天然气水合物开采技术研究进展

天然气水合物开采技术的改进与完善是水合物资源走向商业开发面临的重要问题,因此天然气水合物开采技术研究一直深受重视,新成果不断涌现。通过对国内外天然气水合物开采技术研究动态的跟踪,分析总结了这一前沿领域的最新研究进展。在天然气水合物常用开采方法中,加热开采法研究进展最为明显,在传统井口注热法基础上,提出了电磁加热、原地生热、干热岩加热等许多全新的原位加热思路;降压开采法与二氧化碳置换开采法在提高开采效率方面也做了诸多尝试,取得了一些新认识。另一方面,针对天然气水合物藏开采工艺技术也进行了积极的研究,在传统单井开采方案基础上,提出了双井、多井等多种新开采方案;水平井与水力压裂技术在水合物开采工艺研究中也显现出日益活跃的趋势。天然气水合物开采技术研究领域取得的这些新进展,进一步强化了人类对天然气水合物资源开发利用的技术基础。     

天然气水合物开采方法及海域试采分析

天然气水合物分布广、埋藏浅、清洁无污染、储量巨大,被视为油气领域最有潜力的替代清洁能源。全球目前有5个国家进行了8次天然气水合物试采工作,特别是2017年5月中国神狐海域天然气水合物试采取得了巨大成功,创造了产气时间和产气总量两项世界纪录,但是由于天然气水合物特殊的物理力学性质和赋存状态,技术经济开采还面临诸多难题。在分类总结天然气水合物开采方法的基础上,分析了中日两国的海域天然气水合物试采情况及试采数据,得出了如下结论与建议:（1）天然气水合物开采方法可归纳为两大类:原位分解法和地层采掘法;（2）海域天然气水合物试采数据表明:压力和温度条件都是影响产气速率的主要因素与约束条件,在生产不同阶段,影响产气能力的主要因素不同;（3）对日本第1次天然气水合物试采数据分析表明,压力驱动力、温度驱动力与产气速率均有较好的相关性,提出了表征温度压力耦合关系的指标相态平衡距,研究了产气速率与相态平衡距的分段线性关系,建立了天然气水合物储层分解动力学模型范式;（4）分析了降压开采方法中大幅快速降压与分段缓慢降压两种降压方式的优劣,提出有效供热是实现天然气水合物降压开采的长期高产的必要条件,集成页岩气开发中的水平井压裂技术与干热岩地热开发中热量对流交换循环的原理,提出对流注热降压开采方法。     

海域天然气水合物试采研究现状及存在问题

海域天然气水合物被认为具有巨大的资源潜能,为此一些国家都已投入到海域天然气水合物试采的研究工作中,而且最近几年对于海域天然气水合物的试采研究工作空前活跃。本文综合介绍了国内外海域天然气水合物试采工作的研究进展与成果,总结了目前国内外海域天然气水合物开采方式与方法存在的弊端,指出了其对海域天然气水合物开采的制约性,同时对实现海域天然气水合物商业化开采提出了一些看法。     

SAGD技术应用于陆域冻土天然气水合物开采中的理论研究

天然气水合物被誉为最有研究价值和开采价值的清洁能源,已经成为当今世界能源研究的热点。但到目前为止还未形成成熟稳定的天然气水合物开采技术体系,仍处于研究和试采阶段。陆域冻土天然气水合物开采与海域天然气水合物开采相比相对比较容易,在钻进过程中能够形成较稳定的孔壁。天然气水合物开采的主要方法有热激法、降压法、置换法和化学抑制剂法。SAGD（Steam Assisted Gravity Drainage）技术也叫蒸汽辅助重力驱油技术,在重油、油砂开采中得到了迅速发展,取得了非常有效的成果,被认为是目前重油开采最有效的方法。对SAGD技术应用到陆域冻土天然气水合物开采中进行理论分析研究,经过分析发现将SAGD技术应用到天然气水合物开采中是可行的,但确定两口水平井之间的距离是关键,且在应用时要将上部井变为生产井,下部井变为注汽井。     

冻土天然气水合物开采技术进展及海洋水合物开采技术方案研究

调查发现,陆域永久冻土层及海域都存在着天然气水合物资源。我国2007年和2008年先后在南海海域及祁连山木里地区发现水合物实物样品。中国地质调查局于2010年开始实施冻土水合物试采技术研究及现场开采试验,2017年将在我国南海海域实施海洋水合物试采,相关准备工作正在进行中。本文介绍了陆域水合物试采进展及海洋水合物试采技术方案的构思。     

