海域天然气水合物资源开采新技术展望

随着全球海域天然气水合物资源勘探工作的深入和油气开发技术装备水平的提升,深水浅层天然气水合物资源商业化开采的前景逐渐明晰。自2013年开始,日本、中国相继进行了多次海域水合物试开采尝试,连续产气时间、累计产气量和日均产气量逐步获得提升。2020年中国率先实现了从"探索性试采"向"试验性试采"的跨越。然而,以"降压"为核心理念的开采技术单井产气量瓶颈明显,制约了水合物资源产业化发展进程,必须在已有技术方法基础上创新发展,形成高效、安全、经济的海域天然气水合物资源开采专有技术体系。笔者梳理了近年来海域天然气水合物开采技术研发领域内的新进展,分析了包括"原位分解采气"和"原位破碎抽取"两大开采框架指导下,多种开采技术的创新升级进展和存在的主要问题,在此基础上展望了未来海域天然气水合物资源开采技术的研发方向。     

日本海域天然气水合物试采结果对比分析

截至目前,只有中国和日本实施了海域天然气水合物的试采,了解日本的海域水合物试采中遇到的问题及其对问题的分析情况,有助于中国下一步的水合物研究和开发工作。为了深入认识日本于2013年和2017年在日本海域南海海槽分别实施的两次试采,介绍了两次试采的部署实施情况及实际产气情况,梳理了日本对两次试采中出现的问题及其针对问题的分析研究成果,对比了两次试采中3口生产井的产气情况。发现日本两次试采都没有解决实际产气与预测结果存在差异的问题,认为加强对水合物储层特征和物理特性的认识是解决上述问题的关键;另外,水合物的生产是一个综合的过程,防砂、压降过程、排水等互相影响,在解决这些问题时应综合考虑,并应寻找稳产需要的各项生产参数的平衡点。     

世界天然气水合物研究发展对我国加快推进其产业化的启示

天然气水合物是21世纪最具潜力的新型洁净能源之一,同时也是目前尚未开发的储量巨大的一种新能源。全球天然气水合物蕴藏的天然气资源总量约为2.1×1016 m3,相当于全球已探明传统化石燃料碳总量的2倍,主要分布于世界深水海域和永久冻土带中。随着中国在南海神狐海域的试采取得圆满成功,天然气水合物资源的开发利用越来越多地受到世人的关注与重视,但如何安全、经济、高效开采这种新能源,仍需投入大量人力物力进一步开展研究工作。笔者从世界主要国家天然气水合物资源的勘查试采现状入手,分析其开发利用趋势,系统梳理存在问题,提出加快推进天然气水合物勘查试采产业化的启示。     

天然气水合物试采:从实验模拟到场地实施

天然气水合物研究的终极目标是对其进行有效的开发利用,即实现长期安全、高效地开采,而水合物试采只是迈出了第一步。数十年的室内水合物开采方法实验及其数值模拟研究取得了显著的成果,为天然气水合物试采奠定了坚实的基础。加拿大、美国等国家先后在陆地冻土区进行了水合物试采工作,试验成果为海域水合物试采提供了宝贵的经验。2013年和2017年,日本、中国先后在不同海域实施了天然气水合物试采,并取得了成功,这是天然气水合物研究的一个里程碑式的进步,标志着天然气水合物开采技术研究从室内实验模拟逐步转到产地实施。本文回顾了各种水合物开采方法的原理及其模拟实验成果,简要介绍了水合物开采数值模拟方法与进展,评述了水合物试采的前期关键技术准备及场地实施效果,讨论了每种技术方法的局限性及面临的挑战,并针对海洋天然气水合物开采面临的科学与技术问题提出了建议。     

