包郵海洋天然氣水合物開采基礎(chǔ)理論與模擬

作者：吳能友等

出版社：科學(xué)出版社出版時間：2021-11-01

開本：其他頁數(shù)： 456

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目錄
節(jié)選

海洋天然氣水合物開采基礎(chǔ)理論與模擬版權(quán)信息

ISBN：9787030699183
條形碼：9787030699183 ; 978-7-03-069918-3
裝幀：一般膠版紙
冊數(shù)：暫無
重量：暫無
所屬分類：
工業(yè)技術(shù)
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石油、天然氣工業(yè)

海洋天然氣水合物開采基礎(chǔ)理論與模擬內(nèi)容簡介

本書聚焦海洋天然氣水合物開采面臨的核心科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，首先通過對靠前上典型海域天然氣水合物賦存特征和開采現(xiàn)狀及其面臨的科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn)分析基礎(chǔ)上，提出海洋天然氣水合物開采基礎(chǔ)理論與技術(shù)體系；然后針對南海北部泥質(zhì)粉砂儲層特征，綜合運用實驗?zāi)M和數(shù)值模擬等開采仿真模擬技術(shù)，進行開采產(chǎn)氣潛力評價，系統(tǒng)研究地質(zhì)因素、開采工藝、井型結(jié)構(gòu)對天然氣水合物開采產(chǎn)能的影響；很后對海洋天然氣水合物開采增產(chǎn)理論與技術(shù)體系進行了展望，為實現(xiàn)海洋天然氣水合物產(chǎn)業(yè)化提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

海洋天然氣水合物開采基礎(chǔ)理論與模擬目錄

目錄
**章緒論 1
**節(jié) 天然氣水合物資源特征 1
第二節(jié) 天然氣水合物儲層類型 4
第三節(jié) 天然氣水合物開采方法 6
第四節(jié) 天然氣水合物現(xiàn)場試采 7
第五節(jié) 天然氣水合物開采面臨的科學(xué)技術(shù)挑戰(zhàn) 12
參考文獻 17
第二章海洋天然氣水合物開采基礎(chǔ)理論與技術(shù)體系 22
**節(jié) 天然氣水合物開采傳熱傳質(zhì)機理 22
第二節(jié) 天然氣水合物開采仿真模擬與實驗測試技術(shù) 40
第三節(jié) 天然氣水合物試采地質(zhì)-工程一體化調(diào)控技術(shù) 61
參考文獻 84
第三章海洋天然氣水合物開采仿真模擬技術(shù) 88
**節(jié) 海洋天然氣水合物開采多物理場演化實驗?zāi)M技術(shù) 88
第二節(jié) 海洋天然氣水合物開采三維模擬實驗系統(tǒng) 96
第三節(jié) 海洋天然氣水合物鉆采一體化模擬實驗系統(tǒng) 103
第四節(jié) 海洋天然氣水合物試采井筒工藝參數(shù)仿真系統(tǒng) 114
第五節(jié) 海洋天然氣水合物開采數(shù)值模擬技術(shù) 124
參考文獻 140
第四章海洋天然氣水合物開采產(chǎn)氣潛力評價 144
**節(jié) 海洋天然氣水合物藏典型賦存特征 144
第二節(jié) 儲層巖性對海洋天然氣水合物藏產(chǎn)氣潛力的影響 165
第三節(jié) 海洋天然氣水合物藏產(chǎn)氣潛力儲層特征影響綜合評價 187
第四節(jié) 海洋天然氣水合物產(chǎn)能地質(zhì)因素評價及應(yīng)用 209
參考文獻 223
第五章地質(zhì)因素對天然氣水合物開采產(chǎn)能的影響 228
**節(jié) 典型地質(zhì)因素對天然氣水合物開采產(chǎn)能影響研究進展 228
第二節(jié) 滲透率各向異性對天然氣水合物開采的影響——以南海天然氣水合物儲層為例 234
第三節(jié) 地層傾斜對天然氣水合物開采的影響——以日本Nankai海槽為例 272
參考文獻 282
第六章開采工藝對天然氣水合物開采產(chǎn)能的影響 290
**節(jié) 天然氣水合物開采降壓模式研究 290
第二節(jié) 天然氣水合物開采注熱模式研究 299
第三節(jié) 天然氣水合物降壓與加熱聯(lián)合開采研究 319
第四節(jié) 天然氣水合物二氧化碳置換開采效率影響研究 329
參考文獻 340
第七章井型結(jié)構(gòu)對天然氣水合物開采產(chǎn)能的影響 344
**節(jié) 天然氣水合物垂直井開采產(chǎn)能模擬 344
第二節(jié) 天然氣水合物水平井開采產(chǎn)能模擬 359
第三節(jié) 天然氣水合物多分支井開采產(chǎn)能模擬 374
參考文獻 401
第八章海洋天然氣水合物開采增產(chǎn)技術(shù) 406
**節(jié) 天然氣水合物開發(fā)面臨的產(chǎn)能困局 406
第二節(jié) 天然氣水合物開采增產(chǎn)方法 407
第三節(jié) 天然氣水合物開采增產(chǎn)的基本原理與評價方法 419
第四節(jié) 儲層改造增產(chǎn)效果評價案例分析 421
第五節(jié) 天然氣水合物開采增產(chǎn)基礎(chǔ)研究瓶頸與展望 430
參考文獻 433

