深水淺層天然氣水合物的分布及開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

深水淺層天然氣水合物的分布及開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

天然氣水合物也被稱為“可燃燒的冰”。這是一種高密度、高熱值的季度能源。主要分布在北極冷土帶和印度洋、太平洋、北冰洋和大西洋等深水區(qū)域（水深大于300m海床，深度為0.1100m），約95%的遺址分布在深水區(qū)。據(jù)估計(jì),全球天然氣水合物的資源總量換算成甲烷為(1.8～2.1)×1016m3,相當(dāng)于全世界已知煤炭、石油和天然氣等能源總儲(chǔ)量的2倍。因此,天然氣水合物特別是海洋天然氣水合物有可能成為頁(yè)巖氣、煤層氣之后又一儲(chǔ)量巨大的接替能源,深水將成為未來(lái)天然氣水合物資源開(kāi)發(fā)的主要區(qū)域。同時(shí),深水淺層水合物帶來(lái)的工程地質(zhì)災(zāi)害和溫室效應(yīng)也已經(jīng)引起各沿海國(guó)家的高度重視。目前,全世界已獲取水合物巖心的區(qū)域有32個(gè),其中海洋區(qū)域有24個(gè)(圖1)。自然界天然氣水合物的賦存儲(chǔ)層有砂巖型、砂巖裂隙型、細(xì)粒裂隙型和分散型(圖2)。從取樣情況看,已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物通常存在于水深300～3000m的海底,主要附存于陸坡、島嶼和盆地的表層沉積物或沉積巖中,也有部分散布于海底或湖底以水合物砂粒狀出現(xiàn)。2002—2007年、2012年及2013年,加拿大、美國(guó)、日本等分別采用降壓、注熱、CO2置換等方法對(duì)極地砂巖和海域砂巖儲(chǔ)層天然氣水合物進(jìn)行了短期試采技術(shù)示范驗(yàn)證,其安全性有待深入研究,并且單井測(cè)試產(chǎn)量距離商業(yè)開(kāi)采門限還有很大距離。因此,對(duì)于儲(chǔ)存在海底表層幾米到200m之內(nèi)深水淺層、弱膠結(jié)的天然氣水合物的開(kāi)發(fā)則需要考慮一種全新的開(kāi)采模式。筆者根據(jù)世界海域水合物取樣和我國(guó)海域水合物取樣情況,首次提出了深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化開(kāi)采技術(shù),即將深水淺層不可控的非成巖天然氣水合物藏通過(guò)海底采掘、密閉流化舉升系統(tǒng)變?yōu)榭煽氐奶烊粴馑衔镔Y源,從而保證生產(chǎn)安全,減少淺層水合物分解可能帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),達(dá)到綠色可控開(kāi)采的目的。本文主要圍繞深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化開(kāi)采技術(shù)提出的背景、技術(shù)原理、數(shù)學(xué)分析方法及主要技術(shù)核心問(wèn)題等內(nèi)容展開(kāi)論述,以期為天然氣水合物開(kāi)采提供借鑒。1世界天然氣水合物資源試驗(yàn)技術(shù)工程1.1天然氣開(kāi)采“陸”的概念天然氣水合物巨大的資源潛力以及對(duì)環(huán)境的潛在影響吸引著世界各國(guó)勘查、試驗(yàn)開(kāi)采以及配套環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作的不斷深入,美國(guó)、加拿大、德國(guó)、挪威以及我國(guó)周邊的日本、印度、韓國(guó)、越南等國(guó)家紛紛制定了天然氣水合物長(zhǎng)期研究計(jì)劃,一陸三海”格局初步形成?！耙魂憽笔侵敢员睒O凍“土帶的加拿大馬更歇、美國(guó)阿拉斯加、俄羅斯西西伯利亞為主,“三?！