天然气水合物储层水力压裂研究进展

天然气水合物是一种广泛分布于海底地层中重要的未来战略能源,但在开采过程中,由于水合物储层介质颗粒粒径较小,孔隙多被固态水合物占据,储层渗透率低,制约着天然气水合物开采的产业化进程。当今水力压裂技术已广泛应用于低渗透油气藏的增产作业中,本文总结了近年来国内外对天然气水合物储层应用水力压裂技术的研究现状,从压裂实验、数值模拟和压裂液等方面进行了讨论。结果表明,水力压裂可以创造人工裂缝,扩大水合物解离面积,提高储层渗透率和天然气产量,有利于商业开发。储层的脆性响应问题、开发新型压裂液以及压裂对水合物储层地质安全的影响,都是水合物储层水力压裂研究亟待解决的问题。     

天然气水合物储层渗透率研究进展

天然气水合物是清洁、高效、储量巨大的未来最具潜力资源之一,而储层的渗透率是影响水合物资源开采时产气效率的重要参数。目前,国内外对天然气水合物储层的渗透率进行了大量的研究并取得一定进展,本文从数值模拟、储层现场探井、实验研究等方面全面回溯,分析总结了孔隙度、饱和度、应力应变情况等对储层渗透率的影响,讨论目前储层渗透率研究存在人工合成水合物沉积物与自然储层存在差异,不同多孔介质形成的水合物沉积物应力敏感性不同,多相渗流研究不够充分,储层渗透率改造研究不足等问题,对未来的研究方向提出了展望。     

一种新型天然气储存技术及其应用前景

天然气水合物（NGH）是在低温高压的条件下由水和天然气形成的笼形结晶化合物。天然气水合物储气技术是一种新型的天然气储气技术，具有能量密度高、安全可靠、费用低等优点。文章介绍了天然气水合物的制备、储气性能以及应用前景。     

“CH4-CO2”置换法开采天然气水合物

天然气水合物作为一种储量巨大的清洁能源,其开采价值已引起越来越多的关注。当前天然气水合物开采技术仍不足以商业化应用,还需进一步的实验研究进行理论支撑。二氧化碳置换开采天然气水合物被认为是能同时实现天然气水合物开采与二氧化碳减排、封存的双赢技术,近年来得到了较广泛的研究。置换过程中,混合天然气水合物的热力学和结构性质是预测含水合物沉积物中的热流和水合物解离所需的热量以及评估水合物储层的CO₂储存能力的关键因素。本综述在调研国内外天然气水合物开采技术研究现状的基础上,围绕CO₂置换开采天然气水合物的热力学特性、微观机理与置换效率等,总结了各研究取得的成果,针对置换研究中存在的问题进行了分析,认为当前置换法开采天然气水合物最关键难点在于提高置换效率,而解决该问题的根本在于从热力学和动力学角度弄清楚置换反应的微观机理及控制性因素,明确置换机理,从而在未来的研究有的放矢。     

A Large Potential Methane Source—Natural Gas Hydrates

Abstract

Natural gas, essentially methane, can be obtained from natural gas hydrate (NGH). NGH reserves are difficult to pinpoint in the subsurface, but large sources have been identified by seismic reflection. This is particularly so below the sea floor near continental shelf plates in the oceans deeper than 300 m as NGH is stable at 4°C and 50 bar pressure. When extracted, 1 m³ of NGH can contain 160 sm³ of gas. Currently, estimates of this gas resource are very uncertain, but recent estimates suggest perhaps 2,500 trillion sm³, but how much gas can actually be produced from these accumulations is totally unclear at present. NGH could possibly solve much of the energy needs after 2020, but safe ways of extraction still have to be designed. Possible methods include the injection of hot water or inhibitor or reduction of reservoir pressure, but none have yet been commercially tested. Great caution will be needed because catastrophic environmental damage is likely if the methane is carelessly released from the sediments. This article reviews the ‘state of the art’ of NGH.     

