利用高能气体压裂技术开采天然气水合物可行性分析

第11卷第3期重庆科技学院学报（自然科学版）2009年6月
收稿日期：2008-12-19
作者简介：祝道平（1982-），男，湖北广水人，中国石油大学在读硕士研究生，研究方向为油气藏工程以及油气藏数值模拟。

20世纪30年代,俄罗斯远东地区的天然气输送
管道遇到了堵塞问题,研究表明这是由自然条件下形成的天然气水合物造成的。

据此,前苏联学者预测自然界存在天然气水合物,并于60年代在北极圈附近通过探测证实其大量赋存,引起了有关国家和学者的极大重视[1]。

天然气水合物是一种新型洁净能源，其蕴藏量约为现有地球化石燃料（石油、天然气和煤）含碳量总和的两倍[2，3]，开发天然气水合物对缓解人类面临的能源枯竭危机具有举足轻重的作用[4]。

为了进行天然气水合物的调查和研究,美国、日本、俄罗斯、英国、德国、印度等国家相继投入巨资进行勘测,取得了丰硕的研究成果,并掀起了天然气水合物研究热潮。

日本与美国分别计划于2015年和
2016年实现天然气水合物的商业性开采[5]。

我国已经
从最初的跟踪国际进展发展到目前的自主创新[6，8]，于2007年5月成功的在南海取得了天然气水合物岩心样品，成为世界上第四个取得水合物样品的国家。

1天然气水合物的开采方法
天然气水合物的开发思路是首先考虑如何使蕴藏在沉积物中的天然气水合物分解,然后再将天然气采至地面[9]。

目前提出的各种方法也主要是集中在升高温度、降低压力等打破水和物相平衡的措施，从而使水合物分解释放出气体。

天然气水合物的开采目前还只处于实验与探讨阶段。

对天然气水合物藏进行大规模商业开采,还有
待于开采理论的进一步完善与开采技术的提高。

此外,还要解决开采所面临的环境问题[10]。

试采研究是天然气水合物走向商业开采的关键环节。

已进行的试采研究集中于陆上冻土区,与海域环境相比,冻土区的天然气水合物赋存于较低的温压条件下,在开采工艺与作业施工方面都更适于开采研究。

我国青藏高原等地的多年冻土层具有天然气水合物成藏条件,应积极加强冻土区天然气水合物的勘探,掌握天然气水合物的分布规律、赋存状态、资源潜量等相关信息,为实施我国天然气水合物试采研究创造条件[10]。

目前已经提出的水合物开采方法有：（1）热分解法[11，12],即在一定压力下，提高水合物矿藏的温度到水合物相平衡温度以上；（2）降压分解法[13，14]，即在一定温度下，降低水合物矿藏的压力到水合物相平衡压力以下；（3）注入化学剂法[15]，即通过注入抑制剂如甲醇等以改变水合物的相平衡温度和压力；（4）
CO 2置换法[16，17]，即通过注入液态CO 2，将水合物中的
天然气置换出来，形成CO 2水合物，以永久储存CO 2；（5）气力提升法[9]，这是日本学者提出的一种全新的开采方法，即将水合物以固态形式从海底提升上来而不是原地分解。

各种开采方法比较如下[18]：
加注热水：优点是作用速度较快；缺点是会造成大量的热损失，效率很低，特别是永冻区，即使用绝热管道，永冻层也会减少传给储积层的有效热量。

摘要：天然气水合物是一种新型洁净能源，其蕴藏量约为现有地球化石燃料含碳量总和的两倍，天然气水合物资源开发已经引起了全世界的关注。

提出了先利用高能气体压裂技术对储层进行压裂后再结合电磁加热或降压法开采，或者利用加热法和降压法结合开采的思路，以期达到经济有效开采的目的。

关键词：天然气水合物；开采；高能气体压裂中图分类号：TE357
文献标识码：A
文章编号：1673-1980（2009）03-0037-03
利用高能气体压裂技术开采天然气水合物可行性分析
祝道平宁正福
（中国石油大学，北京102249）
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电磁加热：优点是作用速度快；缺点是设备较复杂，需要大面积进行加热，有一定的热浪费。

