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海洋非成巖天然氣水合物固態流化開采模擬實驗技術及系統 版權信息
- ISBN：9787030677662
- 條形碼：9787030677662 ; 978-7-03-067766-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
海洋非成巖天然氣水合物固態流化開采模擬實驗技術及系統 內容簡介
本書詳細闡述了海洋天然氣水合物在我國能源安全及能源消費結構調整中的重要作用和未來經濟社會發展中的重要地位。重點分析了我國海洋天然氣水合物的資源分布、賦存特征、成藏特點等自然屬性以及世界常規開發模式即“降壓法”在未來商業化開發條件下所不可回避的“六大風險”。在此基礎上，重點論述了中國科協副主席、油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室主任、天然氣水合物國家重點實驗學術委員會主任周守為院士聚焦前沿、獨辟蹊徑所提出的固態流化開采科學設想與“六個利用”技術原理。以該技術思想為基礎，詳細描述了西南石油大學聯合中國海洋石油集團有限公司、四川宏華石油設備有限公司發明和研制成功“全球少有具有接近自主知識產權的海洋非成巖天然氣水合物固態流化開采大型物理模擬實驗系統以及物理模擬實驗方法”，實現了南海1500m水深、4500m管長固態流化開采全程模擬的歷程。詳細闡述了首次系統開展海洋天然氣水合物固態流化開采大型物理模擬實驗、試采方案制定、工藝優化設計和井下工具研發，全面支持全球首次試采成功的過程。通過技術對標發現，海洋天然氣水合物固態流化開采方法屬世界首創，模擬實驗技術及系統達到國際領先水平，固態流化開采技術有望成為引領全球海洋天然氣水合物開發的一項顛覆性技術。
海洋非成巖天然氣水合物固態流化開采模擬實驗技術及系統 目錄
目錄
第1章 天然氣水合物資源調查與試采技術研究現狀 1
1.1 天然氣水合物資源特點及分布 1
1.2 天然氣水合物藏分類 4
1.3 天然氣水合物開采方法分類 5
1.3.1 降壓開采法 6
1.3.2 熱激開采法 6
1.3.3 注化學劑開采法 7
1.3.4 二氧化碳置換開采法 7
1.3.5 固態流化開采法 7
1.4 國際天然氣水合物研究與試采現狀 8
1.4.1 俄羅斯天然氣水合物研究與試采現狀 9
1.4.2 美國天然氣水合物研究與試采現狀 10
1.4.3 加拿大天然氣水合物研究與試采現狀 12
1.4.4 日本天然氣水合物研究與試采現狀 13
1.4.5 德國天然氣水合物研究現狀 16
1.4.6 印度天然氣水合物研究現狀 17
1.4.7 韓國天然氣水合物研究現狀 17
1.4.8 挪威天然氣水合物研究現狀 18
1.4.9 中國天然氣水合物研究與試采現狀 18
1.4.10 世界天然氣水合物研究對比分析 22
1.5 海洋非成巖天然氣水合物開發技術策略 25
1.5.1 我國南海天然氣水合物成藏特征 25
1.5.2 高效開發技術瓶頸 27
1.5.3 海洋非成巖天然氣水合物固態流化開采法技術策略及科學原理 29
第2章 固態流化開采模擬實驗技術 31
2.1 固態流化開采模擬實驗技術方案 31
2.1.1 固態流化開采模擬實驗技術目標 31
2.1.2 固態流化開采模擬實驗技術需求 31
2.1.3 固態流化開采模擬實驗技術流程 31
2.2 大樣品快速制備與破碎模擬實驗技術 32
2.2.1 實驗技術需求 32
2.2.2 實驗技術研究現狀 33
2.2.3 現有制備方法與裝置技術對比與適應性評價 38
