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开发天然气水合物

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开发 天然气 水合物
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18油田新技术压力,大气压1,000500100501051甲烷气+ 冰甲烷水合物+ 气 + 冰甲烷气 + 水冰水 + 气温度,℃ –10 0 1 0 2 0 3 0 4 0水合物然气水合物的估算量在几个数量级范围内变化,但天然气水合物聚集体中含有的天然气量估计比目前已知的全球天然气总储量还要高。这些聚集体通常出现在世界上常规资源缺乏的地方,可能能够帮助那些依赖油气进口的国家实现能源的自给自足。有几家政府和工业集团,正是从这种未开发能源中看到了希望,已开始针对天然气水合物开发进行详细调查。作为一种潜在的资源,天然气水合物开发存在钻井风险和流动保障难题、影响海底稳定性,还储存或释放温室气体。尽管上述几点都是非常重要的问题,但本文将重点讨论天然气水合物作为满足未来能源需求的天然气供应来源的益处。本文就部分天然气水合物早期研究成果进行了探讨,并展示了国际上采用先进技术对天然气水合物特性及分布进行描述的最新发现。通过墨西哥湾、日本和印度的实例研究,阐释了如何利用油田技术帮助识别评价天然气水合物资源。加拿大和美国的实例说明了如何从这些储层中开采天然气。天然气水合物概述天然气水合物是象冰一样的晶状固体。结构上属于笼形化合物,或复开发天然气水合物天然气水合物是一种含有甲烷的冰状化合物。如果能够找到开采方法,天然气水合物就有可能成为一种重要的资源。目前正在采用常规油气资源评价技术对天然气水合物进行评估和表征,并绘制其分布图。田新技术》 2010 年春季刊 : 22 卷,第 1 期。©2010 斯伦贝谢版权所有。在编写本文过程中得到以下人员的帮助,谨表谢意:美国康涅狄格州 斯敦的 斯敦雪佛龙公司的 罗斯萨哈林 克萨斯州学院站得克萨斯农工大学的 及日本相模原的 甲烷水合物稳定性相图。甲烷和水的结合物在低温高压条件下呈固体状态(阴影部分)。在高温低压条件下,固体水合物分解成气体和水。合物,基本结构包括一个冰笼状的水分子晶体,其内部又包含一个天然气分子(称为客体) (下一页图) 。能源行业最感兴趣的是甲烷水合物,这也是自然界中最丰富的一类水合物。足量的水和天然气在适当的温度和压力条件下就可以形成天然气水合192010 年春季刊前一页图) 。在这一水合物稳定带的外围,水合物分解成水和气体。严密的水合物结构非常有效地将甲烷包裹起来。一个体积的水合物所含有的气体在标准温度和压力下会膨胀 150- 180倍。化学家对天然气水合物的认识已经有 200多年的历史。如同许多科学发现一样,有关水合物的历史也存在广泛争议。但最早在实验室形成的水合物似乎是在 1778年由 时他无意中获得了二氧化硫水合物[1]。首次有文献记载的烃水合物是1888年由 时他合成出了甲烷和其他气态烃的水合物。整个 19世纪水合物都是在实验室配制合成的,仅仅停留在满足试验探索的阶段,而没有任何实际应用。直到上世纪 20年代,开始采用管线从气田向外输送甲烷,对水合物的实际应用才有了更深入的了解。在寒冷季节,固体堵塞物有时会阻碍气体在管线中的流动。这种固体堵塞物一开始被解释成冻水,直到上世纪 30年代,气体堵塞问题的原因才被纠正过来,确定是甲烷水合物引起的[2]。这次发现使水合物研究进入了新时代,调查人员制定出了预测水合物形成的原则,并研究出了抑制和控制水合物的方法[3]。1946年,俄罗斯科学家提出在自然界(在永久冻土覆盖区域)存在水合物产生和稳定存在的条件与资源[4]。这种预测被随后发现的天然形成的水合物所证实。 1968年,在南极洲西部]。到了上世纪 70年代,科学家们在深海钻井勘探中发现在大陆边缘外围深水沉积层中蕴含着丰富的天然形成的天然气水合物。