天然气水合物原位补热降压充填开采方法

李守定 李晓 王思敬 孙一鸣

李守定, 李晓, 王思敬, 等. 2020. 天然气水合物原位补热降压充填开采方法[J]. 工程地质学报, 28(2): 282-293. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2020-061
引用本文: 李守定, 李晓, 王思敬, 等. 2020. 天然气水合物原位补热降压充填开采方法[J]. 工程地质学报, 28(2): 282-293. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2020-061
Li Shouding, Li Xiao, Wang Sijing, et al. 2020. A novel method for natural gas hydrate production: Depressurization and backfilling with in-situ supplemental heat[J]. Journal of Engineering Geology, 28(2): 282-293. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2020-061
Citation: Li Shouding, Li Xiao, Wang Sijing, et al. 2020. A novel method for natural gas hydrate production: Depressurization and backfilling with in-situ supplemental heat[J]. Journal of Engineering Geology, 28(2): 282-293. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2020-061

天然气水合物原位补热降压充填开采方法

doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2020-061
基金项目: 中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目(资助号:IGGCAS-201903, SZJJ201901),中国科学院科研仪器设备研制项目(资助号:YJKYYQ20190043),中国科学院重点部署项目(资助号:ZDBS-LY-DQC003, XDA14040401, KFZD-SW-422)
详细信息
    作者简介:

    李守定(1979-),男,博士,正高级工程师,博士生导师,主要从事非常规能源工程地质力学研究. E-mail: lsdlyh@mail.iggcas.ac.cn

  • 中图分类号: P744.4

A NOVEL METHOD FOR NATURAL GAS HYDRATE PRODUCTION: DE-PRESSURIZATION AND BACKFILLING WITH IN-SITU SUPPLE-MENTAL HEAT

Funds: This study is supported by the Key Research Program of the Institute of Geology & Geophysics, CAS (Grant Nos. IGGCAS-201903, SZJJ201901) and Key Research Program of Chinese Academy of Sciences (Grant Nos. YJKYYQ20190043, ZDBS-LY-DQC003, XDA14040401, KFZD-SW-422)
  • 摘要: 天然气水合物资源量丰富,被公认为最有潜力的新型高效清洁替代能源,是未来能源革命的战略突破口。由于天然气水合物分解是伴随相变的复杂物理化学过程,安全经济地开采天然气水合物仍有许多瓶颈难题亟待解决。当前降压法是相对经济有效的开采方法,但天然气平均日产量远远达不到产业化开发的需求。在分析降压法规模化开采面临的瓶颈问题的基础上,提出了一种全新的天然气水合物开采方法——原位补热降压充填开采法,重点剖析了该方法的3个基本原理,提出了该方法的开采技术方案、关键技术与工艺步骤。得出了如下结论:(1)天然气水合物降压法规模化开发需要突破“天然气水合物分解热补给”(补热)、“储层结构稳定性”(保稳)和“提高储层渗透率”(增渗)等3个方面的瓶颈难题;(2)基于“降压分解原理”、“原位补热原理”和“充填增渗原理”,提出了天然气水合物原位补热降压充填开采法,该方法将氧化钙(CaO)粉末注入天然气水合物储层,反应产生的大量热量补充天然气水合物的分解热,同时,反应生成的氢氧化钙(Ca(OH)2)既填充了天然气水合物分解后留下的空隙,多孔结构又提高了储层的渗透性;(3)提出了天然气水合物原位补热降压充填开采所涉及的具体技术方案、关键技术与工艺步骤。当前天然气水合物开采技术手段距离产业化开发的需求还有一定距离,未来需要加强国际科研合作,深度学科交叉,研发变革性技术,早日实现天然气水合物规模化开发。
  • 图  1  天然气水合物资源分布金字塔图(Boswell,2009)

    Figure  1.  The gas hydrate resource pyramid(Boswell, 2009)

    图  2  天然气水合物赋存类型(Collett,2004)

    Figure  2.  Cores of natural gas hydrates(Collett, 2004)

    图  3  天然气水合物原位补热降压充填开采方法原理图

    a.海域天然气水合物地层结构图;b.天然气水合物储层裂隙注入氧化钙(CaO);c.天然气水合物储层降压引起天然气水合物分解,氧化钙(CaO)与水(H2O)反应放热;d.反应产物氢氧化钙(Ca(OH)2)充填天然气水合物分解后的空隙

    Figure  3.  Schematics of the method of depressurization and backfilling with in-situ supplemental heat

    图  4  氧化钙水化形成的凝聚结构与空隙体积增量效应(林宗寿,2014)

    Figure  4.  Aggregation structure and void volume increment effect of calcium oxide hydration

    图  5  等反应热条件下甲烷水合物(sⅠ)分解与氧化钙(CaO)水化反应系统体积变化示意图

    Figure  5.  The diagram of the volume change of hydrae and CaO before and after reaction confining the reaction heat to 54.49 kJ

    图  6  氢氧化钙全固态充填原理图

    Figure  6.  The diagram of the quantity of CaO needed for filling the space generated by the decomposition of 1 mol hydrate

    图  7  充填率-补热率关系曲线

    Figure  7.  Relationship between filling rate and heat supplement rate

    图  8  天然气水合物原位补热降压充填开采方法示意图

    Figure  8.  Schematics of the method of depressurization and backfilling with in-situ supplemental heat

    图  9  水平井射孔高压气体注入氧化钙粉末示意图

    Figure  9.  Injection of CaO into fractures by means of high pressure air in a horizontal well

    表  1  不同天然气水合物开采方法试采汇总表(改自Koh et al., 2016)

    Table  1.   NGH field production summary(modified from Koh et al., 2016)

