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。     

日本南海海槽天然气水合物取样调查与成功试采

日本在实施天然气水合物研发计划（MH21）的第一阶段（2001—2008）及之后,作为合作伙伴,参加了加拿大Mallik和美国阿拉斯加陆域永冻层的水合物试采工程项目,并在本国南海海槽分别于2000年和2004年实施了水合物探井施工和多井钻探取样调查。从MH21第二阶段（2009—2015）开始,日本加强了对南海海槽东部的钻探、取样调查,运用新研发的CDEX hybrid PCS系统采取保压岩心;运用PCCT压力岩心测试鉴定仪器,对含水合物沉积地层的岩样作精密测试分析;提出水合物开采环境效应评估（EIA）研究战略,运用综合方法认真实施EIA调查,以及对海域水合物生产环境监测系统,包括海底甲烷泄漏监测仪（MLMS）、海底变形测量仪（SDMS）等予以布署。2013年3月12—18日,日本在南海海槽东部深水水合物储层实施了第一次天然气水合物的试采。六日内累积生产气量约120000 m3,平均日产气量20000 m3。这是世界上第一次海域天然气水合物成功的试采工程,是国际天然气水合物开发史上的一座里程碑。但是,天然气水合物的商业化开采在国际上将是一个艰难、漫长的过程。     

测井在天然气水合物勘探与评价中的应用

测井是水合物深入勘探阶段一钻探阶段的必要手段，已得到较好应用。文章综合介绍和分析了ODP204航次、加拿大西北马更些河三角洲地区Mallik5L-38井、IODP311航次及日本南海海槽等较新的水合物钻探调查的测井方法与技术，重点分析了核磁测井、电磁波测井及偶极横波测井等测井新技术在水合物勘探与评价中的应用，对测井方法在水合物勘探中存在的问题进行了讨论。     

注蒸汽开采冻土区天然气水合物数值计算与野外应用

试开采研究是天然气水合物从理论研究走向商业化开采的必经之路。提出的注蒸汽开采是一种综合开采方法,是在降压开采的基础上,往孔内注入热蒸汽对水合物目标开采层进行激振往复式热激发。注蒸汽开采能够避免“自保护效应”,促进水合物进一步分解,理论上能够扩大开采范围、提高产气量。利用FLUENT数值模拟软件对蒸汽加热水合物层动态过程进行数值计算,通过模拟计算结果对比分析,在满足开采要求的前提下确定最佳的注蒸汽功率为20 kW,注热时长为38 h。在青海木里盆地天然气水合物试采项目中,注蒸汽开采进行了5.2 h开采试验,产气量为3.25 m3。     

中国南海天然气水合物第二次试采主要进展

泥质粉砂型天然气水合物被认为是储量最大开采难度亦最大的水合物储层,2017年南海天然气水合物试采,初步验证了此类水合物储层具备可开采性。在总结前次试采认识的基础上,对试采矿体进行优选、精细评价、数值与试验模拟和陆地试验,中国地质调查局于2019年10月—2020年4月在南海水深1225 m神狐海域进行了第二次天然气水合物试采。本次试采攻克了钻井井口稳定性、水平井定向钻进、储层增产改造与防砂、精准降压等一系列深水浅软地层水平井技术难题,实现连续产气30 d,总产气量86.14×104m3,日均产气2.87×104m3,是首次试采日产气量的5.57倍,大大提高了日产气量和产气总量。试采监测结果表明,整个试采过程海底、海水及大气甲烷含量无异常。本次成功试采进一步表明,泥质粉砂储层天然气水合物具备可安全高效开采的可行性。     

美国阿拉斯加北坡永冻带天然气水合物研究和成功试采

阿拉斯加北坡（ANS）永冻带蕴藏着丰富的天然气水合物资源,该地区是美国天然气水合物研究开发的特定目标之一。自1970’年代起,美国先后研发的PCB和PCS天然气水合物保压取心器应用于DSDP、ODP、IODP和ANS。第一口旨在研究阿拉斯加天然气水合物的热冰1井于2004年初完成。该井虽然没有钻遇到水合物层位,但是许多新开发的技术,如北极钻井平台、移动式岩心实验室、智慧钻井等成功地获得了应用。艾尔伯特山1号研究井于2007年2月顺利地钻至914 m,全井取心率85%,并进行了测井和运用组合地层动态测量仪对井下压力测试,完成了全部预期研究目标。对“自然产生的”和由“油气钻采工业诱发的”与水合物相关的地质灾害进行了研究,后者主要分为3类,即穿越天然气水合物钻探、穿越天然气水合物深部油气开采及开采天然气水合物的生产。对天然气水合物,特别是运用CO2-CH4置换法开采水合物的理论和实验室的研究,在美国许多学术机构和大学有成效地进行了许多年。2012年5月,康菲公司与日本国家油气与金属公司（JOGMEC)以及美国能源部（DOE)合作,运用CO2-CH4置换法,圆满地完成了Ignik Sikumi #1井的天然气水合物试采。在38天返排期间气体生产的30天内,累积生产甲烷气体约28317 m3 (100万scf)。该项试采工程结果表明,CO2-CH4置换法是天然气水合物开采重要而有效的方法之一,它可在较大程度上减少对环境的污染和破坏。     

