冻土带水合物有效开采方法研究毕业论文.doc

中国石油大学 华东 毕业设计 论文 中国石油大学 华东 毕业设计 论文 冻土带水合物有效开采方法研究 摘 要 天然气水合物作为未来化石燃料的一种重要替代品 以其分布广泛 资源量巨大 能量密度高 清洁无污染等诸多优点为世界各国重视 而冻 土带水合物比海底水合物开发难度小的特点 本文通过分析冻土带的地质 条件 阐述了冻土带与水合物稳定存在的关系 得到了天然气水合物在冻 土带存在条件 分析推测了常见几种冻土带水合物微观结构及其形成过程 以麦索亚哈气田开采实例 分析了注热降压开采的原理 同时对水力压裂 开采水合物压裂的基本原理进行分析 在简化模型下分析了水力压裂增产 效果 关键字关键字 天然气水合物 冻土带 开采方法 ABSTRAC Natural gas hydrate is an important product as an alternative to fossil fuels in the future With its advantages like widely distributed a huge amount of resources high energy density and pollution free many countries in the world are highly concerned about it Rather than undersea gas hydrate formation gas hydrate in the permafrost area has small developing difficulty Through analysis of the geological conditions of the permafrost areas expounds its stability between hydrate and permafrost areas obtained the relationship of natural gas hydrate in the permafrost areas condition Speculating the microcosmic structure of hydrate formation process of permafrost areas Analyse MaiSuoahab in mining field the principle of thermal injection and depressurization at the same time Analyse the basic principle of hydraulic fracturing under the simplified model is analyzed effect on increasing production in hydraulic fracturing Keywords Gas hydrate permafrost areas method of exploitation 目 录 第 1 章 前 言 1 1 1 研究目的及意义 1 1 2 研究现状 1 1 3 主要研究内容 3 第 2 章 冻土带天然气水合物形成以及微观结构 4 2 1 冻土带水合物的形成 4 2 1 1 冻土带分布情况 4 2 1 2 冻土带厚度 6 2 2 冻土带天然气水合物的微观结构 10 2 2 1 青藏高原地质运动分析 10 2 2 2 几种常见成矿模式分析 11 第 3 章 冻土带天然气水合物注热降压开采 16 3 1 降压开采原理 16 3 1 1 降压开采机理 16 3 1 2 降压开采能量分析 17 3 2 注热开采原理 17 3 2 1 注热开采机理 17 3 2 2 注热开采能量分析 18 3 3 注热降压结合 20 3 4 麦索亚哈气田水合物开采实例 20 3 4 1 麦索亚哈气田地质特征 21 3 4 2 麦索亚哈气田矿藏结构 22 3 4 3 麦索亚哈气田水合物开发过程 23 第 4 章 冻土带天然气水合物水力压裂开采 25 4 1 天然气水合物水力压裂基本原理 25 4 2 冻土带水合物层水列压裂裂缝形态 25 4 3 冻土带水合物层水力压裂前后气体渗流规律 27 第 5 章 结 论 31 致 谢 32 参考文献 33 前言 1 第 1 章 前 言 1 1 研究目的及意义 随着常规油气资源开发利用 人类将面临着巨大能源危机 目前已经 发现的石油储备量还可用40年 天然气还可用70年 煤炭还可用190年 作 为世界上最大的发展中大国 我国能源短缺十分突出 因此急需开发新能 源以满足中国经济的高速发展 而天然气水合物作为新型有效能源 2000 年开始 天然气水合物的研究与勘探进入高峰期 世界上至少有30多个国 家和地区参与其中 1 天然气体水合物广泛分布于多年冻土区 大陆架边缘的深海沉积物和 