天然气水合物的挖掘模式思索
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在常规能源日益短缺的情况下,世界各国科学家相继开展了天然气水合物的调查研究和评价工作并取得了一定的进展[1]。美国、日本、加拿大、印度、俄罗斯和德国等国家都成立了专门的水合物研究机构。近年来,国际上通过大洋钻探计划(ODP)和综合大洋钻探计划(IODP)的实施,已在全球多个海域发现了天然气水合物存在的标志,并利用国际大洋钻探船成功取得了水合物实物样品。俄罗斯、加拿大和美国均在冻土带发现了水合物并进行了开采试验;我国于2007年和2008年相继在南海北部陆坡和祁连山永久冻土带成功取到天然气水合物实物样品[2,3]。通过这些钻探的实施,推动了天然气水合物的物理化学性质的研究,对水合物的埋藏深度、赋存类型和成藏模式等地质特征有了更深入的认识,同时对水合物的开采奠定了基础。
目前对水合物开采方法研究总体上以实验模拟和数值模拟为主,美国、加拿大和前苏联曾分别在阿拉斯加冻土区、Mallik冻土区和Messoyakha冻土区进行了水合物试验性开采,海洋水合物开采试验则主要集中在墨西哥湾北坡和日本南海海槽。这些开采试验主要利用了降压法、热激活法,另外在Messoyakha冻土区还采用了添加化学试剂法。通过开采试验对相关开采方法的有效性进行了验证[4],论证了不同方法的优缺点,为后续的水合物开采方法研究提供了宝贵的数据。实验模拟和数值模型进行水合物开采方法研究多是建立在大量假设条件的基础上,比如:①假定水合物储层孔隙度和渗透率基本一致,物性变化不大;②水相和气相的渗透率符合达西定律;③质量传输过程中不考虑分子扩散及水动力扩散等等[5,6]。但通过实际的钻探取样发现,水合物既可以产出于未固结的松散沉积物中,也可以出现在胶结性好的沉积岩中;水合物在地层中分布并非是均匀连续的,水合物储层的物性也不是均一的。模拟实验研究目的多集中在水合物分解的影响因素、如何高效地分解水合物和能量效率评价等方面;而关于水合物的赋存状态和成藏类型对开采效果的影响则研究较少。笔者认为水合物的赋存状态和成藏类型直接影响着开采方案的设计、开采成本以及开采过程中的施工安全问题,这些将最终决定水合物矿藏能否进行商业开采。因此在进行水合物开采前,必须查清水合物在储层中的赋存状态和成藏模式。
在调研当前天然气水合物开采研究现状的基础上,分析了水合物在储层中的赋存状态和不同类型水合物藏的差异性,对比了目前比较流行的水合物藏开采方法的优缺点,提出了不同类型水合物藏的开采方法。
1天然气水合物在地层中的赋存状态和成藏模式
1.1水合物在地层中的赋存状态(水合物层的微观结构)
Dai等[7]在研究水合物储层的岩石物理性质的过程中,对水合物在沉积层中的赋存状态进行了总结,建立了6种水合物层微观结构,这6种模型包括:①水合物在颗粒接触点附近以胶结物的形式存在;②水合物以颗粒包壳的形式存在;③水合物作为承重的杂基(或颗粒);④水合物以孔隙充填物的形式存在;⑤将水合物和沉积物颗粒分别看作基质和包裹体,水合物均匀分布在颗粒周围;⑥水合物以结核或裂隙充填物的形式存在(图1)。其中水合物在模型1至模型5中是均匀分布的,但是从水合物的实物样品中会发现,水合物通常以结核或裂隙充填物的形式赋存在沉积物里。将这几类模型分为2种情况:一类是水合物作为孔隙充填物的一部分(包括模型4和6);另一类是水合物作为岩石骨架的一部分(包括模型1、2、3和5)。
1.2水合物成藏地质模式
