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【前沿论坛】吴能友:海洋天然气水合物开采面临的科学问题与挑战
2018-07-03 | 作者:科技处 | 【 】【打印】【关闭

  报告人:吴能友 | 整理:刘丽楠,吴思源(工程室) 

摘要:海洋天然气水合物作为21世纪最具潜力的替代能源,其开采经济价值、相关的地质灾害和对深水油气钻探开发安全、全球变化的影响,正日益引起科学家们和世界各国政府的关注。中国地质调查局青岛海洋地质研究所所长吴能友研究员在综述全球天然气水合物勘探开发的基础上,结合我国南海北部神狐海域试采进展,提出海洋天然气水合物有效经济开采面临的资源评价、开采技术方法、储层地质参数、工程地质环境风险等四方面科学问题与挑战。

一、水合物若干基本概念 

  在常温下,液态水中几个或几十个水分子通过氢键连接可形成群族构造(笼形构造),随温度和压力变化,这些构造可反复结合与离散。当水中有足够的气体分子(不一定是甲烷,可以是任意气体),并在高压低温条件下,由多个水分子构成的笼形构造中就包含一个气体分子,形成固态水合物。分子群结构和气体类型有关,天然气水合物的笼形结构是30年代苏联科学家提出来。

  目前天然气水合物的基本结构有以下3种:

  (1)Ⅰ型结构甲烷水合物,主要气体成分为甲烷,每个晶胞里面有16个水分子和8个甲烷分子组成;

  (2)Ⅱ型结构丙烷异丁烷水合物,气体成分除了甲烷以外有丙烷和异丁烷,每个晶胞有136个水分子和24个碳氢分子组成;

  (3)H 型结构大分子碳氢化合物水合物,每个晶胞的水分子和气体分子个数难以确定。从以上结构可以看出,天然气水合物的稳定与气体类型具有密切的关系。不同类型的水合物所需要的温压条件是不同的,开采的难易程度也不一样。

  以下为各类水合物样品的照片(图1):a.实验室合成的天然气水合物;b.美国东海岸布莱克海台大洋钻探计划(ODP)钻探所取得的水合物;c.2015年通过重力取样器采集的南海琼东南海域海底浅表层块状水合物;d.墨西哥湾海底直接出露的水合物;e.2013年南海东沙海域钻探获得的块状水合物。

  大家可以直接通过肉眼看到天然气水合物的存在,但在更多情况下天然气水合物是看不见的。天然气水合物分散在沉积物的孔隙空间里,称之为离散型天然气水合物,南海北部神狐海域开采的就是这种看不见的天然气水合物,它放到水里以后随着温度的升高可以全部分解成甲烷气体并有气泡的产生。

   

a.实验室合成水合物  b.美国布莱克海台水合物 

c.2015年通过重力取样器采集的南海海底浅表层水合物 

 

 

 d.墨西哥湾海底直接出露的水合物 

 e.2013年南海钻探获得的水合物 

图1 各类水合物样品
Fig.1 Various hydate samples
  

   天然气水合物有两种类型:

  1)扩散型,天然气水合物充填于沉积物的孔隙空间里,在海底一定深度范围内出露,是开采的主要目标; 

  2)渗漏型,天然气水合物充填在沉积物的裂隙里,或者深部气体通过断裂向上运移并在温度和压力合适的情况下形成的天然气水合物,可以直接出露于海底或者海底浅层。如在琼东南盆地、南海东沙海域钻探时或者冷泉区发现的天然气水合物。 

   目前,由于这种水合物分解可能产生一系列的工程地质问题和环境问题,不是有利的开采目标。水合物气源主要来自于微生物成因气和深部热解气。 

   温度和压力是影响水合物稳定最基本的要素。气体组分也是影响水合物稳定的一个因素,不同的气体组分可以形成不同的天然气水合物,维持其稳定需要不同的温度和压力条件。还有一个因素是孔隙水盐度,随着孔隙水盐度的变化,水合物稳定的温压条件也会改变。从这个角度来看,开采天然气水合物最主要的因素就是改变天然气水合物稳定所需要的温度和压力条件,就可以使天然气水合物分解产生气体和水。 

