层出砂风 险以及地层和井筒 内 第 6卷 5 俐守 为等 深 水浅 人然 水台物 吲念流化绿 采技 术 水合 物 ■次， I 成 、 砂堵 等 问题 ， 加 拿 大 、 l _I 本 海 域 试 采过 程 { I 均 遇 到砂堵 、 水 合物 二 次 成 问题 ， I , fl 寸 水 合物 开 采过 安 个 L a i r 0 也 是 一 个巨 大挑 战 。 2 深 水 浅 层 天 然 气 水 合 物 固态 流 化 开采技 术 2 ． 1 研 究 背景 我 南海北 部陆坡东沙 、 神狐 、 西 沙 、 琼 东 等 4个海 腱 r 人 然气水合物 资源 渊 ． 初步 定 1 1 个远 景资源 ， 资源 鞋约 6 8 0亿 吨} Il l 世 。分 别 于 2 1 0 7 、 2 1 1 3 我 ⋯海 域 进 行 _r天 然 C 水 合 物 取 样 丧 2 。 f ，』 成为 l f 界上第 5个获 取海 域 火然 水合 物样 rl 『 I 的 家 。 步证实我 同海域具 广 阔 的人 然 C 水合物 资源 I 景。然而 ， 对 于海域 天然气 水合物 试 采 而 吉。 我 ⋯ I 】 i 『 所 发现 的天然 气 水合 物 域 试采难度 大 ． 主要 脱为 1 深 浅 。2 0 0 7年我 国 3 r 1 井荻取 人然 t 水 物样 I 点 深 l 9 9 2 9 9 m； 2 0 1 3年我 海域 1 3 f I 井获收 人然 水 俞物取样点 深在 1 3 --1 9 9 1“ 1 1 。 2 刺胶 结 。 f I 前 世界 范 闭 内海 域 人 然 水 合 物 约 8 ％储 深水 浅层 末 胶 结 的 泥岩 f 1 ． 我 2次 多 f l J f 取 样 的样 品 即呈 现 } i { 这 类 性 质 ， 一 ⋯ 洚 分 解 ． 个样 l f t 的 骨骼 结构 几 乎完 全破坏 。 3 成 水 合物 ” 采 技 术 还 足 空 。 I I J m为 止 ， 在我 海 域所取 得的天然 气水合 物样 品均 为 成 岩天然 气水合物 ． 个 球 成功狭 取的 人然气 水俞 物绝 火 多数也 足 成 人然 气 水合 物 。深 水 一 成 _fI 人然 C 水合物 彳 丁 储 大 、 弱胶结 、 稳定性 差 f r ．3 特点 ． 一 I t ． 所 在 域 的温度 、 ／ 『 J 条 件 发生 变化 ， 就 可能 导敏 海底 非成岩 _火然 水 合 物 的大 景 分 解 、 气 化 l不 1 l ⋯ } 1 释放 ． 仔 f 杵 的风险 ． 主 表 现红 ① 海底浅层 - t l 成 5； 5 ； 胶 结水合物尢序分解。 叮能带术潜在的海底滑坡等地质 灾 ， 即使足胶结 较好 的成岩水合物 。 } l { 于水合物喊 表 2 2 { 0 7 、 2 01 3年 我 国 海域 天 然 气 水 合 物 取 样 概 况 水深 6 ～2 2 0 0 1 13_ 埋 深 1 3 ～ 1 9 9 1“I 1 取样 I辛 ， 【 1 获取样 品 1 3 L 】 ， 各 种类型水合物 甲烷 含鲢 9 8 o／ , ， 混 合成凶 没有 叫 的构造边 币 l J 衔的盖层 ， 随行水合 物舰 { } 歼发 ， 地层结 构将 始变得 疏 敞， 可能 导致海 底地 小 稳定 ； ② l r 成 水合物主要 分解为天然气 干 水 ． 大 h } 天 然气进 入人 会造 成 A 效 应 。 对大 C 环境 造 成 损害 ； ③r tt 于火然 C 水合物 的分解 ， 导致大 天然 尤 序释 放 ， 大地气 体的 『 J ⋯膨胀 J z 3 “ l 对海 而 卜 船 只千 一 中 行器均可能造 成灾难 。 2 ． 2绿 色开采技 术原 理 深 水浅 层大 然 C 水 物 旧态流 化绿 色 外采慨 念 核 il ． 