天然氣水合物鉆探的關(guān)鍵技術(shù)

姚彤寶

(中國煤炭地質(zhì)總局 北京 100039)

1 前言

我國在青海省祁連山南緣永久凍土帶成功鉆獲天然氣水合物實物樣品的消息一經(jīng)發(fā)布,立即引起業(yè)界廣泛興趣。徐水師等學(xué)者合作完成的“青海木里地區(qū)多能源資源綜合研究”項目表明,僅木里煤田天然氣以水合物狀態(tài)存在的資源量就達1.483946×1012m3,即便考慮氣體的逸散率和地層孔隙率等因素,天然氣水合物可釋放的天然氣總量也可達(2.710 92～2.991 36)×1011m3。該項目通過剖析、研究高原凍土帶地區(qū)水合物的成因和賦存狀態(tài),提出了煤礦床、煤層氣藏、“煤型氣源”天然氣水合物三位一體的廣義煤炭資源的概念,并針對木里煤田的自然地理環(huán)境提出了煤炭、煤層氣、天然氣水合物科學(xué)規(guī)劃、統(tǒng)一開發(fā)的思路,對我國在高原地區(qū)開展環(huán)境保護和尋找天然氣水合物工作具有重大科學(xué)意義和實踐價值。

盡管通過地質(zhì)研究和勘查能夠圈定天然氣水合物異常區(qū)域,但從全球范圍來看,國內(nèi)外眾多學(xué)者才測算的地球上天然氣水合物的資源總量或局部區(qū)域的資源量的結(jié)果相差可達3個數(shù)量級以上。查明天然氣水合物的生成、運移及富集成藏的地質(zhì)條件成為準(zhǔn)確估算天然氣水合物資源量的關(guān)鍵點。由于能直觀、真實、有效地揭露水合物賦存狀態(tài),并為水合物的生成、運移等研究提供通道,鉆探技術(shù)成為國內(nèi)外天然氣水合物勘查與研究的必要手段之一。本文根據(jù)天然氣水合物的熱物理力學(xué)特性,通過計算機模擬0℃以上甲烷水合物和二氧化碳水合物在不同溫度-壓力條件下的分解過程,探討了天然氣水合物鉆探的關(guān)鍵技術(shù),針對青藏高原高寒永凍地區(qū),給出了天然氣水合物鉆探技術(shù)的初步建議。

2 天然氣水合物鉆探技術(shù)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有成果表明,天然氣水合物既可形成于天然氣富集處,低溫、高壓環(huán)境下的海底沉積物中,也可形成于大陸上的永久凍土帶內(nèi)。目前已證實,在太平洋、大西洋、印度洋的大陸坡、海盆、海槽、海底高原,及俄羅斯西伯利亞凍土帶、美國阿拉斯加永久凍土帶中均發(fā)現(xiàn)天然氣(甲烷)水合物。

天然氣水合物的形成和聚集受控于溫度、壓力、孔隙水成分和氣源等四個主要因素。自然界天然氣水合物只存在于低溫、高壓的條件下,且在常溫常壓下,天然氣水合物將會分解為水和氣體。經(jīng)測算,1體積氣水合物晶體在常溫常壓下可分解出164體積的CH4和0.8體積的水。天然氣水合物是水和天然氣(輕烴類,主要為甲烷 CH4,也有少量的乙烷C2H6、CO2及 H2S等)的冰狀結(jié)晶化合物,水合物中的 H2O在天然氣分子周圍形成特殊的籠型結(jié)構(gòu),典型的分子是CH4(H2O)n,其中n的典型區(qū)間為6～9。對研究者來說,常溫常壓條件下獲取天然氣水合物的實物樣品就顯得十分珍貴。

天然氣水合物作為一種清潔能源,且儲量巨大,對其相關(guān)技術(shù)的研究與開發(fā)引起全球很多國家的關(guān)注。其中,美國、德國、日本、加拿大、俄羅斯、印度和挪威等國均制定了天然氣水合物相關(guān)的開發(fā)計劃,并納入了國家能源戰(zhàn)略。我國從20世紀(jì)80年代開始,全面地研究了天然氣水合物的勘探、開發(fā)及環(huán)境等問題。國內(nèi)外研究者們一致認(rèn)為,鉆探取樣是了解水合物儲藏條件最直接的手段之一,也是計算儲量和制定開發(fā)方案的重要依據(jù)。

