天然气水合物开采方法的研究进展

魏镜郦

(武汉工程职业技术学院　湖北　武汉：430080)



天然气水合物开采方法的研究进展

魏镜郦

(武汉工程职业技术学院湖北武汉：430080)

摘要在世界范围内气体水合物最为广泛分布的位置为海洋沉积物和极地永久冻土带。为了缓解全球能源紧缺危机，对天然气水合物的开采方法的研究空前活跃，目前国内外所提出的天然气水合物的开采方法还只处于模拟试验阶段，所提出的天然气水合物开采路线分为固态开采和地下分解开采两种：固态开采效率高，但技术难度大，适用于浅埋藏，高饱和度的水合物藏开采；地下分解开采研究得最多，开采的传统方法均是基于使水合物的温度和压力条件降低到平衡条件以下，从而破坏水合物的相平衡，而使水合物分解，可归纳为热激发法、降压法和注入化学试剂法三类。

关键词天然气水合物；清洁能源；开采方法；热激法；降压法

天然气水合物是指在一定的温度和压力下由水分子和气体分子形成的非化学计量的晶体化合物，水分子间通过分子间氢键结合起来，气体分子占据由水分子构成的笼子中。按照水分子的空间分布特征区分，到目前为止，已经发现的天然气水合物的结构主要有三种：结构I型、结构II型和结构H型[1]。

自从发现在自然界有天然气水合物大规模储存以来,许多国家都将目光投向了这个能量密度高、储量巨大、清洁环保的未来潜在新能源。美国制定了甲烷水合物研究和发展中长期规划,预计在2015年进行商业试开采,日本也计划在2016年正式进行商业生产。海域中发现的水合物数量占绝大多数,因此开采海底天然气水合物应是未来研究的重心[2]。本文综述了天然气水合物各种开采方法的研究进展。

1热激法

热激法就是利用传热、电磁、微波等手段提高局部地层水合物温度，使其分解，从而释放出天然气的方法。热激法大致包括井下电磁加热法、注热开采法和微波加热法。但目前看来，只有注热开采法的应用前景值得探讨。注热法主要是将热水、蒸气、热盐水或其他热的流体从地面利用高压泵打入天然气水合物地层，使水合物层的温度上升，从而达到天然气水合物分解的目的。注热热激发法不但作用方式较快，而且可实现循环注热，由于注热方式的不断改进也促进了热激法的发展。但是注热法也存在耗能大的缺点，注热过程中不仅要提供破坏水合物相平衡使之分解的热量，同时还要加热孔隙气体液体和沉积物。因为绝大多数水合物分布在超过300m水深的海底沉积物中,有的达几千米,其在海底埋藏也还有一定厚度。这导致热液会在很长管线中循环,热损失较大也就不可避免了。这种方法至今为止尚不能很好地解决热量损失较大的问题，而只能进行局部加热，因此该方法尚有待进一步完善。

Gang Li和Xiao-Sen Li等[3]应用半工业规模水合物模拟器和双水平井注热开采海底天然气水合物，双水平井是指它在靠近天然气储层的下方钻一对水平井，该对水平井相互平行，上面水平井注热蒸汽，下面水平井收集开采到的气体。该研究运用蒸汽辅助重力泄油法(SAGD)和蒸汽辅助反重力排水法(SAAD)两种方法，对水合物的开采进行了实验模拟研究。这项研究是第一次对这两种方法进行了评估和比较。SAGD和SAAD均适用于高渗储层疏松水合物的开采，该研究结果显示对于SAGD，蒸汽室膨胀和流体的产生过程可以分为三个阶段，即第一步为，原来的水和气体被驱动进井内，该过程只产生气体；第二步为气体和原来的水同时产生；第三步是蒸汽室膨胀直产气井，同时产生热水。在SAGD和SAAD两种方法过程中，水合物的分解速率，产气速率和能效比都会随着时间的进行而降低，跟SAGD相比，在相同的水合物形成和分解条件下，SAAD从上面的产气井的产气速率和能效比均会更高。但是在SAAD的三维物理模拟中，沿着双水平井的方向温度并不一致，蒸汽不仅在水平井流动，还会渗透到周边区域，特别是在注入井的流入点的周边地区，热损失较大，热能利用效率有待改进。

