魏鏡酈

(武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院　湖北　武漢：430080)

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天然氣水合物開采方法的研究進(jìn)展

魏鏡酈

(武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院湖北武漢：430080)

摘要在世界范圍內(nèi)氣體水合物最為廣泛分布的位置為海洋沉積物和極地永久凍土帶。為了緩解全球能源緊缺危機(jī)，對天然氣水合物的開采方法的研究空前活躍，目前國內(nèi)外所提出的天然氣水合物的開采方法還只處于模擬試驗(yàn)階段，所提出的天然氣水合物開采路線分為固態(tài)開采和地下分解開采兩種：固態(tài)開采效率高，但技術(shù)難度大，適用于淺埋藏，高飽和度的水合物藏開采；地下分解開采研究得最多，開采的傳統(tǒng)方法均是基于使水合物的溫度和壓力條件降低到平衡條件以下，從而破壞水合物的相平衡，而使水合物分解，可歸納為熱激發(fā)法、降壓法和注入化學(xué)試劑法三類。

關(guān)鍵詞天然氣水合物；清潔能源；開采方法；熱激法；降壓法

天然氣水合物是指在一定的溫度和壓力下由水分子和氣體分子形成的非化學(xué)計(jì)量的晶體化合物，水分子間通過分子間氫鍵結(jié)合起來，氣體分子占據(jù)由水分子構(gòu)成的籠子中。按照水分子的空間分布特征區(qū)分，到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物的結(jié)構(gòu)主要有三種：結(jié)構(gòu)I型、結(jié)構(gòu)II型和結(jié)構(gòu)H型[1]。

自從發(fā)現(xiàn)在自然界有天然氣水合物大規(guī)模儲存以來,許多國家都將目光投向了這個能量密度高、儲量巨大、清潔環(huán)保的未來潛在新能源。美國制定了甲烷水合物研究和發(fā)展中長期規(guī)劃,預(yù)計(jì)在2015年進(jìn)行商業(yè)試開采,日本也計(jì)劃在2016年正式進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)。海域中發(fā)現(xiàn)的水合物數(shù)量占絕大多數(shù),因此開采海底天然氣水合物應(yīng)是未來研究的重心[2]。本文綜述了天然氣水合物各種開采方法的研究進(jìn)展。

1熱激法

熱激法就是利用傳熱、電磁、微波等手段提高局部地層水合物溫度，使其分解，從而釋放出天然氣的方法。熱激法大致包括井下電磁加熱法、注熱開采法和微波加熱法。但目前看來，只有注熱開采法的應(yīng)用前景值得探討。注熱法主要是將熱水、蒸氣、熱鹽水或其他熱的流體從地面利用高壓泵打入天然氣水合物地層，使水合物層的溫度上升，從而達(dá)到天然氣水合物分解的目的。注熱熱激發(fā)法不但作用方式較快，而且可實(shí)現(xiàn)循環(huán)注熱，由于注熱方式的不斷改進(jìn)也促進(jìn)了熱激法的發(fā)展。但是注熱法也存在耗能大的缺點(diǎn)，注熱過程中不僅要提供破壞水合物相平衡使之分解的熱量，同時(shí)還要加熱孔隙氣體液體和沉積物。因?yàn)榻^大多數(shù)水合物分布在超過300m水深的海底沉積物中,有的達(dá)幾千米,其在海底埋藏也還有一定厚度。這導(dǎo)致熱液會在很長管線中循環(huán),熱損失較大也就不可避免了。這種方法至今為止尚不能很好地解決熱量損失較大的問題，而只能進(jìn)行局部加熱，因此該方法尚有待進(jìn)一步完善。

Gang Li和Xiao-Sen Li等[3]應(yīng)用半工業(yè)規(guī)模水合物模擬器和雙水平井注熱開采海底天然氣水合物，雙水平井是指它在靠近天然氣儲層的下方鉆一對水平井，該對水平井相互平行，上面水平井注熱蒸汽，下面水平井收集開采到的氣體。該研究運(yùn)用蒸汽輔助重力泄油法(SAGD)和蒸汽輔助反重力排水法(SAAD)兩種方法，對水合物的開采進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究。這項(xiàng)研究是第一次對這兩種方法進(jìn)行了評估和比較。SAGD和SAAD均適用于高滲儲層疏松水合物的開采，該研究結(jié)果顯示對于SAGD，蒸汽室膨脹和流體的產(chǎn)生過程可以分為三個階段，即第一步為，原來的水和氣體被驅(qū)動進(jìn)井內(nèi)，該過程只產(chǎn)生氣體；第二步為氣體和原來的水同時(shí)產(chǎn)生；第三步是蒸汽室膨脹直產(chǎn)氣井，同時(shí)產(chǎn)生熱水。在SAGD和SAAD兩種方法過程中，水合物的分解速率，產(chǎn)氣速率和能效比都會隨著時(shí)間的進(jìn)行而降低，跟SAGD相比，在相同的水合物形成和分解條件下，SAAD從上面的產(chǎn)氣井的產(chǎn)氣速率和能效比均會更高。但是在SAAD的三維物理模擬中，沿著雙水平井的方向溫度并不一致，蒸汽不僅在水平井流動，還會滲透到周邊區(qū)域，特別是在注入井的流入點(diǎn)的周邊地區(qū)，熱損失較大，熱能利用效率有待改進(jìn)。

