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国际天然气水合物20年四次成功试采简要回顾(下)

发布于: 2017-04-07 10:25:54

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 四、2012年 美国阿拉斯加北坡永冻带运用CH4/CO2置换法水合物试采成功 

 

 

(一)2003-2004年初热冰 1#井试验研究

(1)项目参加机构

美国能源部、Anadarko 石油公司(施工)、Maurer 技术有限公司、Noble工程开发公司、USGS、阿拉斯加大学(安克雷奇)、美国能源技术国家实验室 NETL、Schlumberger,及Paulsson地球物理服务公司等。

(2)项目目标,北极钻探平台,试验结果

 

 

 

(二)2007年阿拉斯加北坡艾尔伯特山(Mount Albert ) #1 井试验研究

(1)项目参加机构

BP 勘探阿拉斯加公司, (BPXA, 施工单位)、美国能源部、USGS、ASRC工程服务公司、俄勒岗州立大学、RPS-APA 能源公司、Ryder Scott公司及Interpretation 服务公司等。

(2)项目目标,钻探、取心,测井,科学与工程成果,结论。

 

 

 

(三)美国水合物的合成与分解,CH4/CO2置换法生产甲烷的实验室研究

该方法是在地下水合物储层中,用CO2分子置换出 CH4分子,而原水合物结构中的水仍保留在原位。

 

 

 

(四)阿拉斯加北坡 Ignik Sikumi #1 运用CH4/CO2置换法水会物试采成功

(1)参加国家与机构

美国能源部、日本国家石油、天然气与金属公司(JOGMEC)、康菲公司(ConacoPhillips) 等;

(2)钻采工地,钻探,测井,井下测试,试采;

(3)Ignik Sikumi #1 试采井 井身结构与井下采气器具安置;

(4)甲烷 /二氧化碳 (CH4/CO2) 置换法井下开采水合物示意图;

(5)Ignik Sikumi #1 井甲烷天然气返排持续39d,产气量 28000m3

(6)天然气水合物试采成功,产出的气体在空中燃烧!

 

 

加拿大 美国北极圈内陆地永冻带

天然气水合物成功试采位置图


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热冰 #1井(Hot Ice #1)工地(2003-2004.4)


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北极钻探平台(Arctic Plaform,由Anadarko提供)




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采取含有水合物的细砂岩岩心样品

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美国能源部国家能源技术实验室(NETL)

 

水合物研究——15L水合物实验设备

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康菲石油公司与挪威卑尔根大学实验室研究证明

 

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阿拉斯加lgnik Sikumi #1水合物试采井工地(Nordic #3钻机)

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lgnik Sikumi #1试采井井身结构

 

与井下采气器具安置

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CH4/CO2置换法开采天然气水合物示意图

 

(康菲公司)

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美国阿拉斯加2012年Ignik Sikumi #1井水合物

 

试采甲烷气体产量曲线

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美国参加天然气水合物调查研究开发计划的

 

相关学术机构

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(五)评论

1、美国是世界上水合物蕴藏地域最广,资源最丰富的国家之一,同时也是能源需求大国与全球科技强国。美国水合物调查研究不仅局限其本土,而如同其政治、军事一样,具有“全球战略”。它积极参与其它国家和地区的水合物调查,如加拿大、中美海域、印度、韩国等,并与日本签订合作协议。美国政府至少有6个机构(能源部、地调局、矿产管理服务中心、国家海洋和大气管理局、国家科学基金等)涉及水合物事务,并有超过40个的学术机构与许多企业参与水合物勘查开发。

在水合物调查评价的综合实力方面,包括3D地震、保压取样(先PCB,现PCS)、测试分析(GHASTLI、IPTC、PCCT、高分辨率CT等)、井下测试(MDT等),以及实验室水合物合成、分解技术等,美国处于国际领先水平。

2、阿拉斯加北坡 Ignik Sikumi #1 井试采,是美国确定的水合物“特定目标研究项目”。这是美国作为合作伙伴参加加拿大Mallik 采用热注法和降压法成功试采水合物之后,主要依靠本国实力,运用创新的CH4/CO2 置换法成功地试采水合物。至此,美国和日本、加拿大并驾齐驱,成为世界上试采水合物技术领先的国家。