深湖泊沉积物中 估计全球天然气水合物中的碳储量为2 1016m3 相当于 全球已探明常规化石燃料总碳量的2倍以上 2 与海洋相比 陆地开采天然 气水合物的难度要小得多 同时陆地上开展天然气水合物开采试验无疑为 海洋大规模开发天然气水合物提供良好的基础 3 2009年9月 我国在青海发现 可燃冰 使我国成为世界上第一次在 中低纬度冻土区发现天然气水合物的国家 也是继加拿大1992年在北美麦 肯齐三角洲 美国2007年在阿拉斯加北坡通过国家计划钻探发现天然气水 合物之后 在陆域通过钻探获得天然气水合物样品的第三个国家 初略的 估算 远景资源量至少有350亿吨油当量 4 可见冻土带水合物作为一种新的替代能源越来越受到人们的重视 随 着我国青藏高原水合物勘探的进步 冻土带水合物的动用必然会对我国油 气资源做出巨大贡献 但要对其进行有效地开采 需要对冻土带地质特征 水合物形成条件 成藏模式进行认识 同时借助于冻土带水合物开采成功 典型例子 麦索雅哈气田的开发 对其开采方式进行分析 以求一种新的 开采方法 1 2 研究现状 前苏联二十世纪60年在卖索亚哈油田发现了陆地永久冻土带发现了天 然气水合物 1998年 加拿大在北极附近的西北部马更些三角洲 Mackenzie Delta 的Mallik地区实施了世界上第一个专门进行陆地永久冻土 区天然气水合物调查研究的钻探工程 曾先后完成了5口天然气水合物调查 前言 2 研究探井 Mallik L38 2L 38 3L 38 3L 3 5L 38 并进行了试开采 这 项世界上第一个对陆地永久冻土区进行天然气水合物全面调查评价的科学 研究工程引起了许多国家的兴趣和关注 先后由加拿大 日本 美国 德 国 印度 国际大陆钻探计划 ICDP 等国际和机构参与 除了进行了钻探 资源调查评价外 还进行了试开采研究 5 2008年3月10 16日 日本和加 拿大科学家再次对Mallik 2L238井进行了水合物开发测试 此次开发试验由 于安装了防沙装置 开发试验进展顺利 在井底和井口分别采集到了压力 温度 气体和液体流量等数据 连续6d 139h 的开发 天然气产量达到 2000m3 4000m3 d 累计产量约为13000m3 初步数据显示 该区采用水 合物降压开采是一种正确的开发方式 另外 日本国家石油 天然气及金 属公司FujiiK女士介绍日本在2009 2011年进行水合物海上开发试验 2012 2016年进行水合物商业开发准备的有观计划 6 中国地质调查局于2002年开始先后设立了4个调查研究项目 即 青藏 高原多年冻土区天然气水合物地球化学勘查预研究 青藏铁路沿线天然 气水合物遥感识别标志研究 我国陆域永久冻土带天然气水合物资源远 景调查 我国陆域永久冻土带天然气水合物钻探技术研究 国家自然科 学基金委员会也于2005年设立了 青藏高原多年冻土区天然气水合物形成 条件探讨 的面上科研项目 国土资源部的科研项目以资源类为主 目前 最重要的当属 我国海域天然气水合物资源调查与评价 专项中的3个配套 科研项目 每年都投入不少资金开展技术方法 环境效应和资源战略评价 等方面的研究 由广州海洋地质调查局 青岛海洋地质研究所 国家海洋 局 中国地质科学院 中国科学院 中国地质大学 南京大学等单位承担 国家自然科学基金委员会自1998年开始设立 气体水合物生成过程机理及 其分形理论的研究 中国科学院广州能源研究所舒碧芬承担 以来 至 2006年共设立了与天然气水合物有关的项目43个 其中1998年1项 1999年 1项 2000年4项 2001年6项 2002年4项 2003年8项 2004年1项 2005 年10项 2006年8项 除2004年外基本上呈逐年增加的趋势 内容涉及到水 合物的物性 资源 抑制 储运 开采 环境等方面的基础研究和应用基 础研究 中国科学院也大力重视天然气水合物的研究工作 于2004年组织 了跨研究所 跨学科的优势研究力量组建了 中国科学院广州天然气水合 前言 3 物研究中心 并先后设立了 天然气水合物勘探开采模拟研究 天然气 水合物开采中若干关键问题的研究 大陆坡天然气水合物形成的地质条 件与成藏机理研究 海底天然气渗漏系统水合物成藏机制及识别方法 等知识创新重要方向项目4个 百人项目3个以及其他项目多个 研究内容 涉及到天然气水合物合成 物性测试 开采模拟 成藏机理 资源评价等 领域 除上述四大部委外 三大油公司 教育部 中国工程院以及前述的 中国大洋矿产资源研究开发协会等也先后设立过与天然气水合物有关的科 研项目 7 最近 有关专家在西宁对中国科学院广州天然气水合物研究中 心完成的 青海省天然气水合物勘探开发方案研究报告 进行了审查 指 出青海省多年冻土区具备较好的 可燃冰 找矿前景 并建议在青海建立 一个陆地冻土区天然气水合物勘探开发技术方法试验基地 以引领带动我 国对天然气水合物的勘探开发 8 1 3 主要研究内容 本课题旨在搞清冻土带地质特点 冻土带厚度 