李淑霞和李小森等[4]對向天然氣水合物中注入熱鹽水開采進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究，該研究利用實(shí)驗(yàn)室自制的一維天然氣水合物開采試驗(yàn)裝置，模擬海洋中天然氣水合物的存在條件，對影響水合物開采的地質(zhì)因素和注熱參數(shù)進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：注熱水溫度對能量效率的影響最大，注熱水溫度越高，能量效率越小，因?yàn)楫?dāng)其他條件一致時(shí)，注入的熱水溫度越高，在注熱水過程中水合物已分解部位的溫度升高得越高，與周圍環(huán)境的溫差越大，向周圍散失的熱量越多，能量效率越低。因?yàn)樗衔镲柡投仍酱?，水合物分解時(shí)吸收的熱量越多，熱量損失越小，故隨著水合物飽和度的增大，注熱水開采的能量效率也隨之增大。此外，初始溫度的增大也對能量效率的提高有積極作用。因此，為了獲得更高的能量效率，需要合理優(yōu)化注熱參數(shù):在確保水合物分解速度前提下，適當(dāng)降低注熱水溫度;優(yōu)化注熱水時(shí)間，使得注入的熱量剛好使水合物完全分解;優(yōu)化注熱水速度，使產(chǎn)氣量達(dá)到最大。

2002年，在麥肯齊三角洲地區(qū)實(shí)施了一項(xiàng)天然氣水合物試采研究[5-7]，該區(qū)天然氣水合物試采研究共鉆了3口探井，兩口觀察井用于溫度測量、地震測量與常規(guī)泥漿氣測量,以便弄清天然氣水合物發(fā)生分解的位置，確定產(chǎn)氣層段的部位。Mallik 5L-38試采井從井口至天然氣水合物層基底以下50m孔段全孔連續(xù)取心，同時(shí)還進(jìn)行了全套裸孔測井。熱激發(fā)開采法試驗(yàn)采用熱流體循環(huán)得以實(shí)現(xiàn)。80℃左右的熱流體沿注入管輸送到試采層段下部，對試采層段加熱后返回地表，經(jīng)再次加熱后循環(huán)利用?；煊性嚥蓪尤芙鈿夂退姆禎{經(jīng)回流管匯入氣水分離器，分離出氣體。開采試驗(yàn)進(jìn)行了5天多，共采出了天然氣468m3。Mallik天然氣水合物試采研究項(xiàng)目的成功說明天然氣水合物開采技術(shù)在實(shí)際中上是可行的，而如何完善天然氣水合物開采技術(shù)、減少開采成本，則是天然氣水合物開采領(lǐng)域今后的研究目標(biāo)。

2降壓法

減壓開采法是一種通過降低水合物層壓力，促使其低于天然氣水合物在該溫度條件下的相平衡壓力，從而實(shí)現(xiàn)水合物分解的開采方法。傳統(tǒng)意義上的減壓途徑主要有兩種：第一種是利用低密度泥漿鉆井來實(shí)現(xiàn)減壓的目的；第二種為在水合物層下方存在游離氣體或者其他流體的情況下，通過泵出天然氣水合物層下方的這些流體來達(dá)到降低天然氣水合物層壓力的目的。減壓開采法成本不是很高，不需要連續(xù)激發(fā)，很適用于大面積開采，主要用于在天然氣水合物之下存在下伏游離氣層的開采。相較于天然氣水合物開采的其他傳統(tǒng)方法，此方法比較有開采前景，但此方法對存在的水合物藏的性質(zhì)要求比較特殊,只有當(dāng)天然氣水合物存在于溫壓平衡邊界左右時(shí)，減壓開采的方法才具有實(shí)際可行性。

