天然气水合物开采理论及开采方法分析

刘俊杰，马贵阳，潘 振，刘培胜

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

天然气水合物开采理论及开采方法分析

刘俊杰，马贵阳，潘 振，刘培胜

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

天然气水合物在地球上含量巨大，是未来极具开发潜力的清洁不可再生自然资源，虽然其含量巨大令研究者感到振奋，但是目前为止任未有一套真正意义上成熟完整的天然气水合物开采理论。在前人基础上总结分析了传统的天然气水合物开采机理，并叙述了一些新型的天然气水合物开采设想。通过分析比较提出了水合物大规模开采需要采用联合开采设想。同时，也叙述了天然气水合物若开采不当，则可能带来的最严重后果——温室效应加剧。最终，提出开采前，需要结合地质勘探技术，获得开采层区域三维实景数据图，防止因意外坍塌而导致的天然气泄漏。

天然气水合物； 开采理论； 未来开采模式； 地质勘探三维实景图

毋庸置疑，天然气水合物作为一种储量极大的清洁不可再生能源物质，其开采价值值得世界各国科学家、学者去关注。但是目前为止任未有一套真正意义上完整的天然气水合物开采理论，多数开采方法尚处于理论概念和实验研究阶段，用于商业实用价值任有一段距离。

天然气水合物在研究上大致经历了三个阶段：第一阶段：英国科学家Davy于1810年首次在实验室发现天然气水合物开始到20世纪30年代初，这一阶段，对水合物研究仅仅停留在实验室研究阶段，仅仅以一种普通物质研究，此时并未涉及能源领域；第二阶段： 1934年美国Hammerchmidt发表了关于水合物造成输气管道堵塞数据后，科学家们开始深刻认识水合物形成对输气管道的不利影响，对水合物结构、相平衡、生成与分解条件有了深刻认识，这一阶段科学家致力于如何防止水合物生成；第三阶段：从20世纪60年代开始，对水合物研究进入了全新阶段——把天然气水合物作为一种能源物质研究，这一阶段的开端是前苏联特罗菲姆科发现了天然气的一个特性：天然气可以可以形成水合物以固态形式存在于地壳岩石圈中，并形成稳定的矿藏，此后世界第一个天然气水合物矿藏——麦索亚哈气田的发现、勘探与开发标志这一新阶段的意义，在这一开采中“偶然间”形成了后面将会提到的传统水合物开采方法：降压法［1］。

我国对天然气水合物开采研究比较晚，与国外相比处于起步阶段，我国是20世纪80年代末开始进行水合物研究的，可喜的是我国近些年来在天然气水合物研究与开采方面也取得了丰硕的成果［2］。

1 天然气水合物开采理论

由于天然气水合物与传统能源物质在开采相态和能源利用形式上有所不同，其开采方法有其自身的特点。煤炭在矿井下是固体，开采出来任是固体，其能量利用形式为煤炭本身；石油在井下是流体，开采出来任是流体，其能量利用形式为石油本身；而水合物埋藏在地下是固态，其开采出来一般是天然气和液态水，其相态上发生了改变，并且能量利用形式仅仅是天然气。基于这个原因，现阶段天然气水合物开采的主要方法都是通过人为地改变水合物所处环境的温度和压力，来充分打破水合物相平衡，使得天然气水合物分解得到天然气，从而开采利用［3］。据此，天然气水合物主要开采方法有：注热法、降压法、添加化学试剂法。

1.1 传统天然气水合物开采方法

如图1给出了打破天然气水合物稳定状态各种方法［4］。如A点所示，此时A点处于固态水合物区,即位于曲线Ⅰ上部。由于天然气水合物在形成初期有很长的诱导期，目前世界公认的天然气水合物相平衡条件判定标准是：在高压低温下使水合物大量生成，然后降低压力和升高温度，使水合物大量分解，当水合物中有微量的水合物存在，保持体系状态不变，若经4～6 h后，体系温度和压力都不变，且体系中任有水合物存在，此时温度和压力便称为水合物相平衡点，不同的相平衡点连接起来构成相平衡线［5］。

图1 各种方法引起天然气水合物相平衡移动曲线Fig.1 The gas hydrate equilibrium curve

图 1点划线Ⅱ代表加入化学试剂后天然气水合物相平衡移动曲线，当加入化学试剂后，降低了水合物的分解温度并且提高了水合物的分解压力，使水合物脱离固相从而达到分解目的，这便是添加化学试剂法原理［6］。同时图1也给出了注热法、降压法原理。不断降低水合物层中压力，直到低于水合物相平衡压力，由于水合物本身有自己的蒸汽压，当水合物层力降低时，水合物分压会降低，此时为了保持其蒸汽压，水合物必须分解，这样便可以开采。注热法是通过向水合物层注入温度高的流体，通常注入的是热的水蒸气或者高温液态水，当高温流体遇到低温水合物，会提供大量的热量供水合物分解。