天然气水合物在冻土 带形成条件 以及常见的冻土带天然气水合物矿藏模式 对比常见冻土带 天然气水合物开采方法 分析麦索亚哈水合物开采方法 以及找出一种新 的适合冻土带水合物开采方法的 为以后冻土带水合物开采提供依据 研究内容包括以下几个方面 通过分析给出冻土带地质特点 研究冻 土带厚度 天然气水合物在冻土带稳定存在的条件 分析麦索亚哈气田水 合物开采的具体方法 提出一种新的水合物开采方法 以及分析其可行性 冻土带天然气水合物形成以及存在形式 4 第 2 章 冻土带天然气水合物形成以及存在形式 冻土带在地质学是指 0 以下 并含有冰的各种岩石和土壤 一般可 分为短时冻土 数小时 数日以至半月 季节冻土 半月至数月 以及 多年冻土 数年至数万年以上 天然气水合物 在一定地质条件 存在 于冻土带 2 1 冻土带水合物的形成 2 1 1 冻土带分布情况 世界冻土带分布冻土分布于高纬地带和高山垂直带上部 其中冰沼土 广泛分布于北极圈以北的北冰洋沿岸地区 包括欧亚大陆和北美大陆的极 北部分和北冰洋的许多岛屿 在这些地区的冰沼土东西延展呈带状分布 在南美洲无冰盖处亦有一些分布 据估计 冰沼土的总面积约 590 万平方 公里 占陆地总面积的 5 5 其中北半球 20 为冻土面积 9 如图 2 1 所 示北半球冻土带分布 图图 2 12 1 北半球多年冻土带水合物北半球多年冻土带水合物 中国多年冻土区面积到 215 10km2 占国土总面积的 22 4 是仅次 冻土带天然气水合物形成以及存在形式 5 于俄罗斯 加拿大的世界第三冻土大国 冻土区主要分布在青藏高原 大 兴安岭以及其他高山地区 如图 2 2 所示为我国冻土地带分布和找矿前景 图 图图 2 2 中国冻土区和天然水合物找矿远景图中国冻土区和天然水合物找矿远景图 10 图图 2 3 我国青藏高原冻土带分布我国青藏高原冻土带分布 11 冻土带天然气水合物形成以及存在形式 6 2 1 2 冻土带厚度 多年冻土厚度是多年冻土区天然气水合物形成的一个非常重要的热力 学条件 多年冻土地板附近的地温梯度决定了多年冻土厚度大小 土体在融化层和冻结层相界面满足能量守恒定律 在多年冻土地板的 冻融相界面有 2 1 0 QQQ tf 式中分别是融化层和冻结层之间的相界面的热流 是单位土 t Q f Q 0 Q 体的相变热 是相界面移动速率 当时 说明多年冻土底板附近 tf QQ 冻土温度升高 冻土厚度减小 当时 多年冻土底板附近冻土温度 tf QQ 降低 冻土厚度会增大 如果 融化层和冻结层相界面不发生热交换 f Q t Q 此时相界面移动速率 0 如果地表温度和地中热流的变化足够小 含水 量不大的土 岩 体能够很快地融化和冻结 使得土 岩 体满足稳定状 态条件 此时多年冻土厚度有 2 2 cp tt f cp h g tH 式中 H为多年冻土厚度 m 为年均地温 为冻土 cp t f 岩 的导热系数 为多年冻土底板附近融土的地温梯度 为多年冻 t g t 土地板附近融土的导热系数 为地温年变化深度 m 通常取15m cp h 导热系数取高原上土质的平均状态 如 1 31 图给出了多年 f CmW 冻土厚度计算结果 表明多年冻土底板下融土对多年厚度有较大影响 但 多年冻土厚度与冻土低温梯度有密切关系 冻土带天然气水合物形成以及存在形式 7 图图 2 4 多年冻土厚度计算多年冻土厚度计算 综上所述对天然气水合物冻土带厚度决定性影响的客观条件是冻土层 的年平均温度和融土层的地温梯度 12 长期观测所得数据显示 青藏 cp t t g 高原绝大部分位于盆地地区多年冻土 其冻土层年平均温度为 0 5 cp t 3 之间 多年冻土厚度介于25 200m之间 多年冻土区天然气水合物形成 最重要的因素是地热梯度 气体组分 孔隙流体盐度 孔隙压力等 其中地热梯度和气体组分最为重要 这2个因 素决定了多年冻土区天然气水合物形成的温压条件和储藏量 地热梯度越 小 那么天然气水合物可以在更大深度的地质环境条件下形成 气体组分 决定了天然气水合物的相平衡状态 比如甲烷水合 物形成时的温压条件 要比丙烷水合物形成条件苛刻得多 多年冻土区天然气水合物的形成需要 充足的烃类气源 地下水 适合的温度和压力4个基本条件 烃类气源和地 下水也许与多年冻土无关 但温度和压力条件与多年冻土有密切的关系 受到了多年冻土热状态 多年冻土厚度以及多年冻土层下地热梯度等的控 冻土带天然气水合物形成以及存在形式 8 制和影响 天然气水合物形成的相平衡条件因为多年冻土区形成的天然气水合物 基本为甲烷水合物 所以本文采用由Sloan ED和Kamath VA 提出的甲烷 气水合物形成的相平衡条件统计方程来描述 2 3 79 1866717 14exp TP 25 0 CT 2 4 8 853398 38exp TP 25 0 CT 式中 P为压力 kPa T为温度 多年冻土底板处温度为0 因此 公式 2 3 为多年冻土底板以上天然气水合物形成的相平衡条件 