   从这么多年来看,天然气水合物是一种分布广、密度高、资源量大的潜在能源,但是天然气水合物分解以后产生的水和气体会改变沉积物的土力学性质,可能会产生滑坡等地质灾害。同时分解产生的甲烷也是一种比二氧化碳还强20多倍的温室气体,也是导致全球气候变化的一种因素。 

   天然气水合物是一种非常规天然气,不能在地层和构造中流动,需要外力作用将其分解成甲烷和水,气水分离后达到开采的目的。最重要的是天然气水合物与其他油气等相比,它可以在孔隙空间中有固体、液体、气体等三个相态的变化。 

   尽管天然气水合物在全球的资源量是目前已经发现的煤、石油、天然气总量的两倍,但是在一个局部的区域来说,资源量随着技术程度的变化非常大。利用当前或者在未来技术条件下可能具有开采的条件,所以天然气水合物是一种未探明资源,也是一种潜在资源,并没有完全利用起来。1m3天然气水合物可以分解成为164m3天然气,约等于0.157m3原油,是低能源丰度的资源。此外,天然气水合物开采的成本具有不确定性,天然气需要较高的存储和运输成本,供需之间必须匹配;天然气水合物赋存于深水区(水深大于300米,目前较多的是赋存于900~1500米),开采设施成本较高。此外天然气水合物赋存于沉积物浅层,钻探成本降低,但地层稳定性和环境问题可能会增加开采的成本。以上为天然气水合物相关的基本概念。 

二、水合物勘探开采进展 

   天然气水合物不是现在才有,其发展经历了以下四个阶段: 

  1)实验室研究阶段,1778年英国科学家首次在实验室合成二氧化硫和氯气水合物; 

  2)管道堵塞与防治阶段,1934年前苏联科学家首次在西伯利亚的输气管道中发现水合物堵塞管道天然气输送; 

  3)资源调查研究阶段,1969年美国首次利用深海钻探DSDP计划研究水合物,并开始地震调查研究; 

  4)试验开采阶段,2002年加拿大麦肯齐三角洲冻土带Mallik计划(加拿大、日本、美国、印度、德国等58个研究机构)Mallik5L-38井水合物开发试验。 

   天然气水合物的发展历史经历了科学好奇工程需要能源资源开采及其环境与灾害这样一个阶段。技术领域涉及实验勘探开采储运利用。科学问题也就非常多了,主要集中在结构、相变、形成与分解等。 

   现在,全球已经有一些区域开始进行天然气水合物钻探:美国东海岸的布莱克海台;日本南海海槽从上个世纪1999年就渐渐开始钻探,直到现在也在钻探试采的过程中;第三个区域是美国的西海岸(ODP204航次和IODP311航次);第四个是墨西哥湾的工业联合项目进行了两个航次的钻探;第五个是南海南部;然后是印度的大陆边缘;接下来是加拿大的麦肯齐三角洲冻土带Mallik计划的天然气水合物;然后是南海北部从2007年一直到今年仍处于钻探阶段;接下来是韩国东部,也就是日本海西侧韩国郁陵盆地;再接下来是美国阿拉斯加北坡多年冻土区的天然气水合物的钻探。 

   这么多钻探的区域,到目前为止只有两个陆地的多年冻土区和两个海域的天然气水合物进行过开采和试验。第一个是加拿大的麦肯齐三角洲经历了200220072008年三次的开采试验,第二个是美国的阿拉斯加北坡2012年进行了开采试验,第三个是日本的南海海槽20132017年两次的天然气水合物试验,还有就是中国南海神狐海域2017年进行了天然气水合物开采和试验。 