李淑霞和李小森等[4]对向天然气水合物中注入热盐水开采进行了实验室试验研究，该研究利用实验室自制的一维天然气水合物开采试验装置，模拟海洋中天然气水合物的存在条件，对影响水合物开采的地质因素和注热参数进行了分析。实验结果显示：注热水温度对能量效率的影响最大，注热水温度越高，能量效率越小，因为当其他条件一致时，注入的热水温度越高，在注热水过程中水合物已分解部位的温度升高得越高，与周围环境的温差越大，向周围散失的热量越多，能量效率越低。因为水合物饱和度越大，水合物分解时吸收的热量越多，热量损失越小，故随着水合物饱和度的增大，注热水开采的能量效率也随之增大。此外，初始温度的增大也对能量效率的提高有积极作用。因此，为了获得更高的能量效率，需要合理优化注热参数:在确保水合物分解速度前提下，适当降低注热水温度;优化注热水时间，使得注入的热量刚好使水合物完全分解;优化注热水速度，使产气量达到最大。

2002年，在麦肯齐三角洲地区实施了一项天然气水合物试采研究[5-7]，该区天然气水合物试采研究共钻了3口探井，两口观察井用于温度测量、地震测量与常规泥浆气测量,以便弄清天然气水合物发生分解的位置，确定产气层段的部位。Mallik 5L-38试采井从井口至天然气水合物层基底以下50m孔段全孔连续取心，同时还进行了全套裸孔测井。热激发开采法试验采用热流体循环得以实现。80℃左右的热流体沿注入管输送到试采层段下部，对试采层段加热后返回地表，经再次加热后循环利用。混有试采层溶解气和水的返浆经回流管汇入气水分离器，分离出气体。开采试验进行了5天多，共采出了天然气468m3。Mallik天然气水合物试采研究项目的成功说明天然气水合物开采技术在实际中上是可行的，而如何完善天然气水合物开采技术、减少开采成本，则是天然气水合物开采领域今后的研究目标。

2降压法

减压开采法是一种通过降低水合物层压力，促使其低于天然气水合物在该温度条件下的相平衡压力，从而实现水合物分解的开采方法。传统意义上的减压途径主要有两种：第一种是利用低密度泥浆钻井来实现减压的目的；第二种为在水合物层下方存在游离气体或者其他流体的情况下，通过泵出天然气水合物层下方的这些流体来达到降低天然气水合物层压力的目的。减压开采法成本不是很高，不需要连续激发，很适用于大面积开采，主要用于在天然气水合物之下存在下伏游离气层的开采。相较于天然气水合物开采的其他传统方法，此方法比较有开采前景，但此方法对存在的水合物藏的性质要求比较特殊,只有当天然气水合物存在于温压平衡边界左右时，减压开采的方法才具有实际可行性。

Lijun Xiong和Xiaosen Li等[8]根据南海神狐海域的现有研究数据，应用一维实验装置模拟研究了海底天然气水合物降压开采过程。根据开采过程中温度、阻力和产气量的变化，降压开采过程可以分为三个阶段：自由气释放阶段，该阶段随着压力降低，自有气体开始释放，体系的温度和电阻均有降低，约累积释放出40%的气体；在水合物快速分解阶段当压力快速降低到6MPa时，会产生大量气体，同时温度和电阻急剧下降，温度的降低同时也伴随着水合物分解速率的下降。之后通过水浴的传热体系温度再缓慢升高，水合物继续分解，该过程累积分解释放出40%气体；最后为缓慢分解阶段，该阶段气体产生不明显，累积分解气体20%，但耗时较长。在降压分解过程中，水合物分解的推动力是分解压力和平衡压力之间的压力差，随着温度的降低，平衡压力也随之降低将导致推动力的减小故水合物分解变缓慢。实验表明：由于水合物的分解是吸热过程，故温度的变化过程可以用来代表水合物的分解过程；水合物的电阻高于纯水，随着水合物的分解，电阻率下降，也可以表示水合物的分解过程。此外，试验还表明：水合物的饱和度也对降压分解过程有影响，随着饱和度的升高，水合物在快速分解阶段的比例减小。