1.2 新型天然气水合物开采方法

传统的水合物开采方法均是通过人为改变水合物所处环境，使得水合物打破原有的相平衡而分解，从而达到开采目的。随着近年来科学家对水合物的不断研究，对天然气水合物的物性有新的认识，也提出了一些新的开采理念：CO2置换法、微波加热法、固体开采法（水力提升法）。

CO2置换法首先是由日本提出的。理论中指出在一定温度下天然气水合物形成需要压力要比CO2水合物高，因此在一定的温度下，当某一压力区间内，天然气水合物会分解，而CO2水合物却可以形成, 并且研究发现大多数CO2与CH4水合物均为Ⅰ型结构,并且CO2与水的亲和力要大于同条件下CH4与水的亲和力,因此设想通过在一定温度和压力下通过向水合物层注入CO2气体，置换出天然气［7］。但是这种开采方法反应极慢，暂时处于实验理论阶段，同时CO2安全封存也是这一技术得以实施的重中之重。

微波加热法是热激法的一种，但是又不同于传统热激法——注热法，笔者认为是未来大规模开采天然气水合物的行之有效的途径。微波加热法对水合物有：加热、造缝、非热效应三大作用，因此微波対水合物加热是体型加热，而且加热均匀，造缝作用使得水合物内部出现小裂纹有助于水合物的分解。由于天然气水合物是分子是极性的，对微波有很好的吸收作用，这使得微波开采法极具前景，笔者对这种开采方法极具信心，现阶段我们需要做的是的结合深井钻探技术［8］，在切合实际的钻探条件下寻得合理的开采装置，设计合理的大功率微波发射装置，以便实现大规模天然气水合物开采。

固体开采法是在海底把天然气水合物利用采矿机以固体的形式采出，然后应用海底集矿总系统对浅层水合物进行初步分离，再利用水力提升系统将水合物提升到海平面。水合物在提升过程中，温度和压力均发生变化，水合物会不断分解，所以开采过程中用到了固、液、气三相混输技术。采出的天然气水合物固体经粉碎机磨碎后送往分离器，然后使用水泵将海水引入分离器，利用海水温度（一般为20 ℃左右）对天然气水合物加热使其充分分解。

2 天然气水合物开采方法分析

迄今为止全球范围内都还没有真正意义上实现大规模开采天然气水合物。全世界目前只有俄罗斯西伯利亚麦索雅哈天然气水合物矿藏进行了规模比较大的工业性开采, 到现在已有近40年的历史，麦索亚哈气田是因开采天然气水合物藏之下的常规天然气, 使得天然气水合物储层压力降低, 引起天然气水合物分解而无意中实现的开采到。然而, 麦索雅哈气田有其本身的独特性,使得并非所有水合物矿藏均可以沿用降压法开采［9］。

究其原因，笔者认为天然气水合物不同于常规能源，如煤和石油，其开采很大程度上都依赖于水合物层地质结构以及形成特点。降压法可以开采两种类型的天然气水合物矿藏：一种是水合物底层和盖层都是非渗透层［10］；另一种是水合物盖层是非渗透层，而水合物层下面蕴藏着大量的游离天然气，由于其对水合物开采层地质结构有特殊的要求，使得降压法成功开采变得困难［11］。注热法开采热损耗大，设备复杂，特别是在永久冻土区, 即使利用绝热管,穿越厚厚的永冻层也会大大降低传递给水合物储层的有效热量，因此在开采上需要耗费很大的能量，也是阻碍了注热法高效投产原因。注化学试剂法是向储层中注入盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等化学试剂，化学试剂注入开采法的效率也较低, 且随着水合物分解内部形成“腔体”不断增大, 其效率将明显降低，并且注入化学试剂必定会对地下淡水以及深层地质造成破坏和威胁。新型开采方法中CO2置换法由于其反应极慢，对于大规模开采不适用，而且保证CO2安全封存也是技术上很大的难题［12］。固体开采法其动力耗费过大，其开采效益也不足取，若有别的开采方法，其固体开采法必定被淘汰，因为固体开采法把大多的动力均用于提升水合物中可分解为液态水成分做功，而这部分功是无利用价值的。

笔者认为单一的开采方法不足取，需要进行联合开采。比如开采初期，天然气水合物处于温压平衡条件,采用降压开采法的效能最大［13］，但是在降压开采过程中，由于气藏内部没有热源，水合物需要从周围环境中吸取热量来分解，因此周围环境提供的热量的多少决定了水合物的分解情况，此时若辅以注热法，不但加速天然气生成，而且有助于避免因水合物分解吸热温降带来的井中以及管道结冰［14］。与传统注热法比较起来，笔者认为微波加热法更优越，因为本身水合物是极性分子，对微波有一定的吸收作用，这为微波加热开采提供了天然条件，微波作为热源直接在井底，其能量损失比传统注热法少之又少［15］。笔者认为，在开采初期可以采用化学试剂法，当水合物分解形成的“腔体”差不多大时，此时采用降压法，同时应辅以热激法，当降压法已满足不了开采要求时，此时应以热激法为主，此时笔者认为井下微波加热法是热激法中比较优良的选择，因为在考虑开采可行性同时，经济效益与对周围环境也需要考虑的问题。微波加热法是热激发中综合这三种因素比较优良的方法。

