降壓技術方法成功生產甲烷水合物
時間：2018-10-09 14:27
來源：
作者:張磊 齊志剛 陳陽
降壓法是生產水合物最經濟，也是最有可能實現商業化生產的手段之一。“對于甲烷水合物的開采，必須考慮到開采作業本身對安全邊際的影響，對海洋生態系統的影響，以及泄漏的甲烷氣體的影響。有人認為造成這些影響的原因是開發相關的低溫流體涌出海面，水泥和套管本身受到臨界破壞。 對于與生產有關的井周地層，由于海底變形、沉降等原因，地層封堵能力的下降與地層本身的塌陷等因素密切相關，這些現象與地層的原地特征以及開采和生產密切相關。如果開采操作終止，壓力和溫度可能會自動恢復到原來的狀態。一旦壓力和溫度進入穩定狀態，解離的甲烷氣體就會回到固體甲烷水合物中，這一過程將被視為開發和生產過程中的一個安全機制。
生產水合物最經濟的技術方法
降壓法是生產水合物最經濟，也是最有可能商業化生產的手段之一。第一次陸上天然氣水合物生產試驗于 2002 年在加拿大西北部麥肯齊三角洲地區的 Mallik 現場進行，作為五個國家 （日本、 加拿大、 美國、印度和德國）和 7 個研究機構（前日本國家石油公司 -JOGMEC、加拿大地質勘探局、美國能源部、美國地質調查局、德國 GFZ、印度石油和天然氣部 - 印度石油公司）的合作研究項目。第二次陸上天然氣水合物生產試驗是在 2007 年和 2008 年冬季由JOGMEC 和加拿大自然資源協會（NRCan）與 Aurora 學院的指定經營者進行的。該學院是加拿大西北地區的一所教育機構。由于上述地區只有在河流和海洋被凍結和冰路可以修建的時期才能進入，所以所有行動都限于冬季。
此外，由于這一地區是北極脆弱生態系統的一部分，在那里發現了稀有生物，因此我們在環境保護方面給予了極大的關注。鉆井廢料被帶回加拿大南部處理，產生的水被注入含水合物層下面的含水層。第一次陸上天然氣水合物生產試驗利用 MDT（模組地層動力學測試儀：斯倫貝謝注冊標志）對降壓過程進行了監測，并證實了氣體的出現。
此外，通過壓力分析等資料，獲得了與地層滲透率有關的資料。第二次陸上天然氣水合物生產試驗將電潛泵置于射孔段以下，并通過向注入層下方注入生產用水來降低井下水位進行降壓。 結果證實，在井底壓力約為8 MPa時產生氣體，比 預 期 值 高（ 初 始 地 層 壓 力 約 為11.4MPa），然后在降壓至 7.2MPa后的降壓期間，觀察到 830m 3 的氣體產量約為 12.5 小時。然而，由于大量的沙子流入井下的時間遠遠早于預期， 而且泵出現故障停止測試。
降壓技術方法原理剖析
降壓法是目前主要的天然氣水合物開采方法。是通過泵吸作用降低氣體水合物儲層的壓力，使其低于水合物在該區域溫度條件下相平衡壓力，從而使水合物從固體分解相變產生甲烷氣體的過程。甲烷氣體和水反應生成水合物以及水合物分解生成甲烷氣體和水的化學反應方程式如下，M 為氣體分子，s 為固態，g 為氣態，l 為液態。
當地層壓力升高或者溫度降低時反應朝右進行，此時地層多孔介質中的甲烷氣體分子會結合在水分子中，其中水分子之間借助氫鍵形成結晶網絡，甲烷氣體分子和水分子之間通過范德華力結合成固體形狀的水合物。當地層壓力降低或者溫度升高時反應向左進行，此時甲烷氣體分子和水分子之間范德華力減弱，固體形狀的水合物結構會釋放出大量的甲烷氣體分子。因此，從己經形成天然氣水合物的地層中開采天然氣，實際上就是天然氣水合物的分解反應，即水合物的分解過程。降壓法就是促進水合物發生分解反應的措施。
降壓法的降壓途徑
降壓法開采井的設計與常規油氣開采相近，滲透性較好的水合物藏內壓力傳播很快。開采水合物層之下的游離氣是降低儲層壓力的有效方法之一，另外通過調節天然氣的開采速度也能達到控制儲層壓力的目的，進而達到控制水合物分解的效果。降壓法不需要昂貴的連續激發。
因此，降壓法是極具潛力的、經濟有效的開采方式。采用“降壓法”，利用抽水方式降低井底壓力，通過射孔降壓甲烷水合物層的孔隙壓力。因此，直接用于生產的能量是泵的動力能，從理論上講， 高能效是可以期望的。甲烷水合物是通過降壓低于平衡曲線的含甲烷水合物層的孔隙壓力而分解成氣和水的，氣體和水是通過從地下層流向壓力較低的生產井而產生的。當甲烷水合物層中的解離在受熱時加速時，解離在熱供應點圖 1 水合物降壓生產原理圖進行。
在含甲烷水合物層中心附近，在熱量供應不足的地方很難繼續解離。在解離過程中，由于孔隙中甲烷水合物飽和度的降低，有效滲透率增加，使解壓更加有效，從而進一步加速解離。如上所述，含甲烷水合物層中的解離是不均勻的，在含甲烷水合物層之上和之下接觸無水合物層的部分可能優先促進生產。砂泥交替層的潛熱對產量和采收率有一定的貢獻，沒有人工熱供應，但采暖等是提高低溫油藏采收率和產能的必要條件。
無論我們采用的是什么，降壓方法都可能發揮關鍵作用，包括人為熱供應。在水合物降壓開采過程中，隨著井孔流量的增大和井孔壓力的降低，儲層內壓降傳播得更遠更有效。孔隙流體壓力降低會導致儲層的沉降，最大的沉降發生在井壁附近；水合物分解的越多，儲層的沉降越大。降低井孔壓力有助于水合物的分解，但同時可能導致井壁破壞的潛在危險；在井壁附近，周向和垂向應力達到最大處容易發生失穩破壞；地層中的水平應力差會增加井壁的不穩定性。
總之，兩次陸上水合物生產試驗充分表明了利用降壓法可以從甲烷水合物中連續產生天然氣，這是實現水合物資源化目標的重要一步，證明了除非有效滲透率和絕對滲透率降低，否則降壓法基本上可以長期保持產能。但是，在生產過程中，由于井筒周圍淤泥組分的積累，以及伴隨降壓的壓實作用，可以預測滲透率的降低。此外，當可滲透的含水層覆蓋和潛藏時，由于水錐，可預測出產水量的增加會干擾降壓向儲層的有效傳播。因此，有必要對這些生產損害因素進行定量的認識。保證降壓法的有效生產。
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