最近已在洋底观察到^天然气水合物晶体结构。甲烷( 绿色和白色)是水分子( 红色和白色)形成的水笼中的客体分子。图中所示结构是包含客体气体分子的五种水笼结构中的一种。天然气水合物已从北极一些地区开采出来,如图中所示的美国阿拉斯加地区。(图中照片由 1. F: 尔萨: 1997年。20油田新技术水合物块,有一次还用渔网把它们拖到了地面上[6]。沉积物中的水合物在近地表聚集常伴有气苗产生,这种气苗也称为冷气,墨西哥湾、加拿大和美国的太平洋沿岸就发现有这种气苗[7]。科学家们现在已经知道天然气水合物自然存在于世界许多地方 (左图) 。水合物保持稳定性的深度范围通常在海底以下 100- 500米( 330- 1600英尺)。科学家们认为约 98%的水合物资源都积聚在洋底沉积物中,另外 2%在极地大陆以下。目前已确定在美国阿拉斯加北坡、加拿大西北地区、墨西哥湾、日本、印度、韩国及中国的近海地区有丰富的水合物聚集体存在。只有一小部分有关水合物聚集体的证据是来自直接取样,而大多数是根据其他资料来源推测的,如地震反射、测井记录、钻井资料和岩心孔隙水矿化度测定结果。根据井眼和岩心资料,水合物在沉积层中的分布随其形成条件而变化。有些岩心中只有零星水合物,分布在富含粘土的沉积物中,而另一些岩心中存在多层聚合度很高的天然气水合物,主要分布在砂岩沉积物中,科学家们还发现纯度非常高的固态天然气水合物以裂缝填充物的形式存在于富含粘土的地层中。根据水合物分布的不同方式,采用外插法将分布区域外推到水合物可能出现的所有区域,发现潜在资源估算量变化范围很大-全球大约有 2.8 x 1015- 8 x 1018米3( 9.9 x 1016- 2.8 x 1020英尺3)的甲烷[8]。为了缩小变化范围需要在以下领域做进一步努力:更为明确深入地了解水合物的成因和沉积过程,更好地了解水合物对井眼和地球物理测量结果的影响,对于具备天然气水合物稳定存在条件的区域进行更为全面的勘探。地震资料是用来证明近海存在水合物聚集体的最常见的证据。含有天然气水合物的沉积层和邻近含有自由气或水的沉积层间声阻抗差异可能很明显,会产生强振幅反射波。反射深度与有利于水合物保持稳已获取天然气水合物推测的天然气水合物^海洋和陆上天然气水合物的分布位置。大约 98%的天然气水合物资源都聚集在洋底沉积物中,其他 2%存在于永久冻土下面。对于图中标出的已获取天然气水合物(蓝色),绝大部分都已通过实施科学钻井计划得以发现,推测出的天然气水合物聚集体(橘色)已通过地震成像识别出来。(资料来自 A: A ( 2010年 3月 24日浏览))。2. T: “ 30卷,第 19期( 1931年): 34。G: “ 26卷,第 8期( 1934年):851. : A 国马萨诸塞州波士顿: 003年, ( 2010年 2月 27日浏览)。4. 考文献 1。5. L: “ ir 《科学》, 165卷,第 3892期( 1969年 8月): 489. , D, D, R, 和 : “ on 发表在 2004年 9月12拿大不列颠哥伦比亚省温哥华,( 2010年 2月 17日浏览)。7. M, B, R, C J: “ in 10卷,第 1- 3期( 1986年):221, S, 11 “ 11 of ” , 综合大洋钻探计划文集, 311卷, ( 2010年 3月 24日浏览) 。8. S, H, :“ A , S,H, (编辑) : 尔 萨: 美国石油地质学家协会, 89卷 ( 2010年) : 146. : “ 008国内政 部,矿产资源管理服务局, 2008年 2月 1日。10. “ in 美国甲烷 水 合 物 研 究 及 开 发项目,美国能源部, ( 2010年 2月 17日浏览)。11. 2005年的勘探结果以专题集的形式出版(西方奇科捐赠了地震资料和采集成果): ,和 (编辑): 25卷,第 9期( 2008年 11月): 8192. “ in 美国甲烷水合物研究及开发项目,美国能源部, ( 2010年 2月 10日浏览)。