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海洋天然氣水合物開采基礎(chǔ)理論與模擬節(jié)選

**章緒論天然氣水合物（俗稱可燃冰）是在低溫高壓條件下由天然氣和水分子形成的一種白色固態(tài)物質(zhì)（Kvenvolden，1993）。形成天然氣水合物的氣體通常由甲烷、乙烷、丙烷、二氧化碳、氮氣、硫化氫等組成，其中甲烷含量占80%～99.9%，因此以甲烷為主要氣體組分的天然氣水合物亦稱甲烷水合物。天然氣水合物分布廣泛，全球海洋深水區(qū)和陸地多年凍土帶的廣大地區(qū)都具有形成天然氣水合物的潛力。由于天然氣水合物分解產(chǎn)生的甲烷燃燒只產(chǎn)生二氧化碳和水，而且其巨大的資源量已遠遠超過已知的天然氣儲量（Boswell，2009），因此其作為一種清潔的潛在能源吸引全球一大批研究人員對其進行勘探和研究，并希望*終達到商業(yè)化開采的目的。20世紀(jì)90年代以來，天然氣水合物研究得到蓬勃發(fā)展，近年來已成為地球科學(xué)和能源領(lǐng)域的一大研究熱點。迄今，國際上對自然界中天然氣水合物的研究已有60多年歷史，已在大量大陸邊緣海底和陸地多年凍土帶沉積物中獲得實物樣品，對其地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)特征，產(chǎn)狀和分布的控制，影響因素及成藏機制，不同儲層特征及其資源量，開采響應(yīng)，相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害和氣候響應(yīng)等，進行了廣泛研究，并在一些地區(qū)成功地進行了試采。然而，與常規(guī)油氣相比，天然氣水合物具有以下特點：**，天然氣在水合物中以固體形式存在，不能在地層和構(gòu)造中自由流動，需要外力作用將其分解為甲烷和水來實現(xiàn)天然氣的開采；第二，全球天然氣水合物勘探程度低，特定區(qū)域的資源量或可采資源量隨技術(shù)成熟度變化較大；第三，天然氣水合物的能量密度較低，約為原油的六分之一（即1m3天然氣水合物≈164m3天然氣≈0.157m3原油）；第四，海洋天然氣水合物的開采成本仍具有不確定性，天然氣需要較高的存儲和運輸成本，供需之間必須匹配，同時天然氣水合物賦存于深水區(qū)，開采設(shè)施成本較高，需要額外成本用于保障海底穩(wěn)定性和井壁穩(wěn)定性及解決環(huán)境問題。因此，未來天然氣水合物的勘探和開采仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。本章在簡要論述海洋天然氣水合物資源特征和儲層類型的基礎(chǔ)上，基于天然氣水合物開采技術(shù)方法和現(xiàn)場試采現(xiàn)狀分析，闡述海洋天然氣水合物開采面臨的科學(xué)與技術(shù)挑戰(zhàn)。 **節(jié) 天然氣水合物資源特征一、全球天然氣水合物資源量及其不確定性天然氣水合物廣泛分布于海洋深水區(qū)（～99%）和陸地多年凍土帶（～1%）。全球天然氣水合物中存儲的天然氣數(shù)量巨大（表1.1），但數(shù)值是推測性的，為2.8×1015～8×1018m3。相比之下，傳統(tǒng)的天然氣（儲量和技術(shù)可采但尚未發(fā)現(xiàn)的全球資源量）約為4.4×1014m3（Ahlbrandt et al.，2000）。資源量預(yù)測存在較大差異的原因是天然氣水合物分布具有不均勻性，以及儲層孔隙度、飽和度等基本參數(shù)具有不確定性。由于孔隙度、氣液滲流通道、有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷的控制條件在短時間內(nèi)都可能發(fā)生顯著變化，因此在大多數(shù)情況下天然氣水合物分布非常不均勻。而且，天然氣水合物不僅存在資源評價的不確定性問題，其實際可采資源量也存在不確定性。表1.1 全球、陸地多年凍土帶和海洋中的天然氣水合物資源量全球資源量影響天然氣水合物儲層特性和開采潛力的因素具有高度不確定性，并且因位置而異。這些因素包括甲烷的局部供應(yīng)、氣體的運移和聚集構(gòu)造、適合于天然氣水合物形成的溫壓條件、儲層特征、儲層富集天然氣水合物的能力以及持續(xù)形成天然氣水合物的區(qū)域地質(zhì)條件等。