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勘探开发步履不停 可燃冰资源前景可期

勘探开发步履不停 可燃冰资源前景可期

地球蕴藏巨量可燃冰资源,现有开发技术水平局限性很大,通过系列科研实践活动,我们积累了可观的研究成果,但革命尚未成果,同志仍需努力,可燃冰将来极有可能火热未来能源市场。

来自 | Upstream
编译 | 姚园

天然气水合物(Natural Gas Hydrate,简称Gas Hydrate)是分布于深海沉积物或陆域的永久冻土(约占全球陆地资源的1/4)中,由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质。因其外观像冰,遇火即可燃烧,所以又被称作“可燃冰”或者“固体瓦斯”和“气冰”。天然气水合物中甲烷含量约为80%~99.9%,燃烧污染比煤、石油、天然气都小得多,而且储量丰富,全球储量足够人类使用1000年,因而被各国视为未来石油天然气的替代能源。天然气水合物赋存于水深大于100~250米(两极地区)和大于400~650米(赤道地区)的深海海底以下数百米至1000多米的沉积层内,这里的压力和温度条件能使天然气水合物处于稳定状态。

天然气水合物是指由主体分子(水)和客体分子(甲烷、乙烷等烃类气体,及氮气、二氧化碳等非烃类气体分子)在低温(-10℃~+28℃)、高压(1~9MPa)条件下,通过范德华力相互作用,形成的结晶状笼形固体络合物,其中水分子借助氢键形成结晶网格,网格中的孔穴内充满轻烃、重烃或非烃分子。水合物具有极强的储载气体能力,1立方米的可燃冰可在常温常压下释放165~180立方米的天然气和0.8立方米的淡水。

Timothy Collett是美国地质调查局(USGS)的资深科学家,他表示:“由于采用标准的不同,不同机构对全世界天然气水合物储量的估计值差别很大,但现今达成了一种共识,即可燃冰矿藏中蕴藏的天然气资源量远超过其它各类碳水化合物资源量的总和,地质储量最为丰富。”

Ray Boswell是美国能源部下属的国家能源技术实验室(以下简称为NETL)的一名地质学家,他表示过去几年间的主要研究成果之一便是重新评估了可燃冰的资源量。他说道:“对于地球蕴藏的巨量天然气水合物资源,我们正在努力探究通过技术手段可开发哪些资源的开发。从这个角度出发的话,可利用资源量便将从巨量转变为一个定量。”

换句话说,可燃冰资源蕴藏总量指的应该是存在商业开采价值的资源量。科学家普遍认为可开发可燃冰资源多集中在水深超过500米且靠近大陆边缘的深海海底以下数百米的沉积层内。

Ray Boswell表示:“我们只是在评估可燃冰的可商业开发资源量,努力做好本职科研工作”。

深度剖析

勘探开发步履不停 可燃冰资源前景可期

Ray Boswell表示:“随着可燃冰商业开发进程的推进和开发技术的日趋成熟,储层渗透率也在持续得到改善。”

部分资源被“锁定”

根据可燃冰资源金字塔,塔底至塔顶,资源开发难度系数逐渐降低。塔底所指的资源虽然饱和度高但开发难度高。根据相关统计数据,约90%的天然气水合物储存在海相粘土和页岩层中。金字塔中部指的是裂缝和粘土系统中的可燃冰资源,Collett表示现今还没有开发这些资源的成熟技术。塔顶指的是砂岩储藏中的资源,可采用降压开采方式。

Boswell表示,在砂岩储层中,天然气水合物饱和度高,导致储层物性差异明显,可通过标准地球物理数据轻松识别。

Boswell表示,鉴于可燃冰在常温常压下不稳定,当前开采可燃冰的方法主要有:①降压开采法、②热激发开采法、③化学试剂注入开采法。过去十年试验结果表明,降压开采法最为可行。当储层压力降低后,天然气水合物便会失去稳态,释放出天然气和淡水。此外,化学试剂注入开采法可作为有效补充。

Boswell说道:“当前大家普遍存在误解,认为可燃冰的相变过程表明其具有不稳定性或不可预测性。然而,事实并非如此,其相变过程同冰块融化原理相同,很容易理解。”随着环境压力的不断升高,天然气与水分子为了达到稳态就会形成水合物结构体。他还表示:“在形成水合物过程中需要吸热,导致周围环境温度下降,这也是使其保持稳态的原因之一。因此,商业开发的关键技术挑战便是如何使储层内的可燃冰处于分解状态。”Collett对该观点表示认同并表示:“一旦储层内的温度低至一定程度,开采速率就会大幅下降。”此外,热激发开采法作为开发方式的有效补充,也成为了整体生产计划的有机组成部分。

