湯鳳林 ,蔣國盛 , К. Е. Басниев,, В. В. Кульчицкий,,吳 翔 ,寧伏龍 ,張 凌

0 引言

我國 2007年在南海北部發(fā)現了天然氣水合物,2009年 9月又在祁連山南緣青海省天峻縣永久凍土帶中打出了天然氣水合物。消息傳來,令人振奮,深受鼓舞。無疑,這將對我國能源結構的調整和能源緊張的緩解起非常重要的作用。但是,天然氣水合物的開采及其安全問題是個大問題,是國際上專家們普遍關心的一個問題。本文介紹了俄羅斯提出的運用雙井筒大水平距定向對接智能井鉆井技術,利用核廢料產生的熱量開采天然氣水合物的一種新方法,這是一項發(fā)明專利技術,供同行們參考。

1 概述

我國人口眾多,資源有限,人均資源量緊張。隨著國民經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,供需矛盾將更加突出。根據有關單位資料,我國 2000年石油產量為 1.65億 t/年,需求量為 2億 t/年。到 2020年石油產量約為 1.85億 t/年,需求量為 4億 t/年,80%要靠進口。天然氣消耗量缺口也很大。2005年最大缺口為 70億 m3,2010年為 280億 m3,2015年為 600億 m3(最終儲量為 1000億 m3,最高需求量為 1600億 m3),需要大量進口。因此,為了保證國民經濟的持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的進一步提高,必須積極尋找新能源。

天然氣水合物 (又稱可燃冰)是一種儲量巨大、很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦吞娲茉?世界各國都在對其進行積極研究和開發(fā)。其特點有三:一是密度高,1個體積水合物可以釋放 164個體積的天然氣;二是儲量大,據目前一些專家的估計,全世界天然氣水合物的蘊藏量約為 5×1018m3,相當于目前世界年能源消耗量的 200倍,根據日本資源能源廳的調查,日本南部海溝 42000 km2范圍內天然氣水合物的蘊藏量即為日本年天然氣消耗量的 1400倍;三是分布廣,通常分布于三類地區(qū),一是大陸架斜坡帶、洋中脊、海溝和海嶺的海底沉積物中,約占全球天然氣水合物總量的 90%,二是陸地凍土帶中,三是高寒地區(qū)的油氣管道中,天然氣水合物會阻塞管道而影響油氣輸送。

天然氣水合物形成的條件為:(1)烴類氣體連續(xù)補給和水的供應充足,與氣體成分、水的相態(tài)和成分、溫度和壓力有關,見圖 1,資料表明,凍土地區(qū)天然氣水合物可在 100 m左右深度的淺層存在,最大可達 1800～2000 m,最常見的深度是 700～1000 m,在海水深度為 300～50000 m時,可在距海底 0～1000 m深處的海底沉積中存在;(2)天然氣水合物是在低溫 (0～10℃)高壓 (>10 MPa)條件下形成的,破壞了低溫高壓條件,水合物就會融化分解,形成天然氣;(3)有足夠的生長空間。

圖1 天然氣水合物壓力(深度)和溫度穩(wěn)定區(qū)間圖

2 國內外天然氣水合物研究現狀

美國、日本、加拿大、挪威、英國等都在對天然氣水合物進行研究。

蘇聯 1965年在西伯利亞麥索雅哈氣田首先發(fā)現了天然氣水合物礦藏,開始引起各國科學家的注意。1966年出版了第一本有關著作,對礦產開發(fā)提出了設想。1974年在黑海 1950 m深處發(fā)現了冰狀天然氣水合物晶體的樣品。20世紀 80年代以來,先后在里海、貝加爾湖、鄂霍茨克海等地區(qū)發(fā)現了天然氣水合物,并進行了資源預測和評估。2009年夏季,俄羅斯總理弗拉基米爾·普京潛入貝加爾湖水下 1000多米深處觀察天然氣水合物 (可燃冰)的實況。

我國中國工程院院士金慶煥多年進行天然氣水合物的研究。劉廣志院士非常關心天然氣水合物的勘探與開發(fā),在“關于我國逐步開展四大地球科學工程的建議”[1]中,把“建議勘探、開發(fā)我國永凍層—濱?！Ｌ烊粴馑衔锏膽?zhàn)略、技術方法、設備的研究工作”列為第三個地球科學工程課題。

經過多年的努力,我國于 2007年在南海北部發(fā)現了天然氣水合物,2009年 9月又在祁連山南緣永久凍土帶打出了天然氣水合物,并取上了樣品。這就證明中國在海底沉積和大陸凍土層中都找到了天然氣水合物,找到了新的能源,必將對我國的能源結構產生非常重要的影響,對于緩解我國的能源緊張狀況發(fā)揮巨大作用。

3 天然氣水合物的開采問題

天然氣水合物的開采是舉世關心的問題。劉廣志院士指出,直到 20世紀 40年代末,國內外科學界對天然氣水合物的化學成分、物理結構及其生成與賦存環(huán)境與條件等都知之不多?！鞍倌酱笾浴币恢蔽唇?。第二次世界大戰(zhàn)結束后,在佛羅里達、百慕大群島和波多黎各之間的百慕大三角區(qū)海域不知何故引起了天然氣水合物大量分解,造成了嚴重的海水氣化與海嘯,使過路的大型船只沉沒海底,5架軍用飛機吸入海內,數艘半潛式鉆井平臺、懸浮式鉆井船相繼傾覆。據說,疑與天然氣水合物有關。因此,天然氣水合物的安全開采問題,引起有關方面的極大關注。

