深水淺層天然氣水合物的分布及開發(fā)現(xiàn)狀

深水淺層天然氣水合物的分布及開發(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,全球天然氣水合物的資源總量換算成甲烷為(1.8～2.1)×1016m3,相當于全世界已知煤炭、石油和天然氣等能源總儲量的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巖氣、煤層氣之后又一儲量巨大的接替能源,深水將成為未來天然氣水合物資源開發(fā)的主要區(qū)域。同時,深水淺層水合物帶來的工程地質(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,其中海洋區(qū)域有24個(圖1)。自然界天然氣水合物的賦存儲層有砂巖型、砂巖裂隙型、細粒裂隙型和分散型(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、日本等分別采用降壓、注熱、CO2置換等方法對極地砂巖和海域砂巖儲層天然氣水合物進行了短期試采技術(shù)示范驗證,其安全性有待深入研究,并且單井測試產(chǎn)量距離商業(yè)開采門限還有很大距離。因此,對于儲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發(fā)則需要考慮一種全新的開采模式。筆者根據(jù)世界海域水合物取樣和我國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的環(huán)境風險,達到綠色可控開采的目的。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)核心問題等內(nèi)容展開論述,以期為天然氣水合物開采提供借鑒。1世界天然氣水合物資源試驗技術(shù)工程1.1天然氣開采“陸”的概念天然氣水合物巨大的資源潛力以及對環(huán)境的潛在影響吸引著世界各國勘查、試驗開采以及配套環(huán)境影響評價工作的不斷深入,美國、加拿大、德國、挪威以及我國周邊的日本、印度、韓國、越南等國家紛紛制定了天然氣水合物長期研究計劃,一陸三海”格局初步形成。“一陸”是指以北極凍“土帶的加拿大馬更歇、美國阿拉斯加、俄羅斯西西伯利亞為主,“三?！卑鞲鐬场⒂《妊睾?、南中國海和日本海。目前基于傳統(tǒng)的注熱、降壓、注劑等開采方法正在逐步開展系統(tǒng)的室內(nèi)模擬,并建立了針對天然氣水合物藏開發(fā)的多相滲流數(shù)值模擬系統(tǒng)。與此同時,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個天然氣水合物勘探試采的工業(yè)聯(lián)合項目吸引了諸多國家和研究機構(gòu)參與。加拿大馬更歇永久凍土已于2002年、2007—2008年實施了降壓、注熱等天然氣水合物試采方法驗證,美國于2012年在阿拉斯加永久凍土成功實施了降壓和CO2置換開發(fā)天然氣水合物試采技術(shù)驗證,墨西哥灣已經(jīng)實施了勘探和取樣以及試采方案的制定,日本也于2013年實施了海域試開采技術(shù)驗證工程。表1為目前世界各國天然氣水合物試采項目概況。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施,但天然氣水合物開發(fā)或無序分解潛在的環(huán)境風險和市場風險還未解決。1安全2潛在項目的地理風險3商業(yè)發(fā)展的風險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在南海北部陸坡東沙、神狐、西沙、瓊東南等4個海區(qū)開展了天然氣水合物資源調(diào)查,初步圈定11個遠景資源區(qū),資源量約680億噸油當量。分別于2007、2013年在我國海域進行了天然氣水合物取樣(表2),目前成為世界上第5個獲取海域天然氣水合物樣品的國家,初步證實我國海域具有廣闊的天然氣水合物資源前景。然而,對于海域天然氣水合物試采而言,我國目前所發(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)流化綠色開采概念核心為:將深水淺層弱膠結(jié)的天然氣水合物藏當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)開采方法,即采用采掘設(shè)備以固態(tài)形式開發(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小顆粒后,再與海水混合、采用封閉管道輸送至海洋平臺,然后將其在海上平臺進行后期處理和加工。圖3為天然氣水合物固態(tài)流化綠色開采原理圖。