海域非成岩天然气水合物储层改造方法分析

天然气水合物是未来重要的战略开采资源,受到了世界各国的广泛关注,因此对海底天然气水合物进行大规模开采成为必然。目前,海底天然气水合物开采还处于试采阶段,到目前为止还未形成成熟的开采方式。本文从人们所担心的海域天然气水合物开采过程中因储层非成岩可能出现的海底水合物大规模气化、破坏海洋生态环境、产生海底地质灾害等问题出发,对海域天然气水合物开采的安全性进行了分析。同时调研了当前世界各国海域天然气水合物试采现状,指出了进行储层改造是海域天然气水合物未来进行大规模开采的必由之路。探讨分析了采用水力喷射微小井眼技术边钻进水平井边喷射改进发泡水泥浆以进行储层改造的可行性,可为我国水合物商业化开采提供借鉴。     

冻土区天然气水合物勘查技术研究主要进展与成果

青藏高原多年冻土区分布在中纬度地带,天然气水合物赋存环境和基本特征既不同于海域水合物,也不同于极地冻土区水合物,缺少有效的勘探技术成为制约我国陆域天然气水合物资源调查与评价工作的主要技术瓶颈。在国家863计划、国土资源部行业科研专项和水合物国家专项共同支持下,开展了陆域冻土区天然气水合物勘查技术攻关,初步建成了陆域永久冻土区天然气水合物勘查的高精度地震勘探技术、音频大地电磁测深技术、超深探地雷达技术、地球化学勘查技术和综合地球物理测井技术;总结了冻土区天然气水合物地震学和电磁学识别标志,优选出了水合物地球化学勘查的有效指标,研发了水合物储层测井识别技术和储层参数评价技术;初步建立了冻土区天然气水合物物化探有效方法组合和物化探综合勘查模型;预测了水合物成藏有利区,提出的建议井位钻遇天然气水合物,方法有效性得到初步检验和应用。研究成果对推动陆域冻土区天然气水合物勘查技术进步、支撑我国冻土区天然气水合物资源评价与开发工作有重要意义。     

音频大地电磁测深法探测冻土区天然气水合物有效性实验

我国青藏高原永久冻土区具备良好的天然气水合物成矿条件和找矿前景,缺少有效的勘查技术已经成为影响我国陆域水合物资源调查与评价工作的重要瓶颈。在木里地区开展了音频大地电磁测深法探测天然气水合物方法有效性实验研究,结果表明:音频大地电磁测深法在探测冻土和水合物方面是有效的。研究区冻土发育,但厚度变化较大,冻土发育状况对水合物成藏有一定控制作用。天然气水合物矿体在电性上表现出三大特征,这些特征可以作为判断水合物成藏的识别标志。水合物成藏受坳陷南缘的逆冲断裂(F_1、F_2)控制明显,断裂带不仅是气体运移通道,也是水合物成藏空间。研究结果对推动我国陆域天然气水合物勘探技术进步和水合物资源调查与评价工作有积极意义。     

低温固体氧化物燃料电池法开采天然气水合物

热开采法、抑制剂刺激法等传统天然气水合物开采方法将破坏水合物地层,不能有效地解决海底地层破坏和开采使用化石燃料燃烧后所存在的碳储存和碳捕捉问题.介绍了低温固体氧化物燃料电池法开采天然气水合物的方法.该方法利用CO2置换天然气水合物地层中的甲烷,运送到低温固体氧化物燃料电池的阳极,在阴极通入空气,发生电化学反应,产生电能,并将产出的CO2通入到天然气水合物地层,置换出甲烷.该方法简单、实用,克服了传统开采方法所存在的问题,发电效率较传统发电方法大幅提高.     

中国陆域天然气水合物调查研究主要进展

我国是世界上既有海域水合物也有陆域水合物的少数几个国家之一。中国地质调查局高度重视陆域水合物调查研究,2016年正式设立“陆域天然气水合物资源勘查与试采工程”,通过对我国重点冻土区开展地质、地球物理和钻探调查,研发有效的陆域水合物调查、钻探和资源评价技术,初步摸清资源家底,评价资源潜力。自2002年开始探索性调查以来,已在青海省发现木里天然气水合物产地1处、昆仑山垭口盆地和乌丽地区疑似产地2处及系列找矿线索,评价出南祁连盆地、羌塘盆地及漠河盆地三大成矿远景区、12个成矿区带,资源潜力巨大; 在祁连山木里地区成功实施单直井和水平对接井试采,并取得了陆域天然气水合物成矿理论、勘采技术、环境调查和平台建设系列成果。以上成果有力推进了我国天然气水合物资源勘查试采进程,支撑国务院将天然气水合物设为第173个新矿种,初步形成“海陆并举、资环并重”的良好局面。     

Progress in Global Gas Hydrate Development and Production as a New Energy Resource

