湯鳳林 ,蔣國(guó)盛 , К. Е. Басниев,, В. В. Кульчицкий,,吳 翔 ,寧伏龍 ,張 凌

0 引言

我國(guó) 2007年在南海北部發(fā)現(xiàn)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(lái),令人振奮,深受鼓舞。無(wú)疑,這將對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)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(kāi)采及其安全問(wèn)題是個(gè)大問(wèn)題,是國(guó)際上專家們普遍關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題。本文介紹了俄羅斯提出的運(yùn)用雙井筒大水平距定向?qū)又悄芫@井技術(shù),利用核廢料產(chǎn)生的熱量開(kāi)采天然氣水合物的一種新方法,這是一項(xiàng)發(fā)明專利技術(shù),供同行們參考。

1 概述

我國(guó)人口眾多,資源有限,人均資源量緊張。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(jù)有關(guān)單位資料,我國(guó) 2000年石油產(chǎn)量為 1.65億 t/年,需求量為 2億 t/年。到 2020年石油產(chǎn)量約為 1.85億 t/年,需求量為 4億 t/年,80%要靠進(jìn)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(chǔ)量為 1000億 m3,最高需求量為 1600億 m3),需要大量進(jìn)口。因此,為了保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人民生活水平的進(jìn)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(chǔ)量巨大、很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦吞娲茉?世界各國(guó)都在對(duì)其進(jìn)行積極研究和開(kāi)發(fā)。其特點(diǎn)有三:一是密度高,1個(gè)體積水合物可以釋放 164個(gè)體積的天然氣;二是儲(chǔ)量大,據(jù)目前一些專家的估計(jì),全世界天然氣水合物的蘊(yùn)藏量約為 5×1018m3,相當(dāng)于目前世界年能源消耗量的 200倍,根據(jù)日本資源能源廳的調(diào)查,日本南部海溝 42000 km2范圍內(nèi)天然氣水合物的蘊(yùn)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(lèi)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(huì)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(lèi)氣體連續(xù)補(bǔ)給和水的供應(yīng)充足,與氣體成分、水的相態(tài)和成分、溫度和壓力有關(guān),見(jiàn)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(dá) 1800～2000 m,最常見(jiàn)的深度是 700～1000 m,在海水深度為 300～50000 m時(shí),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(huì)融化分解,形成天然氣;(3)有足夠的生長(zhǎng)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(guó)內(nèi)外天然氣水合物研究現(xiàn)狀

美國(guó)、日本、加拿大、挪威、英國(guó)等都在對(duì)天然氣水合物進(jìn)行研究。

蘇聯(lián) 1965年在西伯利亞麥索雅哈氣田首先發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物礦藏,開(kāi)始引起各國(guó)科學(xué)家的注意。1966年出版了第一本有關(guān)著作,對(duì)礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)提出了設(shè)想。1974年在黑海 1950 m深處發(fā)現(xiàn)了冰狀天然氣水合物晶體的樣品。20世紀(jì) 80年代以來(lái),先后在里海、貝加爾湖、鄂霍茨克海等地區(qū)發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物,并進(jìn)行了資源預(yù)測(cè)和評(píng)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(shí)況。

我國(guó)中國(guó)工程院院士金慶煥多年進(jìn)行天然氣水合物的研究。劉廣志院士非常關(guān)心天然氣水合物的勘探與開(kāi)發(fā),在“關(guān)于我國(guó)逐步開(kāi)展四大地球科學(xué)工程的建議”[1]中,把“建議勘探、開(kāi)發(fā)我國(guó)永凍層—濱?！Ｌ烊粴馑衔锏膽?zhàn)略、技術(shù)方法、設(shè)備的研究工作”列為第三個(gè)地球科學(xué)工程課題。

經(jīng)過(guò)多年的努力,我國(guó)于 2007年在南海北部發(fā)現(xiàn)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(guó)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(duì)我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常重要的影響,對(duì)于緩解我國(guó)的能源緊張狀況發(fā)揮巨大作用。

3 天然氣水合物的開(kāi)采問(wèn)題

天然氣水合物的開(kāi)采是舉世關(guān)心的問(wèn)題。劉廣志院士指出,直到 20世紀(jì) 40年代末,國(guó)內(nèi)外科學(xué)界對(duì)天然氣水合物的化學(xué)成分、物理結(jié)構(gòu)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(jié)束后,在佛羅里達(dá)、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(yán)重的海水氣化與海嘯,使過(guò)路的大型船只沉沒(méi)海底,5架軍用飛機(jī)吸入海內(nèi),數(shù)艘半潛式鉆井平臺(tái)、懸浮式鉆井船相繼傾覆。據(jù)說(shuō),疑與天然氣水合物有關(guān)。因此,天然氣水合物的安全開(kāi)采問(wèn)題,引起有關(guān)方面的極大關(guān)注。

此外,在天然氣水合物鉆井時(shí),儲(chǔ)層井壁和井底附近地層應(yīng)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(chǎn)生大量的熱能,鉆井液也會(huì)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(huì)使井壁坍塌和擴(kuò)徑,造成鉆桿彎曲、測(cè)井儀器下入困難、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)失真等問(wèn)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(tái)傾覆等鉆井事故,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)環(huán)境災(zāi)難。

