利用成对井配合水力压裂技术开采天然气水合物

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1、利用成对井配合水力压裂技术开采天然气水合物　　摘要：通过分析天然气水合物的分解原理，指出开发水合物的基本方法，同时分析了天然气水合物的研究现状以及各方法存在的问题，在此基础上介绍了利用成对井配合水力压裂技术开发水合物的技术，简述了开采原理和开采过程，可为我国天然气水合物的开采研究提供参考借鉴。　　关键词：天然气水合物；开采；成对井；水力压裂　　引言　　天然气水合物对世界能源需求的贡献取决于开采技术和开采费用，因此，合理的开采技术尤为重要。天然气水合物作为天然碳库其储量巨大，是一种潜在的能量资源；作为温室气体，对全球的气候变化起着重要作用；同时因其不稳定性，是海底地质灾害的诱因。与石

2、油天然气相比，天然气水合物埋藏于深海海底岩层中，不易开采和运输。世界上至今还没有完善的天然气水合物勘探开发技术[1]。　　1.水合物的分解原理　　根据文献调研结果，目前，水合物分解、生成的动力学模型至少有30多种[2]。其中比较经典的分解模型主要有Komai模型，Goel模型和Jamaluddin模型，其中前两种模型均是在第三种模型基础上建立的，1989年，Jamaluddin等[3]通过引入传质和传热速率方程，提出了一个同时考虑传质、传热和本征动力学的水合物分解动力学模型：　　式中，n为水合物分解量（mo1），t为时间（s），kd为本征分解速率常数[mol/（m2.MPa?s）]

3、，△E为活化能（J/mo1），R为气体常数[J/（mol?K）]，T为温度（K），As为分解表面积（m2），fe、fg分别为相平衡条件下甲烷气及孔隙气的逸度（MPa），从而可以看出如果要促进水合物的分解主要有四种途径：（1）降低活化能△E，这主要通过加入一些化学试剂实现；（2）提高温度T，对水合物进行加热；（3）提高分解表面积AS，通过扩大开采面的面积；（4）降低（fe-fg），通过降低体系压力实现。　　2.天然气水合物开采方法现状　　基于上述原理，目前正在探索的开采方法主要有：　　（1）热激法：该方法是从地面泵入热流体或采用井下装置加热技术，促使温度上升达到水合物分解的温度。不足

4、之处是会造成大量的热损失，效率很低。有的学者认为不适用于海洋水合物的开采，原因是需要较多的热输入，花费太高[4]～[6]。　　（2）减压法：通过降低压力使天然气水合物稳定的相平衡曲线产生移动，从而达到促使水合物分解的目的。特点是不需要昂贵的连续激发，因而可能成为今后大规模开采天然气水合物的有效方法之一。实验还表明，降压法比加热地层能生产更多的天然气[4]～[6]。　　（3）化学试剂法：将盐水、甲醇等化学试剂泵入水合物层，改变水合物形成的相平衡条件，引起水合物的分解。利用甲醇开采天然气水合物仅见于国外报道，其成本、污染等尚不得而知。此方法较热激发法作用缓慢，但可降低能源消耗，最大的缺

5、点是费用太昂贵。　　（4）CO2置换开采法：根据天然气水合物保持稳定需要的压力比CO2水合物更高的特点，向天然气水合物藏内注入CO2气体，CO2气体就可能与天然气水合物分解出的水生成CO2水合物。这种作用释放出的热量可使天然气水合物的分解反应持续进行，同时可以处理工业排放的CO2[6]，此方法还仅存在室内实验阶段。　　（5）压裂开采法：其实质是在钻孔底部一定范围内诱发人工裂缝，将目的岩层沿垂直于最小主应力方向压裂，使其产生人为裂隙，产生的连通裂隙可以降低储层孔隙压力，从而达到高效开采水合物储层的目的[7-8]。　　（6）固体开采法：直接采集海底固态天然气水合物，然后拖至浅水区进行控

6、制性分解。　　（7）混合开采发：结合不同方法的优点达到对水合物的有效开采，例如将降压法和热开采技术结合使用，即先用热激发法分解天然气水合物，后用降压法提取游离气体。　　3成对井配合水力压裂开采方法　　综合分析上述开采方法分析认为，从原理上说由于水合物分解速度慢，从而只采用普通的井筒分解面积低，从而影响产量。但是固体开采法对温度压力要求高，热采法能耗高、效率低、降压法难度低，但是对储层要求高，化学试剂法成本过高，CO2置换法实施难度高。为了降低难度提高效率和产量，专门设计了一种基于成对井原理的综合开采法，如图1所示。　　天然气水合物的基本开采原理是，首先利用水平井钻穿水合物层后，利用

7、水力压裂技术强行压开储层，然后根据压裂效果在压裂井上部再钻一口成对井穿过压裂区，并且两口井距离为裂缝宽度的2/3，保证两井通过裂缝连通，然后在压裂井筒中注入热蒸汽，利用热量使水合物升温分解，形成天然气气体，然后把天然气抽到地面上，供用户使用。　　3.1天然气水合物的开发过程　　（1）在靠近水合物藏中下部地区钻一口水平井（a）；（2）在水平井（a）中针对水合物藏进行多级水力压裂，至少20段；（3）根据所测量的压裂结果，在水平井（a）的上部钻一口成对水平井（b）；（4）向