周守為陳 偉李清平

(1.中國(guó)海洋石油總公司; 2.中海油研究總院)

深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化綠色開(kāi)采技術(shù)*

周守為1陳 偉2李清平2

(1.中國(guó)海洋石油總公司; 2.中海油研究總院)

天然氣水合物主要分布在極地和深水陸坡區(qū),約95%儲(chǔ)存在深水區(qū),目前凍土和海域試采目標(biāo)區(qū)為成巖天然氣水合物礦體并多伴有下覆游離氣,可采用降壓、注熱、注劑和CO2置換等方法進(jìn)行開(kāi)發(fā);儲(chǔ)存在深水淺層的細(xì)粒裂隙型、分散型天然氣水合物雖總量大,但因其埋深淺、非成巖、膠結(jié)性差,開(kāi)采方法尚屬空白。根據(jù)世界其他海域和我國(guó)海域天然氣水合物取樣進(jìn)展,首次提出了深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化綠色開(kāi)采技術(shù),即將深水淺層不可控的非成巖天然氣水合物藏通過(guò)海底采掘、密閉流化、氣液固多相舉升系統(tǒng)變?yōu)榭煽氐奶烊粴馑衔镔Y源,從而保證生產(chǎn)安全,減少淺層水合物分解可能帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),達(dá)到綠色可控開(kāi)采的目的。文中重點(diǎn)論述了該技術(shù)提出的背景、技術(shù)原理、數(shù)學(xué)分析方法及主要技術(shù)核心等,以期為深水淺層天然氣水合物開(kāi)采提供借鑒。

深水淺層;天然氣水合物;固態(tài)流化開(kāi)采;技術(shù)原理;數(shù)學(xué)分析方法

天然氣水合物又稱(chēng)“可燃冰”,是一種高密度、高熱值的非常規(guī)能源,主要分布在北極凍土帶及印度洋、太平洋、北冰洋、大西洋等深水陸坡區(qū)(水深大于300m海床下0～1 100m)[1],約95%儲(chǔ)存在深海區(qū)域。據(jù)估計(jì)[1],全球天然氣水合物的資源總量換算成甲烷為(1.8～2.1)×1016m3,相當(dāng)于全世界已知煤炭、石油和天然氣等能源總儲(chǔ)量的2倍。因此,天然氣水合物特別是海洋天然氣水合物有可能成為頁(yè)巖氣、煤層氣之后又一儲(chǔ)量巨大的接替能源,深水將成為未來(lái)天然氣水合物資源開(kāi)發(fā)的主要區(qū)域。同時(shí),深水淺層水合物帶來(lái)的工程地質(zhì)災(zāi)害和溫室效應(yīng)也已經(jīng)引起各沿海國(guó)家的高度重視。

目前,全世界已獲取水合物巖心的區(qū)域有32個(gè),其中海洋區(qū)域有24個(gè)[1](圖1)。自然界天然氣水合物的賦存儲(chǔ)層有砂巖型、砂巖裂隙型、細(xì)粒裂隙型和分散型(圖2)。從取樣情況看,已發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物通常存在于水深300～3 000m的海底,主要附存于陸坡、島嶼和盆地的表層沉積物或沉積巖中,也有部分散布于海底或湖底以水合物砂粒狀出現(xiàn)[2]。2002—2007年、2012年及2013年,加拿大、美國(guó)、日本等分別采用降壓、注熱、CO2置換等方法對(duì)極地砂巖和海域砂巖儲(chǔ)層天然氣水合物進(jìn)行了短期試采技術(shù)示范驗(yàn)證,其安全性有待深入研究,并且單井測(cè)試產(chǎn)量距離商業(yè)開(kāi)采門(mén)限還有很大距離。

