天然气水合物开采技术研究进展

天然气水合物以其储量大、能量密度大、分布广的特点被认为是一种非常具有潜力的替代能源。勘测数据表明迄今已至少在全球116个地区发现了天然气水合物。天然气水合物广泛存在于冻土区和海底沉积物中。但目前实现实际试开采的区域仅有四处,分别位于：美国的阿拉斯加北坡地区、俄罗斯的西伯利亚玛索亚哈气田、加拿大西北部的麦肯齐三角洲及日本的南海海槽。目前主要的开采技术研究主要集中于实验室模拟阶段。美国、德国、日本、中国分别建立了自己的水合物模拟开采实验装置并且进行了相关研究。提出了不同的水合物开采方案,并且对水合物开采过程中的关键技术问题进行了研究。     

天然气水合物开采技术进展

本文对天然气水合物开采技术现状和进展进行分析,归纳出6类天然气水合物开采方法和3种关键技术。鉴于天然气水合物开采的环境风险因素,本文综合了国内外最新研究成果,深入分析风险机理和综合风险模式。从经济和社会角度阐述了天然气水合物成为一种可供人类使用的新能源所面临的挑战与机遇,指出天然气水合物的社会价值仍有赖于业界与公众交流新知的能力和水平,提倡通过科学钻采试验深刻理解水合物的特性以及与能源资源、生态环境、地质灾害和全球气候变化的关系,提出“安全开采”和“有效开采”是围绕水合物的两个核心问题。     

中国首次开采出天然气水合物样品

中国在南海北部成功钻获天然气水合物实物样品“可燃冰”,成为继美国、日本、印度之后第四个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家。2007年5月1日凌晨,中国在南海北部首次采样成功,证实了中国南海北部蕴藏丰富的天然气水合物资源,标志着中国天然气水合物调查研究水平已步入世界先进行列。     

海洋渗漏型天然气水合物开采的新模式

针对海洋渗漏型天然气水合物含量高、成藏浅、产出集中的特点，结合深海开采金属锰结核的方法。提出了一种全新的水合物开采模式，即用水力法提升水舍物。同时对该种方法的能量效率和产量进行了简单的评估。模型计算表明，该种开采方法具有产量大、能耗低的优点，在提升海底1000m的水合物时，即使水合物含量低至20％，其能量效率仍可高达60，远远高于注热开采的7-12的能量效率。     

天然气水合物开采的方法及对环境的影响

介绍了天然气水合物形成机理。介绍了热力开采法、降压法、分解促进剂注人法、CO2置换法等目前世界上主要的开采方法原理、工艺及适用范围等。分析了开发天然气水合物对自然环境的影响,对我国进行天然气水合物开发提出了建议。     

天然气水合物开采的关键地质参数敏感性研究

采用TOUGH+HYDRATE数值模拟工具,探讨降压开采方案下天然气水合物藏（无下伏游离气水层）开采的地质参数。以单次单因子敏感性分析方法为基础,在统一变化幅度范围内研究某一储层参数（温度、压力、孔隙度、渗透率、水合物饱和度、地层厚度）的变化在60天短期与5年长期开采中对水合物开采结果的定性影响关系,并以变量敏感度为依据,定量计算储层地质参数对水合物开采评价指标的敏感度值。结果发现,在整个开采周期内,储层温度与分解气体量及产气量之间有较强的相关性;当水合物储层压力增大时,水合物分解气体体积随之减小,而在60天开采中,储层压力增大使得产气量增大,在5年开采中,储层压力的变化对产气量基本无影响,另外,储层压力与产水量之间呈线性增加的关系;水合物总分解气体量、总产气量与孔隙度之间呈负相关关系,但对产气量的变化影响相对较小;渗透率对水合物开采有明显的影响;水合物前期分解气体体积与产水量随水合物饱和度的增大而减小;在60天开采中,水合物厚度越大反而不利于水合物分解,但5年开采中,地层厚度增大,水合物分解量增大。另外,通过对地质参数敏感度计算发现,无论是以哪一开采指标作为水合物开采潜力的评价标准,水合物地层温度、地层压力以及绝对渗透率是三个至关重要的地质参数。     

