天然气水合物资源开采方法研究

　　
摘要 自然界中存在大量的水合物，这些水合物是已经被认为是将来重要的能源，本文分析了天然气水合物资源的特点，并综合介绍了现阶段提出的天然气水合物开采方法及模型，对比分析了典型开采方法，如热激发、降压和注抑制剂等的优缺点和经济性，评述了研究中存在的问题，并提出了今后研究的重点。
关键词 水合物 资源 开采
The Research of Natural Gas Production From Hydrate
Abstract There are a great deal hydrates in the Earth and hydrate reservoirs have been considered as a substantial future energy resource. This paper analyzed the characteristics of hydrate reservoir, introduced the method and models of natural gas production from hydrate dissociation, investigated the relative merits and economical efficiency of typical method such as thermal stimulation, depressurization and inhibitor injection, and given out some suggests for the emphases of the research in the future.

Keywords Gas hydrateHydrate reservoirNatural gas production
天然气水合物（Natural Gas Hydrate，简称Gas Hydrate），又称笼形化合物（Clathrate）。它是在一定条件（合适的温度、压力、气体饱和度、水的盐度、pH值等）下由水和天然气组成的类冰的、非化学计量的、笼形结晶化合物，其遇火即可燃烧。
在自然界中存在的水合物绝大部分是甲烷水合物。通常情况下，从水合物分解得到甲烷是水合物体积的160多倍，而且以固态形式存在的天然气的总量比地球上化石燃料贮量多一倍，所以人们已经把水合物作为将来重要的能源贮备。另外甲烷含碳量少于煤或石油，甲烷产生的二氧化碳仅是煤的一半，是一种比较清洁的能源 [1]。
天然气水合物由于其分布广、规模大，因此从20世纪80年代初，美国、加拿大、日本等发达国家开展了本土和国际海底的调查研究和评价。至今，各国已经对天然气水合物勘探开发技术等方面进行了一系列深入细致的工作，取得了大量令人鼓舞的成果。但由于天然气水合物的开发面临着经济和技术上的可行性问题，天然气水合物的开发技术尚处于实验阶段。
1 天然气水合物矿藏的特点
美国能源部R .D .Malone (1985)进行多年研究指出水合物存在于以下四个类型中[2]：
第一种类型是良好分散型水合物，在诸如墨西哥湾的密西西比峡谷和Orca地区中了发现该种样品。
第二种是结核状水合物，其直径为5cm，可存在诸如墨西哥湾的绿色峡谷中。该水合物气体为从深处迁移的热成因气体。
第三种是层状水合物，分散于沉积物的各薄层中，例如：在 布莱克--白哈马山脉发现的晶核，该水合物存在于所有的近海区域和永久冻土中。
第四种是块状水合物，厚度为3-4m，水合物的含量为95%的，沉积物含量少于5%的，例如在远离中美洲海沟的DSDP84航次570井位发现的水合物样品。现在还不清楚该样品是来自于生物起源还是来自于热成因。当该水合物增长时，大部分气体可转移到水合物处，或者形成与断层中，或当块状水合物增加时气体挤压沉积物。
在大陆上，天然气水合物形成带范围较小，大体上与冻结岩石发育带一致。天然气水合物形成带的最大厚度为1800～2000m，其中最常见的厚度为700～1000m[3]。而在海洋中，天然气水合物最初形成的海水深度是：在两极地区约为100~200m，在赤道附近地区为400~600m，水合物的生成带的厚度从几米到500米[4]。
如果沉积物中的全部孔隙都被天然气水合物充满，则该沉积体变可形成一个相对不渗透的屏障，其下可以聚集游离态的天然气，如图1所示。

图1 典型水合物储层示意图
2 天然气水合物开采方法及模型
天然气水合物开采的思路基本上是首先将蕴藏于沉积物中的天然气水合物进行分解，然后加以利用，现阶段提出的方法可以归为四类。


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2．1热激发法
这类方法的基本思路是利用各种加热技术对天然气水合物储层进行加热，使水合物层的温度达到天然气水合物的分解温度以上使水合物分解，代表的方法是注蒸汽（图2）和利用电（或磁）加热。

图2 热激发开采天然气水合物示意图
在热刺激模型中，水合物产生的热传导控制技术有两种[5]。
1）用热水或蒸汽循环注入预热井。
该过程由两个步骤组成。1）蒸气或热水输入。2）水合物分解阶段。3）产生气体和水的阶段。宏观模型可确定蒸汽注射阶段以及分解阶段中，蒸汽输入和裂化阶段所需的平均储压和水的饱和度。输入蒸气过程中有热损，其它热量则消耗用于水合物的分解和对地层的加热。
研究表明：水合物的储层最小应有15%的孔隙度，厚度应有7.5cm。如果注射液的温度为340K和395K之间，则可满足其经济可行性的需要。
2）利用电磁或微波等直接加热。
为了更有效利用热能，该模型一般在井下安装加热装置，设备较复杂。如果利用微波加热，可以通过波导将微波导入井底，直接加热水合物或水。
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在数值模拟的模型中，一般忽略了水的流动，再使用差分方法来求解热扩散方程和物质扩散方程，但从实验研究结果看忽略水的流动是不科学的。
2．2降压法
通过降低压力而引起天然气水合物稳定的相平衡曲线的移动，从而达到促使水合物分解的目的。其一般是通过在一水合物层之下的游离气聚集层中"降低"天然气压力或形成一个天然气"囊"（由热激发或化学试剂作用人为形成），与天然气接触的水合物变得不稳定并且分解为天然气和水。其实，开采水合物层之下的游离气是降低储层压力的一种有效方法（如图3），另外通过调节天然气的提取速度可以达到控制储层压力的目的，进而达到控制水合物分解的效果。

图3 降压法开采天然气水合物示意图
当储藏压力低于三相（LW-H-V）平衡值时，水合物会分解，要从周围环境中吸热，可观察到储藏物的温度降低。可得到热力梯度，热量以热传导的形式流入正在分解的水合物交界面上。水合物可以继续分解，直到在低温下所得的气体可以满足低温下的压力平衡。采用压力降低方法需要有一定的热力梯度，以便继续进行水合物的分解。
减压模型可看作热量和压力平衡中无限大多孔介质的一维过程。在水合物下表面，压力下降到平衡值之下，就开始分解过程。人们使用一个移动边界，来区分已分离的和未分离的区域，每个区域中可移动的相只有气相。对每个区域气体列出动量方程和移动边界处的质量平衡方程 。该模型假设瞬时有足够的热量从周围流入水合物分解表面，因此各处的温度都是常数。在每个区域中，根据移动边界的位置和产出的气体的多少的对应关系，绘制压力图。
减压法开采过程中整个储层压力分布的数学模型如下[6]：
（1）
（2）
（3）
式中r是计算点到井轴线的距离，t是时间， 是气体的粘度系数，是已分解区和未分解区的气体渗透率，是水的饱和度，β是水合物的饱和度，Φ是储层的孔隙率。
分解区的压力和温度为相平衡压力和温度，分别为 和，它们之间的关系由方程：
（4）得到，其中 为273.15，a、b、c为常数。


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气体通过储层的过程可看成焦耳-汤姆生节流过程，温度的分布的数学模型为：
（5）式中 是热扩散率，是热容，是节流系数，是气体的绝热系数。把上述方程线化，代入边界条件可解得其自相似解或数值解。
根据一定的假定可以得到更简化的模型，例如Chuang Ji等提出的减压开采模型中认为压力分布为：
[7]
和[8]计算结果如图4。

图4 降压法模型中温度、压力、气体流率和热流率在储层中的分布


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