公式 2 4 为多年冻土底板以下沉积层天然气水合物形成的相平衡条件 11 冻土层内 和冻土层之下的温度与深度可表示为 2 5 fff hGtt 0 2 6 ssfs hGtt 式中为冻土层内深度为的温度 为地表温度 为冻土层地温 f t f h 0 t f G 梯度 m 为在冻土层之下深度为的温度 为冻土层之下沉积层 s t s h s G 的地温梯度 为冻土层底界向下的深度 m 冻土层底界温度为0 冻土层及其下沉积层的压力与深度的关系分别与静岩压力和静水压 f P 力计算 s P 2 7 fff ghPP 6 0 10 2 8 ssfs ghPP 6 10 式中为地表大气压力 0 1MPa g为重力加速度常数 取9 81m s2 0 P 为冻土层密度 实验测定冻土密度为1500 2000kg m3 计算时取 f 1750kg m3 为冻土层之下孔隙流体密度 1000kg m3 水合物稳定带厚 s 冻土带天然气水合物形成以及存在形式 9 度为 2 9 tfsz hhhh 式中为水合物稳定带厚度 表示水合物底界埋深 为水 z h fs hh t h 合物顶界埋深 联解方程式获得水合物稳定带底界 顶界埋藏深度和厚度 图图 2 5 冻土带天然气水合物稳定的深度一温度带冻土带天然气水合物稳定的深度一温度带 13 如图2 5给出了多年冻土区天然气水合物稳定带的示意图 由图2 5可 知 多年冻土地温梯度与多年冻土层下地热梯度与气水合物的相平衡边界 共同构成了天然气水合物的稳定带 灰色区域内为天然气水合物的稳定带 理论上天然气水合物均可以在这一区域内形成 多年冻土地温梯度越小 多年冻土厚度越大 温度和压力条件就越有利于形成天然气水合物 其稳 定带厚度也越大 由于多年冻土底板处温度为 所以多年冻土底板深度越 大 多年冻土层下天然水合物稳定带的下界深度越大 天然气水合物层可能的埋深估算回归所得生物成因的天然气水合物温 度 压力平衡公式计算显示 最浅的水合物层顶界埋深可能为174m左右 冻土带稳定存在深度 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 20 100102030 温度 深度 m 系列1 系列2 冻土带天然气水合物形成以及存在形式 10 最深的底界埋深有可能到上千米 14 2 2 冻土带天然气水合物的存在形式 水合物所赋存的沉积物多是新生代沉积 在沉积层中 水合物以分散 状胶结尚未固结的沉积物颗粒 或者是以结核状 团块状 薄层状的集合 体赋存于沉积物中 还可能以细脉状 网脉状充填于裂隙中 冻土带水合物与常规油气藏关系密切 包括汇聚和离散两种类型的沉 积盆地 是比较有利的水合物形成区 对水合物气藏形成 前人虽曾提出 冷冻 渗流等模式 但对构造动力学 古气候演化 热史变异 气体运移 深部气源等问题研究不足 因而远落后于对常规油气藏的认识 15 2 2 1 青藏高原地质运动分析 青藏高原多年冻土区主要分布在昆仑山北坡至唐古拉山南坡安多县北 的广大地域 沿着青藏铁路线横跨约 550km 长 其内分布着一系列中新生 代残留盆地 如可可西里盆地 沱沱河盆地 羌塘盆地 唐古拉盆地等 它们特别是羌塘盆地 分布面积广 沉积厚度大 有机质含量丰富 且已 发现有大量的油气显示或工业油流 这些条件可为研究区天然气水合物成 藏提供良好物质基础 上述盆地是在伴随着青藏高原多期脉动性急剧而又 整体隆升过程中形成的构造残留盆地 在高原隆升过程中由于不同的构造 演化 后期改造作用一方面形成相应的构造圈闭 使油气相对聚集成藏 另一方面构造运动太强烈 抬升和切割幅度太大 对油气的保存起着破坏 作用 使大量的轻烃难以保存而逃逸 这种构造破坏作用造成的烃类气体 重新分配现象在上新世一更新世以来尤为明显 此间 在上新世至更新世 期间 深海有孔虫氧的同位素记录显示全球总体上为强烈的降温时期 在 更新世末期至全新世期间 约在 0 71Ma 青藏高原也整体进入冰冻期 形成了大面积的冻土 出现了大规模的山地冰川 除夏季以外 高原上稳 定的积雪及大规模的冰川提高了地表反射率 增强了冬季高原上空的冷高 压 促使高原进一步变冷 其中 晚更新世末期是末次冰期最盛期 青藏 高原处于严寒 干旱的冰缘环境 在这种干冷的气候下 青藏高原开始形 成大面积的多年冻土 进入全新世 虽然大规模的冰期已经结束 但由于 整个高原仍处于不断隆升状态 且高原海拔已上升到 4000m 以上 特殊的 冻土带天然气水合物形成以及存在形式 11 海拔高度决定着整个高原仍处在冰缘环境下 上新世至更新世期间的降温 环境 特别是更新世末期至全新世期间的冰川环境为同期构造作用破坏的 油气藏烃类气体进一步被圈闭提供了一种耦合机制 即游离的烃类气体在 低温 冻土层 环境和地层压力条件作用下重新被圈闭形成天然气水合物藏 16 2 2 2 几种常见成矿模式分析 冻土带水合物形成之前 一般已经有天然气藏 随着温度的变化 达 到水合物形成条件以下 就会形成水合物 