全球天然气水合物勘查试采研究现状及发展趋势

天然气水合物是一种规模巨大且高效的新型清洁能源,其资源量是全球石油天然气和煤炭等化石能源资源量总和的2倍。日益增长的能源需求和对气候的重大影响,使人们对天然气水合物巨大资源潜力的兴趣倍增,因此,天然气水合物亦被科学家称为"未来全球能源发展的战略制高点"。近10多年来,美国、加拿大、日本、中国等均先后开展了陆地和海洋天然气水合物勘查与试采实验,印度和韩国亦准备近期开展海洋天然气水合物试采。总之,全球天然气水合物勘查试采的高潮正在蓬勃掀起。笔者分析阐述了世界天然气水合物研究的4个发展阶段,剖析了全球天然气水合物资源分布及主要国家天然气水合物资源潜力,并在此基础上,重点分析阐明了国内外天然气水合物勘查试采进展以及未来发展趋势,以期对我国天然气水合物勘查试采与研究工作有所裨益。     

海域天然气水合物开采的地质控制因素和科学挑战

目前,国际上对天然气水合物产状、分布和特征的认识已取得显著进展,开展了一系列陆地多年冻土区和海域天然气水合物试采,但天然气水合物开采仍面临科学挑战。本文在综述全球天然气水合物勘探开发现状的基础上,阐述了天然气水合物储层分类及其开采的地质控制因素,提出了海域天然气水合物有效经济开采面临的资源评价、开采技术方法、储层地质参数和工程地质风险等4方面的科学挑战。要实现海域天然气水合物的有效经济开采,资源评价是基础,开采技术方法是关键。判定天然气水合物储层是否可采需要精确的储层地质参数,能否实现有效开采取决于工程地质风险的控制。     

世界天然气水合物钻探历程与试采进展

自20世纪60年代证实自然界中存在天然气水合物以来,针对水合物这一潜在能源的研究取得了显著进展。与常规油气资源一样,水合物的开发也需要经历两个重要阶段,即勘查与试采。该文对全球主要国家水合物钻探与试采进展进行了归纳总结和分析,认为钻探工作在获取水合物实物样品、优化相关技术装备、提供可靠数据等方面发挥了重要作用,而试采工作在长期、安全、稳定和高效产气方面仍与产业化开发的预期存在差距。建议我国应充分发挥各方优势,重视技术方法和装备的研究、开发、示范和推广,形成可用于水合物资源勘查与开采的成熟技术装备体系。     

我国海域天然气水合物试开采圆满完成并取得历史性突破

正2017年7月9日,由国土资源部中国地质调查局组织实施的南海神狐海域天然气水合物试采工程全面完成海上作业,这标志着我国首次海域天然气水合物试采圆满完成,取得了持续产气时间最长、产气总量最大、气流稳定、环境安全等多项重大突破性成果,创造了产气时长和总量的世界纪录。     

空间数据挖掘在海域天然气水合物资源评价中的应用

海域天然气水合物早期勘探阶段多使用地震调查方法,利用BSR和速度异常等指标圈定水合物矿体进行资源评价、优选预测勘探目标。阐明了空间数据挖掘技术在天然气水合物早期勘探评价阶段的应用,并通过珠江口盆地东部海域多道地震速度分析中所获速度异常信息,应用核密度估计方法,定量地划分了2个天然气水合物有利分布区(面积分别为18km2和70km2),进而为后期天然气水合物试采生产提供了重要依据及基础数据。     

全球主要国家天然气水合物研究进展

天然气水合物是一种高效清洁的新能源,分布广、规模大,势必成为未来的主流能源。在当前能源紧缺和环境问题日益突出的影响下,世界各国都对潜力巨大的天然气水合物产生了浓厚兴趣。文章对全球主要国家的天然气水合物研究进展进行阐述,并提出：对我国天然气水合物重点目标区加大研究力度;加大海域和陆域天然气水合物的资源调查力度,寻找更多可供试采的水合物矿区;与国际接轨,加强国际合作;考虑经济问题,以期实现低成本、高效率的开发模式;把环境安全放在突出位置,尽可能避免水合物开采带来的环境及地质灾害问题等建议。以期能为未来我国天然气水合物的勘查试采工作提供有益帮助。     

