冻土带水合物有效开采方法研究毕业论文(编辑修改稿)

冻土带水合物有效开采方法研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

同构成了天然气水合物的稳定带，灰色区域内为天然气水合物的稳定带，理论上天然 气水合物均可以在这一区域内形成。 多年冻土地温梯度越小，多年冻土厚度越大，温度和压力条件就越有利于形成天然气水合物，其稳定带厚度也越大。 由于多年冻土底板处温度为，所以多年冻土底板深度越大，多年冻土层下天然水合物稳定带的下界深度越大。 天然气水合物层可能的埋深估算回归所得生物成因的天然气水合物温度、压力平衡公式计算显示，最浅的水合物层顶界埋深可能为 174m左右，最深的底界埋深有可能到上千米 [14]。 冻土带 天然气 水合物的 存在形式 水合物所赋存的沉积物多是新生代沉积。 在沉积层中，水合物以分散状胶结尚未固结 的沉积物颗粒，或者是以结核状、团块状、薄层状的集合体赋冻土带稳定存在深度140012001000800600400200020 10 0 10 20 30温度/ ℃深度/m系列1系列2冻土带天然气水合物形成以及 存在形式 10 存于沉积物中，还可能以细脉状、网脉状充填于裂隙中。 冻土带水合物与常规油气藏关系密切。 包括汇聚和离散两种类型的沉积盆地，是比较有利的水合物形成区。 对水合物 气藏形成，前人虽曾提出冷冻、渗流等模式，但对构造动力学、古气候演化、热史变异、气体运移、深部气源等问题研究不足，因而远落后于对常规油气藏的认识 [15]。 青藏高原地质运动分析 青藏高原多年冻土区主要分布在昆仑山北坡至唐古拉山南坡安多县北的广大地域，沿着青藏铁路线横跨约 550km 长。 其内分布着一 系列中新生代残留盆地，如可可西里盆地、沱沱河盆地、羌塘盆地、唐古拉盆地等，它们特别是羌塘盆地，分布面积广、沉积厚度大、有机质含量丰富，且已发现有大量的油气显示或工业油流，这些条件可为研究区天然气水合物成藏提供良好物质基础。 上述盆地是在伴随着青藏高原多期脉动性急剧而又整体隆升过程中形成的构造残留盆地，在高原隆升过程中由于不同的构造演化，后期改造作用一方面形成相应的构造圈闭，使油气相对聚集成藏，另一方面构造运动太强烈，抬升和切割幅度太大，对油气的保存起着破坏作用，使大量的轻烃难以保存而逃逸。 这种构造破坏作用造成 的烃类气体重新分配现象在上新世一更新世以来尤为明显。 此间，在上新世至更新世期间，深海有孔虫氧的同位素记录显示全球总体上为强烈的降温时期；在更新世末期至全新世期间 (约在 0． 71Ma)，青藏高原也整体进入冰冻期，形成了大面积的冻土，出现了大规模的山地冰川，除夏季以外，高原上稳定的积雪及大规模的冰川提高了地表反射率，增强了冬季高原上空的冷高压，促使高原进一步变冷，其中，晚更新世末期是末次冰期最盛期，青藏高原处于严寒、干旱的冰缘环境，在这种干冷的气候下，青藏高原开始形成大面积的多年冻土。 进入全新世，虽然大规模的冰期 已经结束，但由于整个高原仍处于不断隆升状态，且高原海拔已上升到 4000m 以上，特殊的海拔高度决定着整个高原仍处在冰缘环境下。 上新世至更新世期间的降温环境，特别是更新世末期至全新世期间的冰川环境为同期构造作用破坏的油气藏烃类气体进一步被圈闭提供了一种耦合机制，即游离的烃类气体在低温 (冻土层 )环境和地层压力条件作用下重新被圈闭形成天然气水合物藏 [16]。 冻土带天然气水合物形成以及 存在形式 11 几种常见成矿模式分析 冻土带水合物形成之前，一般已经有天然气藏，随着温度的变化，达到水合物形成条件以下，就会形成水合物，并且由于陆地上的温度的循环交 替变化，水合物也在不断形成和分解，所以水合物矿藏也伴随有天然气藏 [17]。 