为 将深 水浅 刺 胶 的 天然 气 水 合 物 喊 1 作 一 种 海 底矿 减资 源 ， 利 J I J 』 海 底 温 度 和 J 下的 稳定 性 ， 采用 念 采 力 ‘ 法 ， 【 口 采用 采 设备 以 念 形式 外 发人 然气 水 合物 矿 怵 ， 将 含 人 然 C 水 物 的 沉积 物 粉碎 成细 小颗 粒 ． f q - 与 海水 混 合 、 采 川封 管道 输送 至海 洋 平 台 ． 然 将 其 在 海 J - 平 台进 i 期处 理 和加 上 。 3为人 然气水 合物 L古 J 态流 化绿 色 开采 原理 图 。 【 l l1 于 个采抛过 程是 在 海底 人 然 C 水 合物矿 进行 。 术改 变 人然 C 水 合 物仔 在 的濉 发 、 力条什 ， 类 似于 构建 厂一 个⋯海底 管道 、 泵送 系统 成 的人 l J 封 域 ， 起 剑 , i S 舰 油 气 藏 盖层 的 封 作 用 ， 使海底 浅层尤 构造的 天然 气水 合物矿 体变 成 了封闭体 系内分解 『 控的人 封 『 才 J 矿 体 ， 从 而保 证 采过程 中海 底人然气 水 物小会 大量 分解 ， 实 现 r 位同态 歼发 ． 避免火然 ， 水合物分 解 【 】 J ’ 能 带 米 I 地 质灾害 和 效J 、 ； 川 l I 、f ， 陔方法 利 ．r 『 】r人然 气 水 合 物在传输 过程 『 f l 温 度 、 的 自然 变化 ． 实现 r 密 闭输送 管线 范 内可控l仃序分解 j。 图 3 深 水 浅 层 天 然 气 水 合 物 固态 流 化 绿 色开 采原 理 图 深水浅层火然 水合物同态 流化绿 色_『 1 采 l 艺基小 组 成 包 括 海 底 机 械 采 掘 、 水 合 物 沉 积 物 粉 碎 细化 、 海 水 引 射 与浆 液 举 升 、 上 升 过 稚 r } 流化 丌 采 、l 部 分离 及液 化 、 沉 秘物 填 以 及动 力等供 成 元 4 ， 核心 l仃 习 茈 混 H 9 8 几 川 晶 量 井 洋 含 深 深 样 取 烷 水 埋 取 扶 7 图 4深水浅层天然气 水合物固态流化开 采工艺流程 图 1 海 底 原 位 闻 态 开采 。虽 然在 采 掘 过 程 l } I 机 做作、 叮 能 引起 』 H 部 温 度变 化 ， 但 相 对 海底 稳 定 的 濉度 场 ‘ ． 其 影响 微乎其 微 ， 因此采 掘过 氍 f I 1 町以 保 持 一定 的温 度和 力 条件 ， 确 保 海 底 火然 气 水合 物 ∥ 体 小 不 分解 。 2 就地 利 刚 海 水 实 现 密 闭输 送 。在 密 闭 条 件 下进 i 海 水t 川射 ， 将 采 掘 出 的天 然 气 水介 物 进 行 粉 外 化 肜 成气 液 固 混 合物 流 ， 利 用 海底 举 升 系统 实现 密 输 送 。 3 海底 游 离砂 分 离 系统 。可 根 据 火 然 气 水 合 物 C 移 { 物 t 砂 含 量 和 密 度 ， 在 海 水 与 沉 积 物 混 合 ． 送 f j j『 端 采 }_f j 水 下 旋 流 砂 分 离技 术 ， 将 部 分 砂 分离 f 【 l 米 。 在降 低海 底举升 系统 功 耗 的卜 j 】 时 ， 提 I岛 r 效 输 送 效 率 ， 增 加 举 升 过 程 中 水 合 物 的 『 { 然 分解 。 4 街 输 送 管 道 内 天 然 气 水 合 物 町控 分 解 。 利川 海底 僻道输 送过 程 巾的压力 温度 变化 实现 部分 人然 水合 物 自然 分 解 ， 将 深 水 浅 层 不 I 1 J ‘ 控 的非 成 人 然 水 合物 藏通 过采 拥密 闭流化举 升 系统 变为 I I 】 ‘ 的大然 气 水合物 资 源 ， 整个 管 道 和输 送 系 统 卡 H 1 于 常规} I } l 气藏 的圈 闭 ， 从 而保证 生产 安 全 ， 达 到绿 色可控 开采 的H的， 避免潜在危害； 其实质是将海底 I I - 成 柑不 可控 的灭然 气水合 物 藏转变 为密 『 州管 道 内 可控 制 的天然 气水 合 物 藏 ， 密 闭 管道 系统 就 卡 、 1 于 常 规油气 藏 的致密 盖层 。 