Chuang Jid等[9]进行了通过减压井在甲烷水合物封闭储层中减压分解天然气水合物的参数研究，模拟了通过向水合物储层钻井降压获得天然气过程，试验实现了水合物分解模型、数学模型和线性模拟的综合运用，应用流体能量方程来描述多孔水合物储层的温度和压力分布，同时把热传导、热对流和节流过程对水合物的影响也都考虑在内，评估了在不同的井压和存储温度条件下，多孔甲烷水合物储层的温度和压力分布，不同条件下的水合物储层中温度和压力随时间的变化，储层孔隙度的效率和区域渗透率。研究发现产气率随井压、储层温度和空间渗透率而敏锐变化，水合物储层的物理和热力学条件以及井压决定了气体的产率；完全相同条件的水合物储层的分解温度和压力是固定不变的；在固定的储层温度和压力下，井的产气量和分界前沿的移动速度随井压的升高而减小；在固定的储层和井压下，气体产率随储层温度的降低而降低；水合物储层的渗透率影响传热速率从而影响产气速率；随着空隙率的增加，天然气产率增加，分解温度和压力降低，分解前沿的移动速率减小。

3注入化学试剂法

注入化学试剂法通过向天然气水合物层中注入某些可以破坏天然气水合物相平衡条件的化学试剂，如甲醇、乙醇、盐水、丙三醇、乙二醇等,导致水合物分解[4]，这种方法在虽然在开采初期可以降低能量摄入，但是缺陷却显而易见，开采过程中要消耗大量的天然气水合物形成抑制剂，需要巨大的经济投入，水合物分解产生水稀释抑制剂而降低其效果从而使其产生对天然气水合物层的作用缓慢，同时还会伴随一些环境方面的问题, 因此，天然气水合物的研究者们在这个方向的研究较少。

4其他开采方法

二氧化碳置换开采天然气水合物是一种新型的经济环保的水合物开采方法，即把二氧化碳气体注入到水合物储层，置换开采出天然气，同时把二氧化碳温室气体永久储存在海底的技术。由于甲烷水合物的吉布斯自由能大于二氧化碳水合物的吉布斯自由能，因此二氧化碳置换甲烷水合物是向吉布斯自由能减小的方向进行，置换反应将自发进行 。

颜克凤和李小森等[10]对二氧化碳置换法进行水合物开采进行了概括总结和模拟研究，研究表明二氧化碳置换反应，受扩散控制、气体组分、水合物的储藏环境、注入二氧化碳相态等因素影响。该研究还指出： 氮气/二氧化碳混合气体能够提高甲烷水合物置换率，且减少二氧化碳分离和净化过程是经济的置换开采天然气水合物方法的方法；SDS体系的置换速率比纯水体系的置换速率高；二氧化碳乳液更有利于置换甲烷水合物；多孔介质体系中置换效率高于纯水体系，注入液态二氧化碳置换天然气水合物的置换效率高于注入二氧化碳气体置换。自然界中天然气水合物矿藏环境较为复杂，二氧化碳置换开采研究需要考虑多方面因素的影响，提高置换速率、置换效率以及开采安全性是研究需要解决的关键问题。此后，同团队的徐纯刚等[11]也介绍利用二氧化碳从水合物中置换甲烷的研究进展，从置换可行性、动力学模型、模拟研究、实验研究等方面对当前的研究进行了综述。

宁伏龙等[12]介绍了利用地热开采天然气水合物的方法，利用干岩地热开采海底天然气水合物的设想,并给出了相应的简单生产模型。只要解决好漏失、循环通道和换热面等人工地热储构建问题,利用地热开采海底天然气水合物将是未来商业生产的一个不错选择。

窦斌等[13]介绍了一种开采天然气水合物的新方法，即地面分解法，此种方法把海底采矿的技术加以利用，利用管道把水合物输送到海上平台，在海上平台分解利用，众所周知，天然气水合物在海底分解的过程中会吸收热量而使周围环境的温度降低，使水合物的开采不能继续进行，该方法不但解决了以上难题，也完善了海底天然气水合物不能用传统的减压法开采的不足，具有简单、经济适用，能长期工作等特点。但在实际生产中，需要对工作参数的合理确定、沉渣排放对海洋环境的影响等问题进行深入研究。