, , , 和 : “ of in 2009年冬): 11- 14, #1( 2010年 3月 23日浏览)。 13. , , , , ,, , , 和 : “ I: , ( 2010年 3月 9日浏览) 。212010 年春季刊双程时间,003,4003,5003,6003,7003,8003,9004,0004,1004,2004,3004,4004,500天然气水合物稳定带海底 2005年) 2009年)水合物指示公里英里15015000振幅2010年经西方奇科批准使用双程时间,13区块503,4003,4503,5003,5503,6003,6503,7003,7503,8003,8503,900振幅2010年经西方奇科批准使用定的温度和压力条件有关,通常与海底平行。这样的反射界面被称为拟海底反射层( 从这个反射层反射的地震波总是穿过构造反射层和地层反射层。但如果没有拟海底反射层并不能排除水合物的存在。在全球许多地方都发现了拟海底反射层,因此政府机构、能源公司和其他研究机构开始合作,对特殊水合物聚集体进行评价。目前一个此类联合行业项目( 在对墨西哥湾水合物资源进行调查。墨西哥湾水合物评价美国内政部矿物管理服务局( 用地震资料,结合井筒资料、地质信息、地化信息和古生物信息,对墨西哥湾进行了大面积评价,评价范围约 45万公里2),发现这里的压力和温度条件都适合水合物保持稳定[9]。 34423万亿英尺3( 315- 975万亿米3)。2000年,雪佛龙公司和美国能源部启动了一项联合行业项目,开发技术并采集资料,以帮助对墨西哥湾深水区天然形成的天然气水合物进行分析[10]。除了评价水合物对钻井安全和海底稳定性的影响外,该项目还力求了解水合物作为天然气供应来源的长期潜力。在项目的早期阶段,联合行业项目小组成员在几个地点对地震资料进行了采集分析,选定了井位,并进行了为期 35天的钻井、取心和测井作业[11]。 2009年,联合行业项目进行了第二次远征勘探,这次活动覆盖了2]。通过对砂岩层内高饱和度天然气水合物的存在迹象进行综合地质物探分析,联合行业项目选定了钻井位置 (右上图) 。墨西哥湾的联合行业项目为天然气水合物的勘探和钻井风险评价提供了大量的信息。天然气水合物勘探 - 西哥湾地区显示拟海底反射层( 地震剖面。拟海底反射层是由含水合物的沉积层和不含水合物的沉积层间的声阻抗差造成的。拟海底反射层穿过成层构造和断层,表现为水合物稳定带的基底。该反射界面把上面的坚硬物质和下面的不太坚硬的物质分开,产生与海底反射波极性相反的地震反射波。剖面右侧的高振幅信号可能表示在水合物下面圈闭着自由气。 2005年墨西哥湾联合行业项目考察组调查了 2009年联合行业项目科学家在 合物稳定带基底的地球物理指标在插图上用红色表示。(地图根据 考文献 12;地震剖面由西方奇科提供)。^墨西哥湾 13区块地震资料。地震剖面中出现一系列孤立的高振幅点(蓝色和红色),表示水合物稳定带的基底。从图中来看高振幅反射波是不连续的,原因是各层岩性不同,且倾角较陡。自由气和天然气水合物集中在富含砂岩的地层中。由于富含页岩的地层中只含有少量或根本不含有水合物,所以没有表现出明显的振幅特征。地层 将在后面的图中进行说明。(西方奇科提供)。22油田新技术地区显示存在水合物迹象的一个例子是出现断续高振幅反射波,这些反射波对应的是砂岩层内自由气的上倾末端 (前一页,下图) 。高振幅沿水合物稳定带的底部出现[13]。根据地震资料预测 于模型建立控制声波能量穿过沉积层速度的弹性属性和天然气水合物饱和度之间的关系;在全球其他环境中,水合物含量总是随着声速的提高而提高[14]。专家们提出了几种模型来解释这种效应,所有模型都表明这些属性与水合物在沉积层中的位置高度相关 (左上图) 。理论上,水合物可能以岩石颗粒间胶结物或岩石颗粒包层的形式出现在沉积岩中。也可能是颗粒基质的一种成分或孔隙填充物。几种微结构模型都认为水合物均匀分布在沉积物中,并推导出水合物含量与岩石弹性属性关系式。