Natural gas hydrates have been hailed as a new and promising unconventional alternative energy, especially as fossil fuels approach depletion, energy consumption soars, and fossil fuel prices rise, owing to their extensive distribution, abundance, and high fuel efficiency. Gas hydrate reservoirs are similar to a storage cupboard in the global carbon cycle, containing most of the world’s methane and accounting for a third of Earth’s mobile organic carbon. We investigated gas hydrate stability zone burial depths from the viewpoint of conditions associated with stable existence of gas hydrates, such as temperature, pressure, and heat flow, based on related data collected by the global drilling programs. Hydrate-related areas are estimated using various biological, geochemical and geophysical tools. Based on a series of previous investigations, we cover the history and status of gas hydrate exploration in the USA, Japan, South Korea, India, Germany, the polar areas, and China. Then, we review the current techniques for hydrate exploration in a global scale. Additionally, we briefly review existing techniques for recovering methane from gas hydrates, including thermal stimulation, depressurization, chemical injection, and CH4–CO2 exchange, as well as corresponding global field trials in Russia, Japan, United States, Canada and China. In particular, unlike diagenetic gas hydrates in coarse sandy sediments in Japan and gravel sediments in the United States and Canada, most gas hydrates in the northern South China Sea are non-diagenetic and exist in fine-grained sediments with a vein-like morphology. Therefore, especially in terms of the offshore production test in gas hydrate reservoirs in the Shenhu area in the north slope of the South China Sea, Chinese scientists have proposed two unprecedented techniques that have been verified during the field trials: solid fluidization and formation fluid extraction. Herein, we introduce the two production techniques, as well as the so-called “four-in-one” environmental monitoring system employed during the Shenhu production test. Methane is not currently commercially produced from gas hydrates anywhere in the world; therefore, the objective of field trials is to prove whether existing techniques could be applied as feasible and economic production methods for gas hydrates in deep-water sediments and permafrost zones. Before achieving commercial methane recovery from gas hydrates, it should be necessary to measure the geologic properties of gas hydrate reservoirs to optimize and improve existing production techniques. Herein, we propose horizontal wells, multilateral wells, and cluster wells improved by the vertical and individual wells applied during existing field trials. It is noteworthy that relatively pure gas hydrates occur in seafloor mounds, within near-surface sediments, and in gas migration conduits. Their extensive distribution, high saturation, and easy access mean that these types of gas hydrate may attract considerable attention from academia and industry in the future. Herein, we also review the occurrence and development of concentrated shallow hydrate accumulations and briefly introduce exploration and production techniques. In the closing section, we discuss future research needs, key issues, and major challenges related to gas hydrate exploration and production. We believe this review article provides insight on past, present, and future gas hydrate exploration and production to provide guidelines and stimulate new work into the field of gas hydrates.     

加拿大马更些冻土区天然气水合物试生产进展与展望

马更些（Mackenzie）冻土区位于加拿大西北地区,是世界上最著名的天然气水合物产地之一,也是加拿大最重要的含油气盆地之一。在Mallik地区已相继钻探了L 38、2L 38、3L 38、4L 38和5L 38共5个钻孔,并进行了地质、地球物理、地球化学、微生物学和试生产等方面的多学科多方法研究,是目前全球天然气水合物研究程度最高、资料最丰富的地区。“Mallik 2002”项目开展了天然气水合物的短期试生产,共对6个水合物层位进行了降压法试生产并在其中的4个层位取得了成功,同时利用注入约80℃的热流体进行了5天多的加热法试生产,共生产出468 m3的天然气。“Mallik 2002”项目的成功实施是天然气水合物开发利用史上的里程碑,为将来的长期试生产和最终开发利用奠定了基础。随着开发利用研究的不断深入,天然气水合物这一规模巨大的潜在能源有可能在不久的将来为人类社会所用。     

Numerical Simulation Study on the Effect of Horizontal Well Reservoir Stimulation for Gas Hydrate Production

A new gas hydrate reservoir stimulation method of in-situ fracturing with transient heating is proposed, in line with analysis of the technological bottlenecks faced by marine gas hydrate production. This method injects the developed chemical reagents into a hydrate reservoir through hydraulic fracturing, releasing heat during the chemical reaction to increase the hydrate decomposition rate. The chemical reaction product furthermore has a honeycomb structure to support fractures and increase reservoir permeability. Based on the geological model of natural gas hydrate in the South China Sea, three development methods are simulated to evaluate hydrate production capacity, consisting of horizontal well, fractured horizontal well and in-situ fracturing with transient heating well. Compared with the horizontal well, the simulation results show that the cumulative gas production of the fractured horizontal well in one year is 7 times that of the horizontal well, while the cumulative gas production of in-situ fracturing with transient heating well is 12 times that of the horizontal well, which significantly improves daily efficiency and cumulative gas production. In addition, the variation patterns of hydrate saturation and temperature-pressure fields with production time for the three exploitation plans are presented, it being found that three sensitive parameters of fracture conductivity, fracture half-length and fracture number are positively correlated with hydrate production enhancement. Through the simulations, basic data and theoretical support for the optimization of gas hydrate reservoir stimulation scheme has been provided.     