5 输送 系 统 内原 位 分解 和 白气 。 利川 ● 铃 高 度变化 和外 界海 水 温 度 变化 ， 部分 人 然 水 合物 自然分解产生的气体和水， 特别是水合物分解 将 使气体压 力增压， 混合物密度降低， 叮实脱邴分水合 物 浆液 自气举 。 6 水 中泵 送 系 统 。如 果 海 水 很 深 ， 沙 含 大 ， 可 根 据 实 际 举 升 压 力 核 算 后 ， 考 虑 海 一 定 位 置 如 4 0 0 ～ 5 m 深 度 增 没 水 r f l 送 系统 ， 保 证 天然 气水 合 物 浆液 稳 定输 送 剑水 处 没施 。 7 化学 法 稳 定 系 统 。考 虑 到 天 然 e 水 合物 刮 海平 的J K 力变化较 大 ， 容易 出现大 C 化 ． 须添 』 J f l 烷 稳定 剂 。 添 加 _r稳 定 剂 的 混合 浆 液 泵 送 至海 洋 平 俞 ， 然 后通过 简单 工 艺处 理 完成 甲烷提 收 。 8 矿砂 就地 回填 ， 保持 海底 原 貌 。分 离 矿砂 就地 l 『1 l 填 ， 保持 海底 原貌 ， 避免 次生 地质 灾 9 避免 原 生 灾 害 。深 水 非 成 岩 人 然 水 合物 资 源J r 发 后 ， 从 根 本 上避 免 了 各种 环 境 变 化 等 f J 题 引起的水合物分解带来的地质和环境灾 1 自然压 井 。应 急 情 况 下 可 切 断 动 力源 ， 利 用 密闭输 送 系统 内泥沙重 力沉 降实 现 r I 然 “ 外” 。 第 2 6卷第 5期 周 守为等 深水 浅层 天然气水合物 固态流化绿色开采技术 5 2 ． 3数 学 分析 方 法 深水浅层天然气水合物 固态流化开采过程涉及 到固体颗粒破碎 、 固体一 海水混合 、 水合物颗粒一 海水一 气体混合输送过程 ， 其 中最为关键的控制因素是沉 积物 中天然气水合物分解规律 以及海底举升过程中 天然气水合物 由于压力变化 、 不断分解 而产生 的非 平 衡 多相 流体 举 升过程 。 1 天然气水合物分解过程 的数学模 型。考虑 采 用气 相 、 液 相 、 水 合 物 相 控 制 方 程 和 能 量 守 恒 ， 同 时考虑冰的生成 ， 辅助方程包括 水合物生成分解及 动力学方程、 相对渗透率和绝对渗透率方程 ， 以及考 虑 化学 药剂 、 离 子 对 水 合 物 相 平 衡 的 影 响 。典 型 的 数值 模 拟方 程描 述 如下 ] 。 气 相控 制方 程 一 _dt 户 - - lO g g V z q 1 液 相控 制方 程 1D w S wl0 s ] 警 P w g g 2 水合 物相 控 制方 程 一 3 d ． 式 1 ～ 3 中 lD 、 l0 、 p i 、 p h 分别为气相 、 水相 、 冰相、 水 合 物 的密度 ， g ／ c m。 ； 、 分别 为 气 相 、 水 相 的粘 度 ， mP a S ； K 、 K 分别 为气相 、 水 相 的有效 渗透 率 ， t i m。 ； ≠为水合物饱和度为 0时的地层孔隙度 ， 小 数 ； P 、 P 分 别 为 气 相 、 水 相 压 力 ， 1 0 ～MP a ； q 、 q 分 别 为气 相 、 水 相 的源 汇 项 ， g ／ c m。 s ； S 、 S 、 S 、 S 分别 为水 相 、 气相 、 冰 相 、 水 合 物 的饱 和 度 ， 小数 ； m 、 m 、 分 别 为 水 合 物 分 解 时 释 放 出 的水 、 甲烷 气 的质 量 以及 水 合 物 分解 量 ， g ／ c m s ； g为 重 力 加 速度 ， m／ s 。 