天然气水合物降压开采储层稳定性模型分析

储层稳定性是天然气水合物开采所面临的关键问题。本文基于多孔介质流体动力学和弹性力学,建立了天然气水合物降压开采储层稳定性数学模型,包括储层沉降和井壁稳定性分析两个方面,并以墨西哥湾某处水合物藏的基本参数为例,进行了水合物降压开采储层稳定性的模拟计算。结果表明,在水合物降压开采的过程中,孔隙流体压力降低导致了储层的沉降,最大的沉降发生在井壁附近,水合物分解会加剧储层的沉降;降低井孔压力会造成井壁破坏的潜在危险,在井壁附近,周向和垂向应力达到最大处容易发生失稳破坏,地层的水平应力差会增加井壁的不稳定性。     

CO2乳液置换开采天然气水合物研究进展

CO₂置换开采及封存的碳汇是降低我国南海水合物产业化开采成本的重要路径,不仅能保障粤港澳大湾区经济建设所需的能源供给,而且能降低大湾区过量的碳排放,与气态、液态CO₂相比,注入CO₂乳液置换效率更高。综述CO₂乳液在置换开采甲烷水合物中的应用,以及乳液的稳定性问题,讨论CO₂乳液开采南海水合物的优势及难点,并对下一步CO₂乳液法置换开采南海水合物进行分析,为未来天然气水合物开采及同步碳封存提供参考和建议。     

天然气水合物的前瞻

天然气水合物是一种“在压力下冻结了的天然气”，外表像冰块，其主要成分为甲烷及少量的乙、丙、丁烷和二氧化碳等。这种冷冻的能源就像厚厚的毯子，覆盖着海底，有关专家认为，全世界的天然气水合物蕴藏的能量足够人类使用数百年。     

海洋天然气水合物开发产能及出砂研究

海洋天然气水合物多分布在深水非成岩储层,其开采过程中易出现泥砂运移（出砂）的情况且难以避免,然而出砂条件下的水合物产能估算偏差较大。本文通过室内海洋水合物降压开采出砂实验数据和海洋水合物试采公开资料,首次推导了出砂条件下现场尺度海洋水合物储层产能情况：在相当于1 200 m水深覆压、30.5 m厚的水合物细砂储层和7寸垂直井不防砂的情况下,得到最大产气速率4.63 ~ 14.1 m³/s,折合40.01×10⁴ ~ 121.84×10⁴ m³/d,综合出砂率0.16% ~ 10.74%;泥质储层在不防砂垂直井和水平井单个半径12 mm射孔下,其最大产气速率达到79.95×10⁴ m³/d和170 m³/d,但其综合出砂率是灾难性的。由于时空限制,产气速率、综合产能和出砂率还有很大提升空间,在平衡综合出砂率（控砂精度）和产气效率（产能）的情况下,有望达到产业化规模。本研究为合理估算出砂条件下的海洋天然气水合物产能提供支撑。     

南海北部陆坡天然气水合物成藏特征研究进展分析

南海北部陆坡区域构造地质控制着气源、流体疏导体系、富集空间及储层物性特征,因此,东沙海域、神狐海域、西沙海槽和琼东南盆地的水合物成藏条件及控制因素具有明显差异性。东沙海域深部气体可沿断层、裂缝、不整合面、砂岩疏导层和气烟囱等通道向上运移,并形成天然气水合物,具有渗漏型水合物产出特征;神狐海域水合物成藏与规模巨大的泥底辟活动相关,并与布莱克海台天然气水合物产出特征具有相似性;琼东南盆地中央坳陷带内为天然气水合物发育的重点区,底辟、泥火山或麻坑构造与天然气水合物发育密切相关。     

南海北部天然气水合物沉积环境中自生矿物特征

南海北部陆坡发育的自生岩石矿物主要有碳酸盐岩、黄铁矿、石膏等,主要分布在天然气水合物最有潜力的区域,如西沙海槽、神狐海域、东沙西南和东北海域,以东沙东北部海域为自生矿物发育最密集区域。自生碳酸盐岩主要呈结核状、结壳状、烟囱状、块状等产出,神狐海域和东沙西南海域以白云石为主,西沙海槽以文石为主,东沙东北部主要以高镁方解石为主,具有较轻的碳同位素值和较重的氧同位素值;自生黄铁矿主要呈长条状,由草莓状黄铁矿组成,具有较大的硫同位素值,分布较为广泛;自生石膏主要呈球状或者块状,透明自形晶结构,分布在神狐及东沙海域部分站位。南海北部自生矿物的这些特点可为我国水合物勘探提供自生矿物方面的证据。     