卑鞲鐬?、印度沿海、南中國(guó)海和日本海。目前基于傳統(tǒng)的注熱、降壓、注劑等開(kāi)采方法正在逐步開(kāi)展系統(tǒng)的室內(nèi)模擬,并建立了針對(duì)天然氣水合物藏開(kāi)發(fā)的多相滲流數(shù)值模擬系統(tǒng)。與此同時(shí),加拿大馬更歇永久凍土、阿拉斯加永久凍土、墨西哥灣海域、新西蘭海域等4個(gè)天然氣水合物勘探試采的工業(yè)聯(lián)合項(xiàng)目吸引了諸多國(guó)家和研究機(jī)構(gòu)參與。加拿大馬更歇永久凍土已于2002年、2007—2008年實(shí)施了降壓、注熱等天然氣水合物試采方法驗(yàn)證,美國(guó)于2012年在阿拉斯加永久凍土成功實(shí)施了降壓和CO2置換開(kāi)發(fā)天然氣水合物試采技術(shù)驗(yàn)證,墨西哥灣已經(jīng)實(shí)施了勘探和取樣以及試采方案的制定,日本也于2013年實(shí)施了海域試開(kāi)采技術(shù)驗(yàn)證工程。表1為目前世界各國(guó)天然氣水合物試采項(xiàng)目概況。1.2天然氣水合物的研究雖然天然氣水合物凍土和海域的短期試采已實(shí)施,但天然氣水合物開(kāi)發(fā)或無(wú)序分解潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)還未解決。1安全2潛在項(xiàng)目的地理風(fēng)險(xiǎn)3商業(yè)發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)4技術(shù)挑戰(zhàn)。技術(shù)挑戰(zhàn)2深水平天然氣水合物固定流采技術(shù)2.1天然氣水合物資源概況我國(guó)在南海北部陸坡東沙、神狐、西沙、瓊東南等4個(gè)海區(qū)開(kāi)展了天然氣水合物資源調(diào)查,初步圈定11個(gè)遠(yuǎn)景資源區(qū),資源量約680億噸油當(dāng)量。分別于2007、2013年在我國(guó)海域進(jìn)行了天然氣水合物取樣(表2),目前成為世界上第5個(gè)獲取海域天然氣水合物樣品的國(guó)家,初步證實(shí)我國(guó)海域具有廣闊的天然氣水合物資源前景。然而,對(duì)于海域天然氣水合物試采而言,我國(guó)目前所發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物區(qū)域試采難度大,主要表現(xiàn)為:1埋深2硬結(jié)3非導(dǎo)電巖石采礦技術(shù)仍然是空白2.2封閉管道輸送法深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化綠色開(kāi)采概念核心為:將深水淺層弱膠結(jié)的天然氣水合物藏當(dāng)作一種海底礦藏資源,利用其在海底溫度和壓力下的穩(wěn)定性,采用固態(tài)開(kāi)采方法,即采用采掘設(shè)備以固態(tài)形式開(kāi)發(fā)天然氣水合物礦體,將含天然氣水合物的沉積物粉碎成細(xì)小顆粒后,再與海水混合、采用封閉管道輸送至海洋平臺(tái),然后將其在海上平臺(tái)進(jìn)行后期處理和加工。圖3為天然氣水合物固態(tài)流化綠色開(kāi)采原理圖。由于整個(gè)采掘過(guò)程是在海底天然氣水合物礦區(qū)進(jìn)行,未改變天然氣水合物存在的溫度、壓力條件,類似于構(gòu)建了一個(gè)由海底管道、泵送系統(tǒng)組成的人工封閉區(qū)域,起到常規(guī)油氣藏蓋層的封閉作用,使海底淺層無(wú)圈閉構(gòu)造的天然氣水合物礦體變成了封閉體系內(nèi)分解可控的人工封閉礦體,從而保證開(kāi)采過(guò)程中海底天然氣水合物不會(huì)大量分解,實(shí)現(xiàn)了原位固態(tài)開(kāi)發(fā),避免天然氣水合物分解可能帶來(lái)工程地質(zhì)災(zāi)害和溫室效應(yīng);同時(shí),該方法利用了天然氣水合物在傳輸過(guò)程中溫度、壓力的自然變化,實(shí)現(xiàn)了在密閉輸送管線范圍內(nèi)可控有序分解。