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天然气水合物钻探技术关键_图文

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天然气 水合物 钻探 技术 关键 图文
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天然气水合物钻探技术关键 乜彤宝 (中国煤炭地质总局) 摘 要 钻探因其技术优势成为国内外天然气水合物勘查 与研究的必要手段之一。本文在模拟0 碳水合物在不同温度一压力条件下的分解过程的基础上,探讨 了天然气水合物钻探的关键技术,给出了天然气水合物钻探技 术的初步建议。 关键词天然气水合物热物理力学钻探 尽管通过地质研究和勘查能够圈定天然气水合物异常区 域,但从全球范围来看,国内外众多学者才测算的地球上天然 气水合物的资源总量或局部区域的资源量的结果相差可达3个数 量级以上。查明天然气水合物的生成、运移及富集成藏的地质 条件成为准确估算天然气水合物资源量的关键点。 1天然气水合物热物理力学性质 天然气水合物特殊的热物理力学性质决定其钻探技术的特 殊性,这也从根本上限制着天然气水合物钻探技术的研究与发 展。因此,准确掌握天然气水合物的热物理特性是把握钻探技 术的根本。一气体水合物颗粒的分解经由两 个相继的过程,即先发生包络化合物水分子品格破裂而随后发 生晶格内气体分子脱附,且分解过程自水合物颗粒表面开始。 事实上,混合气体水合物的结构与单一气体水合物并没有本质 的区别,也即其它气体组成的混合气体水合物颗粒的分解 与甲烷气体水合物的分解遵循同样的步骤,即先晶格破裂后气 体分子脱附。因此,甲烷等气体的混合气体水合物的分解速率 司以表述为: ∑ (厶. ), = ,。, (式¨) 式中, ,即分解过程中存留在水合物中的气体分子 的量,为水合物粒子的表面积,m。; K ,为常数,m ·Pa·s);(f ) 为,Pa;力下组分在气相中的逸度, (f 一 ) =为v a。从定义上来看P,a式;f 中n 、A 、K 、(f。 ) f v和(f ). 等变量均为状态的函数。 在函数推导过程,假设封闭系统始终处于热源不断供给、体积 可自由膨胀且压力基本保持不变的状态。但是,该假设并没有 考虑时间因素,也即所得到的结论是一定时间的累计结果。基 于上述认识,笔者做了如下假定:(1)气体水合物晶格、晶形一 致;(2)同一温度下,同种分子分解前后范德华力变化一致; (3)水合物晶体依照由表及里、由外至内逐渐分解;(4)分解后 的气体部分以饱和态溶于分解后的液态水中,分解的水始终处 于液态;(5)水合物的分解是瞬态完成的。在假定基础上,通过 计算机模拟软件分别对甲烷水合物和二氧化碳水合物进行了o℃ 以上的模拟分解实验。本次模拟没有考虑因吸热降温对分解的 影响,而将分解的压力水台27物6和二27氧~ 分 r 图1中,曲线表征水合物分解的临界状态,即在曲线下方 区域所代表的条件下水合物便分解为水和气体,而在其上方 时,则不分解。由图1可以看出:(1)保持水合物样品不分解所 需的压力随温度升高而升高,而压力随温度升高更趋明显;(2) 与二氧化碳水合物相比,保持甲烷水合物不分解的条件更苛 刻;(3)在较低温度范围内(o 10~C),保持甲烷水合物不分解所 需的压力与温度呈现近线性趋势。同时,模拟数据显示,保持 甲烷水合物不分解的平衡压力在+0℃时不超过312时约为 5也与实际情况比较吻合。上述认识是假定天然气水合 物在纯水条件下分解得到的,分解过程不受其它介质(如泥浆、 地下水)的影响,这与实际情况并不完全相符。上述分析过程中 甲烷水合物被置于完全开放系统中,且没有指出溶解与分解的 主次关系。但可以肯定的是,无论水存在与否,水合物都会发 生分解,且分解过程要比溶解过程更快。