天然气水合物开发的水平井控水控砂完井研究进展

2020年第二次南海水合物试采证明水平井是实现产业化的重要途径,计划在2030年南海天然气水合物商业开发中补齐粤港澳大湾区天然气供给的短板。但我国海洋水合物甜点多赋存在高含水、边底水丰富的非成岩泥质粉砂储层,水平井开发过程中储层水（排液）易携泥砂（出砂）脊进突入井筒导致产量降低,水平井控水控砂完井是产业化的瓶颈问题之一。针对第二次水平井开发水合物出现的新问题,分析了海洋天然气水合物储层开发过程中的水平井非均衡排液出砂情况,总结了国内外水平井控水控砂实验、模拟和现场的进展,提出了水平井开采水合物控水控砂的难点及我国面临的挑战。分析结果表明,天然气水合物储层开发的水平井控水控砂与常规油气开发存在共性问题,也有其自身分解特点及其赋存的非成岩储层有关的特性问题。针对我国海域天然气水合物储层间各向异性明显、潜在的“四气合采”和“碳封存”,对水合物水平井控水控砂抽取和注入提出了具体的研究思路及建议,以期推动海洋天然气水合物产业化开发进程。     

南海北部陆坡天然气水合物研究进展

综合调查已揭示了一系列显示南海北部陆坡存在天然气水合物的地质、地球物理和地球化学指标。结果表明两类天然气水合物系统即低通量扩散型水合物和高通量渗漏型水合物共存于南海北部陆坡,特别是东沙海域和神狐海域。天然气水合物钻探航次获得的资料为进一步理解神狐海域和东沙海域的天然气水合物系统提供了基础。钻探结果证明强似海底反射往往与低饱和度的含天然气水合物沉积物薄层联系在一起;高饱和度的天然气水合物一般不需要与地震剖面上识别的似海底反射对应,而与气体渗漏和断裂构造等特征相关。地球化学资料显示神狐海域和东沙海域的天然气水合物气源主要为微生物成因气。神狐海域钻探证实的天然气水合物分布区具有160亿立方米的甲烷地质储量,在目前天然气水合物开采技术和工艺条件下,开采具有较大困难,有待于开发更为先进的技术。随钻测井资料显示东沙海域浅部存在中等-高饱和度水合物,而深部水合物稳定带底界上方存在低饱和度天然气水合物。南海北部陆坡天然气水合物有待于深入探究其赋存状态、饱和度、储层特性和资源前景。     

天然气水合物开发利用面临的问题及应对策略

为了使天然气水合物成为我国的后续替代能源,提出了需要认真对待和考虑解决的四个问题:充分认识天然气水合物的本质;科学评价我国天然气水合物资源量;积极开发自主知识产权的开采技术;兼顾天然气水合物相关技术的开发。同时还阐述了解决这些问题的策略。     

海底天然气水合物地层钻井潜在风险及控制措施

天然气水合物是一种清洁高效能源,其广泛分布于大陆永久冻土带和海洋环境中,其中海洋环境又以海洋大陆斜坡和深海盆地为主。对海底天然气水合物地层进行钻井是研究海底天然气水合物及获得海底地层油气资源最直接的手段之一,但海底天然气水合物地层地质环境复杂,钻井面临诸多风险。本文通过综合分析海底天然气水合物地层的储层特性,探讨了海底地层中天然气水合物分解与再形成对钻井工程的影响、可能诱发的地质灾害及环境效应,并提出了相应的应对措施,以期为我国海底天然气水合物地层钻井提供参考。     

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.     

基于VB语言的水合物相平衡预测软件开发研究

为了对天然气水合物相平衡进行相关研究,实现对不同压力（温度）条件下水合物临界生成温度（压力）的迅速计算,有必要研究和开发天然气水合物相平衡预测软件.利用VB语言面向对象可视化的特点,并结合分子热力学模型法,编制纯水中水合物相平衡预测软件;同时利用软件对混合组分气体生成水合物的相平衡进行分析比较.软件界面简洁,操作简单,通过简单的输入输出操作,可在短时间内完成相应的计算.结果表明,软件对于混合组分天然气水合物的相平衡预测较为准确,其相对误差控制在1％以内,对工程实践有较强的指导意义.     

海底天然气水合物资源的研究及开发现状

海底天然气水合物是水分子和甲烷等气体组成的固态结晶,储量大、分布广的特点使其成为一种极具吸引力的潜在新能源。在关注这一潜力巨大的新能源的同时,它在地质、环境方面的重大意义和影响也是不容忽视的。文中从分子结构、物化性质、储存及开采等不同角度介绍了天然气水合物的形成和开发现状,并进一步阐述了天然气水合物开发的前景和所面临的问题。