   对表1进行总结:在加拿大麦肯齐三角洲冻土带,2002年使用注热法开采,5天的时间产气463m32007年应用降压法开采12.5小时,产气830m32008年应用降压法开采6天,产气1.3m3,主要的问题在于效率非常低,由于出砂的问题堵塞管道而被迫中止;在美国阿拉斯加北坡2012年采用二氧化碳和甲烷水合物置换法,因为二氧化碳形成水合物所需要的温压条件远远低于甲烷。所以从地表注入液态二氧化碳到水合物储层里面,二氧化碳会优先生成二氧化碳水合物,形成二氧化碳水合物的过程中所产生的热可以分解甲烷水合物,这样就起到二氧化碳水合物置换甲烷水合物的作用。实际情况中仅使用这种方法效果比较差,辅助使用降压法开采一个月产气2.4m3。最终结果表明2.4m3天然气水合物的成功开采主要得益于降压法,所以从这个角度来说开采效率也是非常低的;在日本南海海槽,2013年使用降压法开采6天产气12m3并且由于出砂问题被迫终止。20175月开采12天产气3.5m3,也是由于出砂问题被迫终止。到了20176月开采24天产气20m3,这次开采没有出砂问题,但是效率较低。 

   综上所述,日产量最高是2013年南海海槽日产2m3,但与商业性开采气田的距离还很远。这种1000多米水深的天然气田单井需要10m3以上的产量才具有经济价值,所以效率是非常低的;中国南海神狐海域采用降压法开采60天产气30.9m3,这30.9m3气体包括天然气水合物分解产生的甲烷气体和水合物层下伏的游离气,总体来说效率也是非常低。但开采的储层是完全不一样的,我们开采的是黏土质粉砂而日本是砂层,不具有可比性。我们开采的除了水合物以外还有下伏的游离气,而上述国家开采的都是天然气水合物分解产生的甲烷气体,也不具有可比性。从日本的角度来看,采取相同方法和不同的防砂工艺对同一个储层进行3次开采的结果完全不同,说明天然气水合物开采的产业化还有很长的道路要走。 

1全球天然气水合物试采情况
Table.1 Gas hydrate production tests in the world
 

  

三、面临科学问题与挑战 

  海洋天然气水合物开采面临的第一个科学问题和挑战是资源评价。学地质的人应该都很清楚,要对一个区域进行开采必须保证这块区域有足够的资源量。从表2可以看出两个问题:不同的科学家在计算全球资源量、永久冻土带中的资源量、海洋中的资源量的结果差异非常大,是由于他们选取的参数不同;海洋中的天然气水合物占全球天然气水合物总量的99%,而永久冻土带中资源量仅占1%,所以海洋中的天然气水合物才是我们最重要的研究对象。陆地多年冻土区由于其特有的地理位置条件,进行了比较好的开采试验。

  表2 全球陆地永久冻土带和海洋中的天然气水合物资源量
Table.2 Global estimates of in-situ gas hydrates resources hydrated methane in the permafrost and the ocean
 

 

  资源量是天然气水合物藏中储存的所有气体总量,包括已经开发和尚未发现的、经济可采的和非经济可采的总和。对于经济开采来说,最需要知道的是储量而不是资源量。储量是在合理的可信度水平下,天然气水合物藏中已知的、运用现有技术经济可采的气体量。从资源到储量是一个漫长的过程,并非所有资源量都可以成为具有经济价值的储量,储量仅占资源量很小一部分。尽管南海神狐海域做了大量的工作,钻探60多口和大量的地震勘探,但相关数据非常不确定。随着地质确信度、经济可采性、可行性提高,储量逐渐减少,可采程度逐渐提高。

  需要我们怎么解决呢?发展天然气水合物系统成藏理论,改善资源评价方法,提高评价精度,逐渐从资源潜力评价发展到技术可采资源量和储量估算;开展实验模拟、数值模拟和野外试验开采综合研究,发展并运用实验室测量数据校正、解释野外试验开采数据,提高各类数据的可信度,从而提高可采资源量估算精度;开发新的或改进型的天然气水合物野外观测和描述工具,特别是储层的精细刻画或者是储层描述的工具,以满足天然气水合物开采关键科学和工程需要。

