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。     

南海天然气水合物研究进展

自1999年起,我国陆续开展南海天然气水合物调查及勘探研究工作。2007年5月在南海神狐海域成功钻获天然气水合物实物样品,标志着天然气水合物找矿工作的重大突破,显示出南海丰富的天然气水合物资源前景。本文综述了南海天然气水合物发育的有利地质条件,赋存的地质、地球物理和地球化学证据,水合物分布和发育特征及成藏模式,指出目前研究工作中还存在的一些问题:勘探实践获得的天然气水合物地球物理和地球化学响应与实际存在水合物并非一一对应;大多数研究只针对水合物形成的某一方面的条件开展(如气源、流体运移体系等);同时,水合物稳定带和水合物资源量估算均较为粗略。因此,明确天然气水合物地质、地球物理和地球化学响应机理、开展水合物成藏系统和成藏动力学研究以及更加精确且符合实际的估算水合物资源量将会是今后南海天然气水合物研究的重点。     

海洋天然气水合物勘探与开采研究的新态势(一)

天然气水合物是一种由甲烷等气体与水分子组成的冰雪装的晶体物质.它们形成和赋存于低温高压条件,广泛分布于世界大洋和内陆湖、海的底部,以及极地的冻土带,被认为是21世纪最有远景的新能源.海洋型天然气水合物常以浸染状、层状,或块状形式赋存于水深300～500m的陆坡和岛坡的近海海底的沉积岩中.依据最新较为保守的估算,全球海底的天然气水合物所蕴藏的甲烷气体约为105 TCF(约合2.8×1015 m3,或2 800万亿m3),比全世界天然气的总储量(0.18×1015 m3或180万亿m3)还大得多.     

海洋天然气水合物勘探与开采研究的新态势(二)

3海底水合物开采的数字模拟近几年来,数字模拟(numerical simulation)广泛应用于天然气水合物的研究,特别是水合物开采的数字模拟方法已成为水合物勘探和开采不可缺少的手段.海底天然气水合物是一种赋存于海底沉积层中的特殊能源矿产,其开采方法不同于一般固体矿产,开采技术也更加复杂和困难.因此,海底水合物的开发和开采是科技界面临的一种新挑战.海底水合物矿层无法直接接触、深海钻探测试费用昂贵以及最初开采尝试的成功机率不大,这些因素迫使科学家去寻找和研究一种合理的替代方法,用以进行开采前的先期评估,这就是近几年发展起来的数字模拟方法.数字模拟功能强大,方法灵活,与实地开采试验和实验室研究相比,成本也较低廉,因此,它在评估水合物开采的潜力和制定开采设计方面起着重要作用.该方法能够提供矿区和实验室勘测工作的设计,提供无法观测的物理化学参数,回答开采过程中各种参数的演变趋势等诸多疑难问题.更重要的是,它可以帮助鉴定和选择水合物开采的靶区和"富矿带".已经在加拿大冻土带Mallik地区天然气水合物的试验开采中证明了数字模拟的有效性和实用性.     

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.     

二氧化碳地质封存中的储存容量评估：问题和研究进展

二氧化碳地质封存被认为是一项非常有潜力的CO₂减排技术。其中对CO₂地质储存能力的评估可作为某一国家、某一区域或某一具体储层是否适合CO₂地质封存开展的判断依据之一。但目前的研究结果表明,对CO₂地质储存容量的评估并不是一个简单而直接的过程。介绍了由碳封存领导人论坛（CSFL）提出的用于不可采煤层、油气储层和深部咸水含水层中CO₂储存容量评估的方法。总结了影响CO₂地质储存容量评估的主要因素,为我国在CO₂地质封存领域研究的广泛合作提出了建议,有助于推动该技术在中国的深入开展。     

天然气水合物分解和开采的机理及数学模型研究综述

回顾了25年来国内外水合物开采数值模拟研究的进展,分析了影响水合物开采过程的主要机理,即传热、气液流动和水合物分解。将已有的模型分为热力开采、降压开采和综合3种模型,并对各种模型所具有的特点进行了讨论。综合分析认为,TOUGH Fx/HYDRATE模型充分考虑了多相多组分并借鉴上述3类开采方式,可模拟开采过程中气液流动和相态变化,具有较高的应用价值。最后探讨了目前模型的主要问题以及发展方向,认为水合物矿藏岩石的绝对渗透率、相对渗透率、热传导系数等关键参数的测量及确定是精确模拟水合物开采过程的重要因素。     