Collett还表示:“总体而言,可燃冰资源的开发并没有特殊之处,只需合理利用各种所需的开发与评估工具并运用适宜的开采技术”。

美国地质调查局科学家Tim Collett说道:“当前业内普遍存在一个共识,可燃冰中天然气蕴藏量超过了其它各类碳水化合物资源总量。”

探索不止

鉴于当前只有少数几口井的试采资料,天然气水合物的钻探开发仍处于初期摸索阶段。

Boswell说道:“科学家们普遍认为天然气水合物单井的生产动态难以预测,当前我们掌握有六口井的详细生产数据”。他还表示:“初始模型预测天然气水合物开发井可产出大量气体,但前期生产速率低且持续时间长,可能需要等待很久才会有气体产出。然而,实际试采情况又表明产出滞后时间并没有预测的那么久。”

建模分析表明可燃冰的商业开发是可实现的。Boswell说道:“历次试采试验都会更加坚定我们的希望。天然气水合物气藏开发初期的产出条件是最差的,但随着气体的产出,储层渗透率会不断升高,产出条件也会持续改善。”

虽然仍存在诸多技术挑战,但研究人员一路披荆斩棘,在可燃冰开采方面取得了长足的进步,其中包括美国在墨西哥湾与阿拉斯加的天然气水合物开发项目。

Boswell还表示,常规油气藏的勘探技术也适用于天然气水合物储层,因而我们可利用现有成熟技术勘探可燃冰储层,根据气体生成及运移的地球物理解释数据来降低内在风险。“海底模拟反射层”(BSR,bottom-simulating reflector)代表含气水合物(气水合物在海洋环境中是稳定的)的沉积物与下伏不含气水合物之间的声反射界面,考虑到明晰的海底模拟反射层显示可能是误导,实际上可能是气体的大量扩散而非气体运移行为,不能形成有效气藏,此种方法可用来取代BSR方法。

Boswell指出,研究人员正在努力探究水合物中甲烷气体的释放是否会加重全球的温室效应。

到2005年,墨西哥湾北部尽管已经有1200口工业油气井穿过了水合物稳定带,但是仍然缺乏海底之下水合物存在的证据。2005年,美国能源部与Chevron公司共同推进的“墨西哥湾水合物联合工业计划”(joint industry project,JIP)钻探活动首次证实了墨西哥湾海底存在水合物。在2007年2月,美国地质调查局USGS、美国能源部DOE和壳牌阿拉斯加分公司BPXA再次合作,对阿拉斯加北坡盆地含天然气水合物储集层的第一口探井(Mount Elbert井)成功进行了地层测试,进而通过地球物理测井和钻井取芯证实了之前对天然气水合物前景地震遥感特征的研究。

2009年,“墨西哥湾天然气水合物联合工业计划”在3个站位实施了7个钻孔的钻探,在其中的4个钻孔中发现了含高饱和度水合物的砂层,其它2个钻孔也发现低至中等饱和度的水合物。这个结果首次证实了墨西哥湾含水合物砂层的特征及性质是非常复杂的,同时证明了地球物理与地质学的综合应用在寻找钻探目标方面是非常有效的方法。2012年,由DOE、美国康菲石油公司、日本石油天然气金属矿物资源机构(JOGMEC)共同在美国阿拉斯加北坡普拉德霍湾区开展的Ignik Sikumi现场试验成功完成。这是首个设计用于调查研究天然气水合物储藏中CO2-CH4置换潜力的现场试验工程。

Collett认为,阿拉斯加和日本的试采工程都表明减压开发法是开发天然气水合物储藏的有效手段。

最近,印度国家水合物科考计划02(Indian National Gas Hydrate Program Expedition 02,其是第二次国际合作探索项目,该活动由印度发起,联合美国地质勘探局、日本钻井公司、日本海洋地球科学技术局共同开展工作)自去年启动,科考地点为印度东部海岸,美国地质调查局和美国国家能源技术实验室为本次海洋勘探计划提供技术支持。在Krishna-Godavari和Mahanadi盆地,水深在1500~2800米的区域共钻打了42口探井,获得大量的测井数据和岩心样本。

美国国家能源技术实验室技术人员表示,在两个盆地所发现的天然气水合物特性与钻前预期基本一致。此外,本次考察所获取的大量随钻测井数据和岩心样本可描绘出完备的三维岩石物性视图,进而可为世界上其它天然气水合物油藏体系提供极富价值的参考。

Boswell表示,NETL希望能尽量多地参与到美国或外国即将开展的天然气水合物开发项目中,以便进一步论证降压开采方式对该类储藏的适用性。此外,Collett也谈到:“当前,全世界的关注点是继续加大天然气水合物储藏的生产测试,期望能早日实现商业化开发,造福全人类。”

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白矾
石油圈认证作者
毕业于中国石油大学(华东),油气井工程硕士,长期聚焦国内外石油行业前沿技术装备信息,具有数十万字技术文献翻译经验。

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