由于整個采掘過程是在海底天然氣水合物礦區(qū)進行,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,從而保證開采過程中海底天然氣水合物不會大量分解,實現(xiàn)了原位固態(tài)開發(fā),避免天然氣水合物分解可能帶來工程地質(zhì)災(zāi)害和溫室效應(yīng);同時,該方法利用了天然氣水合物在傳輸過程中溫度、壓力的自然變化,實現(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)流化綠色開采工藝基本組成包括海底機械采掘、水合物沉積物粉碎細化、海水引射與漿液舉升、上升過程中流化開采、上部分離及液化、沉積物回填以及動力等供應(yīng)單元(圖4),其核心有:1海床的原位固體開采2關(guān)閉海洋3分離海洋碎屑的系統(tǒng)4密封輸送過程中的天然氣水合物可控制分解5傳輸系統(tǒng)的現(xiàn)場分解和自我提升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)流化開采過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·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;其他符號含義同前。水合物分解及形成動力學(xué)模型,采用KimBishnoi模型,即式(5)中:f為當?shù)貧怏w逸度;feq為水氣平衡時氣體逸度;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。絕對滲透率模型,采用冪率模型估計當?shù)氐慕^對滲透率,即式(6)中:K為當?shù)亟^對滲透率,μm2;Φ0為地層無水合物時的孔隙度;K0為水合物完全分解后的絕對滲透率,即與Φ0對應(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)。相對滲透率模型,采用修改的Brooks-Corey模型來描述相對滲透率規(guī)律,即式(7)～(9)中:Krg、Krw分別為氣體和水的相對滲透率;分別為氣、水兩相相對滲透率端點值;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)相對應(yīng)指數(shù);pce為毛細管力,MPa:pc為沉積物壓力.MPa。由于水合物的特殊性,對飽和度進行了修正.采用有效流動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);其他符號含義同前。這樣可以獲得一定分解驅(qū)動壓力情況下,海底以及管道上升過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移過程中其溫度升高、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,重點需要考慮水合物相平衡條件以及分解動力學(xué)過程。水合物及水的相平衡可以通過式(14)、(15)進行計算,并結(jié)合試驗情況進行修正。當T<273.15K時當T≥273.15K時pe=exp(-1.9413850446456×105+式(14)、(15)中:pe為平衡壓力,MPa;T為溫度,K。由于管道輸送過程比較復(fù)雜,需要根據(jù)試驗和理論研究的不斷深入,對現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型和理論分析方法進行修正,從而得到更能反映其復(fù)雜、多相、含相變的非平衡動力學(xué)舉升過程。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)流化開采技術(shù)是一項涉及多學(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、碎細化、舉升過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)核心問題如下:12環(huán)境保護設(shè)備的開發(fā)和開發(fā)22海水提取物混合顆粒的固多相分解過程得到控制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)測試或?qū)⑵鋺?yīng)用于土地1)天然氣水合物是一種儲備性資源,尋找安全、高效、經(jīng)濟的開采方式是當前和今后一段時間內(nèi)世界科技前沿創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)重點,圍繞北極和海域的試采項目仍屬于試采技術(shù)驗證范疇,離生產(chǎn)測試、商業(yè)開發(fā)需求還有一定距離。2)目前世界極地和海域所進行的試采對象均是在成砂及多有下覆游離氣的水合物藏中進行,試采方法基本是常規(guī)油氣田的采氣方法,通過注熱、降壓、CO2置換等方法最終將水合物在儲層內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粴?再像常規(guī)采氣一樣輸送到水面,因此沒有從根本上解決安全風險的問題,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)流化開采技術(shù)是將水合物采掘、密閉漿液輸送到水面設(shè)施進行氣體回收,這是一種全新的開發(fā)思路,具有污染小、次生災(zāi)害小、不破壞下部孔隙性儲層水合物等核心優(yōu)勢,是一種潛在的天然氣水合物開發(fā)手段和方法。