可以设想,当处于非 稳态条件之下,甲烷水合物的溶解和分解开始时都将存在,若 被置于相对封闭系统中,由于气体极低的溶解度,系统溶解将 很快因达到饱和而中止,但分解还将继续。 因此,无论甲烷水合物分解时处于何种条件,其分解均 可认为是一个气相、液相和水合物相同时存在的复杂动力学过 程。笔者基于甲烷天然气水合物热物理特性模拟试验所得出的 结论仍是适用的。只有依据并利用好天然气水合物的热物理力 学特性,才能从根本上促进天然气水合物钻探技术的发展,发 挥出这项技术的最大功用。 2天然气水合物钻探技术关键探讨 简言之,天然气水合物的热物理特性表现为在低温高压下 存在,而在常温常压分解出大量气体和液态水。鉴于当前尚未 在区域上大范围地钻获天然气水合物样品,也即存在还要从工 作手段上提高资源可靠性的客观现实,天然气水合物钻探技术 所要解决的问题主要包括:取芯取样技术、循环介质、低温钻 进技术参数和工艺方法等。 理论上,天然气水合物晶体能够以较大尺寸在自然环境 中存在,但现有钻探成果表明,天然气水合物晶体主要以客体 形式充填于沉积层的孔隙之中,天然气水合物粒度相对较小。 天然气水合物钻探取芯取样技术的难点在于岩(样)芯钻取后会 发生分解,若不采取一定措施,钻探取样后难于保存和直接观 测。当前国内研究天然气水合物钻探取芯取样技术时,保温保 压取芯取样钻具的研制思路多以保压为主、保温为辅,取样器 通常保压参数设计在20至达g~4个压力几 乎高于常温下天然气水合物保持不分解的压力,也就增加了功 能实现的难度。而模拟结果表明,降低天然气水合物钻探的工 作温度,可以大幅降低取芯取样钻具的保压设计值。因此,依 据天然气水合物的热物理特性,设计出更为合理的取芯取样钻 具,这将是天然气水合物取芯取样技术的重点。 如上所述,天然气水合物的热物理力学性质表明降低温 度有利于保持其不分解,而天然气水合物分解本身吸热制冷的 (下转第83页) 201 0. 单位满意度和公务员个人满意度评估。工作交接情况评估包括 原有岗位资料档案、后续工作的交接,及接手新的工作岗位的 情况。接收单位满意度、公务员个人满意度评估通常在转任后 的卜3个月内开展。通过访谈法和观察法了解接收单位对新员工 的评价,及转任者工作积极性,及时沟通协调。 4.4环节四——后期跟踪评估 后期跟踪评估是对转任有效性的评估。转任最终目标是促 进组织行政效率的提高和公务员个人全面发展。 4.4.1个人工作绩效和职业生涯发展评估。通过跟踪回访、干 部考察、述职述廉、绩效考核考察转任者的工作情况。评估期 为下一个绩效考核期或一年,以此作为奖惩、职位升降的依 据。关注转任者中、长期的职业生涯发展情况,考察转任在推 动公务员个人发展方面的有效性。 4.4.2组织行政效率评估。组织行政效率主要表现为廉政建设、 人职匹配度、机关活力。机构臃肿、贪污腐败是一个机构生态缺 乏活力的表现。根据卡兹曲线,组织如果在其诞生后五年之内没 有人员流动,功能就会由盛转哀。解决办法有两个:一是重组, 二是让组织成员个体进行流动。前者只能偶尔为之,大规模的重 新组合易导致组织不稳定,后者具有现实性[5]。 参考文献 [1]赵曼.公共部门人力资源管理[M】.华中科技大学出版 社,2007 [2]王智源.健全公务员交流轮岗制度若干问题探讨….中 共合肥市委党校学报,2008,(04) [3]a ri e.t f0 r to ].999,17(4):422. [4]王福波.完善我国公务员流动管理的对策研究[J].重庆 大学,2008 [5]王福波.国内外人才流动理论研究综述[J].商场现代 化,2008,(03) (上接第63页) 过程,这种制冷效应就使得天然气水合物具备自我保持稳定、 不分解的特性。在青藏高原高寒地区,天然气水合物赋存于永 冻层下,钻遇地层平均温度也低于冰点,并且由于分解吸热作 用,势必温度将降得更低。