天然气水合物作为能源的前景和挑战综述(二 )

张晓华 译  项仁杰,邵明娟 审

本文第二部分系统介绍了全球5个重要的天然气水合物现场开采试验,并从环境影响评价、自然界水合物的力学强度以及利用水合物储层封存二氧化碳等领域对水合物研究的前景和挑战进行了比较深入的讨论。

5 野外试验

5.1 Messoyakha气田

在西伯利亚边上北极圈内的Messoyakha气田从1969年开始产气。到目前为止,气田的累积产气量12.9×109m3,其中5.4×109 m3是通过降压法使水合物分解得到的。然而,实际储层出水量至少比预计的在水合物分解过程中的产水量低3个数量级。

5.2 Mount Elbert井(阿拉斯加)

据Collett TS估算,该地区存在2.4万亿立方米尚未发现的技术可采性水合物资源。美国地质调查局2007年钻探了一口地层探井,用来评价北坡水合物技术经济可采的水合物资源潜力,岩心数据与钻前的预测一致。

5.3 马利克水合物测试点(加拿大)

2007—2008年,来自日本石油天然气和金属国家公司(JOGMEC)、加拿大自然资源和Aurora的研究人员用降压法进行了生产测试。使用交错降压至4.5MPa,经过6天时间,产出天然气和水并输送至地表。但是,经过一段时间,随着水合物的分解,导管开始收缩变形,从而导致开采速率的下降。
图1
图1 天然气水合物资源开展试验的位置(图片来源于美国地质调查局)

5.4 Ignik Sikumi气田试验

阿拉斯加北部斜坡的Ignik Sikumi 天然气水合物田在2012年首次成功完成了利用二氧化碳生产甲烷水合物的野外测试。康菲石油公司的研究者与日本JOGMEC的合作者向含水合物的目标层注入了大约210,000标准立方英尺的烟气(23%二氧化碳与77%氮气的混合物)。在整个开采阶段,包括后续6个星期的气体回收,共开采了855MSCF的甲烷。

5.5 MH-21(日本南海海槽)

JOGMEC一直致力于在日本中部太平洋岸线外南海海槽的海底沉积中寻找甲烷水合物。2013年,用降压法完成了世界上第一个海上生产测试。海上天然气开采持续了6天,产气量120000m3,与陆上同样运用降压法开采的Mallik油田相比,南海海槽的平均日产气率几乎是同一量级。

5.6 野外测试总结及未来发展路线图

到目前为止,只有一个气田测试采用的是注热法,其它气田都使用降压法。我们还发现,随着测试的进展,天然气产量在增加,但除在阿拉斯加的甲烷-二氧化碳置换测试外,其它试验均没有超过6天。开采过程中出砂和水的问题以及沉积物的低渗透性,都是开采不能长期持续的制约因素。
图2
图2 天然气水合物的发展路径(图片来自于美国地质调查局)

6 天然气水合物研究的前景和挑战

6.1 环境影响评价

根据 100 多年的全球变暖潜势(GWP),甲烷是比二氧化碳更有潜力的温室气体。考虑到自然界中以水合物形式存在的巨量甲烷,一些研究提出了“笼形水合物喷射” 假设。研究认为,海洋变暖使甲烷水合物大量分解,导致大量的甲烷排入大气层,这个问题很重要。

6.2 自然界水合物的力学强度

水合物开采面临的另一个问题是,由于水合物分解,海底沉积物强度减弱引起海底下沉和滑坡。水合物储层的块体性质很大程度上取决于水合物在孔隙介质中如何分布。通过一系列研究发现,含水合物沉积物的特性不同条件下各不相同。因此,需要进一步认识自然界天然气水合物的力学特性。

6.3 利用地质水合物层存储二氧化碳

早期提出的以液态形式存储二氧化碳存在随着流体流动会泄漏这一缺点,而以水合物形式存储二氧化碳可以解决流体流动的问题,因为以固态水合物相存储的二氧化碳移动性很低。虽然碳捕获的重要性已经强调了数十年,但是二氧化碳捕获和隔离活动的商业规模还没实现。阻碍二氧化碳捕获和隔离技术应用的不利条件是成本顾虑。

6.4 经济分析

除技术研究以外,从水合物中开采天然气的可行性还取决于经济可行性。从水合物中开采甲烷的经济可行性很大程度上取决于于从其他资源(常规储量、页岩气)中开采的天然气的价格。

7 结论

本文论述了水合物开采技术现状、世界相关研究进展,并提出天然气水合物相关的研究方向。除了由巨大的水合物资源中提取甲烷外,还论述了隔离二氧化碳的巨大潜力。在现有的天然气水合物区域,捕获二氧化碳作为孔隙沉积物中水合物,使其成为安全的二氧化碳迁移方法。目前,为了实现天然气水合物产气需要进一步的现场测试和持续长期每天大约 20000-30000 立方米气体产率的技术商业化道路。当没有由水合物开采或生产甲烷的技术封锁时,具体的技术突破将取决于开采过程中出砂和水的有效管理以及对环境危害的有效减少。

  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[J]. Applied Energy, 2015, in press.

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