深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化綠色開(kāi)采工藝基本組成包括海底機(jī)械采掘、水合物沉積物粉碎細(xì)化、海水引射與漿液舉升、上升過(guò)程中流化開(kāi)采、上部分離及液化、沉積物回填以及動(dòng)力等供應(yīng)單元(圖4),其核心有:1海床的原位固體開(kāi)采2關(guān)閉海洋3分離海洋碎屑的系統(tǒng)4密封輸送過(guò)程中的天然氣水合物可控制分解5傳輸系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)分解和自我提升6水泵送系統(tǒng)7化學(xué)法的穩(wěn)定體系8礦砂在現(xiàn)場(chǎng)回收，保持海底的原始外觀9避免人為災(zāi)害10自然壓井2.3油氣水合物飽和度深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化開(kāi)采過(guò)程涉及到固體顆粒破碎、固體-海水混合、水合物顆粒-海水-氣體混合輸送過(guò)程,其中最為關(guān)鍵的控制因素是沉積物中天然氣水合物分解規(guī)律以及海底舉升過(guò)程中天然氣水合物由于壓力變化、不斷分解而產(chǎn)生的非平衡多相流體舉升過(guò)程。氣相控制方程液相控制方程水合物相控制方程式(1)～(3)中:ρg、ρw、ρi、ρh分別為氣相、水相、冰相、水合物的密度,g/cm3;μg、μw分別為氣相、水相的粘度,mPa·s;Kg、Kw分別為氣相、水相的有效滲透率,μm2;Φ為水合物飽和度為0時(shí)的地層孔隙度,小數(shù);pg、pw分別為氣相、水相壓力,10-1MPa;qg、qw分別為氣相、水相的源匯項(xiàng)·g(cm3·s);Sw、Sg、St、Sh分別為水相、氣相、冰相、水合物的飽和度,小數(shù);mw、mg、mh分別為水合物分解時(shí)釋放出的水、甲烷氣的質(zhì)量以及水合物分解量,g/(cm3·s);g為重力加速度,m/s2。能量方程式(4)中:Ct、Cw、Cg分別為綜合比熱及水、氣的比熱,J/(m·K);T為溫度,K;kt導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);ΔHh為每摩爾水合物分解時(shí)從地層吸收的熱量,J/mol;ΔHi為在臨界溫度下每摩爾水固化成冰時(shí)釋放的熱量,J/mol;ql、qtinj為源匯相,J;qe為體系與周圍介質(zhì)的熱交換,J;其他符號(hào)含義同前。水合物分解及形成動(dòng)力學(xué)模型,采用KimBishnoi模型,即式(5)中:f為當(dāng)?shù)貧怏w逸度;feq為水氣平衡時(shí)氣體逸度;kd為天然氣水合物分解反應(yīng)速率,mol/(10-1MPa·cm2·s);As為天然氣水合物粒子反應(yīng)的比表面積,cm2。絕對(duì)滲透率模型,采用冪率模型估計(jì)當(dāng)?shù)氐慕^對(duì)滲透率,即式(6)中:K為當(dāng)?shù)亟^對(duì)滲透率,μm2;Φ0為地層無(wú)水合物時(shí)的孔隙度;K0為水合物完全分解后的絕對(duì)滲透率,即與Φ0對(duì)應(yīng)的滲透率,μm2;Φe為有效孔隙度,小數(shù);β為滲透率下降指數(shù)。相對(duì)滲透率模型,采用修改的Brooks-Corey模型來(lái)描述相對(duì)滲透率規(guī)律,即式(7)～(9)中:Krg、Krw分別為氣體和水的相對(duì)滲透率;分別為氣、水兩相相對(duì)滲透率端點(diǎn)值;為氣相、水相的有效飽和度,小數(shù);ng、nw、ne分別為氣體、水和孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)指數(shù);pce為毛細(xì)管力,MPa:pc為沉積物壓力.MPa。