降壓技術(shù)方法成功生產(chǎn)甲烷水合物
時(shí)間：2018-10-09 14:27
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作者:張磊 齊志剛 陳陽(yáng)
降壓法是生產(chǎn)水合物最經(jīng)濟(jì)，也是最有可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的手段之一。“對(duì)于甲烷水合物的開(kāi)采，必須考慮到開(kāi)采作業(yè)本身對(duì)安全邊際的影響，對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響，以及泄漏的甲烷氣體的影響。有人認(rèn)為造成這些影響的原因是開(kāi)發(fā)相關(guān)的低溫流體涌出海面，水泥和套管本身受到臨界破壞。 對(duì)于與生產(chǎn)有關(guān)的井周地層，由于海底變形、沉降等原因，地層封堵能力的下降與地層本身的塌陷等因素密切相關(guān)，這些現(xiàn)象與地層的原地特征以及開(kāi)采和生產(chǎn)密切相關(guān)。如果開(kāi)采操作終止，壓力和溫度可能會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。一旦壓力和溫度進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，解離的甲烷氣體就會(huì)回到固體甲烷水合物中，這一過(guò)程將被視為開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)安全機(jī)制。
生產(chǎn)水合物最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)方法
降壓法是生產(chǎn)水合物最經(jīng)濟(jì)，也是最有可能商業(yè)化生產(chǎn)的手段之一。第一次陸上天然氣水合物生產(chǎn)試驗(yàn)于 2002 年在加拿大西北部麥肯齊三角洲地區(qū)的 Mallik 現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，作為五個(gè)國(guó)家 （日本、 加拿大、 美國(guó)、印度和德國(guó)）和 7 個(gè)研究機(jī)構(gòu)（前日本國(guó)家石油公司 -JOGMEC、加拿大地質(zhì)勘探局、美國(guó)能源部、美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局、德國(guó) GFZ、印度石油和天然氣部 - 印度石油公司）的合作研究項(xiàng)目。第二次陸上天然氣水合物生產(chǎn)試驗(yàn)是在 2007 年和 2008 年冬季由JOGMEC 和加拿大自然資源協(xié)會(huì)（NRCan）與 Aurora 學(xué)院的指定經(jīng)營(yíng)者進(jìn)行的。該學(xué)院是加拿大西北地區(qū)的一所教育機(jī)構(gòu)。由于上述地區(qū)只有在河流和海洋被凍結(jié)和冰路可以修建的時(shí)期才能進(jìn)入，所以所有行動(dòng)都限于冬季。
此外，由于這一地區(qū)是北極脆弱生態(tài)系統(tǒng)的一部分，在那里發(fā)現(xiàn)了稀有生物，因此我們?cè)诃h(huán)境保護(hù)方面給予了極大的關(guān)注。鉆井廢料被帶回加拿大南部處理，產(chǎn)生的水被注入含水合物層下面的含水層。第一次陸上天然氣水合物生產(chǎn)試驗(yàn)利用 MDT（模組地層動(dòng)力學(xué)測(cè)試儀：斯倫貝謝注冊(cè)標(biāo)志）對(duì)降壓過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并證實(shí)了氣體的出現(xiàn)。
此外，通過(guò)壓力分析等資料，獲得了與地層滲透率有關(guān)的資料。第二次陸上天然氣水合物生產(chǎn)試驗(yàn)將電潛泵置于射孔段以下，并通過(guò)向注入層下方注入生產(chǎn)用水來(lái)降低井下水位進(jìn)行降壓。 結(jié)果證實(shí)，在井底壓力約為8 MPa時(shí)產(chǎn)生氣體，比 預(yù) 期 值 高（ 初 始 地 層 壓 力 約 為11.4MPa），然后在降壓至 7.2MPa后的降壓期間，觀察到 830m 3 的氣體產(chǎn)量約為 12.5 小時(shí)。然而，由于大量的沙子流入井下的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于預(yù)期， 而且泵出現(xiàn)故障停止測(cè)試。
降壓技術(shù)方法原理剖析