非成岩水合物储层降压开采过程中出砂和沉降实验研究

天然气水合物多赋存在非成岩地层中,在开采过程中易出现出砂和沉降情况,制约了天然气水合物的安全高效长期开采。为研究水合物开采过程中的温压、产气、产水、出砂和沉降情况,在自主研发水合物出砂及防砂模拟装置上进行了不同条件下的开采模拟实验。研究表明,在前两个生产阶段,产水含砂率和出砂粒径随着水合物开采而逐渐增大;水合物细砂储层产气速率增加会增大携液能力,导致携砂能力增强而增大出砂风险,同时高产气速率促进井筒温度降低导致冰相生成,存在冰堵的风险;开采过程中的储层沉降与储层水合物含量相关性较大,而产气速率和降压速率对储层沉降的影响与产气模式有关。水合物开采中后期进行增产作业会增加储层出砂风险和沉降速率,进一步探讨了该实验对日本2013年第一次海域水合物试采出砂情况的推测,提出水合物开采分阶段分级防砂的概念。     

全球天然气水合物资源潜力评价及勘查试采进展

天然气水合物是一种清洁高效的环保型化石能源,分布于世界深水海域和多年冻土带环境之中,资源潜力巨大。最新的评价预测结果表明,全球水合物沉积物中碳资源量介于500~3 000Gt。作为一种新型的非常规能源,目前其资源量评价预测尚存在不确定性,而且并非所有的天然气水合物都可开采利用。不同赋存形态的天然气水合物构成了能源金字塔,展示了不同类型水合物资源潜力大小及可开发利用的程度。因此,天然气水合物资源潜力评价预测与开发利用正越来越多地受到人们的关注与重视。尽管中国在南海的试采工作取得了重大突破,但如何经济、安全地世界性开采这种新能源仍需要开展更多的研究工作。     

南海北部神狐海域水合物赋存层位古环境和古生产率

天然气水合物作为一种新型的清洁能源,其形成需要稳定的有机质供应。南海北部神狐海域为天然气水合物成藏的有利区域,2017年中国地质调查局在神狐海域水合物试采获得突破性成功。为了进一步了解古环境和古生产率对形成水合物有机质供应的影响,对南海北部神狐海域水合物钻探区SH3站位180～215mbsf(meters below the sea floor)层位,尤其是水合物主要赋存层位190～200mbsf的古环境、古生产率以及陆源碎屑物质的地球化学指标进行分析研究。研究表明水合物主要赋存层位陆源碎屑物质(TDM)输入增加,较高的陆源碎屑物质输入和次氧化的沉积环境共同造就了比较好的有机质的外部保存条件;同时较强的水动力条件,有利于藻类生物的繁殖,因此,生物成因有机质比较丰富,再加上神狐海域有比较良好的热解气的形成条件,这3个层面共同保证了神狐海域具有比较充足的有机质供应。     

南海北部神狐海域沉积物Fe-P-S元素地球化学特征及对甲烷渗漏的指示

神狐海域是我国天然气水合物勘探试采的重点区域,在甲烷渗漏过程中会形成黄铁矿和蓝铁矿等具有指示意义的矿物,这些矿物和Fe、P、S等元素密切相关,通过Fe-P-S等元素地球化学特征来研究该区域的甲烷渗漏对进一步了解南海水合物的成藏状况有重要意义.本研究选取南海北部神狐海域Site 2A柱状沉积物为研究对象,通过对其主微量元...     