Lijun Xiong和Xiaosen Li等[8]根據(jù)南海神狐海域的現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)，應(yīng)用一維實(shí)驗(yàn)裝置模擬研究了海底天然氣水合物降壓開采過程。根據(jù)開采過程中溫度、阻力和產(chǎn)氣量的變化，降壓開采過程可以分為三個階段：自由氣釋放階段，該階段隨著壓力降低，自有氣體開始釋放，體系的溫度和電阻均有降低，約累積釋放出40%的氣體；在水合物快速分解階段當(dāng)壓力快速降低到6MPa時(shí)，會產(chǎn)生大量氣體，同時(shí)溫度和電阻急劇下降，溫度的降低同時(shí)也伴隨著水合物分解速率的下降。之后通過水浴的傳熱體系溫度再緩慢升高，水合物繼續(xù)分解，該過程累積分解釋放出40%氣體；最后為緩慢分解階段，該階段氣體產(chǎn)生不明顯，累積分解氣體20%，但耗時(shí)較長。在降壓分解過程中，水合物分解的推動力是分解壓力和平衡壓力之間的壓力差，隨著溫度的降低，平衡壓力也隨之降低將導(dǎo)致推動力的減小故水合物分解變緩慢。實(shí)驗(yàn)表明：由于水合物的分解是吸熱過程，故溫度的變化過程可以用來代表水合物的分解過程；水合物的電阻高于純水，隨著水合物的分解，電阻率下降，也可以表示水合物的分解過程。此外，試驗(yàn)還表明：水合物的飽和度也對降壓分解過程有影響，隨著飽和度的升高，水合物在快速分解階段的比例減小。

Chuang Jid等[9]進(jìn)行了通過減壓井在甲烷水合物封閉儲層中減壓分解天然氣水合物的參數(shù)研究，模擬了通過向水合物儲層鉆井降壓獲得天然氣過程，試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了水合物分解模型、數(shù)學(xué)模型和線性模擬的綜合運(yùn)用，應(yīng)用流體能量方程來描述多孔水合物儲層的溫度和壓力分布，同時(shí)把熱傳導(dǎo)、熱對流和節(jié)流過程對水合物的影響也都考慮在內(nèi)，評估了在不同的井壓和存儲溫度條件下，多孔甲烷水合物儲層的溫度和壓力分布，不同條件下的水合物儲層中溫度和壓力隨時(shí)間的變化，儲層孔隙度的效率和區(qū)域滲透率。研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣率隨井壓、儲層溫度和空間滲透率而敏銳變化，水合物儲層的物理和熱力學(xué)條件以及井壓決定了氣體的產(chǎn)率；完全相同條件的水合物儲層的分解溫度和壓力是固定不變的；在固定的儲層溫度和壓力下，井的產(chǎn)氣量和分界前沿的移動速度隨井壓的升高而減??；在固定的儲層和井壓下，氣體產(chǎn)率隨儲層溫度的降低而降低；水合物儲層的滲透率影響傳熱速率從而影響產(chǎn)氣速率；隨著空隙率的增加，天然氣產(chǎn)率增加，分解溫度和壓力降低，分解前沿的移動速率減小。

3注入化學(xué)試劑法

注入化學(xué)試劑法通過向天然氣水合物層中注入某些可以破壞天然氣水合物相平衡條件的化學(xué)試劑，如甲醇、乙醇、鹽水、丙三醇、乙二醇等,導(dǎo)致水合物分解[4]，這種方法在雖然在開采初期可以降低能量攝入，但是缺陷卻顯而易見，開采過程中要消耗大量的天然氣水合物形成抑制劑，需要巨大的經(jīng)濟(jì)投入，水合物分解產(chǎn)生水稀釋抑制劑而降低其效果從而使其產(chǎn)生對天然氣水合物層的作用緩慢，同時(shí)還會伴隨一些環(huán)境方面的問題, 因此，天然氣水合物的研究者們在這個方向的研究較少。

4其他開采方法

二氧化碳置換開采天然氣水合物是一種新型的經(jīng)濟(jì)環(huán)保的水合物開采方法，即把二氧化碳?xì)怏w注入到水合物儲層，置換開采出天然氣，同時(shí)把二氧化碳溫室氣體永久儲存在海底的技術(shù)。由于甲烷水合物的吉布斯自由能大于二氧化碳水合物的吉布斯自由能，因此二氧化碳置換甲烷水合物是向吉布斯自由能減小的方向進(jìn)行，置換反應(yīng)將自發(fā)進(jìn)行 。