天然气水合物原位补热降压充填开采方法

天然气水合物资源量丰富,被公认为最有潜力的新型高效清洁替代能源,是未来能源革命的战略突破口。由于天然气水合物分解是伴随相变的复杂物理化学过程,安全经济地开采天然气水合物仍有许多瓶颈难题亟待解决。当前降压法是相对经济有效的开采方法,但天然气平均日产量远远达不到产业化开发的需求。在分析降压法规模化开采面临的瓶颈问题的基础上,提出了一种全新的天然气水合物开采方法原位补热降压充填开采法,重点剖析了该方法的3个基本原理,提出了该方法的开采技术方案、关键技术与工艺步骤。得出了如下结论:(1)天然气水合物降压法规模化开发需要突破“天然气水合物分解热补给”(补热)、“储层结构稳定性”(保稳)和“提高储层渗透率”(增渗)等3个方面的瓶颈难题;(2)基于“降压分解原理”、“原位补热原理”和“充填增渗原理”,提出了天然气水合物原位补热降压充填开采法,该方法将氧化钙(CaO)粉末注入天然气水合物储层,反应产生的大量热量补充天然气水合物的分解热,同时,反应生成的氢氧化钙(Ca(OH)2)既填充了天然气水合物分解后留下的空隙,多孔结构又提高了储层的渗透性;(3)提出了天然气水合物原位补热降压充填开采所涉及的具体技术方案、关键技术与工艺步骤。当前天然气水合物开采技术手段距离产业化开发的需求还有一定距离,未来需要加强国际科研合作,深度学科交叉,研发变革性技术,早日实现天然气水合物规模化开发。     

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。     

天然气水合物勘探开发:从马里克走向未来--加拿大北极地区天然气水合物勘探开发情况综述

2003年12月8-10日在日本千叶市举行了名为“马里克国际研讨会——从马里克走向未来”(Mallik International Symposium-From Mallik to the Future)的国际天然气水合物会议。会议的目的是第1次全面展示2002年在加拿大北极地区马更些三角洲实施的天然气水合物生产调查井项目研究成果。会议由马里克开采实验调查井项目和日本石油公团主办，国际大陆科学钻探计划(ICDP)协办。来自日本、加拿大、美国、德国、印度、中国、澳大利亚、俄罗斯、韩国、英国、中国台北等12个国家和地区的231名代表参加了会议，其中中国有7人参加。会议内容包括大会交流、参展论文及点评、     

祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程概况

2008～2009年,中国地质调查局组织中国地质科学院矿产资源研究所、勘探技术研究所、青海煤炭地质105勘探队等单位,在祁连山木里地区实施“祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程”,迄今共完成DK-1、DK-2、DK-3和DK-4 4个钻探试验井,总进尺2059.13m,并在井深133~396m区间钻获多层天然气水合物,取得了找矿工作的重大突破,证实中国冻土区存在规模巨大的天然气水合物潜在能源。祁连山冻土区天然气水合物具有埋深浅、冻土层薄、气体组分复杂、以热解气为主等特征,应是一种新类型的水合物。初步研发集成出一套冻土区天然气水合物调查方法、钻探施工工艺和配套装备,为下一步的调查研究奠定了基础。     

日本天然气水合物研发进展与技术方向

日本是能源资源紧缺型国家,能源高度依赖进口.天然气水合物作为一种新型能源,促进其商业化开发已成为日本能源战略的重要部分.20世纪90年代以来,日本通过开展三轮国家级天然气水合物研发计划,实施了两轮海域天然气水合物试采,基本完成了周边海域资源调查评价,形成了一套基于降压法的试采技术体系和环境监测体系.为推动天然气水合物商...     