微波加热[19]：优点是作用速度快，设备简单，灵活性高；缺点是缺乏大功率磁控管，技术难度大。

减压法：优点是不需要昂贵的连续刺激，成本低；缺点是作用缓慢，效率低。

化学抑制剂法：优点是方法简单，使用方便；缺点是费用昂贵，作用缓慢，不宜在开采大洋水合物时使用。

从以上各种方法的对比看出，单纯采用某一种方法来开采天然气水合物是不经济的，这就要求提出新的方法或者将不同方法的优点结合才能达到对天然气水和物经济有效的开采。

因此，本文提出对水合物储层先利用高能气体压裂后再用电磁加热法或降压法开采，或者利用加热法和降压法结合开采。

2高能气体压裂工艺技术
2.1基本原理
高能气体压裂的基本原理就是利用火药或推进剂的燃烧，产生脉冲加载并控制压力上升速度，使释放的大量高温高压气体作用于井壁岩石上，压开径向裂缝体系，沟通地层喉道和天然微裂缝，解除近井地带的有机物堵塞，提高井筒附近地层的导流能力，从而达到增产增注的目的。

2.2工艺特点
与水力压裂、爆炸压裂相比，高能气体压裂技术突出的特点和优势是：
（1）无需用大型昂贵的压裂设备和车辆以及大量的压裂液和支撑剂等，费用低廉。

（2）工艺简便易行，周期短，对油层无污染，压裂后不需排液等措施，无污水返排问题，有利于环境保护。

（3）压裂增产机理独特，连通天然微细裂缝的可能性较大。

（4）技术适用面广。

既可用于油、气、水井的近井地带解堵，又可用来形成新裂缝，也能与其他增产措施结合形成综合增产措施。

尤其适用于气井和不宜采用水力压裂或酸化的水敏及酸敏油气层。

（5）能量释放是可控的，可通过优化系统设计，控制压力—时间（P-T）过程，达到保护套管的目的。

（6）推进剂燃烧产生的CO
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气体不会污染地层,对水敏性、酸敏性或盐敏性地层均适用。

（7）热效应。

爆压时火药燃烧释放出大量热量,一般能达到600～800℃,在绝热条件下使气体温度达1000℃以上,而且相对集中，这些热量可溶解近井地带的蜡质和沥青质，解除油层孔道的堵塞,改善地层流体的物性和流态，加快原油向井底的流动速度,提高储层的驱油效率。

以上优点,还使得高能气体压裂在油田滚动勘探开发中，在交通运输条件不方便地区，以及环境保护敏感地区的油田开发中，具有极大的吸引力。

高能气体压裂对于那些接近枯竭的油、气井更为适宜。

2.3适用范围
高能气体压裂较适用于下列情况：
（1）天然气井。

对气井进行水力压裂将会因压裂液大量进入地层而产生两相流动，进而引起气锁等不利因素，不但不能增产，相反会严重影响气井的产量；而高能气体压裂因其独特的压裂增产机理，完全可以克服以上不利因素，达到改造气藏、提高气井产量的目的。

（2）高能气体压裂的工作介质是处于高温、高压下的N2、NO、NO2、CO、CO2和水蒸汽，这些热气体可以清除近井地带的沥青质、蜡质和其他机械杂质的堵塞。

（3）水敏、酸敏油气层的改造。

高能气体压裂的作用介质是气体，它对地层几乎没有污染，这个优越性在水敏、酸敏油气层尤为突出。

（4）戈壁、沙漠、滩海等区域油气的增产处理。

在这些地区，道路、井场、水源等施工条件受限制，不适合其他工艺复杂的增产措施，而高能气体压裂工艺以其简便、施工设备少以及对施工条件要求低的优点而能在这些区域较大程度地发挥作用。

（5）高能气体压裂适用于中、高渗透污染油藏和中低渗透裂缝较发育的灰岩、砂岩油藏,而对于岩性致密的油藏或泥质过多的油藏不太适用。

3高能气体压裂开发水合物的可行性
地球上的天然气水合物蕴藏量十分丰富,大约27%的陆地(大部分分布在冻结岩层)和90%的海域都含有天然气水合物,陆地上的天然气水合物存在于200~2000m深处,海底沉积物中的天然气水合物埋深为500~800m。

