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天然氣水合物資源開(kāi)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(rèn)為是將來(lái)重要的能源，本文分析了天然氣水合物資源的特點(diǎn)，并綜合介紹了現(xiàn)階段提出的天然氣水合物開(kāi)采方法及模型，對(duì)比分析了典型開(kāi)采方法，如熱激發(fā)、降壓和注抑制劑等的優(yōu)缺點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性，評(píng)述了研究中存在的問(wèn)題，并提出了今后研究的重點(diǎn)。關(guān)鍵詞水合物資源開(kāi)采
TheResearchofNaturalGasProductionFromHydrate
AbstractThereareagreatdealhydratesintheEarthandhydratereservoirshavebeenconsideredasasubstantialfutureenergyresource.Thispaperanalyzedthecharacteristicsofhydratereservoir,introducedthemethodandmodelsofnaturalgasproductionfromhydratedissociation,investigatedtherelativemeritsandeconomicalefficiencyoftypicalmethodsuchasthermalstimulation,depressurizationandinhibitorinjection,andgivenoutsomesuggestsfortheemphasesoftheresearchinthefuture.
KeywordsGashydrate;Hydratereservoir;Naturalgasproduction
天然氣水合物（NaturalGasHydrate，簡(jiǎn)稱GasHydrate），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(xué)計(jì)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(lái)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(jì)80年代初，美國(guó)、加拿大、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展了本土和國(guó)際海底的調(diào)查研究和評(píng)價(jià)。至今，各國(guó)已經(jīng)對(duì)天然氣水合物勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)等方面進(jìn)行了一系列深入細(xì)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(kāi)發(fā)面臨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的可行性問(wèn)題，天然氣水合物的開(kāi)發(fā)技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)階段。
1天然氣水合物礦藏的特點(diǎn)
美國(guó)能源部R.D.Malone(1985)進(jìn)行多年研究指出水合物存在于以下四個(gè)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(yuǎn)離中美洲海溝的DSDP84航次570井位發(fā)現(xiàn)的水合物樣品�，F(xiàn)在還不清楚該樣品是來(lái)自于生物起源還是來(lái)自于熱成因。當(dāng)該水合物增長(zhǎng)時(shí)，大部分氣體可轉(zhuǎn)移到水合物處，或者形成與斷層中，或當(dāng)塊狀水合物增加時(shí)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(jiàn)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(gè)相對(duì)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。
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圖1典型水合物儲(chǔ)層示意圖
2天然氣水合物開(kāi)采方法及模型
天然氣水合物開(kāi)采的思路基本上是首先將蘊(yùn)藏于沉積物中的天然氣水合物進(jìn)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(shù)對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層進(jìn)行加熱，使水合物層的溫度達(dá)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(kāi)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(dǎo)控制技術(shù)有兩種[5]。
1）用熱水或蒸汽循環(huán)注入預(yù)熱井。
該過(guò)程由兩個(gè)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(chǔ)壓和水的飽和度。輸入蒸氣過(guò)程中有熱損，其它熱量則消耗用于水合物的分解和對(duì)地層的加熱。
研究表明：水合物的儲(chǔ)層最小應(yīng)有15%的孔隙度，厚度應(yīng)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(jì)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(shè)備較復(fù)雜。如果利用微波加熱，可以通過(guò)波導(dǎo)將微波導(dǎo)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(dòng)，再使用差分方法來(lái)求解熱擴(kuò)散方程和物質(zhì)擴(kuò)散方程，但從實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果看忽略水的流動(dòng)是不科學(xué)的。
2．2降壓法
通過(guò)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(dòng)，從而達(dá)到促使水合物分解的目的。其一般是通過(guò)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(gè)天然氣"囊"（由熱激發(fā)或化學(xué)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(shí)，開(kāi)采水合物層之下的游離氣是降低儲(chǔ)層壓力的一種有效方法（如圖3），另外通過(guò)調(diào)節(jié)天然氣的提取速度可以達(dá)到控制儲(chǔ)層壓力的目的，進(jìn)而達(dá)到控制水合物分解的效果。
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圖3降壓法開(kāi)采天然氣水合物示意圖
當(dāng)儲(chǔ)藏壓力低于三相（LW-H-V）平衡值時(shí)，水合物會(huì)分解，要從周圍環(huán)境中吸熱，可觀察到儲(chǔ)藏物的溫度降低。可得到熱力梯度，熱量以熱傳導(dǎo)的形式流入正在分解的水合物交界面上。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(jìn)行水合物的分解。
減壓模型可看作熱量和壓力平衡中無(wú)限大多孔介質(zhì)的一維過(guò)程。在水合物下表面，壓力下降到平衡值之下，就開(kāi)始分解過(guò)程。人們使用一個(gè)移動(dòng)邊界，來(lái)區(qū)分已分離的和未分離的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中可移動(dòng)的相只有氣相。對(duì)每個(gè)區(qū)域氣體列出動(dòng)量方程和移動(dòng)邊界處的質(zhì)量平衡方程。該模型假設(shè)瞬時(shí)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(gè)區(qū)域中，根據(jù)移動(dòng)邊界的位置和產(chǎn)出的氣體的多少的對(duì)應(yīng)關(guān)系，繪制壓力圖。
減壓法開(kāi)采過(guò)程中整個(gè)儲(chǔ)層壓力分布的數(shù)學(xué)模型如下[6]：
�。�1）
（2）
�。�3）
式中r是計(jì)算點(diǎn)到井軸線的距離，t是時(shí)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(chǔ)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(guān)系由方程：
�。�4）
得到，其中為273.15，a
、b、c為常數(shù)。
氣體通過(guò)儲(chǔ)層的過(guò)程可看成焦耳-湯姆生節(jié)流過(guò)程，溫度的分布的數(shù)學(xué)模型為：
（5）
式中
是熱擴(kuò)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(jiǎn)化的模型，例如
ChuangJi等提出的減壓開(kāi)采模型中認(rèn)為壓力分布為：
[7]
和[8]計(jì)算結(jié)果如圖
4。
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