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。     

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。     

天然气水合物开采研究现状

随着天然气水合物基础研究的不断深入,天然气水合物开采研究空前活跃.在技术方法方面,传统的热激发开采法、减压开采法与化学抑制剂注入开采法获得了不断的发展与改进;新型开采技术如CO2置换法与固体开采法引起了学者们的极大关注;最近我国还研制出适合于海洋天然气水合物开采的水力提升法.在开采研究实践方面,全世界已在3处冻土区进行了天然气水合物试采研究.介绍了天然气水合物开采技术的研究进展与冻土区天然气水合物试采研究结果,分析了天然气水合物开采研究中可能涉及的环境问题,展现了现阶段天然气水合物开采研究领域的最新成果,总结了这一领域取得的经验与认识,强调了国际天然气水合物开采研究对我国天然气水合物研究的启示.     

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。     

天然气水合物藏开采数值模拟研究

TOUGH2是美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的一套渗流模拟软件,其研究内容与水合物藏的开采在气液渗流、质量和热量的传递等方面有很多的共同之处,但水合物的开采又涉及到固态水合物分解产生气体和液态水或固体冰的,与TOUGH2现有内容有一定区别。为了将TOUGH2软件应用于天然气水合物藏开采模拟,在对TOUGH2的功能进行充分解读后,进行了以下三个主要修改:1针对天然气水合物三相变化的状态方程模块;2添加天然气水合物分解速率和相平衡计算模块;3在TOUGH2程序的主体控制方程中,添加由天然气水合物分解引起的变化量。通过上述修改和程序调试,形成了一套基于TOUGH2的水合物藏开采数值模拟软件。利用该软件对神狐海域的水合物藏参数进行计算,其结果与劳伦斯伯克利国家实验室开发的水合物藏开采模拟软件(TOUGH+HYDRATE)的计算结果进行对比,结果表明两者吻合很好,验证了软件的正确性。     

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.     

天然气水合物加热开采机理及数学模型

在目前已有的主要水合物开采方法研究的基础上,进一步研究了天然气水合物加热开采法的机理。研究认为,水合物是加热分解、热传导和含化学分解的液、气两相渗流流动,它们之间既相互独立,又相互联系。并将水合物区划分为分解区和未分解区,将分解区前缘作为可移动的分界面,分区建立了加热分解热传导数学模型及含分解化学反应的液、气两相渗流流...     

神狐海域天然气水合物研究新进展

为深入了解我国天然气水合物勘探开发方面的研究进展,在简要概括国外水合物勘探试采的基础上,对我国近20年南海水合物的勘探历程及神狐海域两次成功试采进行了归纳总结,分析了神狐海域储层地质力学特性和水合物开采模拟两方面在当前所取得的阶段性成果,并针对其中存在的出砂机理研究不足、安全指标尚未建立、模型存在局限性等一些问题给出了...     

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.     

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。     

天然气水合物勘探开发研究新进展及发展趋势

天然气水合物是继煤、石油和天然气等能源之后的一种潜在新型能源,本文简要介绍了天然气水合物的由来、性质和特征,根据目前国内外研究现状,概述了天然气水合物勘探开发方面的国际研究新进展,以及我国在这方面取得的研究成果,归纳了目前存在的问题并展望了发展的方向和趋势。     

天然气水合物开采数值模拟的参数敏感性分析

天然气水合物是储量巨大的一种新型能源,如何有效地开采是关键问题。基于降压开采的机理,建立了一维数学模型,利用自编的数值模拟软件进行了天然气水合物开采过程中的参数敏感性分析;通过与Yousif研究结果进行对比,验证了本模型的正确性。在此基础上,分析了渗透率、初始天然气水合物饱和度及生产压力对开采效果的影响。研究发现,渗透率越大、初始饱和度越低、生产压力越低,天然气水合物分解越快,分解前缘的移动速度越快。研究结果对天然气水合物的实际开采提供了理论支持。     

储层改造对天然气水合物开采产能的影响

在常规油气田开采中,储层改造技术是一种有效的增产、增注技术,其在水合物矿藏开采中有较好的应用前景,但到目前为止国内还没有关于储层改造技术对水合物矿藏产能增产效果的评价研究。本文利用劳伦斯伯克利国家实验室开发的水合物藏开采模拟软件TOUGH+HYDRATE,以中国地质调查局2007年采集的南海北部神狐海域SH7的测井数据为基础,建立了实际水合物藏分层地质模型,分析对比了单一垂直井在储层改造条件下和裸眼完井条件下井底流压均为4. 5 MP时的产气产水变化规律。模拟结果表明,在本文假设的储层改造条件下水合物矿藏产能可提高约3倍。研究结果可为南海神狐海域和类似地区天然气水合物矿藏实施增产工程技术手段提供理论指导。     