低温,一般温度低于10℃;高压,压力大于10MPa[10]。

天然气水合物稳定带厚度为50~120m，稳定带内的孔隙度平均为5.8%~7.9%，最大可达35%[37]。

俄罗斯西伯利亚地区麦索雅哈天然气水合物气田，在地下约750m左右处有数层天然气水合物，水合物高度密集的可采面积为125km×19km，厚度
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80m，层内孔隙度平均为25%。

该天然气水合物气田适合采用高能气体压裂的依据有：（1）天然气水合物层在地下约750m左右，小于2000m；（2）地处冻土带，在这些地区，道路、井场、水源等施工条件受限制，不适合其他工艺复杂的增产措施；（3）该储层物性较好，压裂后增产效果显著；（4）产生热效应，爆压时火药燃烧释放出大量热量，一般能达到600～800℃，在绝热条件下使气体温度达1000℃以上,而且相对集中，这些热量可分解近井地带的天然气水合物，直接改善近井地带的渗流环境；（5）推进剂燃烧产生的CO2气体也可以和天然气水合物发生反应从而置换出天然气；（6）高能气体压裂可以克服对气井进行水力压裂时因压裂液大量进入地层而产生两相流动，进而引起气锁等不利因素。

由此看出，广泛分布的天然气水合物的储层物性变化范围也比较大，我们可以先陆上再海上逐步探索，筛选出适合高能气体压裂的储层，压裂后再结合其他开采方法，从而达到经济有效的开采。

4结论
目前提出的天然气水合物藏的开采方式主要有加热法、降压法、添加化学剂等方法，基本都是概念性的。

本文提出了采取先陆上再海上逐步探索的原则，筛选出适合高能气体压裂的储层，先利用高能气体压裂技术对储层进行压裂后再结合电磁加热或降压法开采，或者利用加热法和降压法结合开采的思路，以期达到经济有效的开采。

随着天然气水合物勘探开发的不断深入，对水合物储层的认识也会不断加深，从而找到更有效的开采方法。

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(下转第82页)
39
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High-energy Gas Fracturing Technique to Exploit Natural Gas Hydrate Reservoir
ZHU Dao-ping NING Zheng-fu
(China University of Petroleum,Beijing 102249)
Abstract :Natural gas hydrate,which is widely distributed with huge reserves and equals twice total carbon reserves of coals,oils and natural gases etc conventional fossil fuels around the earth,is a kind of nonpolluting and high quality energy resource in the future.How to exploit and develop this new energy is becoming a main concern among many governments.The methods proposed for methane gas dissociated from solid hydrate were compared,including the thermal stimulation method,the depressurization method,the inhibitor injection method,and the replacement method etc.In order to develop this new energy economically and effectively,high-energy gas fracturing is proposed in this paper,we can combine high-energy gas fracturing with microwave heating technique and the depressurization method or some other methods.
Key words :natural gas hydrate ；production ；high-energy gas fracturing
李英：高速加工技术现状及其关键技术
用大量冷却液造成对自然环境的污染问题，进一步研究开发适用于干式切削的新型刀具材料，研究开发干式切削加工中心。

（3）进一步改善高速机床的驱动和控制技术，开发快速的CAD ／CAM 系统和实用的编程软件，以满足实际生产的需要。

（4）研究高速机床的安全防护和远程监控技术,确保高速加工的生产安全[10]。

（5）改善研究和试验条件，继续深入开发高速切削机理的理论研究、仿真研究和虚拟研究，进一步研究高速切削过程的物理本质和变化规律，建立高速切削数据库，指导用户正确使用已有的高速机床，充分发挥高速加工中心的效能。

高速加工技术是现代制造业的必有之路，是切削加工发展的主要方向之一。

推广应用高速加工技术不但可以大幅度提高机械加工的效率、质量，降低成本，而且可带动一系列高新技术产业的发展。

随着高速切削加工及其关键技术的研究，新的更高速、超高速机床和刀具的应用，必将对机械制造产生重要而深远的影响。

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Status and Key Techniques of High-speed Processing Technology
LI Ying
(Canton Railway Vocational and Technical College,Guangzhou 510000)
Abstract ：Since the 1980th,the high-speed processing technology based on traditional machining of metals (non-metallic)has gradually developed into an integrated systems engineering technology.At present it is widely used in production process.With the increasing of the social demands about personalized product,high-speed processing technology will develop further in the future.Key words ：high-speed machining ；machine tools ；spindle (上接第39页)
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