2.2.4 天然氣水合物制備與破碎模擬實驗及技術 40
2.3 水合物漿體保真運移方法及技術 48
2.4 水合物漿體高效管輸模擬實驗技術 49
2.4.1 實驗技術需求 49
2.4.2 實驗技術研究現狀 50
2.4.3 現有實驗技術對比分析與適應性評價 55
2.4.4 水合物漿體高效管輸模擬實驗技術 57
2.5 漿體高效管輸循環泵模擬實驗技術 60
2.5.1 實驗技術需求 60
2.5.2 實驗技術研究現狀 61
2.5.3 現有實驗技術對比與適應性評價分析 63
2.5.4 實驗方法及技術 63
2.6 漿體高效管輸溫度、壓力控制系統模擬實驗技術 65
2.6.1 實驗技術需求 65
2.6.2 實驗技術研究現狀 66
2.6.3 現有實驗技術對比與適應性評價分析 74
2.6.4 壓力及溫度調控實驗方法及技術 75
2.7 動態圖像捕捉、數據采集及安全控制模擬實驗技術 77
2.8 固態流化開采模擬實驗方法及技術 77
第3章 固態流化開采大型物理模擬實驗系統 79
3.1 固態流化開采大型物理模擬實驗系統總體設計 79
3.1.1 設計方案 79
3.1.2 方案實施成效 80
3.2 水合物大樣品快速制備、破碎及漿體調制模塊 82
3.2.1 水合物樣品制備子系統 83
3.2.2 水合物大樣品破碎子系統 88
3.2.3 水合物漿體調制子系統 90
3.3 水合物漿體高效管輸與分離模塊 91
3.3.1 螺桿泵輸送子系統 91
3.3.2 垂直、水平管輸子系統 92
3.3.3 多級降壓子系統 95
3.3.4 多級升溫子系統 96
3.3.5 在線自動保溫保壓取樣分析子系統 97
3.3.6 三相分離子系統 98
3.4 實時圖像捕捉、數據采集及安全控制自動化模塊 99
3.4.1 數據采集與監測子系統 99
3.4.2 數據測試、分析處理、存儲及控制子系統 102
第4章 海洋非成巖天然氣水合物固態流化開采實驗 104
4.1 總體實驗 105
4.1.1 實驗目的及意義 105
4.1.2 實驗方案及流程 105
4.2 大樣品快速制備模擬實驗 105
4.2.1 實驗目的及意義 105
4.2.2 實驗方案及流程 106
4.2.3 實驗現象 107
4.2.4 實驗數據及分析 107
4.3 高效破碎實驗 119
4.3.1 實驗目的及意義 119
4.3.2 實驗方案及流程 119
4.3.3 實驗現象 120
4.3.4 實驗數據及分析 120
4.4 水合物漿體高效管輸實驗 127
4.4.1 多相非平衡管流系統數學理論模型及數值求解方法 127
4.4.2 高效管輸實驗 133
第5章 海洋非成巖天然氣水合物固態流化試采技術方案 174
5.1 固態流化試采目標井環空相態及多相流分析 174
5.1.1 不同液相排量的影響 174
5.1.2 不同液相密度的影響 177
5.1.3 不同井口回壓的影響 179
5.1.4 不同產氣量的影響 181
5.1.5 不同射流直徑的影響 183
5.2 固態流化試采高壓射流碎化工具研制 184
5.2.1 水合物高壓射流碎化單噴嘴結構設計與流場分析 185
5.2.2 水合物高壓射流碎化實驗及噴嘴工具研制 188
5.3 固態流化試采目標井施工關鍵參數優化 198
5.4 固態流化高壓射流碎化現場應用技術方案設計 199
5.5 天然氣水合物固態流化開采法實施及應用前景 200
參考文獻 205
第1章 天然氣水合物資源調查與試采技術研究現狀 1
1.1 天然氣水合物資源特點及分布 1
1.2 天然氣水合物藏分類 4
1.3 天然氣水合物開采方法分類 5
1.3.1 降壓開采法 6
