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天然气水合物的开采研究

发布时间:2021-03-22人气:
天然气水合物(NaturalGasHydrates,NGH),是由天然气分子与水分子在高压低温情况下形成的笼形结晶化合物,其外形如冰雪状,由于其遇火可以燃烧,俗称为“可燃冰”。标准状态下1m3固体水合物可释放出164~200m3的天然气。在自然界中,天然气水合物主要赋存于满足高压低温条件的高纬度冻土带和深海沉积物中。
一、资源储量:
(1)国际储量:
尽管目前没有准确的方法对全球的水合物资源进行计算和评估,研究结果表明全球水合物资源的储藏量非常巨大,折合成标准状况的甲烷气体积在1015~1018m3之间(1000~1000000万亿立方米,1~1000万亿吨油当量)(1000立方米天然气=1吨石油)。目前达成的一致共识是全球水合物资源的含碳量是所有其它传统化石资源(石油、煤、常规天然气)含碳量总和的两倍。研究表明,海洋水合物资源储量巨大,估算技术可采资源量约3×1015m3(3万亿吨油当量)。
(2)国内储量:
地质勘探结果显示,我国具有丰富的冻土和海洋天然气水合物资源,地质学、地球物理和地球化学证据均表明在我国青海-西藏高原存在冻土区天然气水合物。2008-2009年,在祁连山冻土区钻获了天然气水合物样品。据估计,蕴藏在我国青海-西藏高原的水合物资源量大约在1.2×1011~2.4×1014m3之间。一般认为,青藏高原冻土区天然气水合物资源约350亿吨油当量。
二、开采方法:
天然气水合物以固态形式赋存于自然界中,为了实现它作为潜在能源的价值,首先要改变天然气水合物的相平衡条件使其分解成气体和水。目前,研究者们通过现场试验、实验室模拟、和数值模拟手段发现开采天然气水合物的常规方法有:
(1)降压法
降压法由于不需要额外的外界能量和物质输入而被广泛用于天然气水合物开采的研究。即通过降低水合物储层的压力至水合物藏温度对应的相平衡压力以下,打破水合物稳定存在的条件使其分解成气体和水。降压法开采水合物的优点是操作简单,能量效率较高。
(2)热激法
热激法是指利用热力学方式,通过注入热流体(热水或热蒸汽)或微波、电磁等方式加热天然气水合物存在的矿藏,让水合物藏的温度高于水合物能稳定存在的相平衡温度,从而使得天然气水合物分解为气体和水。目前,只有注热法是一种广泛得到的研究的热激方法。主要是通过注入热流体(热水、热蒸汽等)使水合物藏的温度高于其稳定存在的相平衡条件使其分解。注热法是一种能源消耗量比较高的方法,需要水合物藏内的孔隙流体被加热且变成可移动流体,待水合物藏的温度升高至较高的温度,才能有较高的水合物分解速率。
(3)注抑制剂法;
注抑制剂开采天然气水合物是指向水合物藏注入甲醇、乙二醇等有机化合物或者海水或者盐水等无机化合物,使水合物藏原有的相平衡曲线向温度更高压力更低的方向移动以促进水合物分解成气体和水。它的缺点是抑制剂的用量大、成本高、回收难度大、容易对环境造成污染。并且在水合物分解的过程中,水合物分解得到的自由水与注入的抑制剂混合会降低抑制剂的浓度。而且,在有多孔介质存在时,注入的抑制剂在水合物藏中的传质范围受到限制,这些因素导致注入抑制剂开采水合物的效果有限。
(4)二氧化碳置换法
随着人类社会对温室气体排放控制的重视,研究者提出了一种新型环保的开采水合物的方法,即二氧化碳置换法。二氧化碳置换法是指将二氧化碳注入到水合物藏,置换出甲烷气体,同时把二氧化碳气体封存在海底的水合物开采技术。尽管二氧化碳置换被认为是一种具有前景的新型开采方法,但是置换速率低、置换效率低是阻碍二氧化碳置换方法商业化运用的重要阻碍。与此同时,目前对二氧化碳置换的机理研究尚未达成统一的成熟观点。
(5)联合开采方法
每种方法都有各自的优点和缺点,选取合适的开采方法经济有效的开采天然气水合物具有重要的研究价值。
三、开采难点:
海底天然气水合物藏是由天然气、水、水合物、冰、砂等组成的多相多组分复杂沉积物体系,天然气水合物开采涉及的基础科学问题及其相互作用不仅包括由天然气水合物分解引起的相态变化、储层变形、气液固多相渗流和传热传质动态变化过程,而且包括储层变形及多相渗流变化对传热传质及水合物分解的反作用,这些过程相互影响,相互制约,导致天然气水合物开采技术难度大、成本高、地层稳定和安全控制难度大。
(1)绝大多数天然气水合物(>90%)的天然气水合物赋存在海深1000-2000米,沉积层厚度0-500米的海底,沉积层主要以砂质、粉砂质及海泥构成,大多数多孔介质渗透率极低(小于1达西),导致开采过程的流动传质过程较为困难。
(2)并且天然气水合物赋存区域往往没有完整的圈闭层(不可渗透的上盖层),导致钻井开采相比传统油气藏开采难度加大,容易产生泄露等危险。
(3)开采过程中,水合物从固相转化为流体导致地层有效孔隙度、有效渗透率、地层应力发生急剧的变化,所以容易导致地层变形、地层液化、开采井堵塞等危险,继而影响开采进程。
(4)目前全球试开采均是短期开采,长期稳定的水合物开采方法以及开采经济性评价、环境评价、安全评价均尚待解决。
四、环境影响:
(1)全球气候变化
由于水合物在海底是一个动态稳定的状态,较为著名是“水合物枪”假说,认为如果过去的15000年内存储在水合物中的甲烷被释放的话,会造成剧烈的全球变暖(甲烷的温室效应是二氧化碳的20倍)。所以,天然气水合物被认为是全球气候变化的潜在因素之一。但是目前科学界对这个假说是否合理仍然存在争议。目前,挪威科学家正在针对全球气候变化是否会令北极冰盖及冻土区水合物分解,从而加剧温室效应而开展研究。所以,水合物开采过程中,防止开采过程中甲烷气从管道以及地层的泄漏是开采商业开采亟需研究的课题。
(2)地质灾害
天然气水合物开采过程中,沉积物中的水合物分解由固体转变为流体(天然气和水)会导致水合物对沉积物的胶结作用减弱,沉积层孔隙压力和上覆压力变化引起有效应力发生改变,导致沉积物骨架结构变化或脆性破坏,导致储层变形、产砂、产出井堵塞,严重的还可能导致整个地层失稳、塌陷、甲烷泄露等地质和环境危害。目前,国内外对这方面的研究还很少,基本沿用经典土力学理论,对水合物对沉积物的胶结作用缺乏足够的实验数据支撑。因此,研究阐明水合物对沉积物的胶结作用机理,揭示沉积层结构变化与其力学性能响应规律,阐明开采过程水合物分解引起的沉积层结构变形及脆性破坏触发机制,就成为天然气水合物安全开采,防止诱发的海底滑坡等地质灾害,防砂控砂必须解决的关键科学问题之一。
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