由于水合物的特殊性,對(duì)飽和度進(jìn)行了修正.采用有效流動(dòng)空間上的有效飽和度定義方法,即式(10)～(13)中:Sgr、Swr分別為殘余氣和殘余水的有效飽和度,小數(shù);其他符號(hào)含義同前。這樣可以獲得一定分解驅(qū)動(dòng)壓力情況下,海底以及管道上升過(guò)程中水合物分解后的氣體、液體量(圖5、6),為管道輸送提供計(jì)算分析的依據(jù)。2常規(guī)管流模型由于水合物由海底沿管流向上運(yùn)移過(guò)程中其溫度升高、壓力減小,水合物不斷分解,相態(tài)不斷轉(zhuǎn)化,所以需要建立涉及非平衡水合物相態(tài)的多相管流動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及求解方法。其中,漿液輸送可以采用常規(guī)管流模型,重點(diǎn)需要考慮水合物相平衡條件以及分解動(dòng)力學(xué)過(guò)程。水合物及水的相平衡可以通過(guò)式(14)、(15)進(jìn)行計(jì)算,并結(jié)合試驗(yàn)情況進(jìn)行修正。當(dāng)T<273.15K時(shí)當(dāng)T≥273.15K時(shí)pe=exp(-1.9413850446456×105+式(14)、(15)中:pe為平衡壓力,MPa;T為溫度,K。由于管道輸送過(guò)程比較復(fù)雜,需要根據(jù)試驗(yàn)和理論研究的不斷深入,對(duì)現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型和理論分析方法進(jìn)行修正,從而得到更能反映其復(fù)雜、多相、含相變的非平衡動(dòng)力學(xué)舉升過(guò)程。2.4海底水合物沉積物挖掘、破碎和舉升技術(shù)深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化開(kāi)采技術(shù)是一項(xiàng)涉及多學(xué)科、多專業(yè)交叉的前沿技術(shù)方向,海底水合物沉積物采掘、碎細(xì)化、舉升過(guò)程均有許多需要解決和深入研究的技術(shù)和裝備難題,主要技術(shù)核心問(wèn)題如下:12環(huán)境保護(hù)設(shè)備的開(kāi)發(fā)和開(kāi)發(fā)22海水提取物混合顆粒的固多相分解過(guò)程得到控制31水合物固相采集是在非平衡管流上升系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立的3天然氣水合物的短期生產(chǎn)測(cè)試或?qū)⑵鋺?yīng)用于土地1)天然氣水合物是一種儲(chǔ)備性資源,尋找安全、高效、經(jīng)濟(jì)的開(kāi)采方式是當(dāng)前和今后一段時(shí)間內(nèi)世界科技前沿創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)重點(diǎn),圍繞北極和海域的試采項(xiàng)目仍屬于試采技術(shù)驗(yàn)證范疇,離生產(chǎn)測(cè)試、商業(yè)開(kāi)發(fā)需求還有一定距離。2)目前世界極地和海域所進(jìn)行的試采對(duì)象均是在成砂及多有下覆游離氣的水合物藏中進(jìn)行,試采方法基本是常規(guī)油氣田的采氣方法,通過(guò)注熱、降壓、CO2置換等方法最終將水合物在儲(chǔ)層內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粴?再像常規(guī)采氣一樣輸送到水面,因此沒(méi)有從根本上解決安全風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題,也不適用于深水淺層水合物藏。