1.3.2 熱激開采法 6
1.3.3 注化學劑開采法 7
1.3.4 二氧化碳置換開采法 7
1.3.5 固態流化開采法 7
1.4 國際天然氣水合物研究與試采現狀 8
1.4.1 俄羅斯天然氣水合物研究與試采現狀 9
1.4.2 美國天然氣水合物研究與試采現狀 10
1.4.3 加拿大天然氣水合物研究與試采現狀 12
1.4.4 日本天然氣水合物研究與試采現狀 13
1.4.5 德國天然氣水合物研究現狀 16
1.4.6 印度天然氣水合物研究現狀 17
1.4.7 韓國天然氣水合物研究現狀 17
1.4.8 挪威天然氣水合物研究現狀 18
1.4.9 中國天然氣水合物研究與試采現狀 18
1.4.10 世界天然氣水合物研究對比分析 22
1.5 海洋非成巖天然氣水合物開發技術策略 25
1.5.1 我國南海天然氣水合物成藏特征 25
1.5.2 高效開發技術瓶頸 27
1.5.3 海洋非成巖天然氣水合物固態流化開采法技術策略及科學原理 29
第2章 固態流化開采模擬實驗技術 31
2.1 固態流化開采模擬實驗技術方案 31
2.1.1 固態流化開采模擬實驗技術目標 31
2.1.2 固態流化開采模擬實驗技術需求 31
2.1.3 固態流化開采模擬實驗技術流程 31
2.2 大樣品快速制備與破碎模擬實驗技術 32
2.2.1 實驗技術需求 32
2.2.2 實驗技術研究現狀 33
2.2.3 現有制備方法與裝置技術對比與適應性評價 38
2.2.4 天然氣水合物制備與破碎模擬實驗及技術 40
2.3 水合物漿體保真運移方法及技術 48
2.4 水合物漿體高效管輸模擬實驗技術 49
2.4.1 實驗技術需求 49
2.4.2 實驗技術研究現狀 50
2.4.3 現有實驗技術對比分析與適應性評價 55
2.4.4 水合物漿體高效管輸模擬實驗技術 57
2.5 漿體高效管輸循環泵模擬實驗技術 60
2.5.1 實驗技術需求 60
2.5.2 實驗技術研究現狀 61
2.5.3 現有實驗技術對比與適應性評價分析 63
2.5.4 實驗方法及技術 63
2.6 漿體高效管輸溫度、壓力控制系統模擬實驗技術 65
2.6.1 實驗技術需求 65
2.6.2 實驗技術研究現狀 66
2.6.3 現有實驗技術對比與適應性評價分析 74
2.6.4 壓力及溫度調控實驗方法及技術 75
2.7 動態圖像捕捉、數據采集及安全控制模擬實驗技術 77
2.8 固態流化開采模擬實驗方法及技術 77
第3章 固態流化開采大型物理模擬實驗系統 79
3.1 固態流化開采大型物理模擬實驗系統總體設計 79
3.1.1 設計方案 79
3.1.2 方案實施成效 80
3.2 水合物大樣品快速制備、破碎及漿體調制模塊 82
3.2.1 水合物樣品制備子系統 83
3.2.2 水合物大樣品破碎子系統 88
3.2.3 水合物漿體調制子系統 90
3.3 水合物漿體高效管輸與分離模塊 91
3.3.1 螺桿泵輸送子系統 91
3.3.2 垂直、水平管輸子系統 92
3.3.3 多級降壓子系統 95
3.3.4 多級升溫子系統 96
3.3.5 在線自動保溫保壓取樣分析子系統 97
3.3.6 三相分離子系統 98
3.4 實時圖像捕捉、數據采集及安全控制自動化模塊 99
3.4.1 數據采集與監測子系統 99
3.4.2 數據測試、分析處理、存儲及控制子系統 102
第4章 海洋非成巖天然氣水合物固態流化開采實驗 104
4.1 總體實驗 105
4.1.1 實驗目的及意義 105
4.1.2 實驗方案及流程 105
4.2 大樣品快速制備模擬實驗 105
4.2.1 實驗目的及意義 105
