中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司第五采气厂 陕西西安 710000
摘要：在我国进入21世纪的新时期，经济在快速发展，社会在不断进步，世界范围内大量的天然气水合物存在于海陆地区，尤其是海洋沉积物储集层中。由于天然气水合物的开发对天然气未来的能源发展具有重要意义，天然气水合物作为未来油气资源的吸引力正在迅速增加，其生产潜力显然需要技术和经济评价。在过去的十年中，天然气水合物的研究和开发得到了显著的加速。为了实现地质调查、勘探、生产和提高采收率等整个系统工程的认识与了解，从面临生产挑战问题方面的几个方面进行解析：包括保持高产量的商业天然气流量；井筒内低温低压作业；流量保证问题，包括井筒内的水合物和冻结；控制地层出砂进入井筒；并确保随着储层沉降和（或）沿井筒地质力学性能的变化，油井结构的完整性等。
关键词：天然气水合物；开采；系统工程；分析
引言
天然气水合物(简称水合物)是天然气(主要成分甲烷)和水在一定的高压和低温条件下形成的与冰类似的固体化合物.水合物沉积物广泛分布于陆地冻土环境与海洋、湖泊等深水地层环境.固态水合物与陆地冻土、海洋和一些内陆深湖底床的岩土介质混合而形成水合物沉积物,水合物沉积物赋存于沉积环境中形成含水合物地层.据估算,水合物的含碳量为全球已知化石燃料含碳量的2倍以上.我国在南海北部陆坡和祁连山冻土区分别取得了水合物沉积物样品,证实了我国水合物的开采潜力很大.因此,我国将水合物开采研究归入国家战略发展规划.
1天然气水合物的开采方法
天然气水合物开采的主要方法是通过改变水合物所处环境的温度、压力来打破水合物相平衡，从而分解得到天然气。主要通过以下４种原理进行：①降低水合物层的压力，使其达到相平衡压力以下，此时水合物会自动分解，从而得到气态的甲烷气体；②提高水合物的温度，使其达到相平衡温度以上，水合物获得足够分解的热量，从而分解得到甲烷气体；③加入化学试剂降低水合物的温度，同时提高水合物的压力，使水合物开始进行分解；④将天然气水合物收集后进行初步分离，之后将固态水合物提升到海平面，利用海水自身的温度对水合物进行分解并获得气体。目前天然气水合物的开采方法主要包括热激法、降压法、化学试剂法、ＣＯ２置换法、水力提升法５种方法。
2天然气水合物开采系统工程解析
2.1开发天然气水合物的担忧
自然生成的天然气水合物发现于1968年，当时，一个离解水合物层碰巧注入了西伯利亚西部生产的Messoyakha气田（Collett，1993）。在过去的一个世纪里，天然气水合物作为一种能源既没有带来太多的危害，也没有带来任何好处。目前，天然气水合物被认为既是未来能源的机遇，也是对环境的威胁。大约8200年前，水合物离解被认为是挪威近海Storegga滑坡的主要原因，在挪威和英国北部造成了毁灭性的洪水（Mienertetal.，2005）。这样或类似的事件显然不限于过去；自那时起，水合物离解引起的边坡失稳和井眼破坏一直是人们关注的问题（BriaudandChaouch，1999，NixonandGrozic，2007）。不受控制的天然气水合物离解也可能对全球气候变化产生影响（Archeretal.，2008）。鉴于甲烷的温室效应是二氧化碳的20到40倍，它的作用当然不能被忽视。天然气水合物的开发是“一朵带刺的玫瑰”。海洋天然气水合物及其伴生气体大量存在于陆坡海洋沉积物中。关注度的增加是由这些甲烷矿床的经济潜力所驱动的。无论天然气水合物本身是否具有商业利益，还是一种环境和工程危害。有效地测量、监测、控制手段实时观测海底天然气水合物发生都是必须的。天然气水合物对全球碳循环和气候变化、海底稳定与安全以及对生物食物链的影响不能忽略，必须为水合物系统沉积物调查、观察、测量和取样制定专门的方法。