    技术
    类型
    分解法置换法
    热激法降压法
    原理
    简图
    技术
    说明
    —向水合物储层注入热水或热蒸汽
    —水合物在热激发下分解
    —通过抽水降低井筒附近储层压力
    —水合物分解产生额外的水
    —向储层注入CO2或CO2+N2启动气体置换—天然气水合物不发生分解
    技术
    利弊
    —分解快速,环境影响少
    —热效率低,成本高
    —压力传播块,开采简单
    —成本低
    —天然气水合物储层不会发生除气体置换以外的变动
    —储层稳定性得到保障
    存在
    问题
    —由水合物分解引发的储层稳定性问题
    —由出砂导致的低采收率
    —水合物分解热引起地层降温,产生二次水合物,降低渗透率
    —井筒易出砂堵塞失效
    —气体扩散程度不高
    —注气输送问题
    现场
    试采
    (产气
    速率)
    2002加拿大Mallik(470 m3/5 d)2007加拿大Mallik(830 m3/0.5 d)
    2008加拿大Mallik(13000 m3/6 d)
    2013日本南海(120000m3/6d)
    2017日本南海(235000m3/36d)
    2017中国神狐(309000m3/60d)
    2020中国神狐(861400m3/30d)
    2012美国Alaska Ignik Sikumi(24000m3/30d)
    储层
    温度
    /压力
    280K/8-9MPa(2002 Mallik)275-276K/7-11MPa(2007 Mallik)
    275-276 K/7-11MPa(2008 Mallik)
    282 K/11-12MPa(2013日本南海)
    286 K/14-16MPa(2017中国神狐)
    288 K/7MPa(2012 Alaska)
    试采
    亮点
    —实施了5d的热水循环
    —世界上首次有针对性地开采天然气水合物
    2007 Mallik:首次通过降压法开采水合物;没有采取防砂措施;
    2008 Mallik:采取防砂措施并显著提高了开采的可持续性;
    2013日本南海:首次海域水合物试采;
    2017日本南海:解决了砂堵问题;
    2017中国神狐:产气时间最长;
    2020中国神狐:产气总量、日均产气量最高
    前13d向储层注入气体(CO2+N2),关井3d后开始采气,采气阶段持续30d
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    表  2  不同地区天然气水合物1m3储层完全分解热量及所需氧化钙质量

    Table  2.   The heat needed for decomposition of the hydrate in 1m3 reservoir volume and the corresponding demand of CaO in different hydrate system

    代号开采
    时间
    地点岩性平均
    孔隙度
    /%
    平均
    饱和度
    /%
    天然气
    水合物质量
    /kg
    天然气
    水合物分解热
    /MJ
    产生
    天然气体积
    /m3
    所需
    氧化钙质量
    /kg
    Messoyakha-RU2005俄罗斯麦索亚哈冻土层212038.2217.467.1715.09
    Mallik-A-CA2002加拿大麦肯齐A层段砂岩3580254.80116.4247.80100.60
    Mallik-B-CA2007加拿大麦肯齐B层段砂岩、粉砂岩互层3560191.1087.3235.8575.45
    Mallik-C-CA2008加拿大麦肯齐C层段砂质粉砂岩3585270.73123.7050.79106.89
    Alaska-US2012美国阿拉斯加砂质沉积物4075273.00124.7451.21107.79
    Nankai-JP2013日本南海海槽砂质水合物3968241.33110.2745.2795.28
    Shenghu-CN2017中国南海神狐海域泥质粉砂3376228.23104.2842.8190.11
    Liwan-CN2017中国南海荔湾泥岩、粉砂岩4340156.5271.5229.3661.80
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    表  3  等反应热条件下sⅠ型甲烷水合物分解与氧化钙水化前后相态体积变化

    Table  3.   The respective volume change of hydrae and CaO before and after reaction confining the reaction heat to 54.49kJ

    反应式分子量密度
    /g·cm-3
    反应热
    /kJ
    物质的量
    /mol
    质量
    /g
    系统反应前绝对体积/cm3系统反应后绝对体积/cm3固态充
    填比例
    /%
    固态液态气态固态液态气态
    CH4·5.75H2O(s)
    =CH4(g)
    +5.75H2O(l)
    119.655
    =16.040
    +103.615
    0.910
    0.717/g·L-1
    1.000
    +54.491119.655
    =16.04
    +103.615
    131.489000103.6152237121.226
    CaO(s)
    +H2O(l)
    =Ca(OH)2(s)
    56.08
    +18.02
    =74.10
    3.34
    1.00
    2.23
    -54.490.8447.11
    +15.14
    =62.25
    14.1115.14027.9100
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    表  4  全固态充填条件下sⅠ型甲烷水合物分解与氧化钙水化物质的量比例

    Table  4.   The quantity of CaO needed for filling the space generated by the decomposition of 1 mol hydrate

    反应式分子量密度
    /g·cm-3
    反应热
    /kJ
    物质的量
    /mol
    质量
    /g
    系统反应前绝对体积/cm3系统反应后绝对体积/cm3固态充
    填比例
    /%
    固态液态气态固态液态气态
    CH4·5.75H2O(s)
    =CH4(g)
    +5.75H2O(l)
    119.655
    =16.040
    +103.615
    0.910
    0.717/g·L-1
    1.000
    +54.491119.655
    =16.04
    +103.615
    131.489000103.61522371100
    CaO(s)
    +H2O(l)
    =Ca(OH)2(s)
    56.08
    +18.02
    =74.10
    3.34
    1.00
    2.23
    -343.973.957221.900
    +71.321
    =293.221
    66.4371.3210131.48900
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-09
  • 修回日期:  2020-04-15
  • 刊出日期:  2020-04-25

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