國際深海鉆探計劃(DSDP)及其后續(xù)的國際大洋鉆探計劃(ODP)多航次鉆探取樣過程中,先后使用了保壓取樣筒 PCB、保壓取心器 PCS、活塞取樣器APC、日本研制的 PTCS和歐盟研發(fā)的 H YACE等設(shè)備來獲取天然氣水合物實物樣品。國內(nèi)研究者在借鑒上述成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,廣泛開展了針對海底天然氣水合物取樣技術(shù)研究,研制并完善了重力、靜壓、沖擊和回轉(zhuǎn)等工藝的鉆探取樣方法。此外,郭威等還研究應(yīng)用冰凍取樣工藝方法獲取天然氣水合物實物樣品。大慶油田研制了M Y-215保壓取心工具,四川海洋特種技術(shù)研究所與青島海洋所聯(lián)合研制了天然氣水合物深水淺孔保溫保壓取心鉆具,這些工具主要靠重力貫入海底沉積物來鉆獲樣品。浙江大學(xué)依托國家項目研究應(yīng)用重力活塞取樣器獲取海底30m以淺天然氣水合物樣品。中國石化與上海交通大學(xué)、中國石油大學(xué)(華東)和四川海洋特種技術(shù)研究所等多家單位聯(lián)合開展了天然氣水合物鉆探取心關(guān)鍵技術(shù)研究,取得了一定的成果,推動了國內(nèi)深水深孔沉積物取樣技術(shù)的發(fā)展。

近年來,我國已成功在中國南海和青海木里通過鉆探手段獲取到天然氣水合物實物樣品。然而,國內(nèi)研究陸域天然氣水合物鉆探取樣技術(shù)的機構(gòu)或組織則相對較少。張永勤等提出應(yīng)用繩索取心技術(shù)+保溫保壓取樣相結(jié)合的辦法來鉆獲陸域天然氣水合物。雖通過木里地區(qū)鉆探實踐,驗證了該工藝方法的技術(shù)可行性,推動了陸域天然氣水合物取樣技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。但須承認(rèn),日、美、德等國的研究水平仍有一定優(yōu)勢,相應(yīng)配套的工藝方法和鉆探體系仍待繼續(xù)研究、完善。

3 天然氣水合物熱物理力學(xué)性質(zhì)

天然氣水合物特殊的熱物理力學(xué)性質(zhì)決定其鉆探技術(shù)的特殊性,這也從根本上限制著天然氣水合物鉆探技術(shù)的研究與發(fā)展。因此,準(zhǔn)確掌握天然氣水合物的熱物理特性是把握鉆探技術(shù)的根本。本文擬根據(jù)天然氣水合物的熱物理力學(xué)特性,展開天然氣水合物鉆探技術(shù)研究,并針對青藏高原高寒永凍地區(qū),給出天然氣水合物鉆探技術(shù)的合理化建議。

Clarke等認(rèn)為,單一氣體水合物顆粒的分解經(jīng)由兩個相繼的過程,即先發(fā)生包絡(luò)化合物水分子晶格破裂而隨后發(fā)生晶格內(nèi)氣體分子脫附,且分解過程自水合物顆粒表面開始。事實上,混合氣體水合物的結(jié)構(gòu)與單一氣體水合物并沒有本質(zhì)的區(qū)別,也即CH4和其它氣體組成的混合氣體水合物顆粒的分解與甲烷氣體水合物的分解遵循同樣的步驟,即先晶格破裂后氣體分子脫附。因此,甲烷等氣體的混合氣體水合物的分解速率可以表述為:

基于上述認(rèn)識,筆者做了如下假定:(1)氣體水合物晶格、晶形一致;(2)同一溫度下,同種分子分解前后范德華力變化一致;(3)水合物晶體依照由表及里、由外至內(nèi)逐漸分解;(4)分解后的氣體部分以飽和態(tài)溶于分解后的液態(tài)水中,分解的水始終處于液態(tài);(5)水合物的分解是瞬態(tài)完成的。在假定基礎(chǔ)上,通過計算機模擬軟件分別對甲烷水合物和二氧化碳水合物進行了0℃以上的模擬分解實驗。而事實上水合物分解是吸熱的過程,將會降低水合物分解的“環(huán)境”溫度,本次模擬中并沒有考慮吸熱對分解的影響,而是假定了水合物在設(shè)定溫度下分解,且將分解的壓力P視為溫度 T的函數(shù)。圖1為甲烷水合物和二氧化碳水合物分解模擬得到的P-T平衡相圖。

