天然氣水合物開采技術研究進展

李鵬龍，王衛強，劉 釗

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

天然氣水合物開采技術研究進展

李鵬龍，王衛強，劉 釗

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

天然氣水合物具有分布范圍廣、存儲層規模大、儲層淺、燃燒能量密度高等優點，是一種將來能夠代替煤炭等傳統能源的高效潔凈能源，目前對天然氣水合物的開采方法有熱激法、降壓法、注入抑制劑法、置換法及注熱+降壓聯合開采天然氣水合物法等，并對不同開采方法進行評價。

天然氣水合物; 開采方法; 評價

21世紀以來，中國經濟持續快速發展，經濟的增長伴隨著能源的大量消耗。煤炭、石油及天然氣等傳統能源的儲備己經滿足不了經濟的發展所需的能源，同時傳統煤炭等傳統能源的使用也造成了環境污染、溫室效應、資源消耗等諸多環境問題，因此尋求開發新型高效能源己成為我國經濟發展首要任務[1-3]。

天然氣水合物礦藏分布廣范、存儲層規模大、儲層淺、燃燒釋放能量密度高等優點，是一種將來能夠代替煤炭等傳統能源的高效潔凈能源。然而現在未能實現對其大規模開采利用的關鍵所在是沒有一套行之有效的開采法，現有的天然氣水合物開采方法，如熱激發法開采、降壓法開采、注入抑制劑法開采、置換法開采及注熱+ 降壓聯合開采天然氣水合物法開采等，但是每種開采方法都有其優點、缺點或局限性[4,5]。

1 熱激法開采天然氣水合物

熱激法是一種利用鉆探技術在穩定壓力基本不變的天然氣水合物穩定層安裝采氣管道，通過注入像熱水/熱鹽水等為儲層提供外部熱量，以提注熱井周圍儲藏層溫度，破壞其氫鍵，從而迫使天然氣水合物分解，再利用集氣井收集分解的天然氣[6,7]。熱激法開采天然氣水合物原理如下：

目前熱開采技術已有注蒸汽、熱水/熱鹽水、微波導熱、太陽能供熱等水合物分解所需熱量從表層注入水合物儲層；井下加熱/燃燒、電磁制熱等直接在水合物儲層內產生提供水合物分解所需的熱量（圖1）。注熱井通過非滲透巖石層向水合物層輸送水合物分解所需熱量過程中有較大能量損失，Kamath[8]和李剛等[9]的建立的天然氣水合物注熱開采模型，模擬結果表明在由外部向水合物儲層注入熱量開采方法中，循環注入熱鹽水熱量利用效率高、開采效果比較理想，注熱井數量多的開采效果明顯由于單個注熱井；由水合物儲層內直接產生分解所需的熱量因熱量注入過程中地層骨架等散熱損失其整體熱效率有明顯的提高；且有研究[10]表明，利用井下電磁加熱開采天然氣水合物采收率高達70%。

熱激法開采水合物的優點：

（1）與降壓法和注入抑制劑法相比熱激法具有熱量作用直接迅速、水合物吸熱分解效果明顯；

（2）熱激法可以控制注熱井井口位置，基本能夠滿足儲層熱需求；

（3）熱激法對環境影響小、能夠適用于多種礦藏特點的水合物開采。

熱激法開采水合物的缺點：

（1）在注熱過程中造成大量的熱量損失；

（2）能量利用效率低，尤其在永久凍土天然氣水合物礦藏區，盡管管道保溫層的保溫使用，由于外界溫度低也會減少分解儲層的有效熱量。

圖1 熱激法開采水合物示圖Fig.1 Thermal stimulation hydrate exploitation diagram

2 天然氣水合物的降壓法開采

降壓法是通過利用低密度泥漿鉆井或當水合物穩定層下方存在大量游離天然氣和水時通過抽吸方式或點燃的方式將水合物穩定層下方的游離天然氣和水抽出或消耗以降低天然氣水合物儲層壓力打破其穩定存在條件，促使水合物分解（圖2）[11,12]。降壓法開采天然氣水合物原理如下：

降壓開采法優點：降壓法開采成本較低、不需要連續激發、設備簡單、操作方便、適用于較大礦藏開采。

降壓法開采缺點：

（1）天然氣水合物礦藏的開采受其初始溫度、滲透率等環境的限制、水合物穩定層下方存在大量游離天然氣和水即水合物穩定層下方存在一定的空間；

（2）惟有當天然氣水合物穩定層存在溫度與壓力平衡邊界時，降低礦藏壓力采礦方法才具有實際開采的經濟價值。

圖2 降壓法開采水合物示意圖Fig.2 Mining hydrate by depressurization

注熱+降壓聯合開采天然氣水合物：注熱法與降壓法相結合開采時, 能量利用效率是單一注熱或壓降法的1.6倍，這說明注熱+降壓聯合開采天然氣水合物有更大的分解作用效果、效率更高, 該方法更加有利于天然氣水合物的開采[13]。

3 注入抑制劑開采天然氣水合物法

注入抑制劑開采法（化學方法）是用如甲醇（CH4O）、乙醇(C2H5OH)、乙二醇（HOCH2-CH2OH）、氯化鈣（CaCl2）等一些特殊化學試劑為開采介質以破壞天然氣水合物存在的穩定存在條件、天然氣水合物分子間的氫鍵為目的，促使水合物分解（圖3）[14]。