  海洋天然气水合物开采面临的第二个科学问题和挑战是储层地质参数和目标评价。国际上水合物试采经验表明降压法效果最好,但效率低,技术有待提高。出砂是阻碍水合物试采的主要问题。无论是国际上陆地多年冻土区还是南海海槽,中-粗砂质水合物储层是试采优先目标,但南海北部神狐海域粉砂质水合物试采也取得较好成果。日本经验表明,水合物试采非常复杂,一次试采成功并不能解决所有问题。

 

  图2 天然气水合物资源金字塔
Fig.2 Gas hydrate resource pyramid
 

  那到底什么样的试采目标是最好的?我们首先来看看南海水合物试采情况,南海目前有两种类型的天然气水合物:2013年以东沙海域为代表的钻探发现的渗漏型块状水合物,不利于试采;2007年、2015年、2016年钻探发现的神狐海域水合物,2017年开采的就是神狐海域看不见的水合物,放在水里有大量气泡产生,属于分散型水合物,黏土质粉砂水合物,是试采的目标。在此区域里面我们确定了W18-W19井、W11-W17井控制的两个矿体并部署了SHSC-1井、SHSC-2、SHSC-3井、SHSC-4井等4口井。

  这四口井的区别是什么呢?钻探结果显示水深差不多,在1200米到1310米范围内。经过非常精细的海底ROV测量确定海底坡度的差别不是很大。差别比较大的是水合物储层,水合物储层顶层最深的是W17矿体210米、最浅的W11矿体113米。大家都知道在开采的工程施工里面,储层越深其工程风险会越低,越浅它的工程地质环境问题可能会越多。另外一个差别比较大的就是泥质含量,W18-19矿体含泥量为20%、30%左右,而W11-17矿体泥质含量在40%左右。还有储层的饱和度差别也不是很大,但最重要的是渗透率,渗透率表达的是流体在沉积物孔隙空间流通渗透的能力。W18-19矿体原位在2~5md、测井结果在10~100md,相对来说渗透率较好,W11-17矿体由于泥质含量较高导致了渗透率较低。我们当时选择了四口井进行了开采试验,第一口井选择的是SHSC-4井,是由于水合物储层下伏厚的高饱和度游离气,共同组成水合物系统。

  问题与挑战主要集中在以下几点:中粗砂、粉砂、泥质水合物储层,哪一个是试采的优先目标?W18、W19、W11、W17,具有不同的地质参数,不同的水合物、游离气储层赋存特征,哪一个站位更有利于试采?含水合物的沉积物绝对渗透率、相对渗透率、孔隙度、粒度、泥质含量、初始温压条件和其中水合物结构类型、气体组分和饱和度等参数控制储层中的流体流动,因此,储层复杂性和储层特性很大程度上影响了水合物开采。试采目标优选该重点考虑哪一种地质参数?解决的思路主要是通过以下几个方面来进行:精确确定实际的水合物储层地质参数,包括时间(垂向)与空间(侧向)的沉积演化特征、非均质性特征;通过数值模拟的方式确定水合物开采潜力评价标准,其中包括开采周期、气体与水绝对产出量、相对产出量等综合归一化标准;也可以通过数值模拟的方式全面确定不同地质参数对开采的综合影响,确定多种地质参数单一、联合作用于水合物储层的开采响应。

