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天然氣水合物資源開采方法研究(一)
天然氣水合物資源開采方法研究(一) 摘要 自然界中存在大量的水合物，這些水合物是已經(jīng)被認為是將來重要的能源，本文分析了天然氣水合物資源的特點，并綜合介紹了現(xiàn)階段提出的天然氣水合物開采方法及模型，對比分析了典型開采方法，如熱激發(fā)、降壓和注抑制劑等的優(yōu)缺點和經(jīng)濟性，評述了研究中存在的問題，并提出了今后研究的重點。 關鍵詞 水合物 資源 開采 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 hydrate; Hydrate reservoir; Natural gas production
天然氣水合物（Natural Gas Hydrate，簡稱Gas Hydrate），又稱籠形化合物（Clathrate）。它是在一定條件（合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、pH值等）下由水和天然氣組成的類冰的、非化學計量的、籠形結(jié)晶化合物，其遇火即可燃燒。
在自然界中存在的水合物絕大部分是甲烷水合物。通常情況下，從水合物分解得到甲烷是水合物體積的160多倍，而且以固態(tài)形式存在的天然氣的總量比地球上化石燃料貯量多一倍，所以人們已經(jīng)把水合物作為將來重要的能源貯備。另外甲烷含碳量少于煤或石油，甲烷產(chǎn)生的二氧化碳僅是煤的一半，是一種比較清潔的能源 [1]。 天然氣水合物由于其分布廣、規(guī)模大，因此從20世紀80年代初，美國、加拿大、日本等發(fā)達國家開展了本土和國際海底的調(diào)查研究和評價。至今，各國已經(jīng)對天然氣水合物勘探開發(fā)技術等方面進行了一系列深入細致的工作，取得了大量令人鼓舞的成果。但由于天然氣水合物的開發(fā)面臨著經(jīng)濟和技術上的可行性問題，天然氣水合物的開發(fā)技術尚處于實驗階段。 1 天然氣水合物礦藏的特點 美國能源部R .D .Malone (1985)進行多年研究指出水合物存在于以下四個類型中[2]： 第一種類型是良好分散型水合物，在諸如墨西哥灣的密西西比峽谷和Orca地區(qū)中了發(fā)現(xiàn)該種樣品。 第二種是結(jié)核狀水合物，其直徑為5cm，可存在諸如墨西哥灣的綠色峽谷中。該水合物氣體為從深處遷移的熱成因氣體。 第三種是層狀水合物，分散于沉積物的各薄層中，例如：在 布萊克--白哈馬山脈發(fā)現(xiàn)的晶核，該水合物存在于所有的近海區(qū)域和永久凍土中。 第四種是塊狀水合物，厚度為3-4m，水合物的含量為95%的，沉積物含量少于5%的，例如在遠離中美洲海溝的DSDP84航次570井位發(fā)現(xiàn)的水合物樣品。現(xiàn)在還不清楚該樣品是來自于生物起源還是來自于熱成因。當該水合物增長時，大部分氣體可轉(zhuǎn)移到水合物處，或者形成與斷層中，或當塊狀水合物增加時氣體擠壓沉積物。 在大陸上，天然氣水合物形成帶范圍較小，大體上與凍結(jié)巖石發(fā)育帶一致。天然氣水合物形成帶的最大厚度為1800～2000m，其中最常見的厚度為700～1000m[3]。而在海洋中，天然氣水合物最初形成的海水深度是：在兩極地區(qū)約為100~200m，在赤道附近地區(qū)為400~600m，水合物的生成帶的厚度從幾米到500米[4]。 如果沉積物中的全部孔隙都被天然氣水合物充滿，則該沉積體變可形成一個相對不滲透的屏障，其下可以聚集游離態(tài)的天然氣，如圖1所示。 圖1 典型水合物儲層示意圖
2 天然氣水合物開采方法及模型 天然氣水合物開采的思路基本上是首先將蘊藏于沉積物中的天然氣水合物進行分解，然后加以利用，現(xiàn)階段提出的方法可以歸為四類。 2．1熱激發(fā)法 這類方法的基本思路是利用各種加熱技術對天然氣水合物儲層進行加熱，使水合物層的溫度達到天然氣水合物的分解溫度以上使水合物分解，代表的方法是注蒸汽（圖2）和利用電（或磁）加熱。