圖1 世界天然氣水合物資源勘查概況

圖2 天然氣水合物資源分布

因此,對(duì)于儲(chǔ)存在海底表層幾米到200m之內(nèi)深水淺層、弱膠結(jié)的天然氣水合物的開(kāi)發(fā)則需要考慮一種全新的開(kāi)采模式。筆者根據(jù)世界海域水合物取樣和我國(guó)海域水合物取樣情況,首次提出了深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化開(kāi)采技術(shù),即將深水淺層不可控的非成巖天然氣水合物藏通過(guò)海底采掘、密閉流化舉升系統(tǒng)變?yōu)榭煽氐奶烊粴馑衔镔Y源,從而保證生產(chǎn)安全,減少淺層水合物分解可能帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),達(dá)到綠色可控開(kāi)采的目的。本文主要圍繞深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化開(kāi)采技術(shù)提出的背景、技術(shù)原理、數(shù)學(xué)分析方法及主要技術(shù)核心問(wèn)題等內(nèi)容展開(kāi)論述,以期為天然氣水合物開(kāi)采提供借鑒。

1 世界天然氣水合物試采技術(shù)工程

1.1 試采項(xiàng)目概況

天然氣水合物巨大的資源潛力以及對(duì)環(huán)境的潛在影響吸引著世界各國(guó)勘查、試驗(yàn)開(kāi)采以及配套環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作的不斷深入,美國(guó)、加拿大、德國(guó)、挪威以及我國(guó)周邊的日本、印度、韓國(guó)、越南等國(guó)家紛紛制定了天然氣水合物長(zhǎng)期研究計(jì)劃,“一陸三?！备窬殖醪叫纬??！耙魂憽笔侵敢员睒O凍土帶的加拿大馬更歇、美國(guó)阿拉斯加、俄羅斯西西伯利亞為主,“三?！卑鞲鐬?、印度沿海、南中國(guó)海和日本海。

目前基于傳統(tǒng)的注熱、降壓、注劑等開(kāi)采方法正在逐步開(kāi)展系統(tǒng)的室內(nèi)模擬,并建立了針對(duì)天然氣水合物藏開(kāi)發(fā)的多相滲流數(shù)值模擬系統(tǒng)。與此同時(shí),加拿大馬更歇永久凍土、阿拉斯加永久凍土、墨西哥灣海域、新西蘭海域等4個(gè)天然氣水合物勘探試采的工業(yè)聯(lián)合項(xiàng)目吸引了諸多國(guó)家和研究機(jī)構(gòu)參與。加拿大馬更歇永久凍土已于2002年、2007—2008年實(shí)施了降壓、注熱等天然氣水合物試采方法驗(yàn)證[2],美國(guó)于2012年在阿拉斯加永久凍土成功實(shí)施了降壓和CO2置換開(kāi)發(fā)天然氣水合物試采技術(shù)驗(yàn)證,墨西哥灣已經(jīng)實(shí)施了勘探和取樣以及試采方案的制定,日本也于2013年實(shí)施了海域試開(kāi)采技術(shù)驗(yàn)證工程。表1為目前世界各國(guó)天然氣水合物試采項(xiàng)目概況。

表1 目前世界各國(guó)天然氣水合物試采項(xiàng)目概況[2]

1.2 天然氣水合物試采面臨的挑戰(zhàn)

雖然天然氣水合物凍土和海域的短期試采已實(shí)施,但天然氣水合物開(kāi)發(fā)或無(wú)序分解潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)還未解決。

1)安全問(wèn)題。盡管美國(guó)、加拿大、日本在北極凍土區(qū)域和日本近海進(jìn)行了短期的天然氣水合物藏試采技術(shù)測(cè)試,但制約天然氣水合物開(kāi)發(fā)的技術(shù)瓶頸“環(huán)境安全和高效開(kāi)發(fā)”還沒(méi)有真正解決。在環(huán)境安全方面,大多數(shù)已證實(shí)的天然氣水合物礦體沒(méi)有像常規(guī)油氣一樣封閉的儲(chǔ)蓋層,即使在北極試采區(qū)天然氣水合物藏雖以砂巖的形式賦存,其最堅(jiān)實(shí)的蓋層仍是600多m的永久凍土層;同時(shí)目前有限的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)間(最長(zhǎng)2個(gè)月)并沒(méi)有很好地解決安全問(wèn)題,包括環(huán)境安全、裝備安全、生產(chǎn)安全的風(fēng)險(xiǎn),一旦長(zhǎng)期開(kāi)發(fā),可能引發(fā)的地質(zhì)塌陷、生產(chǎn)安全等正在評(píng)估和繼續(xù)研究中。