2.2CO2置换法
CO2置换法的工作原理是利用在同等特定温压条件下，CO2气体相较于CH4气体更容易与H2O结合生产水合物的特性，使CO2置换天气水合物赋存区的CH4分子，进而释放气态天然气的方法。该方法具有有高开采速率、高稳定性的优点，同时大量消耗CO2气体还有助于缓解全球气候变暖，弱化温室效应，具有一举两得的效果，但由于开采过程需要大量CO2气体储备，且需要碳吸附剂等复杂吸附材料和特殊设备，不仅开采过程气体转化效率低，而且开采成本巨大，这大大限制了这种开采方法的推广和使用。因此，当前如何通过新型技术大力提高气体的转换效率，是整个学术界研究的重点问题之一，一旦发现能大幅促进两种气体转换的新型催化材料，市场前景将非常广阔。目前，该方法在美国阿拉斯加冻土地带水合物赋存区已经得到了一定程度的应用。
2.3井下电加热
井下电加热法的原理是在井下布置电阻丝或电阻片，在水合物开采时对电阻丝通电，利用电流的热效应为水合物注入热量，促进其分解产气。该方法可以通过控制通电时间来控制对水合物的加热时间，通过调节加热功率来控制加热强度，具有操作简便、灵活可控等优点。采用该方法在恒定的加热功率下，通过电阻丝为水合物开采注入能量，与降压开采法相比，当向井中提供一定的热注入速率时，天然气产量和水合物分解速率可以提高到更高水平。尽管该方法利用电阻加热会消耗一定能量，但净能量的产生速率及产量均得到了提高，其中净能量是指水合物开采生成甲烷气体产生的焓与电阻加热消耗的能量的差值，这说明将降压和电加热联合开采水合物是可行的。使用饱和NaCl电解质溶液合成天然气水合物，在进行模拟开采时，发现单一降压开采水合物的分解率仅为63％，而对水合物矿层通电加热后，其分解率达到89％以上，且产气速率也大幅提高，其原因是水合物降压分解时，矿层温度降低，及时对矿层进行加热，可以有效抑制温度降低，从而提升开采效率。该方法比较适用于低温、低热导率的水合物矿层，水合物由于分解吸热作用使得矿层温度降低，而低热导率的矿层由外界吸收热量的能力较差，会阻碍水合物的进一步分解，此时对矿层进行加热，抑制矿层温度降低的效果就会非常明显。
2.4降压法
该方法是通过抽取地下水或气举等方法降低井口的压力,使得井口附近区域的孔隙压力降低到水合物相平衡压力以下使水合物分解的方法.由于降压法开采井与常规油气开采井相近,渗透性高的水合物藏内孔隙压力传导很快,因此降压法被认为是最经济、有效、简单的开采方式.降压法具有开采成本较低、不需连续激发、设备简单、操作便利的优点.但是由于水合物分解所需消耗的热量很大,易引起地层局部温度降低而结冰或二次生成水合物,堵塞渗透路径,影响长期开采效率.有学者认为水合物分解过程是一个类似冰融化的动界面过程,可采用经典Stefan方程来描述.
结语
世界范围内大量的天然气水合物存在于海陆地区，尤其是海洋沉积物储集层中。由于天然气水合物的开发对天然气未来的能源发展具有重要意义，为了实现地质调查、勘探、生产和提高采收率等整个系统，需要对水合物资源可生产部分的准确评估；制定确定适当生产目标的方法；含水沉积物取样及样品分析；水合物储层物探分析与解释方法；试井结果解释；地质力学和储层及井筒的稳定性问题；井的设计、施工、安装；在以砂为主的水合物储集层以外开展油田作业和扩大生产；监测生产和地质力学稳定性；实验室研究指导生产实践；水合物行为的基本知识；利用水合物生产商业天然气的经济学；以及相关的环境问题。
参考文献
[1]李守定，孙一鸣，陈卫昌，等．天然气水合物开采方法及海域试采分析［J］．工程地质学报，27(01):58-71．
[2]吴传芝，赵克斌，孙长青，等．天然气水合物开采研究现状［J］．地质科技情报，2008，27(1):47-52．