3、美国阿拉斯加这次采用的 CH4/CO2 置换法与加拿大 Mallik 所用的降压法相比,似乎气体生产率偏低。但是产气率与水合物储层诸多因素,如水合物含量、饱和度、渗透率等相关,也与施工工艺水平有关,现尚不宜下结论。至于经济性方面对比,还有待深入分析研究。

4、CH4/CO2 置换法还具有以下明显的优点:

(1)CO2与水有更强的“亲和力”,置换法是CO2分子将甲烷(CH4) 分子从水合物中“挤走”,与水结合生成更加稳定的 CO2 水合物。这就不会出现生产性废水,既减少环境污染,又避去处理工序和经费。更重要的是,在开采过程中及开采后,更加稳定的储层降低了海底滑坡和地层塌陷以及甲烷气体大量泄漏的可能性。

(2)开采中形成CO2水合物的热量比分解甲烷水合物热量要多 20%,这就有利于储层水合物的继续分解,增强开采的持续性。

总之,CH4/CO2 置换法是一种实用有效的水合物开采方法,特别是运用于环境要求较高,及存在潜在地质灾害风险等区域。

 

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五、2013年日本南海海槽海域第一次水合物试采成功

 

 

 1998-2008年日本与加拿大在 Mallik 运用热注法和减压法先后两次水合物成功试采 (前文已述)

1999-2000年日本南海海槽首次水合物探井达到预期目标

2004年日本南海海槽水合物多井(16个站位,32口井) 钻探计划获得成功

日本天然气水合物研发计划( MH 21) 环境效应评估研究( EIA)

(1)2009-2015年7年期间 EIA 实施战略;

(2)研发应用海底变形监测系统与甲烷泄漏监测系统。

2013年日本南海海槽海域第一次运用减压法水合物试采获得成功

(1)项目领导机构与施工负责部门:由重建的 MH 21 联合体领导。新建 MH 21联合体 由 JOGMEC ( 日本国家石油、天然气和金属公司,Japan Oil、Gas and Metal Co.) 和 AIST (日本国家先进产业科技研究所,National Institute of Advanced Industry S & T ) 组成。下分4部门:现场开发技术部(领导施工, Yamamoto 为负责人,曾负责加拿大试采项目施工)、资源评价部、生产方法和模拟部及环境效应评估部;

(2)生产试验井、观测井与取心井总体方案;

(3)生产试验井水合物试采施工作业程序;

(4)水合物试采工程施工进度计划;

(5)日本南海海槽海域水合物试采现场安全要求;

(6)日本南海海槽水合物试采成功。2013年3月12-18日,总计产生甲烷天然气 120000 m3,  平均日产气量 20000m3

 

 日本天然气水合物成矿远景区分布图

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1999年11月-2000年2月日本南海海槽水合物探井

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“南海海槽”探井确认含甲烷水合物层

调查的概要和结果

1.调查概要

施工单位:石油资源开发公司    计划总事业费:约为50亿日元;

钻井位置:御前近海(静冈县天龙川河口近海,离岸约50km的海域),(水深945m)

计划钻井深度:海面以下2800m(海底以下1855m)

钻井装置:美国Reading & Bates Falcon Drilling公司所拥有的钻井船M.G.Hulme.Jr 

2.调查结果

使用PTCS等从海面以下1110m~1272m的砂岩层取心。根据对岩心样品产生的大量气体的分析、异常低的样品温度、异常低的地层水含盐量等,确认海面以下1152m~1210m井段有3层(合计约16m)含甲烷水合物层存在。

使用PTCS(Pressure Temperature Core Sampler——保压保温取心系统)取心

在深度1175m~1254m井段,取心27次(采取率29.1m/79m:37%)。

通过现场及后来的分析,结果确认深度1152m~1210m井段有3层(合计约16m)含甲烷水合物层存在。

 

 

 

 

2004年日本南海海槽水合物多井钻探“Tokaioki Kumanonada”计划

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海洋常规油气开发潜在的钻探灾害(风险因素)

 

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日本天然气水合物研发计划MH21环境效应评估研究(EIA)