化學方法開采天然氣水合物的優點：

（1）開采初期能量輸入較低；

（2）投資較少。

化學方法開采天然氣水合物的缺點：

（1）注入抑制劑開采對儲層的天然氣水合物的分解作用緩慢，水合物分解效率低；

（2）化學方法開采所需的化學開采試劑相對昂貴，商業價值低；

（3）化學方法開采過程中由于化學試劑的使用及化學試劑的殘留會對環境造成污染，嚴重影響地下水資源，危害較大，因此對與注入抑制劑開采法研究投入相對較少。

圖3 化學開法開采水合物示意圖Fig.3 Chemical method diagram of hydrate exploitation

4 二氧化碳置換法開采天然氣水合物

利用2CO置換法開采天然氣水合物其原理:二氧化碳水合物在環境中賦存的穩定壓力較天然氣水合物穩定存在壓力低、穩定存在溫度相差不多，因此2CO置換法開采是利用天然氣水合物和2CO水合物穩定存在時環境的壓力不同而進行置換開采

的。當環境壓力升高破壞天然氣水合物穩定存在時，而在該環境壓力下二氧化碳水合物存在卻是穩定存在的，與此同時二氧化碳進入到天然氣水合物中，與水形成二氧化碳水合物置換出天然氣，同時置換過程中產生的熱量可用于水合物的分解[15,16]。

二氧化碳置換法開采天然氣水合物的優點在于收集二氧化碳置換水合物減少二氧化碳對環境造成的溫室效應，又能夠開采天然氣水合物，理論上有良好的商業價值；開采過程中對減少井噴井塌事故的發生，缺點在于開采過程中動力費用投入較大，水合物分解速度較慢，大規模收集二氧化碳運輸費用高、存在著安全問題。

5 結束語

本文從經濟角度、環境角度和作用效果分析了不同天然氣水合物開采方法中的開采優點及存在的問題，綜合考慮了熱激法的熱量作用直接迅速、水合物吸熱分解效果明顯和降壓法的開采成本較低、不需要連續激發、設備簡單、操作方便、適用于較大礦藏開采等優點，客服單一熱激和壓降法的缺點的注熱+ 降壓聯合開采天然氣水合物法，能量利用效率是單一注熱或壓降法的1.6倍。

［1］張金華，魏偉，王紅巖.天然氣水合物研究進展與開發技術概述[J].天然氣技術，2009,3(2):67-69.

［2］Fan SS,ZhangYZ,Tian GL,et a1.Natural Gas Hydrate Dissociation by Presence of Ethylene Glycol.Energy&Fuels[J], 2006, 20(1):324-326.

［3］陳月明，劉亞平，張新軍，李清平，魯軒.鹽水體系中天然氣水合物降壓開采數值模擬[J].中國石油大學學報，2009,33 ( 3 ) : 80-94.

［4］張凌，蔣國盛，寧伏龍，吳翔，竇斌.國外天然氣水合物巖心處理分析技術綜述[J].地質科技情報，2009, 28(1):123-126.

［5］Jean Laherrere.Oceanic Hydrates: More Questions than Answers [J]. Energy Exploration and Exploitation, 2000,18(4): 349-383.

［6］侯力群,吳應湘,許晶禹,孫君書.天然氣水合物熱激勵法開采模型研究[J].西安石油大學學報(自然科學版),2008,23(2):44-47.

［7］高文爽,陳晨,房治強.高壓熱射流開采天然氣水合物的數值模擬研究[J].天然氣勘探與開發,2010,33(4):49-52.

［8］高興軍，段鴻彥.天然氣水合物勘探開發技術淺析及研究策略[J].斷塊油氣田，2001,8(3):6-7.

［9］羅艷托，朱建華，陳光進，郭緒強.天然氣水合物資源的開發利用及環境保護[M].石油大學出版社,2005: 1648-1652.

［10］樊栓獅.天然氣水合物開發利用面臨的問題及應對策略[[J].中外能源，2007,12(4):9-12.

［11］白玉湖，李清平，李相方.降壓法開采天然氣水合物藏物理模擬相似準則分析[J].中國海上油氣，2008,20(3):143-147.

［12］Hisashi O. Kono, Sridhar Narasimhan, et al. Synthesis of methane gas hydrate in porous sediments and its dissociation by depressurizing [J].Power Technology,2002,122 :239-246.

［13］李淑霞, 陳月明, 張衛衛, 晞夏 冉.多孔介質中天然氣水合物注熱+降壓開采的實驗研究[J].2011,26(2):202-207.

［14］張衛東，王瑞和，任韶然，劉永軍.由麥索雅哈水合物氣田的開發談水合物的開采[J].石油鉆探技術，2007,35(4):94-96.

［15］李剛，李小森，唐良廣等.注乙二醇溶液分解甲烷水合物的實驗研究[J].化工學報2007 ,58(8) :2067-2074.

［16］EBINUMA T. Method for dumping and disposing of carbondioxide gas and apparatus therefore [J].U.S Patent,1993,5(261):490.

Research Progress in Gas Hydrate Mining Technologies

LI Peng-long,WANG Wei-qiang,LIU Zhao

（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The gas hydrate has many advantages,including wide distribution, large storage layer scale, shallow reservoir and high combustion energy density, it is clean energy to replace coal and other traditional energy in the future. Current mining methods of gas hydrate have thermal stimulation method, depressurization method, inhibitor injection method, replacement method and so on. In this paper, different mining methods were evaluated.

Gas hydrate; Mining methods; Appraisal

TE 624

A

1671-0460（2015）03-0524-03

2015-02-02

李鵬龍（1988-），男，遼寧撫順人，研究生在讀，遼寧石油化工大學油氣田開采專業，研究方向：天然氣水合物氣田開發技術。E-mail：455707546@qq.com。