东海天然气水合物的赋存条件与资源潜力

总结分析了地质大调查、国家天然气水合物专项有关我国东海天然气水合物形成条件、成矿地质背景及天然气水合物地震反射和资源潜力分布等的特征,指出我国天然气水合物资源潜力巨大,当前主要任务是在合适的海域获得天然气水合物实物样品,并确定我国海域天然气水合物聚集地。     

世界前沿科技：天然气水合物试验性开采

天然气水合物（可燃冰）是地球上一种尚未商业化开发的新能源,资源量十分丰富,据估算全球资源总量约为2100兆立方米,相当于全球已探明传统石化能源总量的2倍左右,主要分布在美国阿拉斯加北坡、加拿大北极、墨西哥湾北部、日本南海海槽和中国南海等区域。目前已有30多个国家和地区开展了对天然气水合物的开发研究,2012年美国、日本等合作在阿拉斯加北坡的天然气水合物开采试验与2013年3月日本在其近海海域的天然气水合物开采试验均取得成功,意味着天然气水合物的开采迈出了重要的一步。     

海域天然气水合物吸力筒式开采装置及方法

天然气水合物具有很高的资源价值,众多国家正在开展相关研究与勘探,试采设备和技术取得了一定的发展,但离商业化开采还有很多关键技术问题需要解决。提出一种新型海域天然气水合物开采装置——吸力筒式开采装置及方法,主要包括开采筒、沉贯水泵和气液举升系统等,其整体由钢结构组合而成,依靠吸力和重力作用进入储层,然后进行降压开采,待作业结束后可回收重复使用。参照我国南海神狐海域地质,从理论上分析了新装置两个不同形态的贯入原理,并通过CMG STARS模拟研究新型开采方法的产能提升情况,由于吸力筒式开采装置能实现更大降压幅度并且扩大水合物分解面积,故产气效率相对于传统方法提高约2.46~11.69倍。吸力筒式开采装置具有结构强度高、开采半径大和施工简便等特点,有望做到“提产降本”,为实现海域天然气水合物商业化开采提供一条新思路。     

我国在南海北部钻获天然气水合物

2007年5月1日凌晨,国土资源部中国地质调查局在我国南海北部成功钻获天然气水合物实物样品。此次采样的成功,验证了我国有关基础地质工作的可靠性,证实了我国南海北部蕴藏有丰富的天然气水合物资源,使我国成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采集到天然气水合物实物样品的国家,同时,也是在南海海域首次获取天然气水合物实物样品的国家,标志着我国天然气水合物调查研究水平一举步入世界先进行列。本钻探航次由中国地质调查局统一组织,广州海洋地质调查局具体实施,委托辉固国际集团公司钻探船承担。经过精心准备,圈定出2个重要…     

极地天然气水合物资源利用前景

极地天然气水合物资源潜力巨大,储层类型主要为富砂沉积物储层,最可能实现远景勘探和商业利用,是一种重要的战略能源。综述了天然气水合物在极地的分布情况、极地主要地区天然气水合物矿藏资源量以及水合物开发利用的资源金字塔。结合美国、加拿大和俄罗斯在北极冻土区天然气水合物勘探开发的案例进行了4种开采技术优缺点对比,并对极地区和非极地区5次天然气水合物试采效能进行对比评价。根据目前国际油气价格、能源结构、各国水合物研究目标和我国天然气水合物勘查开发现状等,提出了我国参与极地天然气水合物研究和开发的思路。     

极地天然气水合物资源利用前景CSCD

极地天然气水合物资源潜力巨大,储层类型主要为富砂沉积物储层,最可能实现远景勘探和商业利用,是一种重要的战略能源。综述了天然气水合物在极地的分布情况、极地主要地区天然气水合物矿藏资源量以及水合物开发利用的资源金字塔。结合美国、加拿大和俄罗斯在北极冻土区天然气水合物勘探开发的案例进行了4种开采技术优缺点对比,并对极地区和非极地区5次天然气水合物试采效能进行对比评价。根据目前国际油气价格、能源结构、各国水合物研究目标和我国天然气水合物勘查开发现状等,提出了我国参与极地天然气水合物研究和开发的思路。