降壓法是目前主要的天然氣水合物開(kāi)采方法。是通過(guò)泵吸作用降低氣體水合物儲(chǔ)層的壓力，使其低于水合物在該區(qū)域溫度條件下相平衡壓力，從而使水合物從固體分解相變產(chǎn)生甲烷氣體的過(guò)程。甲烷氣體和水反應(yīng)生成水合物以及水合物分解生成甲烷氣體和水的化學(xué)反應(yīng)方程式如下，M 為氣體分子，s 為固態(tài)，g 為氣態(tài)，l 為液態(tài)。
當(dāng)?shù)貙訅毫ι呋蛘邷囟冉档蜁r(shí)反應(yīng)朝右進(jìn)行，此時(shí)地層多孔介質(zhì)中的甲烷氣體分子會(huì)結(jié)合在水分子中，其中水分子之間借助氫鍵形成結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)，甲烷氣體分子和水分子之間通過(guò)范德華力結(jié)合成固體形狀的水合物。當(dāng)?shù)貙訅毫档突蛘邷囟壬邥r(shí)反應(yīng)向左進(jìn)行，此時(shí)甲烷氣體分子和水分子之間范德華力減弱，固體形狀的水合物結(jié)構(gòu)會(huì)釋放出大量的甲烷氣體分子。因此，從己經(jīng)形成天然氣水合物的地層中開(kāi)采天然氣，實(shí)際上就是天然氣水合物的分解反應(yīng)，即水合物的分解過(guò)程。降壓法就是促進(jìn)水合物發(fā)生分解反應(yīng)的措施。
降壓法的降壓途徑
降壓法開(kāi)采井的設(shè)計(jì)與常規(guī)油氣開(kāi)采相近，滲透性較好的水合物藏內(nèi)壓力傳播很快。開(kāi)采水合物層之下的游離氣是降低儲(chǔ)層壓力的有效方法之一，另外通過(guò)調(diào)節(jié)天然氣的開(kāi)采速度也能達(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。降壓法不需要昂貴的連續(xù)激發(fā)。
因此，降壓法是極具潛力的、經(jīng)濟(jì)有效的開(kāi)采方式。采用“降壓法”，利用抽水方式降低井底壓力，通過(guò)射孔降壓甲烷水合物層的孔隙壓力。因此，直接用于生產(chǎn)的能量是泵的動(dòng)力能，從理論上講， 高能效是可以期望的。甲烷水合物是通過(guò)降壓低于平衡曲線的含甲烷水合物層的孔隙壓力而分解成氣和水的，氣體和水是通過(guò)從地下層流向壓力較低的生產(chǎn)井而產(chǎn)生的。當(dāng)甲烷水合物層中的解離在受熱時(shí)加速時(shí)，解離在熱供應(yīng)點(diǎn)圖 1 水合物降壓生產(chǎn)原理圖進(jìn)行。
在含甲烷水合物層中心附近，在熱量供應(yīng)不足的地方很難繼續(xù)解離。在解離過(guò)程中，由于孔隙中甲烷水合物飽和度的降低，有效滲透率增加，使解壓更加有效，從而進(jìn)一步加速解離。如上所述，含甲烷水合物層中的解離是不均勻的，在含甲烷水合物層之上和之下接觸無(wú)水合物層的部分可能優(yōu)先促進(jìn)生產(chǎn)。砂泥交替層的潛熱對(duì)產(chǎn)量和采收率有一定的貢獻(xiàn)，沒(méi)有人工熱供應(yīng)，但采暖等是提高低溫油藏采收率和產(chǎn)能的必要條件。
無(wú)論我們采用的是什么，降壓方法都可能發(fā)揮關(guān)鍵作用，包括人為熱供應(yīng)。在水合物降壓開(kāi)采過(guò)程中，隨著井孔流量的增大和井孔壓力的降低，儲(chǔ)層內(nèi)壓降傳播得更遠(yuǎn)更有效?？紫读黧w壓力降低會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層的沉降，最大的沉降發(fā)生在井壁附近；水合物分解的越多，儲(chǔ)層的沉降越大。降低井孔壓力有助于水合物的分解，但同時(shí)可能導(dǎo)致井壁破壞的潛在危險(xiǎn)；在井壁附近，周向和垂向應(yīng)力達(dá)到最大處容易發(fā)生失穩(wěn)破壞；地層中的水平應(yīng)力差會(huì)增加井壁的不穩(wěn)定性。
總之，兩次陸上水合物生產(chǎn)試驗(yàn)充分表明了利用降壓法可以從甲烷水合物中連續(xù)產(chǎn)生天然氣，這是實(shí)現(xiàn)水合物資源化目標(biāo)的重要一步，證明了除非有效滲透率和絕對(duì)滲透率降低，否則降壓法基本上可以長(zhǎng)期保持產(chǎn)能。但是，在生產(chǎn)過(guò)程中，由于井筒周圍淤泥組分的積累，以及伴隨降壓的壓實(shí)作用，可以預(yù)測(cè)滲透率的降低。此外，當(dāng)可滲透的含水層覆蓋和潛藏時(shí)，由于水錐，可預(yù)測(cè)出產(chǎn)水量的增加會(huì)干擾降壓向儲(chǔ)層的有效傳播。因此，有必要對(duì)這些生產(chǎn)損害因素進(jìn)行定量的認(rèn)識(shí)。保證降壓法的有效生產(chǎn)。
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