圖1 甲烷水合物和二氧化碳水合物分解P-T平衡相圖

圖1中,曲線表征水合物分解的臨界狀態(tài),即在曲線下方區(qū)域所代表的條件下水合物便分解為水和氣體,而在其上方時,則不分解。由圖1可以看出:(1)保持水合物樣品不分解所需的壓力隨溫度升高而升高,而壓力隨溫度升高更趨明顯;(2)與二氧化碳水合物相比,保持甲烷水合物不分解的條件更苛刻;(3)在較低溫度范圍內(nèi)(0～10℃),保持甲烷水合物不分解所需的壓力與溫度呈現(xiàn)近線性趨勢。同時,模擬數(shù)據(jù)顯示,保持甲烷水合物不分解的平衡壓力在+0℃時不超過3M Pa,6℃時約為5M Pa。這也與實際情況比較吻合。需要說明的是,上述認(rèn)識是假定天然氣水合物在純水條件下分解得到的,分解過程不受其它介質(zhì)(如泥漿、地下水)的影響,這與實際情況并不完全相符。

由于海水鹽度或礦化度(溶液中極性粒子的增加)一定程度上能提高氣體的溶解度,利于甲烷水合物的分解,國內(nèi)外學(xué)者們對天然氣水合物在其它介質(zhì)中分解的研究也產(chǎn)生了廣泛的關(guān)注,但目前仍未有得到定量的結(jié)論。雷懷彥等在研究海水中甲烷水合物的分解時認(rèn)為,甲烷水合物的不穩(wěn)定性決定了其在海水中的溶解和分解,這兩種方式也是維持海底甲烷氣動態(tài)存儲與排泄平衡的主要途徑。甲烷水合物在穩(wěn)定存在的溫壓條件下,當(dāng)海水中甲烷溶解不飽和時,就發(fā)生溶解,當(dāng)海水中溶解的甲烷達到過飽和時,就會沉淀聚集、凝結(jié)形成甲烷水合物;而當(dāng)其所處的溫壓條件由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠€(wěn)態(tài)時,就分解生成甲烷氣體和水。

然而,上述分析過程中甲烷水合物被置于完全開放系統(tǒng)中,且沒有指出溶解與分解的主次關(guān)系。但可以肯定的是,無論水存在與否,水合物都會發(fā)生分解,且分解過程要比溶解過程更快?？梢栽O(shè)想,當(dāng)處于非穩(wěn)態(tài)條件之下,甲烷水合物的溶解和分解開始時都將存在,若被置于相對封閉系統(tǒng)中,由于氣體極低的溶解度,系統(tǒng)溶解將很快因達到飽和而中止,但分解還將繼續(xù)。

因此,無論甲烷水合物分解時處于何種條件,其分解均可認(rèn)為是一個氣相、液相和水合物相同時存在的復(fù)雜動力學(xué)過程。筆者基于甲烷天然氣水合物熱物理特性模擬試驗所得出的結(jié)論仍是適用的。只有依據(jù)并利用好天然氣水合物的熱物理力學(xué)特性,才能從根本上促進天然氣水合物鉆探技術(shù)的發(fā)展,發(fā)揮出這項技術(shù)的最大功用。

4 天然氣水合物鉆探技術(shù)關(guān)鍵探討

簡言之,天然氣水合物的熱物理特性表現(xiàn)為在低溫高壓下存在,而在常溫常壓分解出大量氣體和液態(tài)水。鑒于當(dāng)前尚未在區(qū)域上大范圍地鉆獲天然氣水合物樣品,也即存在還要從工作手段上提高資源可靠性的客觀現(xiàn)實,天然氣水合物鉆探技術(shù)所要解決的問題主要包括:取心取樣技術(shù)、循環(huán)介質(zhì)、低溫鉆進技術(shù)參數(shù)和工藝方法等。

理論上,天然氣水合物晶體能夠以較大尺寸在自然環(huán)境中存在,但現(xiàn)有鉆探成果表明,天然氣水合物晶體主要以客體形式充填于沉積層的孔隙之中,天然氣水合物粒度相對較小。天然氣水合物鉆探取心取樣技術(shù)的難點在于巖(樣)心鉆取后會發(fā)生分解,若不采取一定措施,鉆探取樣后難于保存和直接觀測。當(dāng)前國內(nèi)研究天然氣水合物鉆探取心取樣技術(shù)時,保溫保壓取心取樣鉆具的研制思路多以保壓為主、保溫為輔,取樣器通常保壓參數(shù)設(shè)計在20M Pa以上,甚至達到40M Pa。這個壓力幾乎高于常溫下天然氣水合物保持不分解的壓力,也就增加了功能實現(xiàn)的難度。而模擬結(jié)果表明,降低天然氣水合物鉆探的工作溫度,可以大幅降低取心取樣鉆具的保壓設(shè)計值。因此,依據(jù)天然氣水合物的熱物理特性,設(shè)計出更為合理的取心取樣鉆具,這將是天然氣水合物取心取樣技術(shù)的重點。