并且由于陆地上的温度的循环 交替变化 水合物也在不断形成和分解 所以水合物矿藏也伴随有天然气 藏 17 麦索亚哈气田就是有天然气藏水合物矿藏 目前冻土带水合物地质 模式主要以下几种模式块状水合物 层状或片状水合物 分散状水合物 透镜体水合物 块状水合物形成之前有一个较完好的天然气气藏 底部有充足的水源 在地壳急剧上升过程中 由于构造运动使原气藏遭到破坏 当达到水合物 稳定性成所需的温度压力 并且破坏的气藏又有新的的圈闭形成 此时水 与天然气将形成块状的天然气水合物 如图所示 图图 2 6 冻土带水合物块状水合物形成冻土带水合物块状水合物形成 冻土带天然气水合物形成以及存在形式 12 在地壳运动的过程中伴随着沉积 由于下部天然气渗流到上部 和岩 石进入上部岩石的空隙中 如果上部隆升和沉积持续进行 且此时温度压 力满满足水合物形成温度压力条件时 形成片状或层状水合物 如图所示 图图 2 7 层状或片状水合物形成层状或片状水合物形成 有完整的层状或块状水合物形成是 由于地质构造运动 褶皱活断层 剧烈时 水合物矿藏将受到破坏 水合物矿藏发生断裂破坏 此时温度压 力改变水合物将分解断裂 当有新的适宜压力和温度条件时 水合物不再 分解 重新稳定 形成分散状的各种形态不一的水合物结构 冻土带天然气水合物形成以及存在形式 13 图图 2 8 分散状天然气水合物形成分散状天然气水合物形成 透镜体水合物是是低温冰冻模式形成的水合物 它是有地下已存在的 气体矿床或饱和气体的水在上升过程中受到冷冻发生相变而形成中间厚扩 展向两边透镜体状的水合物 如图所示 开始在岩石裂缝或大的颗粒空隙 中存在天然气和水等流体 在温度压力达到水合物形成条件后形成透镜体 状水合物 图图 2 9 透镜体天然气水合物形成透镜体天然气水合物形成 近日在祁连山取出水合物岩心结构如图 2 10 所示 通过取心表明发现 水合物赋存状态复杂 研究认为祁连山天然气水合物的产出方式可能有二 冻土带天然气水合物形成以及存在形式 14 种 一是以薄层状 片状 团块状赋存于粉砂岩 泥岩 油页岩的裂隙面 中 单层仅仅数毫米厚 肉眼能观测到的均是这类水合物 一是以浸染状赋 存于细粉砂岩的孔隙中 这类水合物肉眼难以观测到 但可通过岩心中不 断冒出的气泡和水珠来间接推测存在这类水合物 也可通过红外测温中的 分散状低温异常证实有这类水合物 天然气水合物分解后将导致岩心温度 降低 从 A B C D 反映水合物含量逐渐升高 18 图图2 10 祁连山冻土区发现的天然气水合物及其燃烧照片祁连山冻土区发现的天然气水合物及其燃烧照片 冻土带天然气水合物形成以及存在形式 15 图图2 11 祁连山冻土区含天然气水合物岩心的红外热像仪照片祁连山冻土区含天然气水合物岩心的红外热像仪照片 冻土带天然气水合物注热降压开采 16 第 3 章 冻土带天然气水合物注热降压开采 目前天然气水合物的开采方法常见有三种 第一种注热开采 第二种 降压开采 第三种是注入化学剂 19 其中注热和降压开采用于麦索亚哈气 田开采所取得较好的效果 3 1 降压开采原理 3 1 1 降压开采机理 通过降低天然气水合物储集层的压力促使水合物脱离其稳定带 从而 引起水合物的相平衡曲线的移动 使水合物分解 为降低水合物储集层的 压力 可以开采水合物储集层之下的游离天然气或是采用热激发或注入化 学试剂的方法 从而使水合物不稳定而分解 此外 在钻井过程中采用低 密度钻井液也可以实现水合物储层的降压 而通过调节天然气的开采速度 则可以有效控制储层压力 从而控制水合物的分解 图图3 1 天然气水合物降压开采原理天然气水合物降压开采原理 不需要昂贵的连续激发是降压法的最大特点 这也使得运用该方法经 济成本较低 简单易行 适合大面积开采 尤其适用于存在下伏游离气层 的天然气水合物藏的开采 因而其可能成为未来水合物商业开发的有效方 法之一 降压法的缺陷在于 由于没有额外的热量注入 水合物分解只能 冻土带天然气水合物注热降压开采 17 从周围环境中吸收热量 当吸收的热量达到一定程度 周围环境温度的降 低会抑制水合物的进一步分解 因此 它对天然气水合物藏的性质有一定 要求 只有当天然气水合物藏的原始温度 压力条件位于温压平衡边界附 近时 降压开采法才具有较好的经济可行性 3 1 2 降压开采能量分析 水合物开采的主要能量驱动有以下几种 天然气的膨胀能 对于底部有天然气藏的水合物层 开发前期 底部 的天然气膨胀能实现天然气的能量驱动 水合物分解后的天然气驱动 当储层压力或温度不满住水合物稳定存 在条件时候 水合物开始分解 此时分解的天然气继续为地层提供能量 其他方式的能量 在降压开采过程中往往可以结合其他的方式 使得 水合物不断分解 往往很多开发方式都是伴随着降压过程进行 3 2 注热开采原理 3 2 1 注热开采机理 注热开采是利用钻探技术在天然气水合物储层中安装管道 对天然气 水合物的地层进行加热 提高局部储集层温度 打破天然气水合物稳定存 在的条件 从而造成天然气水合物的分解 