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天然气水合物走向生产现状、技术和潜力_图文

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石油科技动态 第5期总第283期 天然气水合物走向生产:现状、技术和潜力 摘要:天然气水合物是全球分布于永久冻土区和海洋中的一种巨大能源。我们认 为即使是保守的估计和只有一小部分是可采的,作为一种潜在的能源,资源的规 模也是如此之大以致需要评价 本评论文章论述了天然气水合物的分布、主要国 际研究与发展计划的状况和面临生产商业化的科学技术挑战。 1 引言 天然气水合物是固态晶体状的混合物,其中,气体分子(称为客体)占据 称为主体的冰状晶体结构的格子。水合物沉积发生在有利于它们形成和稳定的 低温和高压两种地理环境中:在永久冻土中和在深海沉积物中。 大多数原生烃类气体水合物都含有优势数量的纯体积浓缩到1/164(与标准.温度/.压力条件相比)。某个模拟显示,离解水合 物所需的能量可能低于已采能量的15%。此外天然气水合物还能含有其它烃类 (链烷),而且也可以包含少量其它气体(主要是2本文的全 文包括了全部评论。 2产状、研究活动和优先次序以及有希望的生产目标 对天然气水合物产状的认识是不完善的且是从直接和间接证据获得的。有 23个位置具有无可辩驳的水合物证据(直接采集水合物样品):永久冻土区3 个,海洋环境2永久冻土区内,天然气水合物的证据是由两个正在进行 的研究与开发计划、工业三维地震数据分析以及在常规油气井钻井和测井期间 获得的数据提供的。在阿拉斯加北坡(普鲁霍斯湾区域,证明 了使用这些数据勘探天然气水合物的能力。在海洋环境内,支持天然气水合物 解释的大多数数据都是对相对低质量二维地震数据的间接指示(例如,海底模 拟反射)。但是,直接天然气水合物探测和根据海洋三维数据进行的表征业已得 到显示,此外四分量海底地震的使用也显示大有希望。 已知海洋天然气水合物资源相对比较充裕,这些产状将是未来研究与发展 活动的主要目标。但是,北极地区进行的长期野外计划的有利经济学预期北极 地区的研究与发展活动将会继续。美国和日本正在北极地区做大量的研究与发 展投资,这是根据天然气水合物砂岩储层动态信息在迟些时候能迅速传递给海 洋资源研究这一推理做出的决定。 2009年5月25日 天然气水合物走向生产:现状、技术和潜力 2.1生产目标 若考虑把水合物沉积作为生产目标,它们必须具有下列属性。 ·证实高含水合物饱和度的存在【最好通过取心和测井或(至少)通过地球 物理方法】。 ·发生在高质量储层沉积内,以支持基于井的生产方法。 ·由于邻近现有基础设施而产生的现场可达性。 ·经由现有管线进入天然气市场。 此类潜在目标由于上述要求而受到限制,进一步限制了可获得数据沉积的 选择。 3数值模拟 水合物生产潜力的评价涉及预测复杂系统的动态。这些预测的可靠性和准 确性取决于三个因素。 ·覆盖主要过程和现象的稳健的频谱数值模拟器的可用性。 ·了解定量描述物理过程的参数和关系(通常不是通过直接测量就是通过 历史拟合从实验室试验和/或从现场试验获得的)和在调查研究中了解该系统所 有组分的热物理性质。 ·现场和实验室数据可用于数字模型的确认。 涉及离解反应的耦合过程的复杂性不容许把分析模型用于直接预测或数字 模型的验证,除非在有限的条件下(即,在早期或按照显著近似)。因此,数值 模拟是至关重要的。它是能够评价水合物产气潜力的唯一工具。模拟能够设计 实验室和现场试验,能在需要对作业大量投资之前解答在合理费用方面的非常 复杂的问题(即,至少一般动态趋势),并容许调研(否则就不可能探索的)大 量的供选方案。 4产气方案 按照简单的地质特征,将天然气水合物聚集带分成三个主要类型(图1)。 此分类虽然简单,但它能提供对最佳生产方法的深刻认识。第一类聚集带由两 层组成:含水合物层(一个含有游离(流动)气和液态水的下伏两相 流体层带。有两种此类沉积。第一种在水合物带中含有水和水合物(贫气系统), 而第二种含有气和水合物(贫水系统)。在后一类型中,水合物稳定带的底部(即, 由于热力学有利的温度/压力条件,在其位置之上的水合物是稳定的)与水合物 层段的底部是重合的。当给定温度时,此类型最易于失稳并由此引起气体泄出, 因而是最有利的。第一类聚集带有时称为“水合物顶天然气储集层(石油科技动态 第5期总第283期 ” 图二类沉积包含两个层带:含水合物层上覆一个流动水层带。