4.2.2 實驗方案及流程 106
4.2.3 實驗現象 107
4.2.4 實驗數據及分析 107
4.3 高效破碎實驗 119
4.3.1 實驗目的及意義 119
4.3.2 實驗方案及流程 119
4.3.3 實驗現象 120
4.3.4 實驗數據及分析 120
4.4 水合物漿體高效管輸實驗 127
4.4.1 多相非平衡管流系統數學理論模型及數值求解方法 127
4.4.2 高效管輸實驗 133
第5章 海洋非成巖天然氣水合物固態流化試采技術方案 174
5.1 固態流化試采目標井環空相態及多相流分析 174
5.1.1 不同液相排量的影響 174
5.1.2 不同液相密度的影響 177
5.1.3 不同井口回壓的影響 179
5.1.4 不同產氣量的影響 181
5.1.5 不同射流直徑的影響 183
5.2 固態流化試采高壓射流碎化工具研制 184
5.2.1 水合物高壓射流碎化單噴嘴結構設計與流場分析 185
5.2.2 水合物高壓射流碎化實驗及噴嘴工具研制 188
5.3 固態流化試采目標井施工關鍵參數優化 198
5.4 固態流化高壓射流碎化現場應用技術方案設計 199
5.5 天然氣水合物固態流化開采法實施及應用前景 200
參考文獻 205
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海洋非成巖天然氣水合物固態流化開采模擬實驗技術及系統 節選
第1章 天然氣水合物資源調查與試采技術研究現狀 1.1 天然氣水合物資源特點及分布 全球一次能源正在邁入石油、天然氣、煤炭和新能源“四分天下”的格局，但相當長一段時期內新能源還難以獨擔重任，石油與天然氣仍然是當下不可或缺的主力能源[1]。當今世界，能源安全是各國國家安全的優先領域，抓住能源就抓住了國家發展和安全戰略的“牛鼻子”[2]。相關數據顯示[3，4]，2021年我國累計生產天然氣2.053×1011m3，對外依存度達46%，國家能源安全形勢極為嚴峻。 作為世界*大的能源消費國，如何有效保障國家能源安全、有力保障國家經濟社會發展，始終是我國能源發展的首要問題。2014年6月，習近平總書記在中央財經領導小組第六次會議上強調，能源安全是關系國家經濟社會發展的全局性、戰略性問題，對國家繁榮發展、人民生活改善、社會長治久安至關重要。現今能源開發，穩油增氣是大勢所趨，天然氣將形成對石油的“**次革命”，進入天然氣發展時代。面對能源供需格局新變化、國際能源發展新趨勢，為保障國家能源安全，必須推動能源生產和消費革命。 天然氣水合物是甲烷等烴類氣體與水在高壓、低溫條件下形成的籠形結晶狀化合物，俗稱“可燃冰”[5]。在天然氣水合物中，水分子作為主體形成籠形結構，甲烷等烴類氣體作為客體分子進入并填充到主體分子構成的多面體晶體中，兩者通過范德華力產生相互作用。在標準狀況下，完全飽和的1m3天然氣水合物可以分解為164m3天然氣和0.8m3水。因此，天然氣水合物具有儲氣密度高、燃燒熱值高等特點，是一種清潔高效的能源[6]。 天然氣水合物具有資源量大的特點，全球總資源量達7.6×1018m3，是已知含碳化合物(包括煤、石油和常規天然氣等)總和的2倍，僅我國南海資源量就達8.5×1013m3，是全國陸地常規天然氣儲量的2.12倍。從長遠看，頁巖氣、頁巖油、天然氣水合物等非常規油氣必將形成對常規油氣的“第二次革命”，尤其是“水合物革命”有可能比“頁巖氣革命”更具顛覆性。未來天然氣水合物商業化開發預計將使我國天然氣對外依存度降低20%，將在推動能源生產和消費革命以及中美貿易摩擦日益激烈的背景下在國家能源安全與南海維權等方面發揮重大作用[7-11]。 