此外,在天然氣水合物鉆井時,儲層井壁和井底附近地層應力釋放,地層壓力降低。鉆頭切削巖石、井底鉆具與井壁及巖心的摩擦產生大量的熱能,鉆井液也會和水合物地層發(fā)生熱交換,引起天然氣水合物分解。分解會使井壁坍塌和擴徑,造成鉆桿彎曲、測井儀器下入困難、測井數據失真等問題。逸出的氣體又影響了鉆井液的密度和流變性,還可能引發(fā)井噴和平臺傾覆等鉆井事故,嚴重時會引發(fā)環(huán)境災難。

可見,天然氣水合物鉆井及其安全問題非常重要,應該引起我們的高度重視。

俄羅斯是世界上第一個發(fā)現和開采天然氣水合物的國家。俄羅斯古勃金國立石油天然氣大學多年從事石油、天然氣和天然氣水合物的研究工作。20世紀 60年代,這個學校的專家們就在西伯利亞發(fā)現了麥索雅哈天然氣水合物礦藏。他們在鉆井和開采方面,取得多項發(fā)明專利,技術先進,經驗豐富,居世界領先地位。巴斯尼耶夫 (К. Е. Б а с н и е в)和庫利契茨基 (В. В. К у л ь ч и ц к и й)教授提出了運用雙筒大水平距定向對接智能井技術,利用放射性廢料 (核廢料)放出的熱量開采天然氣水合物的問題,一方面解決了天然氣水合物的開采問題,同時又可解決核廢料的地下處理問題,引起了各國同行專家的興趣。

3.1 天然氣水合物的開采原理

天然氣水合物的基本開采原理是,利用核廢料產生的熱量,使水合物升溫融化,形成天然氣氣體,然后把天然氣抽到地面上,供用戶使用。

3.2 天然氣水合物的開采過程

(1)向天然氣水合物地層打壓入井 (見 2);

(2)向天然氣水合物下面的地層壓入核廢料,向鉆井中間部分灌注水泥 (見圖 3);

(3)核廢料對儲氣層加熱,形成產氣儲層 (見圖4);

(4)打開采井并加長水平井段的長度 (見圖5);

(5)向壓入井注入蒸汽,增加儲層滲透性,在產氣儲層中形成天然氣 (見圖 6);

(6)將氣體抽出地面。

圖2 向天然氣水合物地層鉆壓入井

圖3 向水合物下方地層壓入液態(tài)核廢料、向鉆井中間部分灌注水泥

圖4 在核廢料作用下,儲層溫度升高,形成產氣儲層

圖5 打開采井并加長水平井段的長度

圖6 向壓入井注入蒸汽,增加儲層滲透性,在產氣儲層中形成天然氣

3.3 運用雙井筒大水平距定向對接智能井技術開采天然氣水合物

根據開采計劃,按照鉆井設計,利用智能系統(tǒng),打雙筒大水平距定向對接智能井 (見圖 7)。在第一個井筒 (右井)打出并下好井口管后,向下鉆進一個井段。根據水合物礦層情況,按照開采計劃和設備能力,確定水平距的距離,設計第二口井的位置。在打第二個井筒 (左井)時,利用鉆具組成,根據開發(fā)的軟件,應用導向系統(tǒng)和造斜器具、鉆頭,鉆成大水平距的智能對接井。

在雙井筒打成后,利用壓送核廢料用設備,通過壓入井向天然氣水合物礦層壓入液態(tài)核廢料,使礦層升溫,形成天然氣。然后,利用采取天然氣用設備,從開采井抽取天然氣 (見圖 8),供用戶使用。

圖7 利用導向系統(tǒng)和造斜系統(tǒng)鉆進雙井筒大水平距對接智能井

圖8 利用雙井筒大水平距對接智能井開采天然氣水合物

4 結語

天然氣水合物是一種新的能源,我國在海底和陸地上均找到了天然氣水合物。這對我國能源結構的調整和能源緊張的緩解將起非常重要的作用。但是,天然氣水合物的開采及其安全問題是個大問題,是國際上專家普遍關心的一個問題。對此,我們應該給予高度重視。不是找到了天然氣水合物,就可安全開采出來了,新能源問題就解決了。

使用傳統(tǒng)方法開采天然氣水合物,在理論上有4種方法:把天然氣水合物地層壓力降到平衡壓力以下;把天然氣水合物地層溫度提到平衡溫度以上;向該地層中注入使水合物分解的處理劑;施加有效的高頻場作用。

利用核廢料在地下將天然氣水合物融化,使其變成氣體,送到地面,就像開采常規(guī)天然氣一樣,是一種新的方法、新的思路,獲得了俄羅斯發(fā)明專利,解決了開采的安全問題。同時,也解決了世界難題——核廢料的處理問題,確是一舉兩得。

如果能把利用核廢料開采天然氣水合物同傳統(tǒng)的熱水、蒸汽開采結合起來,可能效果會更好一些。

但是,通過井眼把液態(tài)核廢料壓到水合物地層中,使其水合物地層加熱,這個問題本身也有一個安全問題,對此也應加以研究。

綜上所述,建議有關部門和單位對利用核廢料開采天然氣水合物及其有關問題進行研究,以便早日解決我國天然氣水合物的安全開采問題。

[1] 劉廣志.關于我國逐步開展四大地球科學工程的建議[J].探礦工程,2003,(S1).

[2] 蔣國盛,王達,湯鳳林,等.天然氣水合物的勘探與開發(fā) [M].武漢:中國地質大學出版社,2002.

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