3)海洋天然氣水合物藏固態(tài)流化開(kāi)采技術(shù)是將水合物采掘、密閉漿液輸送到水面設(shè)施進(jìn)行氣體回收,這是一種全新的開(kāi)發(fā)思路,具有污染小、次生災(zāi)害小、不破壞下部孔隙性儲(chǔ)層水合物等核心優(yōu)勢(shì),是一種潛在的天然氣水合物開(kāi)發(fā)手段和方法。4)海洋天然氣水合物藏固態(tài)流化開(kāi)采技術(shù)主要核心問(wèn)題為水合物藏采掘和環(huán)保安全防護(hù)裝備研制、海水水合物混合顆粒氣液固多相非平衡分解過(guò)程控制和水合物藏固態(tài)采掘水下輸送氣液固多相非平衡管流舉升系統(tǒng)建立。5)海底淺層水合物固態(tài)流化開(kāi)采裝置研制是前人尚未涉足的領(lǐng)域,雖然目前已經(jīng)有水下井口采油樹(shù)、水下管匯等裝備,但還沒(méi)有成熟的深水水下采掘裝備及工業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),也沒(méi)有多相流化的傳送裝備和管道系統(tǒng),因此需要進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的探索與實(shí)踐,才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。盡管美國(guó)、加拿大、日本在北極凍土區(qū)域和日本近海進(jìn)行了短期的天然氣水合物藏試采技術(shù)測(cè)試,但制約天然氣水合物開(kāi)發(fā)的技術(shù)瓶頸“環(huán)境安全和高效開(kāi)發(fā)”還沒(méi)有真正解決。在環(huán)境安全方面,大多數(shù)已證實(shí)的天然氣水合物礦體沒(méi)有像常規(guī)油氣一樣封閉的儲(chǔ)蓋層,即使在北極試采區(qū)天然氣水合物藏雖以砂巖的形式賦存,其最堅(jiān)實(shí)的蓋層仍是600多m的永久凍土層;同時(shí)目前有限的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)間(最長(zhǎng)2個(gè)月)并沒(méi)有很好地解決安全問(wèn)題,包括環(huán)境安全、裝備安全、生產(chǎn)安全的風(fēng)險(xiǎn),一旦長(zhǎng)期開(kāi)發(fā),可能引發(fā)的地質(zhì)塌陷、生產(chǎn)安全等正在評(píng)估和繼續(xù)研究中。目前已經(jīng)實(shí)施的天然氣水合物試采工程均在致密、成巖儲(chǔ)層內(nèi)進(jìn)行,試采時(shí)間短,回避了長(zhǎng)期開(kāi)采以及深水非成巖天然氣水合物開(kāi)發(fā)面臨的潛在工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。天然氣水合物短期生產(chǎn)測(cè)試證明了有關(guān)天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)的可行性,同時(shí)試采區(qū)多為有下覆游離氣的水合物礦藏,短期測(cè)試獲得日產(chǎn)約為2萬(wàn)m3,距離當(dāng)前天然氣商業(yè)開(kāi)發(fā)的門限還有很大距離。天然氣水合物分解過(guò)程中將產(chǎn)生大量的水,面臨地層出砂風(fēng)險(xiǎn)以及地層和井筒內(nèi)水合物二次生成、砂堵等問(wèn)題,加拿大、日本海域試采過(guò)程中均遇到砂堵、水合物二次生成問(wèn)題,同時(shí)水合物開(kāi)采過(guò)程安全監(jiān)測(cè)也是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。2007年我國(guó)3口井獲取天然氣水合物樣品點(diǎn)埋深在199～299m;2013年我國(guó)海域13口井獲取天然氣水合物取樣點(diǎn)埋深在13～199m。