因为在岩心中也发现了水合物表现为结核和裂缝填充物,建立模型时也必须考虑这些欠均质分布形式,但对这种分布还没有定量处理办法。将基于模型计算出的地震速度和在含水合物岩石中测得的地震速度进行对比,表明水合物作为颗粒基质一种组分的模型与采集的数据集拟合最好 (右上图) 。在该模型中,水合物既不是颗粒包层也不是沉积颗粒胶结物。输入参数包括岩石孔隙度和水合物饱和度。如果孔隙度和地震速度已知,就能够估算水合物饱和度。另外,还可以将孔隙度和地震速度联系起来,这样只根据地震速度就能够计颗粒接触式胶结 颗粒包层支撑基质或颗粒 孔隙充填基质和包容物 裂缝充填2km/%0 km/%0 10203040506070809010^含水合物沉积层实际测得的地震速度与模拟地震速度对比。图中绘出了纵波( 度( 上 )与根据左图模型计算出的速度,其中 色三角)。实际测得的速度和基于第三种模型 水合物看成是颗粒基质的一种组分)计算出的速度拟合程度最高。横波( 度( 下 )与基于 根据 考文献 14)。14. , 和 :“ 2010年。, , 和 :“ 3卷,第 1期( 2004年 1月): 60L, , D, G, E, P:“ 108卷,第 2003^含水合物的沉积层微结构模型。前五种模型(共 6种)采用一级近似,天然气水合物(蓝色)均匀分布在沉积颗粒中(黄褐色)。水合物可能是岩石颗粒间的胶结物( 左上 ),可能是颗粒上的包层( 右上 ),可能是颗粒基质的一种组分( 中左 ),也可能是孔隙填充物( 中右 )。第五种模型把沉积颗粒看成是水合物基质中的包容物( 左下 )。第六种模型( 右下 )把水合物描述为细颗粒低渗透率沉积物中的结核或裂缝填充物。上述模型用来模拟含水合物的沉积物在测井和地震测量方面的响应。(根据 考文献 14)。年): 25085. 关于所采用的反演类型,请参见: , , 和 :“ A 19卷,第 11期( 2000年 11月): 1230于地震反演更多的信息,请参见: , , B, ,, , , , , , , , , , , , 和 :“地震反演技术及其应用”,《油田新技术》, 20卷,第 1期( 2008年春季刊): 426. 考文献 13。232010 年春季刊算出水合物饱和度。通常针对声阻抗进行地震资料反演得到地震速度,声阻抗是密度和速度的乘积。但是,在天然气水合物中,密度随饱和度变化不大,因此一级近似时可以忽略密度的影响。这样就可以只根据声阻抗估算饱和度。为支持联合行业项目的工作,西方奇科的地球物理师进行了高分辨率、全波形叠前反演,并结合常规线性叠前反演结果,在根据地震勘探数据建立的三维数据体中估算出 5]。这些阻抗值反过来又被转换成饱和度数据体 (右图) 。通过钻前天然气水合物饱和度估算,在有水合自然伽马钻台以下深度(英尺)1,3401,3601,3801,4001,4201,4401,4601,480 100n = 100水合物饱和度, %040井 地层 B^根据地震反演结果估算的 和度变化范围是 0- 40%(从绿色到红色)。地层 A( 左 )在地层层序上位于地层 B( 右 )上面。 ,在更深点处与地层 中白色圆点是一口油气工业井,与天然气水合物研究无关。天然气水合物稳定带的底部标注为 根据考文献 14)。^左 )。高电阻率(第 3道)清楚显示出在这一段 100英尺厚的砂岩中含有天然气水合物(粉色阴影)。埋藏更深、较薄的砂岩中也含有水合物。井径记录(第 1道)表明在不含水合物的地层(蓝色阴影)存在冲刷情况。冲刷可能导致密度测量结果差(第 4道)。估计天然气水合物饱和度(第 5道)范围在 50%至 85%以上,具体与阿尔奇定律所采用的饱和度指数 阿尔奇定律建立了电阻率与孔隙度和饱和度之间的关系。作业人员在 器( 右 )。(照片由联合行业项目二期科学组提供)。24油田新技术然气水合物出现在多层储层砂岩中,且在地质分布范围内全部为饱和状态。第一、二期墨西哥湾联合行业项目是首批钻井项目,已在钻前对天然气水合物饱和度进行了估计,随后通过钻井进行测试。