能 量方 程 c T 一 T c P w g g 愚 VT一mh VHh mi △H q q ． q 4 式 4 中 C 、 C w 、 分别为 综合 比热及 水 、 气 的 比热 ， J ／ m K ； T为 温 度 ， K； k 为导 热 系数 ， w／ m K ； △ H 为每摩尔水合物分解时从地层 吸收的热量 ， J ／ mo l ； △ H。 为在 临界 温度 下 每 摩 尔 水 固化 成 冰 时释 放的热量 ， J ／ mo l ； q 、 q 。 为源汇相 ， J ； q 。 为体 系与周 围介质的热交换， J ； 其他符号含义同前。 水 合 物 分解 及 形 成 动力 学 模 型 ， 采 用 Ki m B i s h n o i 模 型 ， 即 m 一 k d A 厂 。 厂 5 式 5 中 -厂为 当地气 体逸 度 ； f t． 为水 气平 衡时 气 体逸度 ； 忌 a为 天然 气水 合 物 分解 反 应速 率 ， mo l ／ 1 0 MP a c m s ； A 为天然气水合物粒子反应的 比表 面积 ， c m 。 绝对渗透率模型 ， 采用幂率模型估计 当地的绝 对渗透率 ， 即 K 一 糟 ㈦ K L ， 1 一 。 J ⋯ 式 6 中 K 为当地绝对渗透率 ， ／ x m ； 为地层无水 合物时的孔隙度 ； K 为水合物完全分解后的绝对渗 透率 ， 即 与 对 应 的渗 透 率 ， ／ z m。 ； 声 为 有 效 孔 隙 度 ， 小数 ； J8 为渗透率下降指数 。 相对渗透率模型 ， 采用修改 的 B r o o k s C o r e y模 型来描述相对渗透率规律， 即 K 一 K s a s 7 K 一 K0 S w 8 P 一 P Se c 9 式 7 ～ 9 中 K⋯ K 分别为气体和水的相对渗透 率 ； K 、 K 分别为 气、 水两 相相对渗透率 端点值； 、s 为气相、 水相的有效饱和度， 小数； 、 、 分 别为气体、 水和孔隙结构相对应指数； P 为毛细管力 ， 1 V l P a ； P 为沉 积物压力 ， mP a 。 由于水合物 的特殊性 ， 对饱和度进行 了修正 ， 采 用有效流动空问上的有效饱和度定义方法， 即 s 麓 s 一 1 O 1 1 s ；一 1 2 s 3 式 1 0 ～ 1 3 中 S S 分别为残余气和残余水 的 有效饱 不 1 l 度 ． 小数； 其他符 含义同前。 这 样 l I 『 以 获得 一 定分 解 驱 动压 力情 况 下 ， 海 底 以 及僻道 卜 升 过程 【 f 1 水合 物 分 解后 的 气体 、 液 体 { I } 图 5 、 6 ， 为管道输 送提 供计 算分析 的依 据 。 分解时 问 ／ d 图 5 一定压差条件下水合物分解得到的气量模拟计算结果 分解时间 ／ d 图 6 一定压差条件下水合物分解得到的水量模拟计算结果 2 海 底举 升 管 道 内 水 合物 颗 粒 浆 液输 送 系统 数 值分 析 力 法 。其 巾 ， 浆 液 输 送 可 以多 相 常 规管 流 模型为 础 ， 重点考虑水合物相平衡条件 以及分解 动 力 过程 。 【 l J 于水 合物 由海底 沿箭 流 向_ } 二 运移 过程 f } 1 温 度 升高 、 』 { i 力减小 ， 水合 物 断分解 ， 相态 不 断转化 ， 所 以 婴建立涉 及 作 平 衡水 合物 相态 的多相 管流 动 态 数 卡 } ， 及求 解 方 法 。其 中 ， 浆 液输 送 可 以 采用 常 规竹 流模 ， 重 点需 要 考 虑 水 合物 相 平 衡 条 什 以 及 分解 动 力学 过 程 。水 合物 及水 的相平 衡 可以通过 式 1 4 、 1 5 进行计算 ， 并结合试验情况进行修 。 j了 、 2 7 3 ． 1 5 K时 P e xp 43 ． 8 92 1 1 7 3 43 4 6 2 8 ． 7 7 6 3 02 1 3 3 7 3 9 3 0 3丁 7 ． 