目前世界范圍內(nèi)海域天然氣水合物有約80%儲(chǔ)存在深水淺層未膠結(jié)的泥巖中,我國(guó)2次多口井取樣的樣品即呈現(xiàn)出這類性質(zhì),一旦降壓分解,整個(gè)樣品的骨骼結(jié)構(gòu)幾乎完全破壞。目前為止,在我國(guó)海域所取得的天然氣水合物樣品均為非成巖天然氣水合物,全球成功獲取的天然氣水合物絕大多數(shù)也是非成巖天然氣水合物。深水非成巖天然氣水合物具有儲(chǔ)量大、弱膠結(jié)、穩(wěn)定性差的特點(diǎn),一旦所在區(qū)域的溫度、壓力條件發(fā)生變化,就可能導(dǎo)致海底非成巖天然氣水合物的大量分解、氣化和自由釋放,存在潛在的風(fēng)險(xiǎn),主要表現(xiàn)在:①海底淺層非成巖弱膠結(jié)水合物無(wú)序分解,可能帶來(lái)潛在的海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,即使是膠結(jié)性較好的成巖水合物,由于水合物藏沒(méi)有明顯的構(gòu)造邊界和嚴(yán)密的蓋層,隨著水合物規(guī)模開(kāi)發(fā),地層結(jié)構(gòu)將開(kāi)始變得疏散,可能導(dǎo)致海底地層不穩(wěn)定;②非成巖水合物主要分解為天然氣和水,而大量天然氣進(jìn)入大氣層會(huì)造成溫室效應(yīng),對(duì)大氣環(huán)境造成損害;③由于天然氣水合物的分解,導(dǎo)致大量天然氣無(wú)序釋放,大量氣體的自由膨脹上升對(duì)海面上船只和空中飛行器均可能造成災(zāi)難。雖然在采掘過(guò)程中機(jī)械作業(yè)可能引起局部溫度變化,但相對(duì)海底穩(wěn)定的溫度場(chǎng)而言,其影響微乎其微,因此采掘過(guò)程中可以保持一定的溫度和壓力條件,確保海底天然氣水合物礦體基本不分解。在密閉條件下進(jìn)行海水引射,將采掘出的天然氣水合物進(jìn)行粉碎細(xì)化后形成氣液固混合物流,利用海底舉升系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)密閉輸送?？筛鶕?jù)天然氣水合物沉積物中砂含量和密度,在海水與沉積物混合后,泵送前端采用水下旋流砂分離技術(shù),將部分砂分離出來(lái),在降低海底舉升系統(tǒng)功耗的同時(shí),提高了有效輸送效率,增加舉升過(guò)程中水合物的自然分解量。利用海底管道輸送過(guò)程中的壓力溫度變化實(shí)現(xiàn)部分天然氣水合物自然分解,將深水淺層不可控的非成巖天然氣水合物藏通過(guò)采掘密閉流化舉升系統(tǒng)變?yōu)榭煽氐奶烊粴馑衔镔Y源,整個(gè)管道和輸送系統(tǒng)相當(dāng)于常規(guī)油氣藏的圈閉,從而保證生產(chǎn)安全,達(dá)到綠色可控開(kāi)采的目的,避免潛在危害;其實(shí)質(zhì)是將海底非成巖不可控的天然氣水合物藏轉(zhuǎn)變?yōu)槊荛]管道內(nèi)可控制的天然氣水合物藏,密閉管道系統(tǒng)就相當(dāng)于常規(guī)油氣藏的致密蓋層。利用立管高度變化和外界海水溫度變化,部分天然氣水合物自然分解產(chǎn)生的氣體和水,特別是水合物分解后將使氣體壓力增壓,混合物密度降低,可實(shí)現(xiàn)部分水合物漿液自氣舉。如果海水很深,泥沙含量大,可根據(jù)實(shí)際舉升壓力核算后,考慮在距海平面一定位置(如400～500m深度)增設(shè)水中泵送系統(tǒng),保證天然氣水合物漿液穩(wěn)定輸送到水面處理設(shè)施?？紤]到天然氣水合物到海平面的壓力變化較大,容易出現(xiàn)大量氣化,須添加甲烷穩(wěn)定劑,添加了穩(wěn)定劑的混合漿液泵送至海洋平臺(tái),然后通過(guò)簡(jiǎn)單工藝處理完成甲烷提取。分離后礦砂就地回填,保持海底原貌,避免次生地質(zhì)災(zāi)害。深水非成巖天然氣水合物資源開(kāi)發(fā)后,從根本上避免了各