如上所述,天然氣水合物的熱物理力學(xué)性質(zhì)表明降低溫度有利于保持其不分解,而天然氣水合物分解本身吸熱制冷的過程,這種制冷效應(yīng)就使得天然氣水合物具備自我保持穩(wěn)定、不分解的特性。在青藏高原高寒地區(qū),天然氣水合物賦存于永凍層下,鉆遇地層平均溫度也低于冰點,并且由于分解吸熱作用,勢必溫度將降得更低。這就要求循環(huán)介質(zhì)要具有耐低溫、抗蝕變性能之外,并具有能夠抑制水合物分解和環(huán)境友好的特性。常規(guī)耐低溫泥漿的耐溫性在冰點之上,當(dāng)溫度低于冰點,泥漿的黏度、剪切力等參數(shù)將大幅惡化,其潤滑、排渣能力相應(yīng)也急劇降低。況且,青藏高原地區(qū)環(huán)境消融能力較差,一旦發(fā)生泥漿污染地層或地下水,環(huán)境恢復(fù)將極其緩慢,甚至可能導(dǎo)致災(zāi)難性事故。另外,由于泥漿中人為添加的處理劑或地層中礦物質(zhì)的溶解,可能增加了泥漿中離子濃度從而促使天然氣水合物的分解。因此,研制特殊的耐低溫環(huán)保型泥漿是天然氣水合物鉆探的技術(shù)核心。

低溫鉆進一般認(rèn)為是循環(huán)介質(zhì)在低于常溫下的鉆探實踐,對于水基泥漿往往在0℃以上,僅在凍土區(qū)和海底天然氣水合物鉆探中被提及,但業(yè)內(nèi)尚未給出明確的界定。毋庸置疑的是,天然氣水合物鉆探技術(shù)應(yīng)被視為低溫鉆進技術(shù),但其特殊之處在于溫度可以低至0℃以下。在低溫條件下,設(shè)備的冷脆性放大,機械力學(xué)性能也變差,尤其在青藏高原高寒空氣稀薄地區(qū),鉆進技術(shù)參數(shù)和工藝方法必然要求做出相應(yīng)的調(diào)整。天然氣水合物被永凍層圈閉以沉積相賦存于地層孔隙之中,由于沉積地層可鉆性通常小于V級,考慮完整取心取樣要求,硬質(zhì)合金回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)是較適宜的。若配合繩索鉆探技術(shù)效果會更好。傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進主要技術(shù)參數(shù)包括:轉(zhuǎn)速(n)、鉆壓(p)和沖洗液量(Q)。天然氣水合物鉆探與其它礦產(chǎn)資源鉆探一樣,最根本目的在于安全、快速地成孔至目的地層,但因永凍地層中水以固態(tài)冰的形式存在,對鉆探將產(chǎn)生“粘滯”作用,不適宜采用較高的轉(zhuǎn)速n,鉆壓p也宜選用小值。而當(dāng)取心取樣鉆探時,孔內(nèi)產(chǎn)生的巖粉量較少,又要避免沖洗液對巖樣心的沖蝕,應(yīng)采用小泵量、低流速,并可結(jié)合多層管取心鉆具;而當(dāng)全面鉆進時,則宜采用大泵量、高流速,甚至可考慮反循環(huán)鉆進技術(shù)。

5 結(jié)論與建議

天然氣水合物鉆探技術(shù)所要解決的問題主要包括:取心取樣技術(shù)、循環(huán)介質(zhì)、低溫鉆進技術(shù)參數(shù)和工藝方法等。通過筆者對天然氣水合物熱物理力學(xué)性質(zhì)的模擬研究表明,在較低溫度范圍內(nèi)(0～10℃),保持甲烷水合物不分解所需的壓力與溫度呈現(xiàn)近線性趨勢,同時認(rèn)為降低溫度更有利于抑制甲烷水合物分解?；谶@種熱物理力學(xué)性質(zhì),結(jié)合青藏高原永凍區(qū)天然氣水合鉆探實際,得到如下認(rèn)識:

(1)天然氣水合物取心取樣技術(shù)研究中,保溫保壓取心取樣鉆具的研制思路應(yīng)以保溫或降溫為主、保壓為輔;

(2)天然氣水合物鉆探循環(huán)介質(zhì)應(yīng)具備耐低溫、抗蝕變、環(huán)境友好等特性之外,應(yīng)能夠?qū)μ烊粴馑衔锓纸馄鸬揭种谱饔?

(3)在青藏高原永凍地層中天然氣水合物開展取心取樣鉆探時,應(yīng)采用低轉(zhuǎn)速、低鉆壓和低泵量,并宜結(jié)合多層管取心鉆具。

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