27 2 91 4 2 7 J 3 05 02 1 0 T 3． 8 5 4 1 3 9 8 59 0 07 2 4 1 0 T 1 ． 03 6 6 9 6 5 68 28 8 34 1 0 T 1 ． 9 8 8 21 8 4 7 5 3 0 7 1 0 ” -／ 1 4 当 I 、 ≥2 7 3 ． 1 5 K 时 P．一 e xp 1 ． 9 41 38 5 04 4 64 5 6 1 j 3． 31 1 1 82 1 33 9 7 9 2 6 1 0 1 、 22 ． 5 5 4 0 26 4 49 38 0 6丁 0 ． 1 7 6 7 5 5 91 1 7 7 8 7 05 9了 、 1 ． 3 4 65 8 2 9 7 8 87 9 1 0 T 8 ． 8 60 65 3 1 6 6 8 7 5 7 1 0 了 1 5 式 1 4 、 1 5 r } 1 P 为平 衡 ， MP a ； 丁为 温度 ． K。 由于倚 道 输 送过 程 比较 复 杂 ． 需 要根 据 试验 和 理 论研 究 的 断 深入 ， 对 现 有 的数 学 模 型 和理 论 分 析 方法进 行 修 ， 从 而 得 到史 能 反 映 复 杂 、 多牛 I J 、 含相变 的 平衡 动力学 举升过 。 2 ． 4主要技 术核 心 问题 深 水浅层 大然气水合物 Ⅲ念流化外采技术足 项 涉及多学科 、 多专、 I 交叉的前 I- 技术 办向 ， 海 底水合物 沉积物采捌 、 碎细化 、 举升过 程均打 } 1 多需要 解决和深 入研究的技术和装备难题 ， 主 技术核心n q 题如 1 水合物藏 采掘 和环保 安 个 防{ ， I 装备研 制 。 采掘过程 r } I 涉及水合物藏 由单 卡 l j 念 剑气液 复杂 多 相管道流态的转 化问题 以及fl , l 稳 定性 的安全控制 问题 ， 这 以往 同内外研究报 l l l 鲜仃提 及。因此 ． j 』 二 述 问题 卡 } { 对应 的深水海底 采j } l； 装 备没汁 ， 复杂多 十 I I 流管道输送 的处理 泵送装簧 汁， 海 底水合物 采抓 j 过 程 中环保安 防护装置系统的没汁， 都足个新的课题 。 2 海 水 水合 物 混合 颗粒 液 ⋯ 多 卡 I { 平 衡 分 解过 程控制 。现 在 ． 国 内 外虽 然 仃 卡 H 态 础 论 研 究相 关成 果 ． 但还 未 涉 及 固态 流 化 开 采过 程 巾海 水 水合物混合颗粒高速输送开采条什下的 液 I I 平 衡 相 态变化 机理 和数 学 模 型 。 此 ． 需 要 建 描 述 水 合 物非平 衡车 H 变 的理 沦模 ， ， 探 索 水合 物 非 平 衡 分解 的条 件及机 制 。 进 行水 俞 物 非 平 衡分 解 实 验 的 测试 、 验 和完善 理论 模型 。 3 水合物 藏 固态采掘 水下输送气液 多相 仆 平 衡管流举升 系统 建 。由于 该类 水合 物 的 开采足 他 水 合物 由裸露 I州态转 变为 管道 『 l 1 的气液 旧 天然 、 水合物颗粒 、 泥沙 、 海 水 的复 杂流 动 ． 此 ． 该流 动涉 及的输送流 复杂 、 关键环 节 1 j 没箭 初次破 碎 、 二 次 碾压 、 人 1 l 举升 、 平 台分 离 等 较 多． 常规 水 合物 数 模型 不能 J } { 于 陔思 路 条件 下水 物 ⋯海 底 沿僻 流 ⋯ 上运移过程 小其 温度 升高 、 力减 小 。 水合物 不断 分 解 ， 相态／ f 断转化 的预 测 ， 所 以需 建 ● 涉及 非 衡 水合物相态的多卡 } { 管流动态数学模， 及求解方法。 第 2 6卷第 5期 周守为 等 深水浅层天然气水合 物固态流化绿色开采技术 7 3结论 1 天然气 水合物是 一种储备 性资源 ， 寻找安 全 、 高效 、 经济 的开采方式是当前和今后一段时间内 世 界科 技前 沿 创新 技 术 研 发 重 点 ， 围绕 北 极 和 海 域 的试采项 目仍属于试采技术验证范畴， 离生产测试 、 商业开发需求还有一定距离。 