祁连山冻土区DK-9孔温度监测及天然气水合物稳定带厚度

祁连山冻土区木里盆地三露天井田自2008年首次钻采到天然气水合物实物样品以来,实现了中低纬度高山冻土区天然气水合物勘探的重大突破。天然气水合物钻孔DK-9于2013年发现水合物,通过对该孔长期地温实时监测,获得了稳态的地温数据。结果表明,祁连山多年冻土区聚乎更矿区三露天井田冻土层底界为约163 m,冻土层的厚度达约160 m,冻土层内的地温梯度为138 ℃ /100 m,冻土层以下的地温梯度达485 ℃/100 m。根据天然气水合物形成的温-压条件分析,聚乎更矿区具备较好的天然气水合物形成条件,天然气水合物稳定带底界深度处于510~617 m之间。     

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。     

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。     

水平对接井钻井技术在天然气水合物试采中的应用

2016年,在祁连山冻土区完成了天然气水合物试采水平对接井钻井施工,针对不同井段分别制定了合理的钻进参数及泥浆配方,采用MWD技术及慧磁中靶导向系统,实现了小曲率半径下精准对接,将水平对接井钻井技术成功应用于水合物试采,取得了良好的效果。水合物试采对接井钻井施工不同于可溶性矿藏,其对接精准度要求更高,施工难度更大,主要介绍了水合物水平对接井钻井施工工艺的相关内容。     

天然气水合物原位补热降压充填开采方法三维数值模拟研究

天然气水合物是未来极具潜力的新型高效清洁替代能源。在分析水合物开采面临的瓶颈问题的基础上,提出了一种全新的天然气水合物开采方法——原位补热降压充填开采法。该方法将氧化钙(CaO)粉末注入天然水合物储层,降压开采天然气,天然气水合物分解产生的水和氧化钙粉末迅速反应,产生的大量热量补充天然气水合物的分解热。本文利用基于有限体积法的新型天然气水合物模拟器,构建三维地质模型对该方法进行产能数值模拟评价。模拟结果表明相较于常规水平井方法以及水平井结合压裂开采方案,该方法对生产的促进效应明显,尤其是与水平井结合压裂开采方案相比该方法的累积产气量明显提高,但累积产水量没有显著变化,开采效率显著提升。施工工艺中裂缝等效渗透率和氧化钙注入量两个关键参数的敏感性分析结果表明在压裂过程中,压裂技术的增产效果会随着等效渗透率的提高而逐渐减弱。除此之外,氧化钙注入量越大,增产效应越明显,并且提高氧化钙注入量只会提高产气量,不会显著提高产水量,所以理论上注入量越大,产气效率越高。与此同时,该方法在不同渗透性能的天然气水合物储层中均有一定的适用性,其中针对低渗储层的促进效应更为显著。综合上述结论,本文从三维模型理论计算的角度定量化验证了原位补热降压充填开采方法的潜在价值,期待为将来的水合物试采工作提供一定参考。     

应用数值模拟研究神狐海域水合物第一次试采数据

2017年神狐海域第一次试开采成功后,许多学者应用数值模拟对试采数据进行研究,但模拟结果与实际试采数据存在偏差.为了探求原因,本研究建立了二维柱坐标系下水合物降压开采数学模型,开发了相应的程序,能够模拟渗透率等储层参数非均匀分布条件下开采过程,同时能够模拟开采井压力等动态参数对开采过程的影响.通过数值实验,得出偏差原因:（1）泥质粉砂型储层存在水敏性,水合物分解产生的淡水引起粘土膨胀,使渗透率下降;（2）须将开采井压力作为动态输入参量.据此,修正了渗透率模型,考虑了开采井压力随时间的变化,得到的模拟产气量与试采数据十分接近,使降压开采数值模拟更逼近实际情况.      

天然气水合物试采对接井卡钻事故分析与处理

2016年,在青海木里盆地顺利完成了陆域天然气水合物试采工作,首次将对接井技术应用于天然气水合物试采,取得了显著的效果。钻井区域复杂地层给对接井钻井施工带来了极大的难度与风险,钻井过程中多次出现卡钻现象,本文主要介绍了天然气水合物试采对接井钻井过程中遇到的卡钻事故,并对主要卡钻原因进行了详细分析,给出了相应的解卡措施。     

神狐海域天然气水合物智能拟合建模与开采研究

中国南海神狐海域水合物储层地质特征复杂,难以获取储层全部参数。本研究通过智能拟合手段,根据实际试采产气量拟合选择南海神狐海域作为目标区域,降压开采,结合垂直井网开采措施,提升开采效果,解决我国未来的能源紧缺问题。由于南海神狐海域水合物储层参数缺少数值模拟所需的精确值,通过历史拟合方法确定储层物性参数,并进行长期开采预测,为后续水合物开采实验做铺垫。     

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。