注热开采通常采用的蒸汽注入 热水注入 热盐水注入 火驱及电磁加热等方法 图图3 2 注热开采水合物示意图注热开采水合物示意图 冻土带天然气水合物注热降压开采 18 不同的注热开采方式也有不同的优缺点 蒸汽注入和火驱技术方法在 开采比较薄的水合物储层时的热量损失很大 只有在储层厚度大于15m时 进行开采的热量利用率才比较高 注入热水的热损失较蒸汽和火驱小 但 水合物储层内的水对于注入率又限制了该方法的应用 热水注入法与蒸汽 注入法相比 前者由于比后者消耗能量少 也不需要考虑稀释问题 从而 可能有效的降低开发费用 同时多井注热比单井注热效果在促进水合物分 解上效果又更好 注热开采法的主要不足是会造成大量的热损失 效率很 低 特别是在永久冻土区 即使利用绝热管道 永冻层也会降低传递给储 集层的有效热量 图图3 3 水合物层单井注热与多井注热开采效果比较水合物层单井注热与多井注热开采效果比较 20 3 2 2 注热开采能量分析 水合物分解所需要的能量主要分为五部分 水合物分解能量 岩石骨 架升温所需能量 水合物升温所需要的能量 地层中束缚水升温所需要的 能量和水合物分解后分解水和天然气升温所需要的能量 不同的水合物藏的物性参数不同 上述各部分能量所占的比例有所不 同 在理想状态下 假设岩石孔隙度为30 水合物为甲烷水合物 水合 系数为6且饱和度为80 原始地层温度为4 水合物开始分解温度为 12 地层最终温度为15 整个过程保持地层压力不变 如图3 3所示 冻土带天然气水合物注热降压开采 19 岩石升温所需要的热量 占72 04 束缚水升温吸收的热量 占8 99 表示水合物分解前升温吸收热量 占11 73 水合物分解能量 占 0 74 水合物分解后分解水升温吸热 6 5 图图 3 3 水合物分解各部分吸热示意图计算程序水合物分解各部分吸热示意图计算程序 特例当原始地层温度 水合物开始分解温度和水合物最终地层温度一 致的情况下 水合物分解能量在能量比例中占到了100 图图 3 4 在特例情况下水合物分解能量比例极值在特例情况下水合物分解能量比例极值 可以看出 注热开采水合物的大部分能量都被非水合物升温所消耗 但对于水合物的分解来讲 只有水合物原始赋存状态下温度上升 才能够 冻土带天然气水合物注热降压开采 20 使水合物完全分解 并能够防止水合物的二次生成 因此 提供足够的热 源是水合物开发的关键 注热开采能量计算启示我们 在地层温度较高的情况下进行降压开采 利用地层温度的降低释放出来的能量进行水合物的分解 可以产生大量的 天然气 21 3 3 注热降压结合 从天然气水合物的相态变化示意图3 5可以看出 天然气水合物能够在 低温高压条件下 临界线左侧 稳定存在 要使得水合物分解就需要打破 天然气水合物稳定存在的条件 使其发生式 3 1 的分解过程 从而使天然 气水合物在多孔介质中转变为气 水两相进行开发利用 在此过程中 由 于水合物分解是吸热反应 如果但采取降压开采 由于吸热 导致储层温度降低 从而又会使得 水合物从新平衡 新生成水合物晶体 这样不利于水合物的开采 所以在 开采的过程中结合注热的方式 这样就可以给地层提供由于压力降低水合 物分解所吸收的热量 这样可以抑制水合物重新结晶 3 1 GOHOHG nH 22 吸热 图图 3 5 天然气水合物相态变化示意图天然气水合物相态变化示意图 3 4 麦索亚哈气田水合物开采实例 麦索亚哈气田是目前天然气水合物开采成功气田之一 其开采方法主 冻土带天然气水合物注热降压开采 21 要采用的就是降压开采 3 4 1 麦索亚哈气田地质特征 索雅哈天然气水合物气田位于西伯利亚Yenisei Khatanga坳陷中 背斜 构造面积230km2 天然气属热解气 由构造以南深凹陷中的侏罗系内生成 储集层为白垩系砂岩 天然气部分从气藏内沿断层向上运移至第四纪地层 中 由于低温和高压 形成了像冰一样的固态水合物 这种完全的固态水 合物一直存在至2000年前 2000前之后 由于温度升高 部分水合物分解 形成下部分的游离气藏 17 按照阿利伯谢诺曼年代多而甘岩系顶板 麦索 亚哈构造的规模为12 5km 10km 断距为84m 深部勘探和开采钻井揭示 的地质剖面为由侏罗纪 下石炭纪 上石炭纪和古新世的砂质黏土层组成 上面有第四纪沉积盖层 发现的气藏赋存于多尔甘岩系的上部 含气层厚度为77m 有效孔隙 度在16 38 范围内变化 剩余含水率在29 59 范围内变化 渗透性系 数在广泛范围内变化 平均为0 3m km2 地层水的矿化度不超过1 05 在 地层条件下自有气体的组成为 甲烷98 6 乙烷0 1 丙烷及更重要组 分0 1 CO20 5 N20 7 气田内多年冻结岩石层厚度为450m 该气田 具有热动力学特性 矿体含气层的温度在8 顶板 12 气 水接触处 间变 化 初始地层压力7 8Mpa 冻土带天然气水合物注热降压开采 22 图图3 6 麦索亚哈气田甲烷水合物稳定层的深度麦索亚哈气田甲烷水合物稳定层的深度 