前苏联学者将天然气水合物成藏系统概括为静态系统和动态系统[8](图2)。静态模式是由于冷却、挤压或天然气丰度的增加可形成水合物,水合物生成的重要原因不是外来物质的供给,而是系统内的变化。动态模式是指与反应带进行物质交换时形成天然气水合物的系统,主要有4种:①渗流模式;②泥火山作用模式;③沉降模式;④岩块位移模式。Milkov和Sassen[9]将水合物藏分为断裂型水合物藏、泥火山型水合物藏、地层圈闭型水合物藏和复合型水合物藏4种类型(图3)。张光学等[10]在研究南海水合物成藏特征的基础上,按构造控制因素的不同将水合物藏分为增生楔型和海脊型、盆缘斜坡型、埋藏背斜型、断裂-褶皱型、滑塌构造性和底辟型等6种类型。
2水合物开采方法
天然气水合物开采方法的基本思路是利用各种手段打破水合物稳定带的平衡条件,促使水合物在储层内分解,然后将分解的甲烷气回收到地面。这些开采方法包括:降压法、热激活法、添加化学试剂法、CO2置换法[11]和水力提升法[12]。
降压法是通过降低储层压力打破天然气水合物的稳定存在条件而促使其分解,这种方法最大的特点是不需要昂贵的连续激发,仅通过提取速度就可以控制储层压力,进而控制水合物的分解[13]。尤其是水合物层之下存在游离气时,降压法是最有效的。前苏联Messoyakha气田的开采实践证明了这一方法是可行的[14,15]。当水合物层下部无游离气层时,可利用热激活等方法人为在水合物层内形成一个“气囊”,然后通过降压抽取“囊”内的气体来开采天然气水合物[16]。
热激活法通常是将蒸汽、热水、热盐水或其他热流体从地面泵入水合物层,使储层温度升高,促使水合物分解,或采用开采稠油时使用的火驱法或钻柱加热法。也有人提出了利用微波、太阳能、地热等方法加热储层的设想[17-19],并从理论上对这些方法进行了论证,但这些方法尚处于探索阶段,真正应用到实际的水合物开采还需要一段时间。当前所用的热激活法主要是向井内注入热流体来加热储层。加拿大马更些三角洲Mallik地区的水合物开采就使用了热激活法。这次试验利用简单的热水循环系统,在同一口井中注入热流体并从该井中回收气体[4],实践证明这种方法会产生极大的热损耗,同时限制了热辐射的范围,影响了最终的产气量。McGuire[20]提出了2种不同的热量输送控制方式的热开采技术方法。他认为如果水合物层有较高的渗透率或储层下方存在一个可供热盐水注入的含水层,热开采技术是最具吸引力的水合物开采方法(图4)。为达到最佳开采效果,热激活法通常与降压法等其他开采方法联合使用。在使用热激活法之前要查清水合物在地层内的分布情况,以便最大程度提高热效率。
水力提升法的工作原理是由海底采矿车把海底表层的水合物输送到矿石中继仓,再由矿浆泵逐级将天然气水合物输送到地面,在地面分解水合物并回收气体,而整个系统是封闭的。这种方法适合开采海底浅层的水合物。
降压法、热激活法和添加化学剂法已在实践中证明是可行的,其他开采方法尚处于理论研究和实验模拟阶段,而且每种开采方法都存在一定的问题(表1)。实践证明,单用一种方法无法获得最大的产气量,必须将多种方法联合使用才能达到最佳效果。
3不同类型水合物藏开采方法
水合物藏不同于常规的油气藏,主要表现在:①常规油气藏由储集层、盖层和阻止油气运移的遮挡物3部分组成,而水合物藏位于水合物稳定带(GHSZ)内,受控于温度和压力,对盖层没有严格要求;②石油、天然气(除凝析气外)无论在地下还是被采到地面,相态基本保持不变,均以流体形式存在,而水合物在地层中以固态形式存在,当温压条件超过临界值后即分解为水和甲烷气;③石油与天然气在储层中大部分以孔隙充填物的形式存在,不构成岩石骨架,而水合物常作为岩石骨架的一部分,当水合物发生分解后,会影响储层的内部结构;④石油天然气多储集在沉积岩等固结性好的地层中,而水合物除可保存在固结地层中,还可在未固结的松散沉积物中出现(呈分散状、条带状和结核状分布)。鉴于以上区别,水合物藏的开采方法必然有别于常规油气藏的开采。