4)海洋天然氣水合物藏固態(tài)流化開采技術(shù)主要核心問題為水合物藏采掘和環(huán)保安全防護裝備研制、海水水合物混合顆粒氣液固多相非平衡分解過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、水下管匯等裝備,但還沒有成熟的深水水下采掘裝備及工業(yè)實踐經(jīng)驗,也沒有多相流化的傳送裝備和管道系統(tǒng),因此需要進行相關(guān)領(lǐng)域的探索與實踐,才能實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。盡管美國、加拿大、日本在北極凍土區(qū)域和日本近海進行了短期的天然氣水合物藏試采技術(shù)測試,但制約天然氣水合物開發(fā)的技術(shù)瓶頸“環(huán)境安全和高效開發(fā)”還沒有真正解決。在環(huán)境安全方面,大多數(shù)已證實的天然氣水合物礦體沒有像常規(guī)油氣一樣封閉的儲蓋層,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,其最堅實的蓋層仍是600多m的永久凍土層;同時目前有限的現(xiàn)場試驗時間(最長2個月)并沒有很好地解決安全問題,包括環(huán)境安全、裝備安全、生產(chǎn)安全的風險,一旦長期開發(fā),可能引發(fā)的地質(zhì)塌陷、生產(chǎn)安全等正在評估和繼續(xù)研究中。目前已經(jīng)實施的天然氣水合物試采工程均在致密、成巖儲層內(nèi)進行,試采時間短,回避了長期開采以及深水非成巖天然氣水合物開發(fā)面臨的潛在工程地質(zhì)風險。天然氣水合物短期生產(chǎn)測試證明了有關(guān)天然氣水合物開采技術(shù)的可行性,同時試采區(qū)多為有下覆游離氣的水合物礦藏,短期測試獲得日產(chǎn)約為2萬m3,距離當前天然氣商業(yè)開發(fā)的門限還有很大距離。天然氣水合物分解過程中將產(chǎn)生大量的水,面臨地層出砂風險以及地層和井筒內(nèi)水合物二次生成、砂堵等問題,加拿大、日本海域試采過程中均遇到砂堵、水合物二次生成問題,同時水合物開采過程安全監(jiān)測也是一個巨大挑戰(zhàn)。2007年我國3口井獲取天然氣水合物樣品點埋深在199～299m;2013年我國海域13口井獲取天然氣水合物取樣點埋深在13～199m。目前世界范圍內(nèi)海域天然氣水合物有約80%儲存在深水淺層未膠結(jié)的泥巖中,我國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,整個樣品的骨骼結(jié)構(gòu)幾乎完全破壞。目前為止,在我國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量大、弱膠結(jié)、穩(wěn)定性差的特點,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,存在潛在的風險,主要表現(xiàn)在:①海底淺層非成巖弱膠結(jié)水合物無序分解,可能帶來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,由于水合物藏沒有明顯的構(gòu)造邊界和嚴密的蓋層,隨著水合物規(guī)模開發(fā),地層結(jié)構(gòu)將開始變得疏散,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,而大量天然氣進入大氣層會造成溫室效應(yīng),對大氣環(huán)境造成損害;③由于天然氣水合物的分解,導(dǎo)致大量天然氣無序釋放,大量氣體的自由膨脹上升對海面上船只和空中飛行器均可能造成災(zāi)難。雖然在采掘過程中機械作業(yè)可能引起局部溫度變化,但相對海底穩(wěn)定的溫度場而言,其影響微乎其微,因此采掘過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。在密閉條件下進行海水引射,將采掘出的天然氣水合物進行粉碎細化后形成氣液固混合物流,利用海底舉升系統(tǒng)實現(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,在降低海底舉升系統(tǒng)功耗的同時,提高了有效輸送效率,增加舉升過程中水合物的自然分解量。利用海底管道輸送過程中的壓力溫度變化實現(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,整個管道和輸送系統(tǒng)相當于常規(guī)油氣藏的圈閉,從而保證生產(chǎn)安全,達到綠色可控開采的目的,避免潛在危害;其實質(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。考慮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,然后通過簡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發(fā)后,從根本上避免了各