天然氣水合物高效開發是當今世界科技創新及競爭的前沿和熱點，其開采技術在國家層面具有戰略性和革命性特征，近年來受到國家高度重視。2006年，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》[12]將天然氣水合物開發技術部署為24項前沿技術之一，提出突破天然氣水合物鉆井技術和安全開采技術；2014年，國家《能源發展戰略行動計劃(2014—2020年)》提出加大天然氣水合物勘探開發技術攻關力度，培育具有自主知識產權的核心技術，積極推進試采工程；2016年，國家《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》提出突破天然氣水合物勘探開發基礎理論和關鍵技術，開展先導鉆探和試采試驗。2017年11月16日，國土資源部(現自然資源部)在北京召開新聞發布會[13-15]，國務院正式批準將天然氣水合物列為第173個礦種。 自然界天然氣水合物成藏通常需要4項基本條件，即低溫高壓環境、充足的氣源、水相的存在、流體運移聚集通道與空間。根據天然氣水合物形成條件，其主要分布在高緯度或高海拔的陸地永久凍土帶地區和水深300~3000m的大洋邊緣海域陸坡、島嶼和盆地的表層沉積物或沉積巖中，也可以散布于海底泥線附近。天然氣水合物穩定存在的溫度、壓力條件如圖1-1所示[16-18]。據資料顯示，陸地上27%和大洋底90%的地區具有形成天然氣水合物的有利條件，絕大部分的天然氣水合物分布在海域，其資源量是陸地的100倍以上[19，20]。 圖1-1 天然氣水合物穩定存在的溫度、壓力條件 目前，世界范圍內多個區域已發現天然氣水合物，如圖1-2所示，其中在海域通過取樣、地震標志、生物或碳酸鹽結殼標志等直接或間接發現的天然氣水合物有近百處。已調查并圈定含有天然氣水合物的海域主要分布在西太平洋海域的白令海、鄂霍次克海、千島海溝、沖繩海槽、四國海槽、南海海槽、蘇拉威西海，東太平洋海域的中美海槽、北加利福尼亞-俄勒岡濱外、秘魯海槽，大西洋海域的美國東海岸外布萊克海臺、墨西哥灣、加勒比海、南美東海岸外陸緣、非洲西海岸海域，印度洋的阿曼海灣，北極的巴倫支海和波弗特海，南極的羅斯海和威德爾海，歐亞大陸的黑海、里海等[21-23]。 我國海域天然氣水合物資源潛力巨大，其中南海北部陸坡、東海陸坡、臺灣東北與東南海域、東海沖繩海槽以及東沙與南沙海槽等區域都具有天然氣水合物形成的有利地質條件[24，25]。2002年起，我國在東沙、神狐、西沙、瓊東南4個海區進行天然氣水合物資源調查，2007年、2013年、2015年、2017年均成功獲取海域天然氣水合物樣品，初步圈定11個成礦遠景區、25個有利區塊，如圖1-3所示，資源量達8.5×1013m3[24，25]。 圖1-2 世界天然氣水合物資源分布圖 圖1-3 我國南海天然氣水合物資源調查區 1.2天然氣水合物藏分類 根據已有的鉆探取樣資料及地質勘探資料，自然界中天然氣水合物的存在形式主要有如下幾種[26，27]：①凍土砂巖水合物；②海洋砂巖水合物；③海洋粉砂質泥巖水合物；④海洋脈狀塊狀水合物；⑤海洋泥質巖水合物。不同成藏形式的天然氣水合物和資源量分布金字塔如圖1-4所示，位于金字塔頂端的天然氣水合物類型開采難度*小，但資源量*少，越往下資源量越大，但開采難度逐漸加大。凍土砂巖和海洋砂巖水合物孔隙度、滲透性以及氣體飽和度好，但資源量少；海洋粉砂質泥巖水合物和海洋脈狀塊狀水合物儲量較為豐富且飽和度較高，隨著開采技術水平的提高未來也可實現開采；海洋泥質巖水合物藏儲量十分豐富，但存在儲層滲透性低、開采難度大的問題，開采技術的提高將對該類型水合物藏未來的開采起到關鍵作用。 