当然在所有的开采方法中，不外乎排除有直接将水合物以固态形式直接开采出水平面的设想，比如上面提到的固体开采法。但是笔者认为，从能量利用形式来看，将固态水合物整体开采出地面，其消耗的动力能源过大，是不足取的，很多能量耗费在水相成分是不经济的。未来水合物开采依旧是应以天然气形式开采出井。

3 天然气水合物开采前景分析

据目前各国科学家保守估计天然气水合物资源量约为2×1016m3，约为地球有机碳总量的一半以上，约为所有化石燃料总量的两倍。

天然气水合物最可能形成的区域有：永久冻土区和海底。永久冻土区水合物一般位于冻土层以下100～1 000 m，而海水深度超过500 m时，温度和压力就满足水合物的生产条件。而两者各含自水合物量的比较为：国际上大多数研究者认为海洋中天然气水合物的储量至少比冻土区水合物储量高两个数量级，以至于对海洋的估计误差就有冻土区水合物的储量多。虽然两者含量有如此大的悬殊，但是笔者认为开采水合物顺序应当是先从陆地开采着手，陆地勘探开采技术和工艺成熟后，为海洋深海水合物开采提供有力的数据和良好的技术支持［16］。

在看到天然气开采诱人方面的同时，我们也应当看的开采水合物可能会带来的负面影响。在研究水合物的同时，科学家也清晰地认识到天然气是一种温室气体，而且可怕的是其造成的温室效应是相同质量CO2的20多倍。数据表明海底水合物甲烷气体含量是大气甲烷总含量的3 000多倍，设想一旦开发不慎，造成天然气的泄露，其结果是不可想象的［17］。而且科学界有一种恐慌，随着气候温度的提高，本身海水和冻土区底层温度也会随着提高，到那时水合物层就如同处在天然加热状态，那时候水合物会自发分解，散发到大气中，这样子会引发恶性循环，那个时候气候必定会有大的变化，长此以往发展下去，那是灾难性的毁灭［18］。因此在对待天然气水合物开采问题上，笔者深切地期望各国研究者持谨慎严谨的态度。

4 结 语

任何一种技术革新要想获得成功并被广泛接受都需要具备两个条件：①广阔的市场需求；②前期技术的成熟。天然气水合物开采显然已经符合第一个要求，现阶段正在努力攻克技术上的要求。当然，随着对水合物的开采研究的不断深入，其自动化水平也在不断提高。同时也应该借鉴煤和石油的开采经验和理论，因为煤和石油开采技术是比较成熟的。在未来笔者认为在对水合物物性有更好的了解后，可以深度结合地质勘探技术，可以在清晰了解水合物层所处的地质结构以及可以确定水合物层不会因为开采后水合物盖层坍塌等地质灾害后使得天然气外泄状态下进行安全、可持续开采。笔者希望最好有一套完整的地质信息图，有可视的深层地质结构图，地面操作平台可以清晰地了解深层水合物层应力集中区域以及力学结构薄弱区域，并给予及时的修复。天然气水合物作为一种极具开发潜力的能源物质，需要研究者不断地努力，相信在不远的将来在开采天然气水合物技术层次上必定会有所突破，笔者相信天然气水合物在合理开采模式下，一定可以如同开采煤炭和石油那样实现大规模的开采，为人类生活提供能量。

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Analysis on the Mining Theory and Methods of Natural Gas Hydrate

LIU Jun-jie，MA Gui-yang，PAN Zhen，LIU Pei-sheng
（College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

Natural gas hydrate, which is widely distributed in nature, is a kind of potential clean and nonrenewable natural resource in the future. But, a set of relatively complete theory about its production process is still not formed so far. In this paper, the traditional natural gas hydrate production mechanism was summed up and analyzed, and the assumption of some new types of natural gas hydrate exploitation methods was described. Through comparing and analyzing, the idea about natural gas hydrate large-scale mining was put forward: the combined mining modes should be adopted. Meanwhile, it’s pointed out that improper exploitation of natural gas hydrate maybe causes the most serious consequence, the greenhouse effect worsening. Finally, in order to prevent accidental collapse to trigger natural gas leak, three-dimensional imaging data of mining area should be got by combining with the geological exploration technology.

Natural gas hydrate；Mining theory；Mining prospect；3D realistic terrain scene of geologic prospecting

TE 357

A

1671-0460（2014）11-2293-04

2014-04-20

刘俊杰（1989-），男，山西晋中人，硕士学位，研究方向：天然气水合物生成与分解动力学研究。E-mail：1070658917@qq.com。