天然气水合物开采套管柱技术状态研究

在天然气水合物开采过程中,由于天然气水合物的分解,会引起井周地层物理力学性质和压力的变化,从而产生扩径、井场地基失稳(钻井平台失稳)、注水泥工作质量低下(套管失稳)、套管柱挤压、钻杆和套管卡夹、天然气泄漏等一系列复杂情况,会严重影响固完井质量、生产和环境。因此,高效、先进的完井固井质量,特别是套管技术状态的检测技术是开采天然气水合物的关键技术之一。俄罗斯井中地球物理研究所研制的小口径电磁探伤仪ЭМДС-ТМ-42TC可以准确地检测出套管柱的技术状态,已经在许多国家使用,取得了较好的应用效果。介绍了在套管柱损伤情况研究方面的进展以及ЭМДС-ТМ-42TC小口径电磁探伤仪的技术特性和应用情况。     

水力输送法开采海底浅层天然气水合物技术研究

海洋天然气水合物占全球水合物总储量的99%,海洋天然气水合物大部分沉积在海底浅层没有良好的覆盖层,无法采用开采传统油气资源的方法进行开采.为了开采海底浅层天然气水合物,分析了海洋天然气水合物的存在类型及地质特征,探讨了目前开采海洋天然气水合物的理论方法及局限性.根据海底天然气水合物成矿的地质特点及水合物的物理特性,提出了以水力输送技术为主要理论的海洋浅层天然气水合物开采方法.该方法克服了其他方法开采海底天然气水合物面临的技术困难,为海洋天然气水合物的开采提供了技术基础及理论支撑.     

多维天然气水合物开采模拟试验系统的研制与初步应用

为研究天然气水合物的合成及分解特性、储层的开采特性以及开采过程中的出砂防砂等问题,自主研制了一套多维天然气水合物开采模拟试验系统。该试验系统主要由气体注入系统、稳压供液系统、蒸汽或热水注入系统、一维/二维/三维模型、回压控制系统、出口计量系统、数据采集控制处理系统等组成。该试验系统的主要特色如下:(1)将高压玻璃做成的一维反应釜外壁和高清摄像头结合达到可视化的目的,监测中低压力下水合物的合成、分解情况以及开采过程中砂粒的运移情况;(2)采用自主研发的双缸恒速恒压泵控制回压阀,使得整个降压开采过程中反应釜中的压力能够实现高精度的均匀减小,达到分段缓慢降压的目的,避免水合物的二次生成,使产气速度更加均匀。以不同粒径的石英砂、去离子水和纯度为99.9%的甲烷气为原材料,开展了一维相平衡试验和二维降压开采试验,通过以上初步应用验证了该试验系统的可靠性。     

天然气水合物的特征及环境意义

天然气水合物是由甲烷等气体和水分子组成的类冰状的固态物质,主要分布在极地永冻层和外大陆架边缘的海洋沉积物中,赋存在天然气水合物中的碳约为１０＾１３吨,相当于全球其他化石燃料中碳含量的两倍,由于天然气水合物处于亚稳定状态。因此天然气水合物既可作为２１世纪潜在能源资源,又可以非稳定状态导致海底滑塌和滑坡等地质灾害,并可通过释放甲烷影响全球气候。     

天然气水合物成矿带的识别技术研究

在天然气水合物的地震资料解释过程中,常规地震剖面上难以识别水合物成矿带的准确位置。通过多年的实践对比研究,认为波形、速度反演、速度模型、流体因子、瞬时振幅、相对极性和能量半衰时等各种地震剖面,能够较好地揭示水合物成矿带的地球物理异常特征。收集整理了一部分国内外对水合物成矿带的识别技术,并提出了在无井的情况下,如何利用波形、速度和各种地震属性剖面所提供的信息来确定水合物成矿带的一些新想法,以期对水合物资源量的评估能提供比较有价值的参考依据。     

Seismic Features of Marine Gas Hydrates in Offshore Northwest Africa

<正>1 Introduction Gas hydrates are also called methane hydrates or clathrate hydrates,commonly known as"combustible ice",which are present in permafrost,continental slope,shallow sea,platform,etc.Gas hydrates(clathrate hydrates)are crystalline solid structures consisting of water and small molecules such as CO_2,N_2,CH_4,H_2,etc.which are formed     