顏克鳳和李小森等[10]對二氧化碳置換法進(jìn)行水合物開采進(jìn)行了概括總結(jié)和模擬研究，研究表明二氧化碳置換反應(yīng)，受擴(kuò)散控制、氣體組分、水合物的儲藏環(huán)境、注入二氧化碳相態(tài)等因素影響。該研究還指出： 氮?dú)?二氧化碳混合氣體能夠提高甲烷水合物置換率，且減少二氧化碳分離和凈化過程是經(jīng)濟(jì)的置換開采天然氣水合物方法的方法；SDS體系的置換速率比純水體系的置換速率高；二氧化碳乳液更有利于置換甲烷水合物；多孔介質(zhì)體系中置換效率高于純水體系，注入液態(tài)二氧化碳置換天然氣水合物的置換效率高于注入二氧化碳?xì)怏w置換。自然界中天然氣水合物礦藏環(huán)境較為復(fù)雜，二氧化碳置換開采研究需要考慮多方面因素的影響，提高置換速率、置換效率以及開采安全性是研究需要解決的關(guān)鍵問題。此后，同團(tuán)隊(duì)的徐純剛等[11]也介紹利用二氧化碳從水合物中置換甲烷的研究進(jìn)展，從置換可行性、動力學(xué)模型、模擬研究、實(shí)驗(yàn)研究等方面對當(dāng)前的研究進(jìn)行了綜述。

寧伏龍等[12]介紹了利用地?zé)衢_采天然氣水合物的方法，利用干巖地?zé)衢_采海底天然氣水合物的設(shè)想,并給出了相應(yīng)的簡單生產(chǎn)模型。只要解決好漏失、循環(huán)通道和換熱面等人工地?zé)醿?gòu)建問題,利用地?zé)衢_采海底天然氣水合物將是未來商業(yè)生產(chǎn)的一個不錯選擇。

竇斌等[13]介紹了一種開采天然氣水合物的新方法，即地面分解法，此種方法把海底采礦的技術(shù)加以利用，利用管道把水合物輸送到海上平臺，在海上平臺分解利用，眾所周知，天然氣水合物在海底分解的過程中會吸收熱量而使周圍環(huán)境的溫度降低，使水合物的開采不能繼續(xù)進(jìn)行，該方法不但解決了以上難題，也完善了海底天然氣水合物不能用傳統(tǒng)的減壓法開采的不足，具有簡單、經(jīng)濟(jì)適用，能長期工作等特點(diǎn)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，需要對工作參數(shù)的合理確定、沉渣排放對海洋環(huán)境的影響等問題進(jìn)行深入研究。

徐海良等[14]研究了存在于海底的天然氣水合物的存儲特點(diǎn)，總結(jié)了絞吸式挖泥船的工作理論和大洋多金屬結(jié)核的開采方法，提出了一種新穎的海底天然氣水合物開采方法，即絞吸法。嚴(yán)杰等[15]通過對南海海域天然氣水合物成藏機(jī)理的分析，提出了使用海水提升法開采海底天然氣水合物的新模式，介紹了海水提升系統(tǒng)的組成和工作原理，提出了水力輸送設(shè)備的相關(guān)參數(shù)，并對使用該方法的產(chǎn)氣量及能效進(jìn)行了簡單評估。結(jié)果顯示這種方法具有產(chǎn)量大、能效高的特點(diǎn)，運(yùn)用該方法在南海采集天然氣水合物是可行的。

5結(jié)束語

現(xiàn)有的多種天然氣水合物開采方案,如熱激法、減壓法、化學(xué)抑制劑法、置換法和混合開采法等,都不同程度地存在一些問題。天然氣水合物開采研究需要多學(xué)科高端科學(xué)技術(shù)和巨大的資金投入作為后盾，需要多機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)。我國在天然氣水合物研究方面起步較晚，對天然氣水合物進(jìn)行試采研究更應(yīng)充分考慮多機(jī)構(gòu)合作，利用多渠道資金，吸收國外天然氣水合物開采的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。

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(責(zé)任編輯：李文英)

Research Progress on the Mining Method of Gas Hydrate

WEI Jingli

(Wuhan Engineering Institute, Wuhan 430080, Hubei)

Abstract:Gas hydrate distributes extensively in marine sediments and permafrost in Polar Regions. To ease the worldwide energy crisis, researches on the mining method of gas hydrate are carried out actively. At present, the mining methods proposed in China are still in the experimental stage, namely, solid state exploration and underground decomposition. Solid state exploration is efficient yet difficult to operate; it is applicable to the mining of shallow buried and high-saturated hydrate. Underground decomposition is commonly studied, the traditional approach is to keep the temperature and pressure below the balance condition so as to break the balance of hydrate and decompose it. It falls into three kinds: thermal excitation, depressurization and chemical injection.

Key words:gas hydrate; clean energy; mining method; thermal excitation; depressurization

作者簡介：魏鏡酈(1984～)，女，助教.E-mail： 1062172988@qq.com

收稿日期：2015-11-17修回日期：2015-11-22

中圖分類號：TE64

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-3524(2015)04-0035-04