温度带相图温度带相图 3 4 2 麦索亚哈气田矿藏结构 地下温度 地层压力和孔隙水含盐度的区域分析表明 西伯利亚盆地 北部甲烷水合物稳定带的赋存深度大约可达1000m 麦麦索雅哈气田的天 然气层为Pokur组Dolgan层 埋深为720 820m 该气田上部产层 约40m 位 于预测的甲烷水合物稳定带内 根据在麦索雅哈气田钻井中进行的大量地 球物理 热动力学和地球化学的研究结果 确定该气田是由两个矿体 天然 气水合物矿体和天然气矿体 结合而成的 二者之间没有连续的地质屏隔 两个矿体都是气 水接触 含气层厚度为77m 气田内多年冻结岩石层厚度 为450m 该气田具有热动力学特性 矿体含气层的温度在8 顶板 12 气 水接触处 间变化 冻土带天然气水合物注热降压开采 23 图图3 7 麦索亚哈气田矿体产状剖面图麦索亚哈气田矿体产状剖面图 3 4 3 麦索亚哈气田水合物开发过程 麦索亚哈水合物开采主要采用降压开采方法 麦索雅哈气田长期工业 试验开采可分为 5 个阶段 第 阶段 此时地层压力没有降至水合物在天 然气水合物矿体中分解压力以下 这个阶段主要是气驱状态 第 阶段是 气田继续采气阶段 在该阶段 地层压力高于设计压力 实际地层压力高 于设计压力的数值 随压力的下降而增加 这种现象可用地层压力降至低 于平衡压力后天然气水合物迅速分解来解释 在第 阶段 气田的年采气 量继续下降 但地层压力是稳定的 在该阶段内 从气田开采的天然气量等 于水合物在天然气水合物矿体中分解时析出的气体量 在开采 8a 以后 气 田转入了封存阶段 开采的第 阶段 这个阶段持续了 4a 左右 由于地层 压力在封存阶段低于平衡压力 所以天然气水合物矿体中的水合物继续快 速分解 封存阶段的地层压力增大 但当达到当时地层温度下的平衡压力 值之后 地层压力稳定下来 冻土带天然气水合物注热降压开采 24 图图3 8 麦索亚哈气田开采参数变化麦索亚哈气田开采参数变化 从图上可知 在按曲线 1 采气时 地层压力应按曲线 3 下降 然而在 麦索亚哈气田开采时 实际地层压力与设计压力出入很大 这种差距是由 于天然气水合物矿体存在 地层压力降到在地层中形成水合物平衡压力以 下时气体迅速进入天然气水合物矿体内来解释 在气田开采的前 8a 期间 从天然气水合物矿体中采出气体的量 占 21 而在其封存期间 由于水合物的分解 天然气水合物矿体中又进入 了 3117 109m3气体 使下部气藏的压力得以保持 可回收的天然气总量不 断增加 并延长了天然气田的开发期限 该气田的储量估计为 317 4010 1010m3 最可能的储量为 810 1010m3 由于水合物的存在 使气田的储量 增加了 78 气田的最高年产量为 211 109m3 至今已从该气藏的游离气 中大约生产出 810 109m3天然气 从分解的水合物中生产出约 310 109m3 天然气 当初以游离态形式存在的天然气已被采空 现在的所有产量都来 自水合物 冻土带天然气水合物水力压裂开采 25 第 4 章 冻土带天然气水合物水力压裂开采 天然气水合物水力压裂近几年一些专家提出的开采水合物的一种新方 法 通过水力压裂的方法 改变水合物地层的性质 提高地层渗透性 提 高天然气产量 4 1 天然气水合物水力压裂基本原理 这种方法利用高压泵将温度相对较高流体注入水合物储层 在加热储 层同时高压压裂储层 产生人为裂隙 如图 4 1 既可以为分解生成的甲 烷气体提供运移通道 还能降低储层孔隙压力 从而高效开采水合物储层 这种方法注入的热流体提供分解所需热量 同时人为增加储层裂隙 促进 储层压力降低 因此也可以认为是一种强化的综合热激发法与降压法开采 的新方法 图图 4 1 水力压裂法开采水合物示意图水力压裂法开采水合物示意图 4 2 冻土带水合物层水列压裂裂缝形态 地层应力情况是判断水力压裂产生裂缝形态的主要原因 以岩石力学 应力分析对冻土带水合物地层应力分析 冻土带天然气水合物水力压裂开采 26 一般情况 地层中的岩石处于压应力状态 作用在底下岩石某个单元 体上的应力分为垂向应力和水平主应力 可分为两个主应力 z H H HX 作用在单元体上的垂向主应力来自上覆层岩石的重量 它的大小可 HY 以根据密度测井资料计算 一般为 4 1 Zgdz H sz 0 式中 垂向主应力 Pa z 重力加速度 s2 g 上覆层岩石密度 kg m3 s 垂直构造应力 Pa Z 水平地应力由上覆重应力引起的侧压力 由广义的虎 H gdz z s 0 1 克定律导出 与水平构造应力 X 或 Y 相加构成 4 2 Xgdz z sHX 0 1 4 3 Ygdz z sHY 0 1 式中 岩石泊松比 X 方向的水平地应力 HX Y 方向的水平地应力 HY 当地层平缓 无明显构造运动时 X Y 0 Z 0 有 4 4 H sz gdz 0 HYHXH 若考虑上覆地层密度 随地层深度 z 变化不大 可视为常数 则积分 