钻井结果良好,使得联合行业项目团队对相关地质、物探概念以及所应用的技术增强了信心(左图)[17]。评价天然气水合物钻井风险 -在天然气水合物聚集层钻井要求考虑井眼稳定性方面的几个问题。钻井过程中必须避免因应力产生的机械故障,以及水合物分解和浅层水或自由气流动引起的冲蚀和流体流入井眼的问题。为支持联合行业项目 2009年度的探险活动,斯伦贝谢地质力学专家对建议的钻井位置进行了评价,并在孔隙压力过高可能带来钻井风险的位置做了标记。他们还制定了预测钻遇含天然气水合物沉积层的井眼稳定性和相稳定性的方法。这些方法涉及到建立起含水合物沉积层的力学属性与测井和地震资料之间的相关性并进行校正的问题[18]。联合行业项目组采用数值模拟程序模拟了随钻井眼温度,并估算了钻井液喷出钻头喷嘴对地层造成的冲击能量。根据分析结果,联合行业项目小组对井眼发生机械故障、天然气水合物分解和沉积物遭水力冲蚀的潜在可能性进行了评价。制定了钻头选择和双程时间,80 9,370 9,360 9,350 9,340 9,330 9,320 9,310 9,3003,3603,3803,4003,4203,4403,4603,4803,5003,5203,5403,5603,5803,600水合物饱和度, %040008,8009,0009,2009,400纵测线数H 井自然伽马电阻率声波慢度钻头水眼总流量面积,英寸2泵速,加仑/ 表给出了每平方英寸的钻头水马力( 它是有关钻头水眼总流量面积和泥浆循环速度(泵速)的函数。表中浅黄底色部分的数据表示为使井眼冲蚀程度减小到最小并优化钻头机械性能,将钻头水马力 - 关循环速度的其他设计标准是为了确保在钻井过程中不发生天然气水合物分解。^天然气水合物带估算的饱和度和测井记录。通过地震反演预测出在 内天然气水合物饱和度较高(红色)。根据高电阻率值(黄色曲线)和声波慢度(绿色曲线)可推断出天然气水合物含量较高。而自然伽马读数(蓝色曲线)减小表明地层岩性为砂岩。(根据 考文献 14)。17. :“ in 41330417”,为美国能源部准备的报告, 2009年 10月, ( 2010年 2月 10日浏览)。18. , 和 :“ n 第六届天然气水合物国际会议文集 ,加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华, 2008年 7月 69. 斯伦贝谢提供了几项随钻测井服务,包括饱和度最高的储层。2009年 4月,联合行业项目在口井,并进行了测井。其中 4口井钻遇砂岩储层,天然气水合物饱和度超过 50%,甚至可能高达 85%[16]。在一口井钻遇近100英尺( 30米)厚的含天然气水合物砂岩 (前一页,下图) 。科学家证实在 春季刊泥浆循环措施优化的设计标准 (前一页,下表) 。在 2009年的开发活动期间,在联合行业项目井中使用了几种 括使用实验性多极声波仪器估算富含水合物的未固结沉积层的横波速度[19]。通过实时传送 断钻井情况。这样可以在整个活动过程中优化钻井措施。井眼稳定性模型和井下温度模型预测的结果和观测数据一致,增强了对模拟及对比方法的信心 (下图) 。钻井作业的成功证实,通过正确的规划和周密的工程设计,可以安全地对天然气水合物地层进行钻井。东部震资料显示这里存在广泛的拟海底反射层( (下一页,上图) 。 1999年,由日本政府资助的项目在东部 集了大量天然气水合物样品[20]。几年后,在 2001年,日本政府启动了一项将历时 18年的勘探项目,旨在评价天然气水合物的分布、估算储量、开发甲烷水合物气田[21]。作为该项目的一部分,进行了二维和三维地震勘探,并穿过拟海底反射层在水深 722- 2033米( 2370- 6670英尺)的海域钻了 32口井。水合物稳定带的底部在海底以下 177- 345米深度,008,0008,5007,500 50度–10 50度膨胀角摩擦角无侧限抗压强度静态杨氏模量0 5000855区块
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