2)潛在工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。目前已經(jīng)實(shí)施的天然氣水合物試采工程均在致密、成巖儲(chǔ)層內(nèi)進(jìn)行,試采時(shí)間短,回避了長(zhǎng)期開(kāi)采以及深水非成巖天然氣水合物開(kāi)發(fā)面臨的潛在工程地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

3)商業(yè)開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。天然氣水合物短期生產(chǎn)測(cè)試證明了有關(guān)天然氣水合物開(kāi)采技術(shù)的可行性,同時(shí)試采區(qū)多為有下覆游離氣的水合物礦藏,短期測(cè)試獲得日產(chǎn)約為2萬(wàn)m3,距離當(dāng)前天然氣商業(yè)開(kāi)發(fā)的門(mén)限還有很大距離。

4)技術(shù)挑戰(zhàn)。天然氣水合物分解過(guò)程中將產(chǎn)生大量的水,面臨地層出砂風(fēng)險(xiǎn)以及地層和井筒內(nèi)水合物二次生成、砂堵等問(wèn)題,加拿大、日本海域試采過(guò)程中均遇到砂堵、水合物二次生成問(wèn)題,同時(shí)水合物開(kāi)采過(guò)程安全監(jiān)測(cè)也是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

2 深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化開(kāi)采技術(shù)

2.1 研究背景

我國(guó)在南海北部陸坡東沙、神狐、西沙、瓊東南等4個(gè)海區(qū)開(kāi)展了天然氣水合物資源調(diào)查,初步圈定11個(gè)遠(yuǎn)景資源區(qū),資源量約680億噸油當(dāng)量[3]。分別于2007、2013年在我國(guó)海域進(jìn)行了天然氣水合物取樣(表2),目前成為世界上第5個(gè)獲取海域天然氣水合物樣品的國(guó)家,初步證實(shí)我國(guó)海域具有廣闊的天然氣水合物資源前景。然而,對(duì)于海域天然氣水合物試采而言,我國(guó)目前所發(fā)現(xiàn)的天然氣水合物區(qū)域試采難度大,主要表現(xiàn)為:

1)埋深淺。2007年我國(guó)3口井獲取天然氣水合物樣品點(diǎn)埋深在199～299m;2013年我國(guó)海域13口井獲取天然氣水合物取樣點(diǎn)埋深在13～199m。

2)弱膠結(jié)。目前世界范圍內(nèi)海域天然氣水合物有約80%儲(chǔ)存在深水淺層未膠結(jié)的泥巖中,我國(guó)2次多口井取樣的樣品即呈現(xiàn)出這類(lèi)性質(zhì),一旦降壓分解,整個(gè)樣品的骨骼結(jié)構(gòu)幾乎完全破壞。