海洋天然气水合物开采的固相控制策略*

天然气水合物是一种潜在的洁净能源资源,我国南海有丰富的储量,被认为是后石油时代的重要战略资源之一,然而目前大部分的海洋天然气水合物开采都受到出砂影响。针对深水天然气水合物开采过程中易出砂的现象,通过前期的出砂实验、理论和数值模拟,提出了海洋天然气水合物开采过程中固相（砂和水合物）控制方案。总结了天然气水合物开采过程中出砂特性和防砂案例,提出大颗粒水合物对泥质粉砂具有挡砂作用,进而影响防砂设计精度。据此,根据开发角度的天然气水合物藏6类细分,提出了考虑水合物颗粒本身及其分解作用的固相控制方法。结合南海天然气水合物储层公开资料,设计出相应的固相控制精度,以期最终形成出砂/防砂/井筒携砂/水合物二次生成预防为一体的固相控制体系,为南海天然气水合物安全高效地商业开发提供参考。     

多孔介质中甲烷水合物的生成特性研究进展

天然气水合物是一种清洁高效的能源,常常在自然界中的海底沉积物多孔介质孔隙中生成,同时水合物在工业上还能与多孔介质材料一起作为储存及分离气体的一种方式,因此开采利用水合物以及发挥水合物工业技术的前提都跟多孔介质有莫大的关系,对多孔介质中天然气水合物生成特性的研究进行总结与分析具有非常重要的意义。本文总结分析了国内外关于不同类型多孔介质中甲烷水合物的生成过程及特性的研究文献,将多孔介质根据其孔径大小进行划分。结果显示,在微孔介质中,甲烷水合物的生成侧重于气体的存储及运输方面;在介孔介质中,甲烷水合物的生成动力学受孔径影响较大;在大孔的沉积物中,甲烷水合物的生成及分布的机理性研究仍比较缺乏。因此,需要进一步的研究来丰富甲烷水合物在多孔介质中的生成动力学理论,本文将在文献调研的基础上为今后的研究方向提出一些展望和思路。     

输气管线中天然气水合物的防治

天然气水合物是由天然气和水在高压低温条件下形成的类冰结晶状化合物。天然气储运过程中,天然气水合物常常造成管道、阀门和设备等的堵塞,降低了管道的输送能力。因此水合物的防治工作对于石油天然气工业日趋重要。针对水合物的防治可采取物理和化学措施,例如脱水法和添加抑制剂等。抑制剂主要包括热力学抑制剂、动力学抑制剂、防聚剂三种类型,开发环保并且低廉的动力学抑制剂和防聚剂是防治水合物的发展方向。     

韩国天然气水合物研究开发思路及对我国的启示

天然气水合物已是国际能源界公认的21世纪接替石油天然气的新能源。美国、加拿大、日本等发达国家都非常注重天然气水合物的开发研究,而韩国、中国、印度的研究工作起步相对较晚。但韩国在2005年就成立了国家天然气水合物研究机构,制定了国家天然气水合物10年研究计划,该计划的总体目标是到2015年为止．发展天然气水合物开采知识,并开发出在Ulleung盆地商业开采水合物技术。我国对天然气水合物也做了大量的研究工作,但到目前为止还没有一个确切的水合物开发路线图。与韩国相比,我国在水合物研究方面存在研究工作相对薄弱、技术装备有待提高、具体规划不够、研究力量分散等差距,最大的差距在于没有围家性的天然气水合物研究机构。借鉴韩国的研究开发思路,建议我国应尽快成立国家天然气水合物研究机构,并制定国家天然气水合物研究计划。     

Experimental study of sand control in a natural gas hydrate reservoir in the South China sea

Gas hydrate is considered to be one of the most promising energy sources of the 21st century, however, with the deepening of research on hydrate resources and the acceleration of trial exploitation processes, it has become apparent that sand production is one of the key factors restricting hydrate exploitation. Here we focus on the key issues of sand production in natural gas hydrate reservoirs in the Liwan Sea area in the northern part of the South China Sea. Innovative systematic studies of the mode of hydrate sand production using a multi-channel hydration acoustic wave monitoring system were conducted. The results show that a hydrate formation composed of very fine silt is prone to excessive sand production requirement. When the production pressure difference is only 1 MPa, the sand output already accounts for 19% of total liquid production, making sand production an important issue under these conditions. Finally, using filter screens with different pore sizes, hydrate reservoir sand control simulations were carried out. The results were analysed to determine properties such as: sand yield, permeability, sand content, and productivity. The design criterion for the filter screen of the fine sand particles in hydrate formations was finally obtained as D₅₀ = 11d₅₀ (where D₅₀ is median grain size of the gravel, and d₅₀ is the median grain size of the formation).     

含水合物沉积物的渗透率实验研究

天然气水合物储层的渗透率是影响水合物开采时气、水运移的关键,也是水合物开采潜力评价、资源评价、开采工艺选择等需要了解的关键参数.目前,国内外学者对天然气水合物储层的渗透率进行了一定的研究并有了初步认识.但是,对于围压、轴向压力、水合物饱和度、赋存模式等对水合物沉积物渗透率的影响机制和机理还不清楚.本文在自主设计的水合物...     