圖1-4 不同儲藏形式的天然氣水合物資源分布金字塔 依據自然界中天然氣水合物的賦存形式，從開發角度可以將天然氣水合物大致分為如下兩種： (1)成巖型天然氣水合物。成巖型天然氣水合物是指水合物組分充填在巖石孔喉、裂隙當中并具有一定圈閉構造和巖石骨架的礦體，如圖1-5所示。此類礦體一般具有類似常規油氣藏的穩定圈閉構造且具有巖石骨架作為儲層骨架，儲層內部環境相對穩定，水合物不易發生無序分解，儲層結構不易垮塌。凍土砂巖水合物、海洋砂巖水合物、部分海洋粉砂質泥巖水合物屬于成巖型天然氣水合物。 圖1-5典型成巖型天然氣水合物 (2)非成巖型天然氣水合物。非成巖型天然氣水合物一般沒有像常規油氣藏和砂巖水合物儲層的穩定圈閉構造并且沒有巖石骨架作為儲層骨架，水合物本身即為儲層骨架，水合物膠結弱，儲層不穩定，水合物層受到外界影響易分解，儲層易垮塌潰散且水合物分解難以控制，如圖1-6所示。部分海洋粉砂質泥巖水合物、海洋脈狀塊狀水合物、海洋泥質巖水合物屬于非成巖型天然氣水合物，其資源量約占海域天然氣水合物總資源量的76.5%以上。 圖1-6 典型非成巖型天然氣水合物 依據水合物巖樣的敏感性強度、飽和度、粒徑以及膠結強度，將水合物初步分為非成巖Ⅰ類、非成巖Ⅱ類、非成巖Ⅲ類和成巖Ⅳ類、成巖Ⅴ類(表1-1)[28]。 表1-1 天然氣水合物藏分類 1.3 天然氣水合物開采方法分類 目前，國際常用的天然氣水合物開采方法可分為4類[29-34]：降壓開采法、熱激開采法、注化學劑開采法、二氧化碳置換開采法，如圖1-7所示。開采原理均是采用各種方法打破天然氣水合物相平衡狀態，從而使天然氣水合物分解并采出天然氣。此外，還有針對海域非成巖天然氣水合物開發提出的固態流化開采法。 圖1-7 國際常用的天然氣水合物開采方法 1.3.1 降壓開采法 降壓開采法通過降低天然氣水合物儲層壓力，破壞水合物相平衡狀態，促成分解產氣。該方法可通過調節井底流壓等措施控制儲層壓力變化以控制水合物分解速率[35-38]。目前，全球已實施的天然氣水合物試采工程以降壓開采法為主，20世紀60年代以來，蘇聯、加拿大、美國、日本、中國等國家先后利用降壓法實施了水合物試采。該方法在長期生產上仍面臨以下挑戰：①海域天然氣水合物資源大多賦存于深水淺表層，成巖程度低，水合物分解后儲層呈現承壓能力低、砂體流動性強的特征，大量沉積物顆粒進入井筒造成電潛泵損壞、井筒砂堵和平臺處理難度大等問題，無法長期穩定生產；②水合物分解的吸熱特性和產氣過程中的局部低溫現象會導致水合物的二次生成和聚集，如需長期生產，井筒與集輸設備需采取一定的流動安全保障措施。目前，隨著天然氣水合物試采經驗的不斷積累，降壓開采法正朝著與其他開采方法聯合使用的方向發展。 1.3.2 熱激開采法 熱激開采法通過向水合物儲層注入熱水、熱鹽水、蒸汽及其他熱流體，或者采用電加熱、微波加熱、電磁加熱等方法使得儲層溫度升高，從而破壞水合物相平衡狀態，促進分解產氣[39-43]。目前，已實施的水合物熱激開采法試采工程以注熱開采為主。 與降壓開采法相比，熱激開采法熱量作用直接迅速，儲層和井筒間壓力梯度較小，出砂現象不顯著，實施安全性較好，對水合物礦藏資源條件適應性較強。但是，通過該方法注入的熱量只有很小的一部分被水合物分解過程利用，大部分熱量都被儲層沉積物和各種流體吸收，同時水合物儲層上下邊界層的散熱現象使注入熱量損失較大，特別是在水合物儲層較薄時熱量在儲層中的波及范圍極為有限，因此能量利用率低是熱激開采法目前面臨的主要問題。通過合理布井提高能量利用效率和注入水合物抑制劑促進分解是熱激開采法的重點攻關方向[44]。
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