  海洋天然气水合物开采面临的第三个挑战是开采技术方法和工艺。如何改善降压法提高开采效率?如何采取更为有效的防砂措施解决出砂问题?防砂技术只试验了一种方式,其他方式有待进一步试验。如何完善配套工艺,提高效率的同时降低风险?水合物试采生产系统的配套工艺技术研究处于初级阶段。开采新技术如水平井、多分支井是否能够提高效率?我们通过实验模拟、数值模拟验证了水平井、多分支井等开采新技术,它的效率是非常好的。比如水平井的产能可以提高5~6倍,但在很浅的松软沉积物里施工是很难的,给实际操作带来了很大的挑战。为了解决以上问题,我们将进一步发展水合物储层模型,包括微观力学和水动力学模型,到野外实际场地模型;在实验模拟、数值模拟和野外实际场地尺度上,开展水合物储层对开采方法的响应研究;发展更多技术方案的试验;发展针对水合物开采的水平完井、多向完井技术和工艺。目前,这些方法的有效性已经得到数值模拟的验证,但尚未进行野外试验。

  海洋天然气水合物开采面临的第四个挑战是环境和工程地质风险。2017年开采时我们通过ROV对海底形变等参数实时监测,未发现海底沉降和变形,也未发现甲烷渗漏。我们可以认为这次试采没有引起海底沉降和变形,也没有发生环境问题。

  但同样存在一些问题与挑战:试采过程监测井没有预先钻井,缺乏实时监测,没有达到真正意义上的监测;储层变化与海底形变监测,目前没有手段。我们需要解决的思路是认真分析天然气水合物开采过程中各个阶段存在的工程地质风险,包括钻完井阶段的工程地质风险、开采产气阶段的工程地质风险、水合物储层产出物输送阶段可能面临的工程地质风险。假如在输送过程中,气水分离不是非常充分的话,在水的管路里面还留有一定的气体,管路中的温度和压力满足天然气水合物生成的条件时,甲烷气体和水会再次生成天然气水合物,进而堵塞开采产水的管道,也会产生很大的风险;明确天然气水合物开采活动可能造成的工程地质风险类型及其诱发因素;研究不同类型的工程地质风险对安全有效开采海洋天然气水合物的影响程度、影响机制;探索针对不同的工程地质风险的防控措施,使工程地质风险处于可控范围内,保证水合物的长效安全开采。

四、模拟实验与测试研究展望 

  天然气水合物的研究主要分为水合物资源勘查与评价、环境效应调查评价,水合物开采利用,水合物室内研究三个方面。青岛所室内的研究主要包括天然气水合物模拟实验与测试、天然气水合物分析测试(微观)、天然气水合物数值模拟(宏、微观)、天然气水合物分子动力学模拟、天然气水合物管道流动安全、水合物理论计算和微观渗流、天然气水合物地震资料处理与解释。

  今天重点回答以下问题:为何开展水合物模拟实验?由于开采遇到的问题急需水合物储层的物性参数来解决,而野外调查、开发投入大、难度高、风险高。模拟实验经济高效,可以模拟各种环境条件,获得重要的物性参数,为野外的调查提供科学的依据;模拟实验做什么?模拟实验有很多种,比如工业应用(流动安全、分离、储运等)、机理研究(成核、动力学、界面作用)、能源资源(勘探、开发、环境效应)。青岛所主要模拟天然气水合物的温度和压力、沉积物类型和粒度、气体运移、孔隙水等环境条件进行能源资源勘探开发和环境效应的研究。

  经过这么多年的研究,我们研制了一系列水合物模拟装置和探测技术。从天然气水合物勘探开发的角度来说,有地球物理方法、测井方法、地层应力变化、水合物层传热等模拟装置和探测技术来确定声学参数、电学参数、力学参数和热物性、渗透率参数。这个工作主要有两个方面,一个是天然气水合物物性测试技术,另一个是天然气水合物模拟实验技术。实际上模拟实验是一个过程、手段,测试技术是结果、目的。