海洋天然气水合物勘查和识别新技术:地质微生物技术

当前国内外海洋天然气水合物勘查和评价发展趋势要求有更多具有精细探测和评价功能的技术,这给地质微生物水合物探测技术的研发和应用提出了需求和挑战。简要介绍了当前水合物成藏或沉积环境研究中所涉及的主要微生物类别及其主要关系,它们绝大多数是适应海底深部低温高压环境的厌氧极端生物。其中重要类群是为天然气提供气源的产甲烷古生菌、参与甲烷厌氧氧化过程的甲烷氧化古生菌和硫酸盐还原细菌。介绍了国内外几个地质微生物探测技术的实例,包括历史悠久的"微生物油气勘探"技术、近十年来发展起来的微生物计数法、群落结构和标志类别法;另外,对新露头角的微生物生物标志物法等其他方法也给予简要介绍。     

海洋沉积物孔隙水硫酸盐浓度和碳同位素对天然气水合物的指示

硫酸根离子（SO42－）是海洋沉积物孔隙水中的重要组分之一。硫酸盐还原菌利用孔隙水中SO42－作为氧化剂氧化沉积物中有机质或甲烷，造成孔隙水中SO42－离子浓度降代，同时使溶解在孔隙水中CO2的碳同位素组成降低。研究表明，在有天然气水合物出现的地区，强烈的甲烷缺氧氧化作用使孔隙水SO42－浓度急剧下降，表现为海底沉积物中硫酸盐－甲烷界面（SMI）较浅。如布莱克海台区，SMI界面为5.1～23.9m，界面附近深解于孔隙水中CO2的δ13C值低达－39％。笔者发现南海北京海区几个站位具有类似于布莱克海台区的较浅的SMI界面（7.5～17.2m）和极低的δ13C值（－29‰），结合其他地质、地球物理和地球化学证据，推测这些站位处可能赋存有天然气水合物，值得开展进一步详查工作。     

海洋天然气水合物元素地球化学异常的实验研究

海洋天然气水合物在生成过程中会引起周围沉积物孔隙水中元素地球化学异常,这些异常是指示天然气水合物存在的重要标志。在自制的实验装置上,模拟了海洋天然气水合物的生成过程,对海水中各离子浓度的变化进行了初步研究。结果表明：在不同的反应条件下,水合物的生成对各离子浓度变化的影响不同。压力越大,耗气量越大,生成水合物的量就大、纯度高,其排盐效应也较强,导致海水溶液中离子浓度的增高,而水合物中离子含量却呈降低趋势。     

含动力学抑制剂的聚合醇钻井液水合物抑制性研究

对含动力学抑制剂的聚合醇钻井液水合物抑制性进行了实验研究。实验结果表明,加入PVP的水基聚合醇钻井液能够有效抑制甲烷水合物的生成,而PVP(K90)的抑制效果明显优于PVP(K30)。在温度为0℃、初始压力为18 MPa的条件下,只需向水基聚合醇钻井液中添加1%的PVP(K90),就能够确保循环管路中20 h内不会生成水合物。     

China Has Successfully Conducted Its First Pilot Production of Natural Gas Hydrates

<正>Natural gas hydrates are a chemical compound of methane and water molecules formed under low temperature and high pressure.The decomposition of 1 m~3of natural gas hydrates can release about 0.8 m~3 of water and 164 m~3 of natural gas.Thus,natural gas hydrates are characterized by their high-energy density and huge resource potential.It is estimated that the world's total natural gas hydrates resource amount is equivalent to twice the total carbon amount of the global proven     

天然气水合物孔底冷冻取样器储冷腔的设计与试验研究

孔底冷冻取样是一种有效的钻取天然气水合物岩心的方法,绳索取心式孔底冷冻取样器的制冷能力由可存储冷源干冰和制冷酒精的储冷腔决定。本文就不同内部结构的储冷腔进行了储冷能力和制冷效果的设计与试验研究,计算了储冷腔的保冷层厚度,并设计了分层式、螺旋阶梯式和带孔管式3种储冷腔内部结构;通过对储冷腔保冷能力的试验研究,干冰存储1 h后平均损失率为31.3%,能满足后续制冷酒精的要求;并对不同结构的储冷腔开展试验研究,试验结果表明,带孔管式储冷腔可在短时间内完成对酒精的冷冻,酒精降温幅度达36.3 ℃,可满足水合物冷冻取样的能量要求。