第三类聚集 带是一个单独层(含水合物层),特点在于缺少具有流动流体的下伏层。在第二 和第三类中,整个含水合物层很可能是在水合物稳定带之内并能在平衡和稳定 条件下生存。第四类()明确属于海洋聚集带,并涉及到缺少限制地层 的分散低水合物饱和度(<10%)沉积。 本文的全文详述了前三类沉积中的每一个生产细节。 4.1第一类沉积 在三个主要离解方法中,基于减压的生产方案看来很适合于第一类沉积(并 且可能是最好的长期切实可行的选择),因为该方法简单并具有技术和经济有效 性,并且水合物对迅速传播压力波的响应迅速(几乎直接)(与对热力增产措施 慢得多的响应比较)。由于离解反应的强吸热性质和在减压下的离解速度,必须 注意要限制生产井附近固相的形成(即,次级水合物和冰),它能对流体渗透率 动态并因此对产气起反作用。因此,生产(射孔)层段的顶部必须距近似不渗 透的原始水合物界面有足够的距离。否则,因而发生的陡温度/压力梯度能导致 次级水合物形成,它能使井阻塞。尽管这在减压过程中也许看上去是反直觉的, 但却是必然的,因为空间均匀与平缓的温度和压力梯度(而不是陡局部前缘) 2009年5月25日 天然气水合物走向生产:现状、技术和潜力 能显著提高天然气水合物的长期产量。 4.2第二类沉积 如同第一类沉积的情况一样,减压引起的离解(通过经由井排出流体)看 来是第二类沉积中最有希望的产气方案(图2)。由于含水合物层的低有效渗透 率,此井的完井必须部分进入流动水带,在生产早期大量的产出水产生于该层 带。靠水的几乎不可压缩性(它扩展了含水合物层感受到的减压体积)和水的 巨大热容量来进一步提高减压的效果。当暖水从地层流向井时,后者在支持强 吸热水合物离解作用所需的部分热量方面起着重要作用。 热力增产措施 与减压一起能有效 地用于局部应用 (来补救次生水合 物和冰),纯粹的增 产措施看来(因为 它是缓慢和无效 的)并不是最有希 望的离解方法。如 果传热机理是平流 (例如,注入暖 水),那么注入流体 就可能对排出气体 的相对渗透率起反 作用。如果使用传 导(例如,通过电 加热),热传递缓慢 且效率较低。不推 荐使用抑制剂,因 石油科技动态 第5期总第283期 体来诱导上覆水合物减压的无水合物(并因此相对可渗透的)层带。因此,减 压的吸引性受到第三类沉积渗透率限制的挑战。在此类沉积中,由减压诱导离 解的唯一方法是流动通过含水合物层。但是,固相水合物的低有效渗透率抑制 了大的流量,导致较低的离解量和产气量和局部化的系统响应,该响应希望限 制在生产井周围的区域。 5可能的水合物目标 尽管水合物生产可用的信息相当有限,但目前已经有了足够的信息能够确 定与高产气潜力和提高水合物沉积的需要性相关的特征、性质、条件和生产方 法。我们能用此信息制定一套指导原则来选择有希望的生产目标。 6结论 1)尽管存在难以克服的困难,但把水合物开发成能源的国际认知度通过一 些国家和国际上的可行性调研计划而有了进展。 2)国际上在确定天然气水合物生产的技术和经济可行性方面进行了共同的 努力和非凡的合作。但是值得注意的是,政府现在主导了此项尝试,工业界只 提供了支持作用。 3)天然气水合物的生产由于它们存在于恶劣的环境而面临重大挑战。进入 的困难加上相关作业的巨大成本以及需要使首次尝试从该非常规能源生产天然 气取得成功,导致需要开发一种对潜在目标进行排序的合理方法。按照需要和 设计,从水合物中生产天然气的首批尝试将限于具有探明资源的少数相对性质 良好的地段。 4)由于它的能力、适应性和低成本(同实际的野外研究对照),数值模拟 在致力于评价水合物生产潜力上起关键作用。由于缺少野外数据而导致不能完 全辨认数字码,因此涉及这项工作的科学家们的一致意见是,有效的模型通常 能够解释问题的重要物理学。确认和校准(而不是足够的数值编码能力)将是 确定水合物是否为能源的约束因数。 5)实施数值模拟所需的评论表明,由于存在知识空白,它们正被或能被灵 敏的近似法充分地处理。在关键性重要数据情况下,这一问题能通过灵敏度分 析来处理。 6)文献评论强烈地显示,来自各式各样沉积的天然气水合物(甚至是几年 前被认为是非生产性的)都能通过使用常规技术长期以高速生产大量天然气。 甚至在推荐新的井设计的时候,它们也完全在现有工艺技术能力之内。 廉抗利译自“2008.7,82.84
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