3)非成巖水合物開(kāi)采技術(shù)還是空白。目前為止,在我國(guó)海域所取得的天然氣水合物樣品均為非成巖天然氣水合物,全球成功獲取的天然氣水合物絕大多數(shù)也是非成巖天然氣水合物。深水非成巖天然氣水合物具有儲(chǔ)量大、弱膠結(jié)、穩(wěn)定性差的特點(diǎn),一旦所在區(qū)域的溫度、壓力條件發(fā)生變化,就可能導(dǎo)致海底非成巖天然氣水合物的大量分解、氣化和自由釋放,存在潛在的風(fēng)險(xiǎn),主要表現(xiàn)在:①海底淺層非成巖弱膠結(jié)水合物無(wú)序分解,可能帶來(lái)潛在的海底滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,即使是膠結(jié)性較好的成巖水合物,由于水合物藏沒(méi)有明顯的構(gòu)造邊界和嚴(yán)密的蓋層,隨著水合物規(guī)模開(kāi)發(fā),地層結(jié)構(gòu)將開(kāi)始變得疏散,可能導(dǎo)致海底地層不穩(wěn)定;②非成巖水合物主要分解為天然氣和水,而大量天然氣進(jìn)入大氣層會(huì)造成溫室效應(yīng),對(duì)大氣環(huán)境造成損害;③由于天然氣水合物的分解,導(dǎo)致大量天然氣無(wú)序釋放,大量氣體的自由膨脹上升對(duì)海面上船只和空中飛行器均可能造成災(zāi)難。

表2 2007、2013年我國(guó)海域天然氣水合物取樣概況

2.2 綠色開(kāi)采技術(shù)原理

深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化綠色開(kāi)采概念核心為:將深水淺層弱膠結(jié)的天然氣水合物藏當(dāng)作一種海底礦藏資源,利用其在海底溫度和壓力下的穩(wěn)定性,采用固態(tài)開(kāi)采方法,即采用采掘設(shè)備以固態(tài)形式開(kāi)發(fā)天然氣水合物礦體,將含天然氣水合物的沉積物粉碎成細(xì)小顆粒后,再與海水混合、采用封閉管道輸送至海洋平臺(tái),然后將其在海上平臺(tái)進(jìn)行后期處理和加工。圖3為天然氣水合物固態(tài)流化綠色開(kāi)采原理圖。由于整個(gè)采掘過(guò)程是在海底天然氣水合物礦區(qū)進(jìn)行,未改變天然氣水合物存在的溫度、壓力條件,類(lèi)似于構(gòu)建了一個(gè)由海底管道、泵送系統(tǒng)組成的人工封閉區(qū)域,起到常規(guī)油氣藏蓋層的封閉作用,使海底淺層無(wú)圈閉構(gòu)造的天然氣水合物礦體變成了封閉體系內(nèi)分解可控的人工封閉礦體,從而保證開(kāi)采過(guò)程中海底天然氣水合物不會(huì)大量分解,實(shí)現(xiàn)了原位固態(tài)開(kāi)發(fā),避免天然氣水合物分解可能帶來(lái)工程地質(zhì)災(zāi)害和溫室效應(yīng);同時(shí),該方法利用了天然氣水合物在傳輸過(guò)程中溫度、壓力的自然變化,實(shí)現(xiàn)了在密閉輸送管線范圍內(nèi)可控有序分解[4-5]。

圖3 深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化綠色開(kāi)采原理圖

深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化綠色開(kāi)采工藝基本組成包括海底機(jī)械采掘、水合物沉積物粉碎細(xì)化、海水引射與漿液舉升、上升過(guò)程中流化開(kāi)采、上部分離及液化、沉積物回填以及動(dòng)力等供應(yīng)單元(圖4),其核心有:

圖4 深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化開(kāi)采工藝流程圖

1)海底原位固態(tài)開(kāi)采。雖然在采掘過(guò)程中機(jī)械作業(yè)可能引起局部溫度變化,但相對(duì)海底穩(wěn)定的溫度場(chǎng)而言,其影響微乎其微,因此采掘過(guò)程中可以保持一定的溫度和壓力條件,確保海底天然氣水合物礦體基本不分解。

2)就地利用海水實(shí)現(xiàn)密閉輸送。在密閉條件下進(jìn)行海水引射,將采掘出的天然氣水合物進(jìn)行粉碎細(xì)化后形成氣液固混合物流,利用海底舉升系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)密閉輸送。

