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天然气水合物开采技术

发布时间:2020年06月10日
来源:地质论坛公众号(2020-06-09)

天然气水合物(化学式CH4·6H2O),主要分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中,是天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状结晶物质,因其外观像冰且遇火即可燃烧,所以又被称作可燃冰。天然气水合物资源密度高,全球分布广泛,具有极高的资源价值,是油气工业界长期研究的热点。20175月,中国首次海域天然气水合物试采成功,作为一种极具潜力的未来清洁能源,天然气水合物研究尤其是开采技术研究对于未来能源具有重要的战略意义。本文详细介绍了目前天然气水合物的开采技术与方法,主要有热力开采法、降压法、化学抑制剂法、二氧化碳置换法、固体开采法等。

 

我国首次海域天然气水合物试采成功

一、热力开采法

热力开采法又称热激法,开采前利用钻探技术在天然气水合物稳定层中安装管道,对含天然气水合物的地层进行加热,提高局部储层温度,从而促成天然气水合物分解,再用管道收集析出的天然气。热激法按照发热形式可以分为两种:①热量从表层进入水合物储层,例如注蒸汽、热水、热盐水等;热量在井下水合物储层内直接产生提供,例如井下燃烧、电磁制热、微波导热等。

(一)第一类热激方式

第一类热激方式传达能量的形式为通过媒介输送,热能以液体或气体为载体传到天然气水合物层。天然气水合物形成的条件是低温高压,热量的输送增加了井周围部分天然气水合物的温度,天然气水合物失去维持稳定的条件而分解。使用该方法开采的主要影响因素是热能的传递效率和可加热范围。但是液体或气体输送的过程总会有热量的散失,所以此方法存在较大能量损失,导致能量利用率变低。在已有的输送热量的媒介中,循环注入热盐水的开采效果能量效率相对较高,而且多井注入生产比单井生产有利,热激法开采示意图如图2所示。

热激法开采示意图

(二)第二类热激方式

第二类热激方式主要有井下原位燃烧、井下电磁加热、微波加热等作业方式。

井下燃烧法多用于冻土层水合物燃烧,本质上是其分解气的燃烧,燃烧热量一部分传递至水合物内部加热分解水合物,另一部分加热汽化水份并向周围空间散热。分解水层及石英砂层限制了分解气释放和热量向水合物内部传递,下层水合物分解缓慢,导致水合物不能燃尽而自行熄灭,故井下原位直接燃烧加热开采冻土区,不会造成整个水合物藏燃烧失控。

井下电磁加热技术就是在垂直(或水平)井中沿井的延伸方向在紧邻水合物带的上下(或水合物层内)放入不同的电极,再通以交变电流使其生热直接对储层加热。电磁加热法具有加热迅速且易于控制的优点,但需要大量的能量来源且设备复杂,有待进一步研究。

微波加热法即通过波导将微波导入井底,利用微波对物质的介电热效应对储层加热。微波加热效率一般在微波段102~104MHz之间最大。天然气水合物是一种极性分子,对微波有一定的吸收作用,微波对水合物有加热、造缝、非热效应三大作用,因此微波加热是体型加热,而且加热均匀。影响微波开采的主要因素是微波源功率和微波频率以及微波穿透深度。目前,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。

二、降压法

降压法是通过泵吸作用降低气体水合物储层的压力,使其低于水合物在该区域温度条件下相平衡压力,从而使水合物从固体分解相变产生甲烷气体的过程。降压法一般是通过降低水合物层之下的游离气聚集层的压力,从而使与游离气接触的水合物变得不稳定而分解。如果天然气水合物气藏与常规天然气藏相邻,则可通过开采水合物层之下的游离气来降低储层压力,随着游离气体的不断减少,天然气水合物与气之间的平衡不断受到破坏,使得气水合物层开始融化并产出气体不断补充到游离气气库中,直到天然气水合物开采完为止。降压法可以开采两种类型的天然气水合物矿藏:一种是水合物底层和盖层都是非渗透层;另一种是水合物盖层是非渗透层,而水合物层下面蕴藏着大量的游离天然气。降压法开采的影响因素主要是外部温压条件。降压法开采示意图如图3所示。

降压法开采示意图

三、化学抑制剂法

化学抑制剂法是通过添加化学抑制剂(包括盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等),导致部分天然气水合物分解的过程。因为该化学反应是双向进行的,天然气和水反应生成天然气水合物的同时,天然气水合物也在分解成天然气和水,而反应最终会到达平衡,即两个方向反应速率相等。不同的条件下(压力、温度、浓度和有无催化剂等)化学反应会达到不同的平衡状态,而天然气水合物在未开采时的状态就是在深海条件下的平衡状态,此时添加化学抑制剂,会使天然气水合物稳定存在的条件被改变,当前环境条件无法保持天然气水合物合成和分解的速率相同,需要反应向分解的方向进行来达到新的平衡状态,从而促使天然气水合物分解。影响化学抑制剂开采的主要因素是反应速率以及材料成本。化学抑制剂法开采示意图如图4所示。

化学抑制剂法开采示意图

四、二氧化碳置换法

二氧化碳置换法首先由日本研究者提出,方法依据的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CO2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CO2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CO2气体,CO2气体就可能与天然气水合物分解出的水生成CO2水合物,CO2水分子通过空间结构上的改变达到一种能量最低状态的平衡,比天然气水合物存在的状态能量要低,因此会有多余的能量以热的形式释放出来,促成周围的CH4水合物笼状体进一步的分解,最终完成置换反应过程。影响二氧化碳开采天然气水合物的主要因素是反应速率和水合物所储存的稳压环境和多孔介质特性。二氧化碳置换法开采示意图如图5所示。

二氧化碳置换法开采示意图

五、固体开采法

固体开采法是在海底把天然气水合物利用采矿机以固体形式采出,然后应用海底集矿总系统对浅层水合物进行初步分离,再利用水利提升系统将水合物提升到海平面。水合物在提升过程中,温度和压力均发生变化,水合物会不断分解,所以开采过程中用到了固液气三相混输技术。采出的天然气水合物固体经粉碎机磨碎后送往分离器,然后使用水泵将海水引入分离器,利用海水温度(一般为二十度左右)对天然气水合物加热使其充分分解。影响固体开采法的主要因素就是对三相流动过程的精准把握与控制。固体开采法开采示意图如图6所示。

固体开采法开采示意图

六、小结

作为一种极具潜力的未来清洁能源,天然气水合物研究尤其是开采技术研究对于未来能源具有重要的战略意义。当前开采技术中热采法效率低,且只能实现局部加热;电磁法、微波法加热范围广,有望实现大规模开采,但产生能量的设备复杂;降压法作业量巨大,且花费高,但可实现大规模开采;二氧化碳置换法对环境影响小,但是置换效率和速率不高;固体提升法采出耗能较大。

虽然目前还没有实现大规模商采,但是在全球能源短缺的压力以及天然气水合物能源诱人前景的吸引下,世界各国都在加紧试验和研究,天然气水合物资源有望成为21世纪的主要能源。

 

[责任编辑:dc]

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