徐海良等[14]研究了存在于海底的天然气水合物的存储特点，总结了绞吸式挖泥船的工作理论和大洋多金属结核的开采方法，提出了一种新颖的海底天然气水合物开采方法，即绞吸法。严杰等[15]通过对南海海域天然气水合物成藏机理的分析，提出了使用海水提升法开采海底天然气水合物的新模式，介绍了海水提升系统的组成和工作原理，提出了水力输送设备的相关参数，并对使用该方法的产气量及能效进行了简单评估。结果显示这种方法具有产量大、能效高的特点，运用该方法在南海采集天然气水合物是可行的。

5结束语

现有的多种天然气水合物开采方案,如热激法、减压法、化学抑制剂法、置换法和混合开采法等,都不同程度地存在一些问题。天然气水合物开采研究需要多学科高端科学技术和巨大的资金投入作为后盾，需要多机构联合攻关。我国在天然气水合物研究方面起步较晚，对天然气水合物进行试采研究更应充分考虑多机构合作，利用多渠道资金，吸收国外天然气水合物开采的技术与经验，进行联合攻关。

参考文献

[1]樊栓狮.天然气水合物储存与运输技术[M].化学工业出版社,北京.2005.

[2]宁伏龙等.利用地热开采海底天然气水合物[J].天然气工业,2006,26(12):136-138.

[3]Gang Li, Xiao-Sen Li. The use of dual horizontal wells in gas production from hydrate accumulations[J]. Applied Energy, 2013,(112):1303-1310.

[4]李淑霞，李小森等.天一然气水合物藏注热水开采敏感因素试验研究[J].Vol.38,No.2,Apr.2014.

[5]M al lik 2002-Fact Sheet[EB/OL]. http://gsc. Nrcan. Gc. ca/gas hydrates/mallik 2002/fact she ete. php.2005.

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[7]Max M D , John son A H , Dillon WP . Economic geology of natural Gas hydrate[M]. Dordrecht : Springer,2006:1 -341.

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[9]Ji, C.; Ahmadi, G.; Smith, D.H. Natural gas production from hydrate decomposition by depressurization[J]. Chem. Eng. Sci. 2001,(56):5801-5814.

[10]颜克凤,李小森,陈朝阳,李刚,张郁.二氧化碳置换开采天然气水合物研究[J].现代化工,2012，42(8):42-49.

[11]徐纯刚,李小森,蔡晶,陈朝阳,陈超.二氧化碳置换法模拟开采天然气水合物的研究进展[J].化工学报,2013,64(7):2309-2315.

[12]宁伏龙等.利用地热开采海底天然气水合物[J].天然气工业,2006,26(12):136-138.

[13]窦斌,蒋国盛等.地面分解法开采海底天然气水合物[J].天然气工业,2008,28(7):123-125.

[14]徐海良,林良程,吴万荣,吴波.海底天然气水合物绞吸式开采方法研究[J].中山大学学报(自然科学版),2011,50(3):48-52.

[15]严杰等.海水提升法试采南海天然气水合物的可行性分析[J].河南科学，2015,33(5):785-790.

(责任编辑：李文英)

Research Progress on the Mining Method of Gas Hydrate

WEI Jingli

(Wuhan Engineering Institute, Wuhan 430080, Hubei)

Abstract:Gas hydrate distributes extensively in marine sediments and permafrost in Polar Regions. To ease the worldwide energy crisis, researches on the mining method of gas hydrate are carried out actively. At present, the mining methods proposed in China are still in the experimental stage, namely, solid state exploration and underground decomposition. Solid state exploration is efficient yet difficult to operate; it is applicable to the mining of shallow buried and high-saturated hydrate. Underground decomposition is commonly studied, the traditional approach is to keep the temperature and pressure below the balance condition so as to break the balance of hydrate and decompose it. It falls into three kinds: thermal excitation, depressurization and chemical injection.

Key words:gas hydrate; clean energy; mining method; thermal excitation; depressurization

作者简介：魏镜郦(1984～)，女，助教.E-mail： 1062172988@qq.com

收稿日期：2015-11-17修回日期：2015-11-22

中图分类号：TE64

文献标识码：A

文章编号：1671-3524(2015)04-0035-04