  模拟试验技术主要通过时域反射技术(TDR)来进行声学测量、力学测量、电学测量。模拟实验装置有高压反应系统、低温控制系统、分析测试系统、数据采集系统。每套装置基本都有以上内容,主要测试不同的温度、压力、声波速度、各种物性参数。研发了以下水合物实验装置:水合物地球物理声学探测装置(2011年)、含水合物沉积物速度剖面实验装置(2012年)、水合物共振柱实验装置(2015年)、水合物力学特性模拟实验装置(2013年)、水合物地球化学参数原位探测实验装置(2012年)、二氧化碳置换开采天然气水合物模拟实验装置(2014年)、多物理场演化模拟实验装置(2015年)等。

  水合物声学特性模拟实验技术的发展走过了很长的一段时间,从固结沉积物到松散沉积物,从一维到二维,从静态到动态,从宏观到微观都在不停地做模拟实验。早期的时候研发了平板型和弯曲元探测技术,研发了纵横波速度剖面探测技术。平板型探头主要研究固结沉积物,目前主要应用于多年冻土区。弯曲元探头主要研究松散沉积物,应用于海洋天然气水合物的探测。已经做出来的装置有:水合物声学实验装置、水合物动态体系声学实验装置、水合物二维体系声学实验装置。从实验的结果可以看出,水合物生成模式是先在孔隙流体中生成,随后向骨架靠拢,最后胶结沉积物骨架。利用南海沉积物进行水合物声学模拟,研究储层水合物与声速之间的关系,不同的饱和度其声波速度是不一样的。通过二维声学实验模拟水合物生成前、水合物开始生成、水合物生成过程、水合物生成结束等过程中声波速度的变化,也可以模拟动态气体运移声学实验体系。

  后期,我们创新性地将声学探测技术与CT微观探测技术结合,揭示了沉积物中水合物形成的声学响应机理。并建立水合物形成时微观分布与声学响应模型。不同的天然气水合物饱和度对应的不同声波速度,通过CT可以探测到水合物的饱和度、微观结构和水合物形成过程中水合物微观分布模式。非常有意思的一点是,并不是天然气水合物饱和度提高会使声波速度发生变化,开始阶段声波速度变化很缓慢,后期声波速度变化很大。天然气水合物开采模拟试验技术主要有降压法、加热法和化学试剂法。

  海洋天然气水合物开采的技术难题主要有:出砂问题;产水管道堵塞问题;多物理场演化问题。我们都可以对以上问题进行模拟:水合物开采技术及过程监测综合实验系统,具有出砂预测与防治、产水管道流动保障、多物理场演化规律等功能;水合物钻采一体化模拟实验装置,高压釜体积跟德国、日本、中国石油大学(北京)相比有些差异。最重要的是我们有钻采模块和产砂实时监测模块。天然气水合物测试技术以现代仪器为支撑,对天然、人工和块状、分散状的水合物样品进行地化分析(GC/GC-IRMS)、热学分析(高压DSC)、形态学分析(X-CT/SEM)、谱学分析(Raman/NMR/MRI)、晶体学分析(PXRD)。

  实际上,我们地质与地球物理研究所也有类似的仪器,但不能用于水合物分析。比如我们自主研发的CT仪器,跟医学和工业使用的CT是一样的,可以有不同的分辨率,最小的可以达到10μm。我们研制配套的反应装置,实现含水合物样品在线观测。包括水合物、甲烷气体和沉积物颗粒之间的变化。我们在X-CT在线观测技术发展的过程中对天然气水合物钻探岩心样品测试分析,包括祁连山多年冻土区水合物赋存区岩心裂隙分布,南海实际赋有有孔虫的黏土质粉砂水合物形成过程。通过CT数字岩心,可以观察孔隙度、水合物饱和度、孔径分布、喉道半径、配位数的变化,定量计算绝对渗透率、应力分布、流速等物性参数。

  MRI在线观测技术可以得到THF水合物生成过程MR图像、THF水合物分解过程MR图像,也可以通过多孔介质中二氧化碳水合物的生成过程来观察水合物生成的不同阶段,包括诱导期、生长期、生成结束期。