由于這些因素差異很大，即使在局部范圍內(nèi)，天然氣水合物的分布也非常不均勻。因此，盡管全球天然氣水合物含有大量甲烷氣體，但并非都可開采，至少在短期內(nèi)僅有一小部分資源在技術(shù)或經(jīng)濟上可采。資源量是天然氣水合物藏中儲存的所有氣體總量，包括已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和尚未發(fā)現(xiàn)的、經(jīng)濟可采的和非經(jīng)濟可采的總和（Milkov，2000；Milkov and Sassen，2003）。儲量是在合理的可信度水平下，天然氣水合物藏中已知的、運用現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)濟可采的氣體量。綜合分析來看，天然氣水合物的資源量在所有氣體資源量中占較大比重，但其中砂質(zhì)沉積物中的資源量占有比例較小，大部分是在泥質(zhì)沉積物中。通過對全球天然氣水合物資源評價表明，并不是所有天然氣水合物資源均可以成為具有經(jīng)濟價值的儲層（Milkov and Sassen，2003），總體上看，儲量僅占資源量很小一部分，隨著地質(zhì)確信度、經(jīng)濟可采性的提高，儲量逐漸減少，但其可采的程度逐漸提高（圖1.1）。圖1.1 天然氣水合物資源量和儲量關(guān)系圖［據(jù)Collett（2017）修改］二、天然氣水合物資源分類及其評價方法天然氣水合物資源金字塔模型表明（Boswell and Collett，2006），極地多年凍土帶中砂礫層天然氣水合物儲層的開采難度*低，開采效率較高。對于天然氣水合物資源，開采難度從低到高依次為：凍土區(qū)砂礫層天然氣水合物儲層、海洋砂層天然氣水合物儲層、海洋滲透性黏土質(zhì)天然氣水合物儲層、與冷泉相關(guān)的塊狀天然氣水合物儲層、海洋非滲透性黏土質(zhì)天然氣水合物儲層（圖1.2）。但是，天然氣水合物很可能會與常規(guī)天然氣類似，隨著社會各界關(guān)注和開采技術(shù)的突破，使大量以前認為不可開采的資源量成為技術(shù)可采資源量（technical recoverable resources，TRR）和經(jīng)濟可采資源量（Economically recoverable resources，ERR）（圖1.3）。圖1.2 天然氣水合物資源金字塔［據(jù)Boswell和Collett（2006）修改］圖1.3 天然氣水合物的資源分類當(dāng)前國內(nèi)外針對海洋天然氣水合物的資源評價主要有4種方法（孫運寶等，2013）：基于天然氣水合物成藏思路的面積法、體積法和概率統(tǒng)計法（Xu and Ruppel，1999；Soloviev，2002；Sain and Gupta，2012），以及基于生烴思路的物質(zhì)平衡法。其中，目前國際上用于資源評價的主流方法是基于成藏思路的體積法，特別是國際上提出“天然氣水合物油氣系統(tǒng)”（gas hydratepetroleum system）的概念（Collett，2009），為下一步精確定量天然氣水合物資源量提供了理論依據(jù)。一方面，天然氣水合物油氣系統(tǒng)綜合考慮了天然氣水合物形成所需要的溫度和壓力條件（如水深、地層壓力、海底溫度、地溫梯度等），并將其用于天然氣水合物穩(wěn)定帶深度和厚度估算，進而估算天然氣水合物資源量；另一方面，天然氣水合物油氣系統(tǒng)更注重實際地質(zhì)條件，通過地震調(diào)查和鉆探確定天然氣水合物儲層的實際厚度、面積、飽和度、氣體因子等參數(shù)，進而運用體積法估算天然氣水合物資源量，一定程度上可作為開采潛力評價、試驗性開采目標(biāo)選擇的主要依據(jù)。因此，基于天然氣水合物油氣系統(tǒng)開展天然氣水合物資源評價，與以往全球尺度資源估算方法相比，將具有更高的可信度。第二節(jié) 天然氣水合物儲層類型一、按熱動力學(xué)特征分類目前，國際上有科學(xué)家提出了滲漏型和擴散型兩類概念型天然氣水合物成藏模式（圖1.4，表1.2）（Chen et al.，2006；蘇正和陳多福，2006）。