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日本MH21第二阶段(2009-2015)环境效应评估(EIA)战略
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日本MH21计划(2009-2015)环境效应评估(EIA)综合方法示意图
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日本南海海槽东部海底滑坡
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2013年日本南海海槽水合物试采工程

位置

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2013年日本南海海槽水合物试采生产井监测井与取心孔总体方案

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2013年南海海槽生产试验井水合物试采

 

施工作业程序

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2013年日本南海海槽水合物试采工程

施工进度计划

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2013年3月日本南海海槽水合物试采

施工现场安全要求

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2013年3月12-18日 日本海域水合物

试采“地球号”钻井船

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六天试采共产生甲烷气120000m3

平均日产气量20000m3

 

 

 

1——排气塔出口;2——船尾燃烧器。

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20133月中旬日本南海海槽东部海域运用减压法

试采水合物生产的甲烷气体在燃烧

 

 世界上已成功实施天然气水合物试验的开采成果

 

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国际上实际应用的天然气水合物开采方法

 

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(六)总结

1、国际天然气水合物20年陆域、海域4次成功试采,为不再遥远的商业化水合物开采奠定了坚实的基础。实践表明,目前日本已是世界上具备水合物试采全面实力,技术水平领先的国家,而美国和加拿大则是在陆域永冻层水合物试采方面具有国际领先水平。

日本十数年水合物试采的实践表明,政府制订缜密可行的开发计划,采取“先陆后海”、“循序渐进”的方针策略,加强国际和国内的协同合作,组建坚强有力的团队,重视环境效应评估和现场施工安全等,都是取得历次水合物试采成功的重要因素,是值得各国学习和借鉴的。

2、全球天然气水合物大部分蕴藏于海域,而海域水合物开采比起常规油气开采,需要更高的技术、更大的投资,面临更多、更高的风险。海域水合物开采的成功与否,不仅取决于先进技术。而且,对整个海洋环境(地层,海洋和大气) 的风险评估研究与监测,及制订防范、治理预案是同样重要,甚至是更为重要的。

另一方面,天然气水合物开采的经济性十分重要。必须不断地提高开采方法和技术水平,降低成本,及减少各种风险,使所开采天然气的价格具有竞争力,为市场所能接收。这样,天然气水合物的开发才具有实际意义。

3、20年4次水合物成功试采表明,减压法辅以井下生产层段加热是一种水合物开采简单、经济的有效方法,而 CH4/CO2置换法也具有其明显优点,尤其是应用于环境敏感或潜在风险很大区域的水合物开采工程。当然,目前水合物开采还有其它若干方法。而且,通过不断实践和创新,还会出现其它更加先进、有效、经济的天然气水合物开采的新方法和新技术。

4、我国近年来在陆域、海域水合物调查方面取得迅速进展。尤其在2013年南海 GMGS-2 水合物勘查之后,我国已跻身国际水合物调查研究先进国家行列。此后,又在南海进一步实施了两次水合物调查研究。此外,2015年,探矿工程研究所研发的水合物保压取心钻具 TKP-1 经3次海试,表明其技术水平已可与美国的PCS,欧洲的 HRC和FPC, 日本的 CDEX 组合式PCS 相媲美,且保压成功率还高些。2016年,由勘探技术研究所承担的祁连山永冻层水合物试采,运用了创新的水平定向孔对接技术,在世界上中纬度首次水合物试采取得圆满成功。

由此表明,我国已是继日本、加拿大和美国之后,第4个具有水合物试采能力的国家。

根据我国“十三五规划”,及“三深一土”科技创新战略,我国计划于今年在南海实施天然气水合物试采,这将使我国在天然气水合物研究开发领域取得重大的突破。

借此机会,预祝我国今年南海水合物试采圆满成功!

  

后记

本文主要参考美国能源部(DOE) 国家能源技术实验室(NETL) 所办 “ Fire in the Ice" 期刊的多篇文章编撰而成,特别是引用了大量珍贵的图片。在此完稿之际,对NETL表示衷心的感谢。同样也感谢其它参考文献的作者和网站(如JOGMEC)等。另外,中国地质调查局王达教授对本文编写一直予以关心、支持和帮助,提供了十分有益的建议,作者对此也表示深切的谢意。


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