  DSC在线观测技术主要是进行天然气水合物热学性质的测试,得到盐水中不同压力下甲烷水合物分解热流曲线。

  Raman在线观测技术,除了常规的激光拉曼技术以外,我们自己也研发了高压毛细管样品制备装置观察毛细管里的水合物在形成过程中结构发生的变化,可以逐点升温,观察天然气水合物分解过程中C-H键和O-H键拉曼峰的变化。也可以拉曼光谱原位观测甲烷水合物的生成过程和水合物生成过程甲烷分子C-H键伸缩振动错峰拉曼位移变化。测量南海神狐海域所采取的样品,可以得出该样品是不是水合物,是甲烷水合物还是乙烷水合物,是Ⅰ型结构还是Ⅱ型结构,该样品是一个Ⅰ型天然气水合物。在实验室测量一个祁连山冻土区样品,可以看出这个样品的气体组分除了甲烷峰以外,还有大量的二氧化碳、乙烷、丙烷,甚至还有C3以上更多的结构的样品。

  核磁共振对合成的乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、混合气体以及甲烷、四氢呋喃水合物进行测定,得到了乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷混合气体及甲烷-四氢呋喃13C核磁共振谱图,判定了谱图中各化学位移处的峰的归属,确定了水合物结构。

  接下来的测试技术是XRD,测量不同天然气水合物的结构类型和Ⅰ型、Ⅱ型、H型气体水合物的各种参数。扫描电镜(SEM)测试技术可以观察纯水合物SEM图片和水合物分解的SEM图片。还有就是气体组分测试技术测量,包括同位素等。

  通过这些工作,我们近三年授权32件专利,2017年申请50件专利。出版了两部代表性专著,一部是科学出版社出版的天然气水合物实验测试技术的专著,另外一本是2012年出版首部专论水合物实验技术的著作。天然气水合物的研究在模拟实验这个方向,从宏观的角度逐渐发展到微观,从微观的角度又发展到宏观,是一个反复循环的过程。可以说实验、理论、应用三个方面是相互补充的。

  研究展望

  1.天然气水合物开发关键技术。包括出砂预测与防治、水合物二次生成的预测与防治、多物理场演化与原位监测、地层稳定性与环境监测、水合物实验井仿真模拟技术、水平多分支井开采技术、水合物储层参数动态监测,这些技术是近几年国际上发展的趋势。我们实验室已经开始在做这方面的研究,并且今年我们在实验室建设了一口200米的仿真实验井,目的是解决海域天然气水合物试采过程中发现的关键技术问题(如防砂装置、人工举升装置、监测装置、气水分离和地表设备)。

  2.水合物基础物性与响应机理研究。我个人认为天然气水合物的认识程度远远低于油气和页岩气,并且天然气水合物也远远复杂过油气和页岩气,因为它有相态的变化,所以还有很多的科学问题要解决,包括声学、力学、电学、渗透率的变化。这些参数对天然气水合物的开采或者形成会有一个什么样的响应机理,应该是我们下一步研究的重点。

  3.水合物微观测试技术(NMR、Raman、CT、XRD、MRI、GC-IRMS、DSC、SEM),目前主要是将CT和数值模拟相结合,来研究微观渗流作用。最近将有几篇文章可以解释微观渗流过程。天然气水合物是一种新矿种,其相关理论还很不完善,理论体系也不系统。微观测试技术的不断进步将促使天然气水合物理论研究的不断深入。研究方向有含水合物沉积物孔喉结构参数联合探测技术、天然气水合物微观赋存状态定量表征技术、基于数字图像的沉积物渗透率测试技术、水合物微观分解动力学行为表征技术、水合物分解过程中微尺度多相渗流模拟技术。实际上天然气水合物和油气、页岩气也有一点相似,就是对孔渗饱动态参数变化规律的研究不是很清楚。如果这些问题研究清楚了,对天然气水合物的分解和开采都有一个很好的帮助。

  好,我就汇报这么多,谢谢大家! 

  【致谢:感谢吴能友研究员对本文的审核】

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