Mechanical experiments and constitutive model of natural gas hydrate reservoirs

Natural gas hydrate is a new type of green energy resources and has great development prospects, and it has attracted worldwide attentions. The exploitation of natural gas hydrate may result in a series of geological disasters. Therefore, the constitutive model of natural gas hydrate bearing sediments needs to be established to reveal deformation laws of the reservoir sediments and accurately evaluate mechanical properties of hydrate reservoirs. This is the basic guarantees for the effective exploitation of natural gas hydrate resources. The triaxial compressive tests were conducted on samples of natural gas hydrate sediment. Furthermore, the Duncan-Chang hyperbolic model was modified by considering the influences of hydrate saturation based on the test results to obtain the constitutive model according with the deformation characteristics of natural gas hydrate reservoirs. The results show that the stress-strain curves of natural gas hydrate reservoirs show unobvious compaction stage and peak strength, short elastic stage, long yield stage, and significant strain hardening characteristics. After applying loads on natural gas hydrate bearing sediments, the internal solid particles were dislocated and slid. When the loads were small, the sediments demonstrated elastic deformation. With the increase of loads, plastic flows appeared in the interior, and the hydrate crystals were re-orientated, thus the sediments showing plastic deformation. Initial tangent elastic modulus increased with the effective confining pressures, which had little correlations with hydrate saturation. Furthermore, the damage ratio increases with the increase of effective confining pressures, while slightly decreases with the increase of natural gas hydrate saturation. The predicted results of stress-strain curves of sediments with different hydrate saturations well coincide with the results of triaxial compressive tests, indicting the feasibility and rationality of this model.     

Latest progress in numerical simulations on multiphase flow and thermodynamics in production of natural gas from gas hydrate reservoir

Natural gas hydrates are promising potential alternative energy resources. Some studies on the multiphase flow and thermodynamics have been conducted to investigate the feasibility of gas production from hydrate dissociation. The methods for natural gas production are analyzed and several models describing the dissociation process are listed and compared. Two prevailing models, one for depressurization and the other for thermal stimulation, are discussed in detail. A comprehensive numerical method considering the multiphase flow and thermodynamics of gas production from various hydratebearing reservoirs is required to better understand the dissociation process of natural gas hydrate, which would be of great benefit to its future exploration and exploitation.     

热激励的CO_2置换CH_4水合物的实验研究

CO_2置换CH_4水合物具有在开采天然气水合物的同时储藏CO_2的功能.天然气水合物因其可燃烧、燃烧后污染小、储量巨大等特点被认为是未来最有可能的能源替代品,但CO_2置换天然气水合物存在反应周期长、置换速率低的缺点.提出了一种借助CO_2水合物生成热量激励CH_4水合物分解的方法,在低温、高压的纯水体系中,研究了温度为275.15 K,置换压力分别为2.3、2.5、2.8、3.0 MPa时有热激励和无热激励两种置换反应的区别.研究结果表明,有热激励的置换反应,由于提供了额外的热量,使CH_4水合物更易分解,从而加速了置换反应的发生,提高了置换速率.     

自然界天然气水合物勘探开发概述

我国南海北部神狐区域海洋天然气水合物首次试采成功表明这种新型能源的巨大资源潜力,天然气水合物也越来越受到全社会关注,国家已将水合物开发列入中长期发展规划之中。本文首先介绍了当前自然界中水合物在全球的分布范围及资源量评估情况,接着分析了全球水合物勘探开发进展状态,然后从地震波反演、钻探取芯/测井以及室内实验室测试三个方面概述了野外水合物储层的勘探手段和赋存产状情况,最后根据不同水合物藏分类,阐述了相应的开采评估和技术方案,以及仍然面临的工艺难点和不确定性。借鉴水合物试验开采的经验,提出了我国水合物海陆并举、加快节奏的建议,可为水合物相关人员提供一定的参考。     

海洋天然气水合物地层钻井安全问题研究进展

由于天然气水合物的特性及海底天然气水合物地层地质环境的复杂性,在海洋天然气水合物地层进行钻井作业时会面临诸多的安全问题。目前科研工作者主要通过实地钻井项目、实验研究及数值模拟的方式对海洋天然气水合物地层钻井安全问题展开研究。本文基于对国内外海洋天然气水合物钻井安全问题研究的广泛调研,针对海洋天然气水合物地层钻井面临的主要安全问题及其最新的研究进展进行了讨论和总结。同时,分析了海洋天然气水合物地层钻井安全问题研究目前存在的问题以及未来研究的重点方向。     

