天然气水合物形成机理与开采方式

2010年天然气技术Vol.4, No.1第4卷.第1期Natural Cas TechnologyFeb.2010文章编号:1673- 9035(2010)01-0063-03天然气水合物形成机理与开采方式"徐兴恩'蒋季洪2白树强’陈玉峰4刘金晶‘(1.中国海洋石油上海分公司,浙江宁波315800; 2. 中国石油四川销售仓储分公司104油库,四川成都610083;3.中国石油大港油田第六采油厂，河北黄骅061100; 4.中国石油冀东油田钻采工艺研究院，河北唐山063004)摘要天然气水合物是蕴藏于海洋大陆架及陆地永久冰土带的碳氢化合物，将来可能成为人类的重要能源之一。为此，阐述了天然气水合物的分布和形成机理，对比研究了天然气水合物的降压法、热采法、化学试剂法、水力压裂法等几种不同的开采方式，提出了尽快开展室外天然气水合物钻采方法研究以及我国南海和东海海区天然气水合物勘查研究工作的建议。关键词天然气水合物 形威机理 开采方式钻采方法中图分类号: TE122.2文献标识码: A过程描述如下:0引言H2O+ λ2A -→AnxnH2O(1)天然气水合物是在低温、高压条件下由水和天然气(主要是甲烷)组成的非化学计量的笼形结晶化式中: λ2为气体分子A的孔穴常数; n为水合物形成合物，透明无色、似冰，俗称“可燃冰”、“气冰”、的摩尔分子数。“固体瓦斯”，其广泛分布于海洋大陆架的沉积物和由于基础水合物间存在空的孔穴，一些气体小陆地的永久冻土带中，常温下可分解出天然气。在分子，如Ar、 N、02、CH.等会吸附于其中，导致水标准状况下，1单位体积的天然气水合物分解最多可合物的非化学计量性。产生164单位体积的甲烷气体，是- -种重要的潜在资天然气水合物的生成是晶核形成和晶体成长的源。过程。在动力学上，天然气水合物的形成分为3步:①具有临界半径晶核的形成;②固态晶核的长大;1天然气水合物形 成机理③组分向处于聚集状态晶核的固液界面转移。天然气水合物的形成有3个基本条件:①温度晶核的形成比较困难，- -般都包含1个诱导期，不能太高;②压力要足够大，0吣时30个大气压以当过饱和溶液中的晶核达到某- - 稳定的临界尺寸，上可生成;③地下要有气源。系统将自发进入水合物的快速生长期”。在一定压前苏联学者首先提出气体水合物属于固体溶液力条件下，当温度过低达到一定摄氏度时，天然气的假设，认为气体水合物是水分子与气体分子构成水合物结晶即可形成。诱导时间与过冷程度的经验的络合物，按照固体溶液理论，由水分子构成的结函数关系式(诱导时间为水与客体分子接触到形成水晶体晶格是“溶剂"，而气体分子则被看作是“溶合物晶核这一过程所需的时间)如下:质"1gτ =1.84(OT-7.49) 0(2)在生成水合物时，体系中存在两种平衡，即准化学平衡和气体分子在孔穴中的物理吸附平衡。首OT=T_-T(3)先通过准化学反应生成化学计量型的基础水合物。式中: t为诱导时间，min; ST为过冷度，C; T。为收稿日期: 2009- 10-13修订日期: 2010-01 -06*本文受到四川省科技攻关计划(中俄合作)项目(编号: 05GG021- 021)的资助。作者简介:徐兴恩(1978-)， 工程师，从事天然气水合物及天然气处理方面的研究工作。E- mail: weina8081@163.com天然气技术/ 63第4卷徐兴恩，等;天然气水合物形成机理与开采方式第1期给定压力下水合物的平衡温度，C; T为实验温2.1 降压法度，C。水合物的形成过程与周围环境及水的状态有通过降低压力使天然气水合物稳定的平衡曲线关，在融化的冰中最容易生长并聚集。移动，从而达到促使水合物分解的目的。一般是在水合物层下的游离气聚集层中“降低”天然气压力2天然气水合物开采方式或形成1个天然气空腔(可由热激发或化学试剂作用天然气水合物在地层储存环境(低温、高压)下人为形成)，使水合物变得不稳定并分解为天然气和以固体状态存在，而在开采过程中由于减压或升温水。开采水合物层下的游离气是降低储层压力的--的原因，将分解成水和天然气。天然气水合物的开种有效方法。降压法最大的特点是不需要费用昂贵发必须控制固体向液体、气体的分解，控制采收过的连续激发，因而其可能成为今后大规模开采天然程中分解的气体和水会再次形成天然气水合物。这气水 合物的有效方法之一。但是仅使用降压法开采是天然气水合物开采的技术难点。天然气速度很慢。天然气水合物的开发技术目前尚处于实验阶通常降压开采适合于高渗透率和深度超过700m段，唯一的工业开采案例是前苏联麦索雅哈天然气的水合物气藏，若气体中含有重烃就需要较大的降水合物气田。目前，大多数天然气水合物的开发思压。另外通过调节天然气的开发速度可以达到控制路基本.上都是首先考虑如何使蕴藏在沉积物中的天储层压力的目的，进而达到控制水合物分解的效果。然气水合物分解，然后再将天然气采至地面。- -般2.2热采法来说改变天然气水合物稳定存在的温度及压力，造成其分解，是目前开发天然气水合物资源的主要方热采法是研究最多、最深人的天然气水合物开式。天然气水合物开采方法有降压法、热采法、化采技术。热采法是利用钻探技术在天然气水合物稳学试剂法口-期、水力压裂法等H。