圖1.4 滲漏型和擴散型兩類概念型天然氣水合物成藏模式示意圖［據(jù)Chen等（2006）修改］表1.2 滲漏型和擴散型兩類概念型天然氣水合物特征對比表［據(jù)Chen等（2006）修改］滲漏型（裂隙充填型）天然氣水合物：滲漏型天然氣水合物分布有限，受流體活動控制，與海底天然氣滲漏活動有關(guān)，是深部烴類氣體沿斷裂等通道向海底滲漏，在合適的條件下沉淀形成的天然氣水合物，是水-水合物-游離氣三相熱力學(xué)非平衡體系，因而水合物發(fā)育于整個穩(wěn)定帶，往往存在于海底表面或淺層與斷裂、底辟等構(gòu)造有關(guān)的裂隙中。這類天然氣水合物在地震剖面上常無似海底反射（BSR），但海底的地質(zhì)、地球化學(xué)和生物異常明顯，特征是甲烷厭氧氧化作用（AOM）顯著。國際上認為，該類型天然氣水合物由于開采過程中會產(chǎn)生工程地質(zhì)和環(huán)境問題，不是有利的開采目標(biāo)。擴散型（孔隙充填型）天然氣水合物：擴散型天然氣水合物分布廣泛，埋藏深（>20m），海底表面不發(fā)育天然氣水合物，其沉淀主要與沉積物孔隙流體中溶解甲烷有關(guān)，受原地生物成因甲烷與深部甲烷向上擴散作用的控制，是水—水合物二相熱力學(xué)平衡體系，因而往往存在于深層沉積物孔隙中。不同類型沉積物中的天然氣水合物飽和度相差較大，飽和度與沉積物的物性，尤其是滲透率和孔隙度密切相關(guān)。國際上認為，該類型天然氣水合物埋藏深，是開采的有利目標(biāo)。按照儲層地質(zhì)條件，該類天然氣水合物可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類儲層，其中Ⅰ類儲層是目前*有利開采的類型（Moridis and Collett，2003，2004）。二、按儲層地質(zhì)條件分類針對海洋天然氣水合物開采，Moridis和Collett根據(jù)儲層的地質(zhì)條件將擴散型天然氣水合物儲層分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類（Moridis and Collett，2003，2004；Moridis，2004）。 Ⅰ類：雙層儲層，由含天然氣水合物沉積層（天然氣水合物穩(wěn)定帶底界之上）及其下伏含兩相流（游離氣、自由水）的沉積層組成。該類天然氣水合物儲層又細分為IW（天然氣水合物沉積物孔隙中充填液態(tài)水）與IG（含天然氣水合物沉積物孔隙中充填游離氣）兩種模式。通常這一類型的天然氣水合物儲層底部位于或略高于天然氣水合物穩(wěn)定帶底界，小幅度的溫度或壓力變化即可導(dǎo)致天然氣水合物分解，并且由于下伏游離氣層的存在，當(dāng)上覆天然氣水合物不能被有效開采時，游離氣層也能保證整個天然氣水合物儲層的開采效益，所以被認為是*有利開采的天然氣水合物儲層類型（Moridis and Collett，2004）。 Ⅱ類：雙層儲層，由含天然氣水合物沉積層（天然氣水合物穩(wěn)定帶底界或之上）及其下伏含單相流（自由水）的沉積層組成。含天然氣水合物沉積層之下只發(fā)育含水沉積層（Moridis，2004）。 Ⅲ類：單一儲層，指含天然氣水合物沉積層之下不發(fā)育任何含游離相沉積層，僅含單一天然氣水合物層的儲層類型（Moridis，2004）。 Ⅱ類、Ⅲ類儲層的整個含天然氣水合物沉積層完全位于天然氣水合物穩(wěn)定帶內(nèi)。 Ⅳ類：廣泛發(fā)育于海洋環(huán)境的擴散型、低飽和度的天然氣水合物儲層，且往往缺乏不可滲透性的上、下蓋層，使該類儲層不具有開采價值（Moridis et al.，2009）。第三節(jié) 天然氣水合物開采方法盡管天然氣水合物開采尚未進入商業(yè)規(guī)模，但必要的技術(shù)開發(fā)可以提高其開采能力，有效的開采技術(shù)在一定條件下可增大天然氣水合物的可采資源量。目前，天然氣水合物開采技術(shù)通常將其原位分解為天然氣，通過管道輸送回地面進行開采，大多數(shù)開采方法都是基于降壓法、熱激法和抑制劑注入法以破壞天然氣水合物相平衡條件，將天然氣水合物分解為天然氣和水（圖1.5）。圖1.5 甲烷水合物和二氧化碳水合物相平衡曲線降壓法：通過將壓力降低到天然氣水合物平衡壓力以下來分解天然氣水合物以達到開采天然氣的目的。通過降壓法開采天然氣水合物的可持續(xù)性取決于壓力傳遞、天然氣水合物初始飽和度及儲層的有效滲透率。降壓法被認為是目前*經(jīng)濟、有效和簡單的天然氣水合物開采方法。

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