南海天然气水合物资源勘查战略接替区初步分析与预测

二十多年来,南海天然气水合物勘查评价均主要集中在南海北部大陆边缘陆坡深水区,且先后在珠江口盆地神狐、珠江口盆地东部海域调查区和琼东南盆地陵水-松南调查区取得了天然气水合物勘查试采的重大突破及进展,陆续发现了两个大规模的天然气水合物藏,初步评价预测南海天然气水合物资源规模达800亿吨油当量左右,取得了南海天然气水合物勘探的阶段性重大成果.然而,南海天然气水合物资源进一步深化和拓展勘探的有利领域在哪里？尤其是可持续滚动勘探的战略接替区及选区在何处？其与目前陆坡深水油气及水合物勘探紧密相邻的外陆坡-洋陆过渡带（OCT）乃至洋盆区是否具有天然气水合物形成的地质条件？根据海洋地质调查及初步的地质综合分析研究,认为外陆坡-洋陆过渡带乃至洋盆区具备天然气水合物成藏的基本地质条件,可作为南海未来天然气水合物勘查的战略接替区和可持续滚动勘探的战略选区及资源远景区.针对这些影响和决定将来天然气水合物勘探决策部署及走向等关键问题进行初步分析与探讨,抛砖引玉希望能够对未来南海天然气水合物资源勘查评价及战略接替区之选择有所裨益！      

水合物储层伺服降压开采模型试验研究

深海水合物赋存于一定的温度和压力环境下,降压开采时降压速率对分解产气速率和储层变形特性影响显著。利用浙江大学自主研发的水合物降压开采试验装置,通过伺服控制降压速率,初步开展了水合物储层模型降压开采试验,研究了储层温度场、孔压场、产气量等的响应特性,探讨了降压速率对产气效率和储层变形特性的影响规律。试验表明：水合物竖井降压开采时,开采井周围储层温度率先下降,分解域由井周逐步向周围发展。适当提高降压速率能够提高储层开采效率,但降压速率过快时易导致水合物重生成,反而不利于水合物高效持续稳定开采,开采时应选择合理的降压速率以达到最优产气效率。开采过程中根据储层孔隙与外界连通程度,储层孔隙状态可分为完全封闭型、局部封闭型和开放型3种类型。储层开采试验完成后,浅层土体出现 3 种不同变形特征的区域：I 区为井周土层,呈漏斗型下陷;II 区土层平坦,无明显扰动痕迹;III 区为边界土层,该处水气产出受阻导致部分气体向上迁移引起土丘状隆起带出现。这些变形特征与气体在储层中的迁移路径和运移模式相关。通过相似性分析,给出了模型与原型分解时间和产气量等的对应关系。     

水力喷射微小井眼技术用于海域水合物钻探的可行性分析

天然气水合物具有储量丰富、清洁高效的特点,世界各国非常重视天然气水合物资源的调查和开采工作,我国在2017年顺利实施了海域天然气水合物直井试采工作,并取得了丰硕的成果。水力喷射微小井眼技术是一项正在兴起的新型钻探技术,已经在石油钻探中得到了一定的应用,将其应用到海域天然气水合物钻探中具有钻井成本低、可顺利完成水平段钻进、降低井眼轨迹控制难度、储层污染小,降低了大规模海底坍塌的风险的优势,但是还存在着水平段长度短、井壁稳定性差、卡钻事故处理难度大、钻井工具开发难、连续油管寿命短等关键技术问题需要解决。     

青海木里三露天井田天然气水合物调查研究新进展

自2008年首次发现天然气水合物以来,青海木里三露天井田的天然气水合物调查研究成为一个热点。近两年来,神华青海能源有限责任公司投资项目在三露天井田内开展天然气水合物调查评价工作,是该区最新的天然气水合物调查研究工作部署安排,目前取得了系列重要新进展。新进展主要表现为：(1)天然气水合物赋存特征研究取得了新认识;(2)对天然气水合物形成与分布的主要地质控制因素取得了新认识;(3)总结了天然气水合物成藏模式;(4)探索了地质、地球物理、地球化学、钻探等冻土区天然气水合物勘查方法,建立了钻探气测录井预判、地质标志识别、测井判识、室内鉴定等冻土区天然气水合物判定技术手段;(5)对天然气水合物资源量进行了估算并对其经济可采性进行了初步评价。综合认为,三露天天然气水合物资源目前不具备经济开采价值。