定层中安装管道，对水合物地层进行加热，提高储(上接第51页)具和附件也应值得关注，如小接箍或控制，在套管生产中实施第三方监造并检测，确保无接箍套管的扶正器、厚壁超厚壁套管安全下人工套管生产质量， 在钻井中实施有效的防磨减磨技具、非API标准套管的井口工具甚至钻机相关设备术，提高套管磨损后的剩余强度;统- -完井试乐标等。准，针对钻井、完井、增产作业之间试压标准存在4)对于油层套管试压，目前存在钻井、完井试差距的情况，在已有套管强度的基础上，以安全为压标准不统- -、 增产作业无标准的状况，建议通过原则，通过工艺措施等方法提高钻井试压标准和降某一部门或组织制定统一标准， 以避免钻井、完井低完井相关的工作压力。和增产作业中的分歧。参考文献[1] 仵雪飞，林元华，巫才文，等套管防磨措施研究进展4结论[J].西南石油学院学报，2004, 26(4): 65-69.1)川西深井超深井套管损坏问题严重，主要原[2]张红生，郭永宾套管防磨保护措施[J].石油钻采工艺，2007, 29(6): 116-118.因有套管材质、性能或质量达不到套管安全要求，[3]谢桂芳，高翔.深井套管防磨技术研究与应用[J].石油矿井身质量差或井眼轨迹复杂、施工周期长导致磨损场机械.2008. 37(2): 69-74.严重，防磨减磨措施实际应用效果差，完井及增产[4]杨进，朱虎军，于海永，等套管磨损防护技术应用研究作业要求高压力试压而导致套管破坏等。[J].石油钻采T艺，2006，28(3): 10-12.2)要解决川西深井超深井套管损坏问题，应在[5]王卫，马清明，徐俊良，等.套管减磨接头的研制与应用采购套管时要求厂商提高套管质量的相关参数，确[J]石油钻采技术，2003, 31(3); 38-39.保性能，并在钻井工程设计中明确要求;加强过程(编辑:蒋龙)64 Natural Gas Technology总第19期天然气技术.新能源2010年层温度，造成天然气水合物分解，再用管道收集分解出的天然气，其主要方法是将蒸汽、热水、热盐edh水从地面注入水合物层，这些方法各有其优点和不U压力泵气水分离器足。例如，蒸汽注人在薄水合物气层的热损失很失|大，只有在气层大于15 m时热效率才较高;注人热井水的热损失较注入蒸汽的小，但水合物气层内水的注人率限制了该方法的大规模使用。热开采技术特别是在永久冻土区，即使利用绝热管道，永冻层也水合物鍺层5445压裂区，会降低传递给储集层的有效热量。实践证明，电磁加热法是一种较常规加热方法更为有效的方法，电磁热很好地降低了流体的黏團1水力压裂法开采天然气水合物示意图度，促进了气体的流动。的天然气水合物形成深度总是浅于常规气藏的深度，它像盖层一样封闭了其下的常规天然气。因2.3添加化学剂法此，开发天然气水合物不是采用单- -方式的资源开在储层注入抑制剂(甲醇、乙二醇、氯化钙等)发技术可以实现的，而需要利用综合开发技术。以打破水合物平衡，造成部分天然气水合物的分3结论解。近年来，国外正在开发两种新型水合物抑制剂，即动态抑制剂和防聚剂，它们抑制水合物形成1)天然气水合物的开发技术现在仍处于探讨阶的机理与传统的热力学抑制剂不同，加入量少，一段， 需将来在生产中进行检验，逐步完善。般注入浓度低于1%。实验表明，天然气水合物的溶2)天然气水合物矿藏的最终确定必须通过钻探解速率与抑制剂浓度、注人排量、压力、抑制液温来实现，其难度比常规海上油气钻探要大得多，- -度等因素有关。方面是水太深，另--方面由于天然气水合物遇减压麦索雅哈气田在开采初期，有两口井在其底部会迅速分解，极易造成井喷。日益增多的成果表层段注人甲醇后产量增加了6倍。在美国阿拉斯加的明，由自然或人为因素所引起的温压变化均可使水永冻层天然气水合物中做过实验，也获得明显的产合物分解，造成海底滑坡、生物灭亡和气候变暖等气量。环境灾害。因此，建议尽快开展室外天然气水合物钻采方法的研究工作。2.4水力压裂法3)我国南海广阔的陆架及东海部分陆架具有形水力压裂工艺是利用温度相对较高的海水由高成天然气水合物的地质条件,建议尽快开展这两个压泵通过注人井注人水合物储层，在加热水合物储海区天然气水合物的勘查研究工作，为我国国民经层的同时还使其产生人工裂缝，为分解气体提供运济可持续发展提供新能源。移通道，从而达到高效开采水合物储层的目的。从参考文献生产井流出的气水两相流体经气水分离器分离出来[1]孙志高，王如竹.天然气水合物研究进展[J].天然气工的气体，经加工后直接输出(图1)。这种方法通过人业，2002, 22(1): 92-94.工控制增加储层裂隙，促进储层压力降低，同时温[2]赵建忠，石定贤.天然气水合物开采方法研究[J]矿业研究与开发，2007, 27(3): 32-35.热海水提供分解所需热量，可以认为水力压裂开采[3]张修安.天然气水合物开采及输送工艺技术研究[D].北是一种强化的综合热激法与减压法开采结合的新方京:中国石油大学，2007.法。[4]李颖川，胡顺渠.天然气节流温降机理模型[J].天然气工天然气水合物储层蕴藏有巨大的天然气资源,业，2003, 23(3): 70-73. .而且在天然气水合物储层之下往往还存在常规天然(编辑:蒋龙)气资源。前苏联开发的麦索雅哈气田证明，永陈区天然气技术/ 65