3)海底游離砂分離系統(tǒng)。可根據(jù)天然氣水合物沉積物中砂含量和密度,在海水與沉積物混合后,泵送前端采用水下旋流砂分離技術(shù),將部分砂分離出來(lái),在降低海底舉升系統(tǒng)功耗的同時(shí),提高了有效輸送效率,增加舉升過(guò)程中水合物的自然分解量。

4)密閉輸送管道內(nèi)天然氣水合物可控分解。利用海底管道輸送過(guò)程中的壓力溫度變化實(shí)現(xiàn)部分天然氣水合物自然分解,將深水淺層不可控的非成巖天然氣水合物藏通過(guò)采掘密閉流化舉升系統(tǒng)變?yōu)榭煽氐奶烊粴馑衔镔Y源,整個(gè)管道和輸送系統(tǒng)相當(dāng)于常規(guī)油氣藏的圈閉,從而保證生產(chǎn)安全,達(dá)到綠色可控開(kāi)采的目的,避免潛在危害;其實(shí)質(zhì)是將海底非成巖不可控的天然氣水合物藏轉(zhuǎn)變?yōu)槊荛]管道內(nèi)可控制的天然氣水合物藏,密閉管道系統(tǒng)就相當(dāng)于常規(guī)油氣藏的致密蓋層。

5)輸送系統(tǒng)內(nèi)原位分解和自氣舉。利用立管高度變化和外界海水溫度變化,部分天然氣水合物自然分解產(chǎn)生的氣體和水,特別是水合物分解后將使氣體壓力增壓,混合物密度降低,可實(shí)現(xiàn)部分水合物漿液自氣舉。

6)水中泵送系統(tǒng)。如果海水很深,泥沙含量大,可根據(jù)實(shí)際舉升壓力核算后,考慮在距海平面一定位置(如400～500m深度)增設(shè)水中泵送系統(tǒng),保證天然氣水合物漿液穩(wěn)定輸送到水面處理設(shè)施。

7)化學(xué)法穩(wěn)定系統(tǒng)?？紤]到天然氣水合物到海平面的壓力變化較大,容易出現(xiàn)大量氣化,須添加甲烷穩(wěn)定劑,添加了穩(wěn)定劑的混合漿液泵送至海洋平臺(tái),然后通過(guò)簡(jiǎn)單工藝處理完成甲烷提取。

8)礦砂就地回填,保持海底原貌。分離后礦砂就地回填,保持海底原貌,避免次生地質(zhì)災(zāi)害。

9)避免原生災(zāi)害。深水非成巖天然氣水合物資源開(kāi)發(fā)后,從根本上避免了各種環(huán)境變化等問(wèn)題引起的水合物分解帶來(lái)的地質(zhì)和環(huán)境災(zāi)害。

10)自然壓井。應(yīng)急情況下可切斷動(dòng)力源,利用密閉輸送系統(tǒng)內(nèi)泥沙重力沉降實(shí)現(xiàn)自然壓“井”。

2.3 數(shù)學(xué)分析方法

深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化開(kāi)采過(guò)程涉及到固體顆粒破碎、固體-海水混合、水合物顆粒-海水-氣體混合輸送過(guò)程,其中最為關(guān)鍵的控制因素是沉積物中天然氣水合物分解規(guī)律以及海底舉升過(guò)程中天然氣水合物由于壓力變化、不斷分解而產(chǎn)生的非平衡多相流體舉升過(guò)程。

1)天然氣水合物分解過(guò)程的數(shù)學(xué)模型?？紤]采用氣相、液相、水合物相控制方程和能量守恒,同時(shí)考慮冰的生成,輔助方程包括:水合物生成分解及動(dòng)力學(xué)方程、相對(duì)滲透率和絕對(duì)滲透率方程,以及考慮化學(xué)藥劑、離子對(duì)水合物相平衡的影響。典型的數(shù)值模擬方程描述如下[6-8]。