2 目前 世界 极 地 和 海域 所 进 行 的 试 采 对 象 均 是 在成 砂及 多 有下 覆 游 离 气 的水 合 物 藏 中进 行 ， 试 采方法基本是常规油气 田的采气方法 ， 通过注热、 降 压、 C O 置换等方法最终将水合物在储层 内转变为 天然气 ， 再像常规采气一样输送到水面， 因此没有从 根本上解决安全风险的问题 ， 也不适用于深水浅层 水合物藏。 3 海 洋天 然 气 水 合 物 藏 固态 流 化 开 采 技 术 是 将水合物采掘、 密 闭浆液输送到水面设施进行气体 回收 ， 这 是一 种全 新 的开 发 思 路 ， 具 有 污 染 小 、 次 生 灾害小 、 不破坏下部孔 隙性储层水合物等核心优势 ， 是一种潜在的天然气水合物开发手段和方法。 4 海洋天然气 水合物藏 固态流化开采技术主 要核心问题为水合物藏采掘和环保安全防护装备研 制、 海水水合物混合颗粒气液固多相非平衡分解过 程控制和水合物藏固态采掘水下输送气液固多相非 平衡管流举升系统建立 。 5 海底浅层水 合物固态流化开采装置研制是 前人尚未涉足的领域 ， 虽然 目前 已经有水下井 口采 油树 、 水下管汇等装备 ， 但还没有成熟 的深水水下采 掘装备及工业实践经验 ， 也没有多相流化 的传送装 备和管道系统 ， 因此需要进行相关领域 的探索与实 践 ， 才能实现商业化生产 。 参 考 文 献 [ 1 ] Y E Y G， L I U C L N a t u r a l g a s h y d r a t e e x p e r i me n t a l t e c h n i q u e s a n d t h e i r a p p l ic a t io n s [ M] ． Ne w Y o r k S p r i n g e r He id e l b e r g ， 2 0 1 3 ． E 2 ] 周守为， 李清平． 海上工程设计指南 深水篇天然气水合物E M] ． 北京 石油工业出版社 ， 2 0 1 0 2 6 4 2 7 9 ． E 3 ] 许红 ， 黄君权 ， 夏斌 ， 等． 最新 国际天然气水 合物研 究现状 与资 源潜力评估 上[ 刀． 天然气工业 ， 2 0 0 5 。 2 5 5 2 1 2 4 ． [ 4 3 周守为 ， 李清平． 深海海底浅层非 成岩地层 天然气 水合物 的绿 色开采方法 中国 ， 2 0 1 3 1 O 5 9 6 1 0 4 [ P ] ． 2 0 1 4 ～ 0 3 1 2 ． E s ] 周守为 ， 李清平 ， 陈伟 ， 等． 深海海底 浅层非 成岩地 层天然 气水 化物的绿色开采系统 中国 ， 2 O 1 3 1 O 5 9 5 2 O 4 [ P ] ． 2 0 1 4 0 3 1 2 ． [ 6 ] 陈光进 ， 孙长 宇， 李清 平． 气体 水合 物科 学与 基础 [ M] ． 北 京 中国石化出版社 ， 2 0 1 1 5 6 7 0 ． [ 7 ] 白玉湖 ， 李清平． 天然气 k 合物藏和 天然气藏 开采规律 对 比分 析 [ J ] ． 中国海上油气 ， 2 0 1 0 ， 2 2 3 1 7 2 一 i 7 8 ． [ 8 ] 白玉湖 ， 李清平 ， 李相方． 降压法开采天然气水合物藏物理模 拟 相似 准则分析口] ． 中国海上 油气 ， 2 0 0 8 ， 2 0 3 1 4 3 1 4 7 ． 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 0 5 编辑 崔护社孙丰成 Th e g r e e n s o l i d flu i d i z a t i o n d e v e l o pme n t p r i nc