为了方便讨论不同类型水合物藏的开采方法,按储集层的固结程度将水合物藏分为水合物赋存在松散的未固结的沉积物中的水合物藏和水合物赋存在固结沉积物中的水合物藏,其中后者又可分为2类:一类水合物在储层内作为孔隙充填物而存在,另一类水合物作为岩石骨架的一部分。按水合物是否储存在圈闭内将水合物藏归结为2类:一类为圈闭内的水合物藏,另一类为圈闭外的水合物藏。圈闭内的水合物藏可与常规油气藏相伴生(例如前苏联的Messoyakha冻土区的水合物藏),水合物藏一般下伏游离气,与天然气藏相伴生。水合物分解后甲烷气可被保留在圈闭内。这类水合物藏可用降压法、热激活法和添加化学试剂法等方法促使水合物分解,之后用常规方法收集天然气,无需考虑气体的散失问题;圈闭外的水合物藏则与深层气体渗漏、地层内气体的扩散和原地细菌还原作用有关,这类水合物藏首先要保证在开采过程中防止因水合物的分解造成气体散失,可通过降压法结合热激活法或其他方法进行开采。在现有的钻采技术条件下,松散沉积物中水合物的开采要困难一些。这类水合物多分布在海底浅表层,沉积物未固结,降压法、热激活法等都不适合此类水合物藏的开采,而水力提升法将是这类水合物藏的最佳选择。各类水合物藏的开采方法见表2。
进行水合物开采除了要考虑水合物在地层中的赋存状态和成藏类型外,还要查清储层物性在垂向和平面上的差别,水合物在地层内的分布状况(层状、条带状或结核状),因为这将决定开采过程中井位的布置、开采方法的选择和最终的经济效益。一般情况下,高水合物饱和度、达到商业开采价值的水合物藏的形成多与常规油气藏有关(例如加拿大西北部北极地区永久冻土带马更些三角洲地区和前苏联麦索亚哈气田),在有大型水合物藏出现的地方,在其底部可能存在大型油气藏。
我国在南海北部陆坡和祁连山冻土带的水合物钻探工作推动了天然气水合物的物理化学性质的研究,对水合物的埋藏深度、赋存类型等地质特征有了更深入的认识,同时对未来水合物的开采奠定了基础。而目前我国的水合物开采技术研究尚处于理论研究和实验室模拟阶段,还未进行水合物开采试验。因此在今后的水合物研究中,一方面要加大水合物钻探和勘查工作,以便更加深入认识水合物的成藏富集规律并为我国水合物资源量的评价、开采靶区的圈定以及开采方法的选择奠定基础;另一方面还应加强水合物开采方法的研究,为我国尽快开展水合物的开采试验提供技术支撑。
4结论
(1)天然气水合物是未来一种可替代性清洁能源。虽然在目前存在大量常规石油天然气资源的情况下对其进行商业开采是不划算的[17],但随着常规能源的日益枯竭,在没有更好的替代能源的情况下,进行天然气水合物的开采势在必行。
(2)降压法、热激活法和添加化学试剂法已经在实际的开采试验中证明是可行的,但是还存在诸多不足,例如开采过程中的能量损耗、开采效率问题、环境污染问题,等等。而CO2置换法、水力提升法等方法还处于理论探索阶段,距离实际应用还有一段距离。
(3)水合物在地层中的赋存状态和成藏类型对开采方法的选择起着至关重要的作用。若水合物作为岩石骨架的一部分,水合物分解后,易引起岩石骨架松动,破坏地层内部结构,导致地层变形,影响流体在储层内的运移,如果开采不当,可引起海底滑坡和地层沉陷。今后要加大钻探和勘查工作,对水合物成藏富集规律、矿藏规模、分布范围和水合物在地层中的赋存状态进行深入研究,准确评估水合物的资源量,对水合物进行商业开采提供技术支撑。