氣相控制方程

液相控制方程

水合物相控制方程

式(1)～(3)中:ρg、ρw、ρi、ρh分別為氣相、水相、冰相、水合物的密度,g/cm3;μg、μw分別為氣相、水相的粘度,mPa·s;Kg、Kw分別為氣相、水相的有效滲透率,μm2;φ為水合物飽和度為0時(shí)的地層孔隙度,小數(shù);pg、pw分別為氣相、水相壓力,10-1MPa;qg、qw分別為氣相、水相的源匯項(xiàng),g/(cm3·s);Sw、Sg、Si、Sh分別為水相、氣相、冰相、水合物的飽和度,小數(shù);mw、mg、mh分別為水合物分解時(shí)釋放出的水、甲烷氣的質(zhì)量以及水合物分解量,g/(cm3·s);g為重力加速度,m/s2。

能量方程

式(4)中:Ct、Cw、Cg分別為綜合比熱及水、氣的比熱, J/(m·K);T為溫度,K;kt為導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K); ΔHh為每摩爾水合物分解時(shí)從地層吸收的熱量,J/mol;ΔHi為在臨界溫度下每摩爾水固化成冰時(shí)釋放的熱量,J/mol;qt、qtinj為源匯相,J;qe為體系與周?chē)橘|(zhì)的熱交換,J;其他符號(hào)含義同前。

水合物分解及形成動(dòng)力學(xué)模型,采用Kim-Bishnoi模型,即

式(5)中:f為當(dāng)?shù)貧怏w逸度;feq為水氣平衡時(shí)氣體逸度;kd為天然氣水合物分解反應(yīng)速率,mol/ (10-1MPa·cm2·s);As為天然氣水合物粒子反應(yīng)的比表面積,cm2。

絕對(duì)滲透率模型,采用冪率模型估計(jì)當(dāng)?shù)氐慕^對(duì)滲透率,即

式(6)中:K為當(dāng)?shù)亟^對(duì)滲透率,μm2;φ0為地層無(wú)水合物時(shí)的孔隙度;K0為水合物完全分解后的絕對(duì)滲透率,即與φ0對(duì)應(yīng)的滲透率,μm2;φe為有效孔隙度,小數(shù);β為滲透率下降指數(shù)。

相對(duì)滲透率模型,采用修改的Brooks-Corey模型來(lái)描述相對(duì)滲透率規(guī)律,即

式(7)～(9)中:Krg、Krw分別為氣體和水的相對(duì)滲透率分別為氣、水兩相相對(duì)滲透率端點(diǎn)值;為氣相、水相的有效飽和度,小數(shù);ng、nw、nc分別為氣體、水和孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)指數(shù);pce為毛細(xì)管力, MPa;pc為沉積物壓力,MPa。

由于水合物的特殊性,對(duì)飽和度進(jìn)行了修正,采用有效流動(dòng)空間上的有效飽和度定義方法,即

式(10)～(13)中:Sgr、Swr分別為殘余氣和殘余水的有效飽和度,小數(shù);其他符號(hào)含義同前。

這樣可以獲得一定分解驅(qū)動(dòng)壓力情況下,海底以及管道上升過(guò)程中水合物分解后的氣體、液體量(圖5、6),為管道輸送提供計(jì)算分析的依據(jù)。

圖5 一定壓差條件下水合物分解得到的氣量模擬計(jì)算結(jié)果

圖6 一定壓差條件下水合物分解得到的水量模擬計(jì)算結(jié)果

2)海底舉升管道內(nèi)水合物顆粒漿液輸送系統(tǒng)數(shù)值分析方法。其中,漿液輸送可以多相常規(guī)管流模型為基礎(chǔ),重點(diǎn)考慮水合物相平衡條件以及分解動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