天然气水合物勘探技术综述

主要介绍了目前国内外常用的天然气水合物矿体的勘探方法，包括地球物理勘查技术、地球化学勘查技术、孔隙水的含盐度、海底地质活动、地质取样与钻探技术、旁侧声纳技术，并分析了各自的适应性。     

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。     

中国天然气水合物资源潜力及试开采进展

二氧化碳地质封存(CGS)是减少温室气体排放和缓解气候变化最有前景的技术之一,以水合物形式将CO₂封存在废弃的天然气水合物储层中,能够在CGS中发挥关键性作用。基于青海木里地区煤系天然气水合物储层的基本物性特征,研制水合物储层人造岩心,分析岩心密度、孔隙率及渗透率随石英砂粒径的变化特征。通过低场核磁共振技术研究岩心中CO₂水合物饱和度演化特征,阐明水合物生成期间岩心孔隙结构特性。结果表明：随石英砂粒径减小,岩心孔隙率与渗透率呈先上升后下降变化特征;岩心孔径主体分布在0.004~0.050 μm,主要为小孔与微孔孔隙。CO₂水合物核磁饱和度变化可划分为4个阶段：初始期、诱导期、合成期及稳定期,合成期内核磁信号强度降低,岩心中水合物饱和度快速增大。水合物生成期间,岩心孔隙体积比例曲线逐渐由两边向中间靠拢,孔隙分布范围逐渐减小,岩心中超大孔孔隙随水合物生成逐渐消失,微孔孔隙对水合物的生成起决定作用。岩心孔隙率越大,水合物生成效率及饱和度相对较高。研究成果为掌握天然气水合物储层中CO₂封存机理与封存效率提供科学基础。

     

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。     

中国天然气水合物资源潜力及试开采进展

中国高度重视天然气水合物资源的调查研究。自上世纪90年代中期开始先后经历了资源预测、调查、试采三个发展阶段,迄今已在南海神狐、东沙、琼东南、台西南斜坡及祁连山木里地区发现水合物样品5处,在南海、东海冲绳海槽及青藏高原发现地质、地球物理、地球化学等赋存标志7处,显示出良好的资源前景。综合多位学者的估算结果,中国天然气水合物的资源量约126×10¹²m³,是中国常规天然气资源量的2倍,资源潜力巨大。自2011年起,先后在祁连山木里地区和南海神狐地区进行了5次天然气水合物试验性开采,累计产气量达117×10⁴m³,且使得位于“金字塔”塔基且规模巨大的细粒储层中的水合物也有可能成为开发利用对象。中国是能源短缺国家,如何尽快开发利用这一规模巨大的潜在能源,需要全方位、多层次地开展各项调查研究,并进行技术、经济和环境评价,加快商业化开发进程,使这一潜在能源能在不久的将来真正造福于社会。     

降压开采导致天然气水合物系统状态演化模拟实验

天然气水合物是一种重要的潜在替代能源,降压法是现阶段水合物开采的首选方法。水合物降压开采涉及传热、多相渗流、分解相变和储层变形等多个相互影响的物理效应,深入理解其在降压开采过程中的演化规律,对于促进水合物开采效率、实现商业化开发具有重要的指导意义。本文基于一维实验模拟系统,开展了水合物降压开采储层多物理场演化模拟实验,在非均匀温度条件下采用过量气法合成水合物,分析了水合物非均匀性分布特征,探讨了降压过程中样品孔隙压力和温度的演化规律,对比了产气过程与传热演化过程的对应关系。结果表明:水合物合成后温度分布呈两侧高中间低的抛物线形状,水合物分布具有中间多而两侧无的非均匀性特征,且温度回升具有由两侧向中间发展的特点;降压分解产气过程与传热演化过程具有良好的对应性,稳态产气阶段由传热效应控制。控制降压模式、以对流换热替代热传导等方式有益于提升水合物开采产气效率。     

天然气水合物开采储层出砂研究进展与思考

天然气水合物开采井眼出砂问题是当前水合物产业化急需突破的瓶颈之一,解决水合物开采时防砂与产能平衡问题是实现水合物安全高效、长期可控开采的关键。我国海域典型水合物储层属于弱固结的低渗泥质粉砂储层,其面临的防砂控泥与增产矛盾较为突出。厘清不同水合物储层和开采条件下的井眼出砂规律并揭示其机理,进而制定科学合理的防砂控泥措施以实现产能最大化是解决上述矛盾的途径所在。从理论分析、数值模拟、室内实验和现场试采4个角度介绍了世界范围内已开展的水合物出砂防砂情况,分析总结了水合物储层出砂影响因素及出砂机理,最后探讨了目前出砂研究存在的问题和挑战,并给出了相应的建议,旨在为后续水合物开采井眼出砂预测和防控研究提供思路和参考。