可見(jiàn),天然氣水合物鉆井及其安全問(wèn)題非常重要,應(yīng)該引起我們的高度重視。

俄羅斯是世界上第一個(gè)發(fā)現(xiàn)和開(kāi)采天然氣水合物的國(guó)家。俄羅斯古勃金國(guó)立石油天然氣大學(xué)多年從事石油、天然氣和天然氣水合物的研究工作。20世紀(jì) 60年代,這個(gè)學(xué)校的專家們就在西伯利亞發(fā)現(xiàn)了麥索雅哈天然氣水合物礦藏。他們?cè)阢@井和開(kāi)采方面,取得多項(xiàng)發(fā)明專利,技術(shù)先進(jìn),經(jīng)驗(yàn)豐富,居世界領(lǐng)先地位。巴斯尼耶夫 (К. Е. Б а с н и е в)和庫(kù)利契茨基 (В. В. К у л ь ч и ц к и й)教授提出了運(yùn)用雙筒大水平距定向?qū)又悄芫夹g(shù),利用放射性廢料 (核廢料)放出的熱量開(kāi)采天然氣水合物的問(wèn)題,一方面解決了天然氣水合物的開(kāi)采問(wèn)題,同時(shí)又可解決核廢料的地下處理問(wèn)題,引起了各國(guó)同行專家的興趣。

3.1 天然氣水合物的開(kāi)采原理

天然氣水合物的基本開(kāi)采原理是,利用核廢料產(chǎn)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(kāi)采過(guò)程

(1)向天然氣水合物地層打壓入井 (見(jiàn) 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(jiàn)圖 3);

(3)核廢料對(duì)儲(chǔ)氣層加熱,形成產(chǎn)氣儲(chǔ)層 (見(jiàn)圖4);

(4)打開(kāi)采井并加長(zhǎng)水平井段的長(zhǎng)度 (見(jiàn)圖5);

(5)向壓入井注入蒸汽,增加儲(chǔ)層滲透性,在產(chǎn)氣儲(chǔ)層中形成天然氣 (見(jiàn)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(chǔ)層溫度升高,形成產(chǎn)氣儲(chǔ)層

圖5 打開(kāi)采井并加長(zhǎng)水平井段的長(zhǎng)度

圖6 向壓入井注入蒸汽,增加儲(chǔ)層滲透性,在產(chǎn)氣儲(chǔ)層中形成天然氣

3.3 運(yùn)用雙井筒大水平距定向?qū)又悄芫夹g(shù)開(kāi)采天然氣水合物

根據(jù)開(kāi)采計(jì)劃,按照鉆井設(shè)計(jì),利用智能系統(tǒng),打雙筒大水平距定向?qū)又悄芫?(見(jiàn)圖 7)。在第一個(gè)井筒 (右井)打出并下好井口管后,向下鉆進(jìn)一個(gè)井段。根據(jù)水合物礦層情況,按照開(kāi)采計(jì)劃和設(shè)備能力,確定水平距的距離,設(shè)計(jì)第二口井的位置。在打第二個(gè)井筒 (左井)時(shí),利用鉆具組成,根據(jù)開(kāi)發(fā)的軟件,應(yīng)用導(dǎo)向系統(tǒng)和造斜器具、鉆頭,鉆成大水平距的智能對(duì)接井。

在雙井筒打成后,利用壓送核廢料用設(shè)備,通過(guò)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(shè)備,從開(kāi)采井抽取天然氣 (見(jiàn)圖 8),供用戶使用。

圖7 利用導(dǎo)向系統(tǒng)和造斜系統(tǒng)鉆進(jìn)雙井筒大水平距對(duì)接智能井

圖8 利用雙井筒大水平距對(duì)接智能井開(kāi)采天然氣水合物

4 結(jié)語(yǔ)

天然氣水合物是一種新的能源,我國(guó)在海底和陸地上均找到了天然氣水合物。這對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)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(kāi)采及其安全問(wèn)題是個(gè)大問(wèn)題,是國(guó)際上專家普遍關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題。對(duì)此,我們應(yīng)該給予高度重視。不是找到了天然氣水合物,就可安全開(kāi)采出來(lái)了,新能源問(wèn)題就解決了。

使用傳統(tǒng)方法開(kāi)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(chǎng)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(kāi)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(kāi)采的安全問(wèn)題。同時(shí),也解決了世界難題——核廢料的處理問(wèn)題,確是一舉兩得。

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

但是,通過(guò)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(gè)問(wèn)題本身也有一個(gè)安全問(wèn)題,對(duì)此也應(yīng)加以研究。

綜上所述,建議有關(guān)部門(mén)和單位對(duì)利用核廢料開(kāi)采天然氣水合物及其有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究,以便早日解決我國(guó)天然氣水合物的安全開(kāi)采問(wèn)題。

[1] 劉廣志.關(guān)于我國(guó)逐步開(kāi)展四大地球科學(xué)工程的建議[J].探礦工程,2003,(S1).

[2] 蔣國(guó)盛,王達(dá),湯鳳林,等.天然氣水合物的勘探與開(kāi)發(fā) [M].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2002.

[3] 劉廣志.天然氣水合物開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀和商業(yè)化的技術(shù)關(guān)鍵[J].探礦工程,2003,(2).

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