由于水合物由海底沿管流向上運(yùn)移過(guò)程中其溫度升高、壓力減小,水合物不斷分解,相態(tài)不斷轉(zhuǎn)化,所以需要建立涉及非平衡水合物相態(tài)的多相管流動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及求解方法。其中,漿液輸送可以采用常規(guī)管流模型,重點(diǎn)需要考慮水合物相平衡條件以及分解動(dòng)力學(xué)過(guò)程。水合物及水的相平衡可以通過(guò)式(14)、(15)進(jìn)行計(jì)算,并結(jié)合試驗(yàn)情況進(jìn)行修正。

當(dāng)T＜273.15K時(shí)

當(dāng)T≥273.15K時(shí)

式(14)、(15)中:pe為平衡壓力,MPa;T為溫度,K。

由于管道輸送過(guò)程比較復(fù)雜,需要根據(jù)試驗(yàn)和理論研究的不斷深入,對(duì)現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型和理論分析方法進(jìn)行修正,從而得到更能反映其復(fù)雜、多相、含相變的非平衡動(dòng)力學(xué)舉升過(guò)程。

2.4 主要技術(shù)核心問(wèn)題

深水淺層天然氣水合物固態(tài)流化開(kāi)采技術(shù)是一項(xiàng)涉及多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)交叉的前沿技術(shù)方向,海底水合物沉積物采掘、碎細(xì)化、舉升過(guò)程均有許多需要解決和深入研究的技術(shù)和裝備難題,主要技術(shù)核心問(wèn)題如下:

1)水合物藏采掘和環(huán)保安全防護(hù)裝備研制。在采掘過(guò)程中涉及水合物藏由單相固態(tài)到氣液固復(fù)雜多相管道流態(tài)的轉(zhuǎn)化問(wèn)題以及作業(yè)面穩(wěn)定性的安全控制問(wèn)題,這在以往國(guó)內(nèi)外研究報(bào)告中鮮有提及。因此,與上述問(wèn)題相對(duì)應(yīng)的深水海底采掘裝備設(shè)計(jì),復(fù)雜多相流管道輸送的處理泵送裝置設(shè)計(jì),海底水合物采掘過(guò)程中環(huán)保安全防護(hù)裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì),都是全新的課題。

2)海水水合物混合顆粒氣液固多相非平衡分解過(guò)程控制。現(xiàn)在,國(guó)內(nèi)外雖然有相態(tài)基礎(chǔ)理論研究相關(guān)成果,但還未涉及固態(tài)流化開(kāi)采過(guò)程中海水水合物混合顆粒高速輸送開(kāi)采條件下的氣液固非平衡相態(tài)變化機(jī)理和數(shù)學(xué)模型。因此,需要建立描述水合物非平衡相變的理論模型,探索水合物非平衡分解的條件及機(jī)制,進(jìn)行水合物非平衡分解實(shí)驗(yàn)的測(cè)試、驗(yàn)證和完善理論模型。

3)水合物藏固態(tài)采掘水下輸送氣液固多相非平衡管流舉升系統(tǒng)建立。由于該類(lèi)水合物的開(kāi)采是使水合物由裸露固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣艿乐械臍庖汗?天然氣、水合物顆粒、泥沙、海水)的復(fù)雜流動(dòng),因此,該流動(dòng)涉及的輸送流程復(fù)雜、關(guān)鍵環(huán)節(jié)與設(shè)備(初次破碎、二次碾壓、人工舉升、平臺(tái)分離等)較多,常規(guī)水合物數(shù)學(xué)模型不能用于該思路條件下水合物由海底沿管流向上運(yùn)移過(guò)程中其溫度升高、壓力減小,水合物不斷分解,相態(tài)不斷轉(zhuǎn)化的預(yù)測(cè),所以需要建立涉及非平衡水合物相態(tài)的多相管流動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及求解方法。

3 結(jié)論

1)天然氣水合物是一種儲(chǔ)備性資源,尋找安全、高效、經(jīng)濟(jì)的開(kāi)采方式是當(dāng)前和今后一段時(shí)間內(nèi)世界科技前沿創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)重點(diǎn),圍繞北極和海域的試采項(xiàng)目仍屬于試采技術(shù)驗(yàn)證范疇,離生產(chǎn)測(cè)試、商業(yè)開(kāi)發(fā)需求還有一定距離。

