天然气水合物作为能源的前景和挑战(一)

张晓华 译 项仁杰 审

虽然多项研究均表明,通过二氧化碳置换可以从水合物开采天然气,但是这一过程背后的理论是复杂的,仍有许多挑战需要克服。这些挑战大多与水合物的形成和分解动力学有关。我们需要关注的事项包括:(1)深入认识置换反应的发生机制;(2)二氧化碳注入过程的甲烷开采动力学;(3)二氧化碳水合物形成动力学;(4)认识置换过程中的热量和物质传递;(5)开展储层数值模拟。

1. 概述

本文对有关开发、环境影响、战略意义、最新发展水平等各个方面进行回顾,同时介绍现在已经完成的野外试采,如最新的南海海槽和阿拉斯加试采,最后提出天然气水合物未来的方向以及水合物调查面临的挑战。

2. 天然气水合物

已识别的水合物主要有3种结构:立方结构I(sI),立方结构II(sII)和六角形结构(sH)。天然气水合物中的烃类气体主要有两种成因:生物成因和热成因。自然界中的水合物大多数为sI型结构,目前发现于墨西哥湾、郁陵盆地、南海海槽和中国南海等地。热成因水合物多为sII或sH型结构,存在于温度更高的条件下,此类水合物多分布于墨西哥湾、里海和卡斯卡迪亚北部陆缘等海域。天然气水合物的发现主要通过两种方式:直接取样和间接推测(通过地震数据)。

3. 开采技术

天然气水合物的开发技术主要是为这些气体提供运移通道,如水力压裂法。除了要产生气体流动的通道外,将甲烷气从水合物中释放的技术还包括天然气水合物原位分解。促使甲烷水合物分解最常用的3项研究技术为注热法、降压法和抑制剂注入法(图1)。
图1
图1 常见的甲烷水合物开采方法示意图

注:红色为注热法、降压法及其组合法;蓝色为抑制剂注入法;绿色为甲烷-二氧化碳置换法。

3.1 注热法

注热法就是天然气水合物在原位受热,温度升高,导致水合物偏离稳定带。当水合物分解时,圈闭的气体从水分子笼释放,并沿着井孔流动,从而被采出。当水合物在低于冰点的温度(<273.2K)分解时,虽然位于水合物稳定带边界之外,但水合物分解速率明显降低,这种“自保护现象”可能妨碍注热或降压开采方法。

最直接的注热法是对水合物层位注入热水或热盐水。然而,这种方法在热流从地表或海底到达水合物层时容易造成大量的热损失,因此该方法并不能作为有效的注热法,促使人们开发出注热法的替换方法:电磁加热和原位燃烧。

3.2 降压法

降压法通过将水合物沉积物压力降低至当地温度条件下水合物平衡压力之下,来实现气体开采。在能量需求方面,降压法相对于注热法消耗较少的能量。

研究证实,原位条件对水合物储层产气率的影响很大;井孔压力越低,采收速度越快;通过降压法进行的水合物分解是逐层发生的,与注热法和化学抑制剂注入法相比,降压开采速度较慢。

3.3 化学抑制剂注入法

相对于注热法和降压法,化学抑制法作为一种开发方法研究的相对较少。注入化学抑制剂通过将相平衡曲线向更高的压力和更低的温度偏移,促使自然条件下的水合物分解。抑制剂有两种主要类型:改变水合物平衡条件的热力学抑制剂和降低水合物生成速率的动力学抑制剂。热力学抑制剂用于气体开采特别有意义。两种最常用的热力学抑制剂是甲醇和乙二醇。此外,可注入水合物层开采天然气的另一种化学剂是众所周知的温室气体——二氧化碳。

3.4 组合方法

降压法尽管被认为是能效最好的方法,但产气率低;注热法和化学剂注入为了加热注入流体和将抑制剂压入水合物沉积层,需要较高的能量。因此普遍认为这些技术的组合可以提高产气效率。例如蒸汽吞吐法即是在一口垂向井中将注热和降压相结合的组合方法。但这些组合方法会影响到原位水合物的分解,可能会破坏海底,导致甲烷释放。

4. 注入二氧化碳及甲烷—二氧化碳置换过程

分子动力学研究证明了二氧化碳对甲烷水合物的置换反应的热力学可行性。建立富二氧化碳的环境,通过二氧化碳反应采收天然气的可行性在增加(图2)。
图2
图2 二氧化碳回收及从天然气水合物中开采甲烷的可持续方法

置换过程的研究最初是基于纯水条件下的块状水合物,没有考虑多孔介质以及海水的影响。研究得出的结论是:在水合物中用二氧化碳置换甲烷,从热力学和动力学两方面考虑都是可行的。水合物的粒径大小对整个置换过程具有重要影响,再一次提出物质传递限制是置换过程中的主要障碍。

需要指出的是,迄今为止,在块状水合物或松散的多孔介质中进行的实验都未能取得较高的甲烷回收率。虽然不同的研究都表明通过二氧化碳置换可以开采天然气,但是这一过程背后的理论是复杂的,仍有许多挑战需要阐明。这些挑战大多与水合物的形成和分解的动力学有关。

(未完待续)

资料来源:Chong Z R, Yang S H B, Babu P, et al. Review of natural gas hydrates as an energy resource: Prospects and challenges. Applied Energy, 2015, in press.

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