墨西哥湾天然气水合物油气系统

从20世纪80年代开始,墨西哥湾的水合物研究经历了水合物发现阶段、浅表层水合物研究阶段和水合物资源勘探阶段等3个阶段,特别是2005年“联合工业计划”的实施,为这一区域的水合物研究提供了大量的地质、地球物理和地球化学等资料,使其成为目前海域水合物研究的前沿区域。本次研究采用水合物油气系统的思路和工作方法,通过资料的调研、总结和对比,详细描述并刻画了水合物稳定条件、气体组分和来源、有利沉积体类型和特征、含气流体运移通道等4个要素。研究结果表明,墨西哥湾陆坡区域温度和压力等条件非常适于水合物的形成,热成因气和生物成因气都可以作为水合物的气体来源,有利的深水沉积体（如水道、天然堤、块体流沉积体等）提供了潜在的储集类型和聚集空间,盐底辟、断层、倾斜的地层及网状裂隙等为含气流体的运移提供了有利的通道。作为一种全面和系统的研究思路和工作方法,水合物油气系统既考虑了水合物形成时的物理化学条件,又注重实际的地质背景,可以作为海域水合物成藏潜力的快速评价方法。然而,要对重点区域进行水合物矿体描述、不均匀性分布控制因素等方面的分析,开展精细的沉积学解剖和流体运移的分析,是研究的重点。因此,将“水合物识别标志”、“有利沉积体展布”和“流体运移通道”三者有机地结合在一起,是今后海域水合物资源勘探、矿体精细描述和科学评价的发展方向。     

天然气水合物开采方法的应用——以Ignik Sikumi天然气水合物现场试验工程为例

天然气水合物已成为世界各国关注的焦点,对天然气水合物开采方法的研究、实践和应用是目前的重点之一.天然气水合物的开采方法主要包括注热法、降压法、注化学试剂法、气体置换法等4种以及这些方法的联用,其中注热法因能耗较大和生产层必须具有良好的孔隙度而使其成本显著提高;降压法无需消耗大量能源,因而被认为是最可行且最具经济价值的天然气水合物生产方法,这一方法可能最适合含水合物盖层以下圈闭有大量气体的矿床;注化学试剂法不是分解天然气水合物的主要方法,不适合长期或大规模使用,且成本较高;气体置换法是通过客气分子的注入来置换天然气水合物中的甲烷,使甲烷释放到孔隙流体中,在被气相包裹的水合物中,气体置换有效率可超过60％,该方法的主要制约因素是水合物储层的低渗透性.2012年5月,在美国阿拉斯加北坡完成了首个用于调查研究天然气水合物藏中CO2-CH4置换潜力的现场试验工程——Ignik Sikumi天然气水合物现场试验,成功注入约6000m3二氧化碳和氮气混合气体,累计生产气体近3× 104m3,未对储层造成压裂破坏.该试验工程为水合物领域的科学研究提供了大量的数据和新的认识,美国能源部也因此宣布了新的研究举措.     

储气用天然气水合物强化制备的研究进展

天然气是一种清洁、高效的能源，未来的需求量呈增长趋势。以水合物方式储运天然气与传统的储运天然气方式相比，具有经济、安全等优势。采用水合物进行天然气的固态运输具有良好的开发前景。介绍了天然气水合物强化制备的几种方式，有搅拌法、喷雾法、喷射法、鼓泡法，还有加入添加剂以及外场等方式，通过阐述各种方式的工作原理说明这些强化方式可以加快反应速率和增加天然气水合物的储气密度。     

天然气水合物储层力学特性研究进展

自然界中的水合物一般产出于深水海底浅层未固结成岩的松散沉积物中和陆域冻土区岩石裂隙或孔隙中。水合物的分解会导致地层胶结强度、孔隙度、地质结构等发生变化，从而引发地质灾害，严重威胁水合物资源的安全开采。本文在大量调研文献的基础上，结合已有的天然气水合物制样、三轴力学测试研究现状和本构模型研究进展，系统分析影响含水合物沉积物的力学特性的主要因素和本构模型的发展趋势，梳理了获得的共识和存在的问题，提出了下一步研究方向，从而为下一步含水合物沉积物力学强度实验、本构模型开发以及储层稳定性研究等提供参考。