2)目前世界極地和海域所進(jìn)行的試采對(duì)象均是在成砂及多有下覆游離氣的水合物藏中進(jìn)行,試采方法基本是常規(guī)油氣田的采氣方法,通過(guò)注熱、降壓、CO2置換等方法最終將水合物在儲(chǔ)層內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊粴?再像常規(guī)采氣一樣輸送到水面,因此沒(méi)有從根本上解決安全風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題,也不適用于深水淺層水合物藏。

3)海洋天然氣水合物藏固態(tài)流化開(kāi)采技術(shù)是將水合物采掘、密閉漿液輸送到水面設(shè)施進(jìn)行氣體回收,這是一種全新的開(kāi)發(fā)思路,具有污染小、次生災(zāi)害小、不破壞下部孔隙性?xún)?chǔ)層水合物等核心優(yōu)勢(shì),是一種潛在的天然氣水合物開(kāi)發(fā)手段和方法。

4)海洋天然氣水合物藏固態(tài)流化開(kāi)采技術(shù)主要核心問(wèn)題為水合物藏采掘和環(huán)保安全防護(hù)裝備研制、海水水合物混合顆粒氣液固多相非平衡分解過(guò)程控制和水合物藏固態(tài)采掘水下輸送氣液固多相非平衡管流舉升系統(tǒng)建立。

5)海底淺層水合物固態(tài)流化開(kāi)采裝置研制是前人尚未涉足的領(lǐng)域,雖然目前已經(jīng)有水下井口采油樹(shù)、水下管匯等裝備,但還沒(méi)有成熟的深水水下采掘裝備及工業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),也沒(méi)有多相流化的傳送裝備和管道系統(tǒng),因此需要進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的探索與實(shí)踐,才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

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The greensolid fluidization developmentprinciple of natural gas hydratestored inshallow layers of deep water

Zhou Shouwei1Chen Wei2Li Qingping2
(1.CNOOC,Beijing,100010; 2.CNOOC Research Institute,Beijing,100027)

Natural gas hydrate ismainly distributed in thepolar andslopes of in deepwater,nearly 95% isstored in the deep water.The natural gas hydrate exploration test target zone inpermafrost andsea areas ismore like ore body and with free gas,which can be developed by depressurization, heat or chemical injection etc.However,most of natural gas hydratesstored inmud-sand layers under theseabedsediments with dispersible hydrate is looser andpoor cementation,nomethod has been found to develop it atpresent.The authorspresentedsolid fluidization developmentprinciple of natural gas hydrate reservoir inshallow layers of deep water for the first time.Combining with the geologicalsituation ofmarine gas hydrates drillingsampling in our country and abroad,focusing on the core idea of fluidizationmining,the technicalprinciple is to change uncontrollable natural gas hydrate inshallow layers of deep water byseabed closed fluidization liftingsystem into a controllable gas hydrate resources,so as to ensuresafeproduction,achieve the goal of green controllable exploration.Thispapermainly discussed the background,technologicalprinciple,themethod ofmathematical analysis and themain core technology toprovide reference for development natural gas hydratestored inshallow layers of deep water.

shallow layer withpoor cementation in deep water;natural gas hydrate;solid fluidizationmining;technologicalprinciple;themethod ofmathematical analysis

2014-09-05

(編輯:崔護(hù)社 孫豐成)

*“十二五”國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“深水流動(dòng)安全及水合物風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)(編號(hào):2011ZX05026-004)”、中國(guó)工程院自然科學(xué)基金委重大戰(zhàn)略課題“深海天然氣水合物綠色鉆采戰(zhàn)略研究”部分研究成果。

周守為,男,中國(guó)工程院院士,教授級(jí)高級(jí)工程師,海洋石油開(kāi)發(fā)工程專(zhuān)家。