冻土带天然气水合物水力压裂开采 27 式 4 4 得 4 5 gz z 4 6 gz H 1 将垂直地应力与岩石垂向抗张强度相加 水平地应力与岩石的水 z v t H 平抗张强度相加 分别构成垂直挤聚力和水平挤聚 h t z P h P 4 7 v t v tzz gzP 4 8 gzP h tHH 1 压裂产生水平裂缝还是垂直裂缝的判据 就是比较 何者大 z P H P 大的产生水平裂缝 反之产生垂直裂缝 在此假设垂直主应力小于水平 H P 应力 压裂水合物层产生水平裂缝 4 3 冻土带水合物层水力压裂前后气体渗流规律 假设圆形均质等厚地层 中心一口完善井生产 假设水合物分解气体 为稳定渗流 得到标准状况下平面径向天然气流量表达式 22 4 9 w e we fa a r r PP zTP TKh Q ln 22 式中 标准状况的气井产气量 Q 地层厚度 h 令则 fa a zTP T a 4 10 w e we r r PPKh aQ ln 22 冻土带天然气水合物水力压裂开采 28 进行水力压裂后 地层温度没有改变 假设储层产生水平等宽等高的 裂缝 如图所示 图图 4 2 压裂水合物水平裂缝模型压裂水合物水平裂缝模型 如图所示 实线是压裂前的压力分布 虚线是压裂后的压力分布 产 生的裂缝可以理解为地层中出现两次不连续的径向渗透 23 4 11 kha rRQ pp fe rfe ln 0 22 4 12 hka rrQ pp a wf wrf ln 0 22 4 13 h khWk k ff a 则由上式知 冻土带天然气水合物水力压裂开采 29 4 14 a wffe we k rr k rR ha Q pp ln ln 022 则压裂后的产量 4 14 a wffe we k rr k rR pp u ha Q ln ln 22 0 则 4 15 ln ln ln 0 wf a fe we rr k k rR rr Q Q 现在举例分析增产倍数措施 假设水合物地层温度 8 压力8Mpa e P 生产井底流压 8Mpa 有效渗透率 k 为 0 00075 m2 水合物层有效厚度 h 为 10m 有效半径为 1000m 压裂后裂缝渗透率为 8 m2 裂缝宽度取 f k 0 5cm 裂缝区内平均渗透率随裂缝宽度变化曲线 0 0 0005 0 001 0 0015 0 002 0 0025 0 003 00 20 40 60 811 2 裂缝宽度 cm 渗透率k m2 图图 4 3 裂缝区内平均渗透率随裂缝宽度变化曲线裂缝区内平均渗透率随裂缝宽度变化曲线 冻土带天然气水合物水力压裂开采 30 则随着裂缝长度增产倍数关系曲线如下 裂缝长度与增产倍数关系曲线 0 0 5 1 1 5 2 2 5 02004006008001000 裂缝长度 m 增产倍数 图图 4 3 裂缝长度与增产倍数关系曲线裂缝长度与增产倍数关系曲线 由上分析水力压裂产量对水合物产生天然气增产效果比较好 增产倍 数与裂缝长度 宽度 裂缝导流能力所影响 结论 31 第 5 章 结 论 本论文通过对冻土带水合物研究 论文分析了冻土带的分布地域以及 冻土带厚度 分析了水合物在冻土带分部范围 提出了天然气水合物几种 常见的成矿模式 分析了常见冻土带水合物开采方法 最后对水力压裂开 采法进行分析 得到以下主要结论 1 天然气水合物层埋深起到决定性影响的客观条件是冻土层的年平 均温度和融土层的地温梯度 长期观测所得数据显示 青藏高原绝大 cp t t g 部分位于盆地地区多年冻土 其冻土层年平均温度介于 0 5 3 之间 cp t 多年冻土厚度介于25 200m之间 2 多年冻土区天然气水合物形成 最重要的因素是地热梯度 气体 组分 孔隙流体盐度 孔隙压力等 其中地热梯度和气体组分最为重要 天然气水合物温度 压力平衡公式计算显示 最浅的水合物层顶界埋深约 为 74m 最深的底界埋深有约到上千米 3 目前冻土带水合物地质模式主要以下几种模式块状水合物 层状 或片状水合物 分散状水合物 透镜体水合物 4 降压法经济成本较低 简单易行 适合大面积开采 尤其适用于 存在下伏游离气层的天然气水合物藏的开采 因而其可能成为未来水合物 商业开发的有效方法之一 5 水力压裂产量对水合物产生天然气增产效果比较好 增产倍数与 裂缝长度 宽度 裂缝导流能力所影响 中国石油大学 华东 本科毕业设计 论文 32 致 谢 在论文即将完成之际 首先对我的指导老师张卫东老师表达由衷的敬 意和真诚的感谢 在我本科学习阶段和论文写作过程中 老师的优良作风与人格魅力给 我留下了深刻的印象 张老师渊博的学识一丝不苟的严谨态度对我本科阶 段学习工作的态度产生了重大影响 并将对我今后的工作 生活带来激励 张老师在对我论文指导上更是提出了许多宝贵的意见 尽管在百忙中 也 不忘检查指导论文修改 同时我也要感谢在我本科期间所有关心和帮助我 的老师 他们诲人不倦的教学态度 给我学习帮助很大 还要感谢师兄师 姐对我论文修改提出的宝