圖2 熱激發(fā)開采天然氣水合物示意圖
在熱刺激模型中，水合物產(chǎn)生的熱傳導控制技術有兩種[5]。
1）用熱水或蒸汽循環(huán)注入預熱井。
該過程由兩個步驟組成。1）蒸氣或熱水輸入。2）水合物分解階段。3）產(chǎn)生氣體和水的階段。宏觀模型可確定蒸汽注射階段以及分解階段中，蒸汽輸入和裂化階段所需的平均儲壓和水的飽和度。輸入蒸氣過程中有熱損，其它熱量則消耗用于水合物的分解和對地層的加熱。
研究表明：水合物的儲層最小應有15%的孔隙度，厚度應有7.5cm。如果注射液的溫度為340K和395K之間，則可滿足其經(jīng)濟可行性的需要。
2）利用電磁或微波等直接加熱。
為了更有效利用熱能，該模型一般在井下安裝加熱裝置，設備較復雜。如果利用微波加熱，可以通過波導將微波導入井底，直接加熱水合物或水。
在數(shù)值模擬的模型中，一般忽略了水的流動，再使用差分方法來求解熱擴散方程和物質(zhì)擴散方程，但從實驗研究結(jié)果看忽略水的流動是不科學的。
2．2降壓法
通過降低壓力而引起天然氣水合物穩(wěn)定的相平衡曲線的移動，從而達到促使水合物分解的目的。其一般是通過在一水合物層之下的游離氣聚集層中"降低"天然氣壓力或形成一個天然氣"囊"（由熱激發(fā)或化學試劑作用人為形成），與天然氣接觸的水合物變得不穩(wěn)定并且分解為天然氣和水。其實，開采水合物層之下的游離氣是降低儲層壓力的一種有效方法（如圖3），另外通過調(diào)節(jié)天然氣的提取速度可以達到控制儲層壓力的目的，進而達到控制水合物分解的效果。
圖3 降壓法開采天然氣水合物示意圖
當儲藏壓力低于三相（LW-H-V）平衡值時，水合物會分解，要從周圍環(huán)境中吸熱，可觀察到儲藏物的溫度降低�？傻玫綗崃μ荻龋瑹崃恳詿醾鲗У男问搅魅胝诜纸獾乃衔锝唤缑嫔�。水合物可以繼續(xù)分解，直到在低溫下所得的氣體可以滿足低溫下的壓力平衡。采用壓力降低方法需要有一定的熱力梯度，以便繼續(xù)進行水合物的分解。
減壓模型可看作熱量和壓力平衡中無限大多孔介質(zhì)的一維過程。在水合物下表面，壓力下降到平衡值之下，就開始分解過程。人們使用一個移動邊界，來區(qū)分已分離的和未分離的區(qū)域，每個區(qū)域中可移動的相只有氣相。對每個區(qū)域氣體列出動量方程和移動邊界處的質(zhì)量平衡方程 。該模型假設瞬時有足夠的熱量從周圍流入水合物分解表面，因此各處的溫度都是常數(shù)。在每個區(qū)域中，根據(jù)移動邊界的位置和產(chǎn)出的氣體的多少的對應關系，繪制壓力圖。
減壓法開采過程中整個儲層壓力分布的數(shù)學模型如下[6]：
（1） （2） （3） 式中r是計算點到井軸線的距離，t是時間， 是氣體的粘度系數(shù)，是已分解區(qū)和未分解區(qū)的氣體滲透率，是水的飽和度，β是水合物的飽和度，Φ是儲層的孔隙率。
分解區(qū)的壓力和溫度為相平衡壓力和溫度，分別為 和，它們之間的關系由方程： （4） 得到，其中 為273.15，a、b、c為常數(shù)。 氣體通過儲層的過程可看成焦耳-湯姆生節(jié)流過程，溫度的分布的數(shù)學模型為： （5） 式中 天然氣水合物資源開采方法研究(一)是熱擴散率，是熱容，是節(jié)流系數(shù)，是氣體的絕熱系數(shù)。把上述方程線化，代入邊界條件可解得其自相似解或數(shù)值解。 根據(jù)一定的假定可以得到更簡化的模型，例如Chuang Ji等提出的減壓開采模型中認為壓力分布為： [7] 和[8]計算結(jié)果如圖4。 圖4 降壓法模型中溫度、壓力、氣體流率和熱流率在儲層中的分布
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