这就要求循环介质要具有耐低温、 抗蚀变性能之外,并具有能够抑制水合物分解和环境友好的特 性。常规耐低温泥浆的耐温性在冰点之上,当温度低于冰点, 泥浆的黏度、剪切力等参数将大幅恶化,其润滑、排渣能力相 应也急剧降低。况且,青藏高原地区环境消融能力较差,一旦 发生泥浆污染地层或地下水,环境恢复将极其缓慢,甚至可能 导致灾难性事故。另外,由于泥浆中人为添加的处理剂或地层 中矿物质的溶解,可能增加了泥浆中离子浓度从而促使天然气 水合物的分解。因此,研制特殊的耐低温环保型泥浆是天然气 水合物钻探的技术核心。 低温钻进一般认为是循环介质在低于常温下的钻探实践, 对于水基泥浆往往在0℃以上,仅在冻土区和海底天然气水合物 钻探中被提及,但业内尚未给出明确的界定。毋庸置疑的是, 天然气水合物钻探技术应被视为低温钻进技术,但其特殊之处 在于温度可以低至0℃以下。在低温条件下,设备的冷脆性放 大,机械力学性能也变差,尤其在青藏高原高寒空气稀薄地 区,钻进技术参数和工艺方法必然要求做出相应的调整。天然 气水合物被永冻层圈闭以沉积相赋存于地层孑于沉 积地层可钻性通常小于虑完整取芯取样要求,硬质合金 回转钻进技术是较适宜的。若配合绳索钻探技术效果会更好。 传统回转钻进主要技术参数包括:转速(n)、钻压(p)和冲洗液 量(Q)。天然气水合物钻探与其它矿产资源钻探一样,最根本 目的在于安全、快速地成孑因永冻地层中水以 固态冰的形式存在,对钻探将产生“粘滞”作用,不适宜采用 较高的转速n,钻压当取芯取样钻探时,孔 内产生的岩粉量较少,又要避免冲洗液对岩样芯的冲蚀,应采 用小泵量、低流速,并可结合多层管取芯钻具;而当全面钻进 时,则宜采用大泵量、高流速,甚至可考虑反循环钻进技术。 3结论与建议 天然气水合物钻探技术所要解决的问题主要包括:取芯取 样技术、循环介质、低温钻进技术参数和工艺方法等。通过笔 者对天然气水合物热物理力学性质的模拟研究表明,在较低温 度范围内(0~),保持甲烷水合物不分解所需的压力与温度 呈现近线性趋势,同时认为降低温度更有利于抑制甲烷水合物 分解。基于这种热物理力学性质,结合青藏高原永冻区天然气 水合钻探实际,得到如下认识:(1)天然气水合物取芯取样技术 研究中,保温保压取芯取样钻具的研制思路应以保温或降温为 主、保压为辅;(2)天然气水合钻探循环介质应具备耐低温、抗 蚀变、环境友好等特性之外,应能够对天然气水合物分解起到 抑制作用;(3)在青藏高原永冻地层中天然气水合物开展取芯取 样钻探时,应采用低转速、低钻压和低泵量,并宜结合多层管 取芯钻具。 参考文献 [1]徐水师,王佟,刘天绩,等.青海省木里煤田天然气水合 物资源量估算[J].中国煤炭地质,2009,21(9) [2]梁金强,吴能友,杨木壮,等.天然气水合物资源量估算 方法及应用….地质通报,2006,25(5) [3]许俊良,薄万顺,朱杰然.天然气水合物钻探取芯关键技 术研究进展[J].石油钻探技术,2008,36(5) [4]张洪涛,张海启,祝有海.中国天然气水合物调查研究现 状及其进展[J].中国地质,2007,34(6) [5].,廉抗利译.天然气水合物走向生 产:现状、技术和潜力【J].石油科技动态,2009(5) [6]刘华,李相方,隋秀香,等.天然气水合物勘探技术研究 现状….石油钻探技术,2006,34(5) [7]郭威,孙友宏,V.K..天然气水合物孔 底冷冻取样方法的室内实验研究【J】.探矿工程(岩土钻掘工程 ),2009,36(5) [8]张永勤,孙建华,赵海涛,等.天然气水合物保真取样 钻具的试验研究及施工方案研究[J】.探矿工程(岩土钻掘工程 ),2 007,34([9]雷怀彦,官宝聪,龚承林,等.海底甲烷水合物溶解和分 解辨析及其地质意义[J].天然气地球科学,2007,1 8(4) 201 0.
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