天然气水合物开采技术研究进展

李鹏龙，王卫强，刘 钊

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

天然气水合物开采技术研究进展

李鹏龙，王卫强，刘 钊

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

天然气水合物具有分布范围广、存储层规模大、储层浅、燃烧能量密度高等优点，是一种将来能够代替煤炭等传统能源的高效洁净能源，目前对天然气水合物的开采方法有热激法、降压法、注入抑制剂法、置换法及注热+降压联合开采天然气水合物法等，并对不同开采方法进行评价。

天然气水合物; 开采方法; 评价

21世纪以来，中国经济持续快速发展，经济的增长伴随着能源的大量消耗。煤炭、石油及天然气等传统能源的储备己经满足不了经济的发展所需的能源，同时传统煤炭等传统能源的使用也造成了环境污染、温室效应、资源消耗等诸多环境问题，因此寻求开发新型高效能源己成为我国经济发展首要任务[1-3]。

天然气水合物矿藏分布广范、存储层规模大、储层浅、燃烧释放能量密度高等优点，是一种将来能够代替煤炭等传统能源的高效洁净能源。然而现在未能实现对其大规模开采利用的关键所在是没有一套行之有效的开采法，现有的天然气水合物开采方法，如热激发法开采、降压法开采、注入抑制剂法开采、置换法开采及注热+ 降压联合开采天然气水合物法开采等，但是每种开采方法都有其优点、缺点或局限性[4,5]。

1 热激法开采天然气水合物

热激法是一种利用钻探技术在稳定压力基本不变的天然气水合物稳定层安装采气管道，通过注入像热水/热盐水等为储层提供外部热量，以提注热井周围储藏层温度，破坏其氢键，从而迫使天然气水合物分解，再利用集气井收集分解的天然气[6,7]。热激法开采天然气水合物原理如下：

目前热开采技术已有注蒸汽、热水/热盐水、微波导热、太阳能供热等水合物分解所需热量从表层注入水合物储层；井下加热/燃烧、电磁制热等直接在水合物储层内产生提供水合物分解所需的热量（图1）。注热井通过非渗透岩石层向水合物层输送水合物分解所需热量过程中有较大能量损失，Kamath[8]和李刚等[9]的建立的天然气水合物注热开采模型，模拟结果表明在由外部向水合物储层注入热量开采方法中，循环注入热盐水热量利用效率高、开采效果比较理想，注热井数量多的开采效果明显由于单个注热井；由水合物储层内直接产生分解所需的热量因热量注入过程中地层骨架等散热损失其整体热效率有明显的提高；且有研究[10]表明，利用井下电磁加热开采天然气水合物采收率高达70%。

热激法开采水合物的优点：

（1）与降压法和注入抑制剂法相比热激法具有热量作用直接迅速、水合物吸热分解效果明显；

（2）热激法可以控制注热井井口位置，基本能够满足储层热需求；

（3）热激法对环境影响小、能够适用于多种矿藏特点的水合物开采。

热激法开采水合物的缺点：

（1）在注热过程中造成大量的热量损失；

（2）能量利用效率低，尤其在永久冻土天然气水合物矿藏区，尽管管道保温层的保温使用，由于外界温度低也会减少分解储层的有效热量。

图1 热激法开采水合物示图Fig.1 Thermal stimulation hydrate exploitation diagram

2 天然气水合物的降压法开采

降压法是通过利用低密度泥浆钻井或当水合物稳定层下方存在大量游离天然气和水时通过抽吸方式或点燃的方式将水合物稳定层下方的游离天然气和水抽出或消耗以降低天然气水合物储层压力打破其稳定存在条件，促使水合物分解（图2）[11,12]。降压法开采天然气水合物原理如下：

降压开采法优点：降压法开采成本较低、不需要连续激发、设备简单、操作方便、适用于较大矿藏开采。

降压法开采缺点：

（1）天然气水合物矿藏的开采受其初始温度、渗透率等环境的限制、水合物稳定层下方存在大量游离天然气和水即水合物稳定层下方存在一定的空间；

（2）惟有当天然气水合物稳定层存在温度与压力平衡边界时，降低矿藏压力采矿方法才具有实际开采的经济价值。

图2 降压法开采水合物示意图Fig.2 Mining hydrate by depressurization

注热+降压联合开采天然气水合物：注热法与降压法相结合开采时, 能量利用效率是单一注热或压降法的1.6倍，这说明注热+降压联合开采天然气水合物有更大的分解作用效果、效率更高, 该方法更加有利于天然气水合物的开采[13]。

3 注入抑制剂开采天然气水合物法

注入抑制剂开采法（化学方法）是用如甲醇（CH4O）、乙醇(C2H5OH)、乙二醇（HOCH2-CH2OH）、氯化钙（CaCl2）等一些特殊化学试剂为开采介质以破坏天然气水合物存在的稳定存在条件、天然气水合物分子间的氢键为目的，促使水合物分解（图3）[14]。

化学方法开采天然气水合物的优点：

（1）开采初期能量输入较低；

（2）投资较少。

化学方法开采天然气水合物的缺点：

（1）注入抑制剂开采对储层的天然气水合物的分解作用缓慢，水合物分解效率低；

（2）化学方法开采所需的化学开采试剂相对昂贵，商业价值低；

（3）化学方法开采过程中由于化学试剂的使用及化学试剂的残留会对环境造成污染，严重影响地下水资源，危害较大，因此对与注入抑制剂开采法研究投入相对较少。

图3 化学开法开采水合物示意图Fig.3 Chemical method diagram of hydrate exploitation

4 二氧化碳置换法开采天然气水合物

利用2CO置换法开采天然气水合物其原理:二氧化碳水合物在环境中赋存的稳定压力较天然气水合物稳定存在压力低、稳定存在温度相差不多，因此2CO置换法开采是利用天然气水合物和2CO水合物稳定存在时环境的压力不同而进行置换开采

的。当环境压力升高破坏天然气水合物稳定存在时，而在该环境压力下二氧化碳水合物存在却是稳定存在的，与此同时二氧化碳进入到天然气水合物中，与水形成二氧化碳水合物置换出天然气，同时置换过程中产生的热量可用于水合物的分解[15,16]。

二氧化碳置换法开采天然气水合物的优点在于收集二氧化碳置换水合物减少二氧化碳对环境造成的温室效应，又能够开采天然气水合物，理论上有良好的商业价值；开采过程中对减少井喷井塌事故的发生，缺点在于开采过程中动力费用投入较大，水合物分解速度较慢，大规模收集二氧化碳运输费用高、存在着安全问题。

5 结束语

本文从经济角度、环境角度和作用效果分析了不同天然气水合物开采方法中的开采优点及存在的问题，综合考虑了热激法的热量作用直接迅速、水合物吸热分解效果明显和降压法的开采成本较低、不需要连续激发、设备简单、操作方便、适用于较大矿藏开采等优点，客服单一热激和压降法的缺点的注热+ 降压联合开采天然气水合物法，能量利用效率是单一注热或压降法的1.6倍。

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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

李鹏龙（1988-），男，辽宁抚顺人，研究生在读，辽宁石油化工大学油气田开采专业，研究方向：天然气水合物气田开发技术。E-mail：455707546@qq.com。