麦索亚哈气田就是有天然气藏水合物矿藏。 目前冻土带水合物地质模式主要以下几种模式块状水合物、层状或片状水合物、分散状水合物、透镜体水合物。 块状水合物形成之前有一个较完好的天然气气藏，底部有充足的水源，在地壳急剧上升过程中，由于构造运动使原气藏遭到破坏，当达到水合物稳定性成所需的温度压力，并且破坏的气藏又有新的的圈闭形成，此时水与天然气将形成块状的天然气水合物。 如图所示： 图 26 冻土带水合物块状水合物形成 在地壳运动的过程中伴随着沉积，由于下部天然气渗流到上部，和岩石进入上部岩石的空隙中，如果上部隆升和沉积持续进行， 且此时温度压力满满足 水合物形成温度压力条件时，形成片状或层状水合物。 如图所 示： 冻土带天然气水合物形成以及 存在形式 12 图 27 层状或片状水合物形成 有完整的层状或块状水合物形成是，由于地质构造运动，褶皱活断层剧烈时，水合物矿藏将受到破坏，水合物矿藏发生断裂破坏，此时温度压力改变水合物将分解断裂，当 有新的适宜压力和温度条件时，水合物不再分解，重新稳定，形成分散 状 的各种形态不一的水合物结构。 图 28 分散状天然气水合物形成 冻土带天然气水合物形成以及 存在形式 13 透镜体水合物是是低温冰冻模式形成的水合物，它是有地下已存在的气体矿床或饱和气体的水在上升过程中受到冷冻发生相变而形成中间厚扩展向两边透镜体状的水合物。 如图所示，开始在岩石裂缝或大的颗粒空隙中存在天然气和水等流体，在温度压力达到水合物形成条件后形成透镜体状水合物。 图 29 透镜体天然气水合物形成 近日在祁连山取 出水合物岩心结构如图 210 所示， 通过取心表明发现水合物赋存状态复杂 ， 研究认为祁连山天然气水合物的产出方式可能有二种 ， 一是以薄层状、片状、团块状赋存于粉砂岩、泥岩、油页岩的裂隙面中 ,单层仅 仅数毫米厚 ， 肉眼能观测到的均是这类水合物。 一是以浸染状赋存于细粉砂岩的孔隙中 ， 这类水合物肉眼难以观测到 ， 但可通过岩心中不断冒出的气泡和水珠来间接推测存在这类水合物 ， 也可通过红外测温中的分散状低温异常证实有这类水合物。 天然气水合物分解后将导致岩心温度降低 ， 从ABCD 反映水合物含量逐渐升高 [18]。 冻土带天然气水合物形成以及 存在形式 14 图 210 祁连山冻土区发现的天然气水合物及其燃烧照片 图 211 祁连山冻土区含天然气水合物岩心的红外热像仪照片 冻土带天然气水合物注热降压开采 15 第 3 章 冻土带天然气水合物 注 热降压开采 目前天然气水合物的开采方法常见有三种 ，第一种注热开采，第二种降压开采，第三种是注入化学剂 [19]。 其中注热和降压开采用于麦索亚哈气田开采所取得较好的效果。 降压 开采原理 降压 开采机理 通过降低天然气水合物储集层的压力促使水合物脱离其稳定带，从而引起水合物的相平衡曲线的移动，使水合物分解。 为降低水合物储集层的压力，可以开采水合物储集层之下的游离天然气或是采用热激发或注入化学试剂的方法，从而使水合物不稳定而分解。 此外，在钻井过程中采用低密度钻井液也可以实现水合物储层的降压，而通过调节天然气的开采速度则可以有效控制储层压力，从而控制 水合物的分解。 图 31 天然气水合物降压开采原理 不需要昂贵的连续激发 是 降压法的最大特点， 这也使得运用该方法经济成本较低 ，简单易行 ，适合大面积开采，尤其适用于存在下伏游离气层的天然气水合物藏的开采 ， 因而其可能成为 未来 水合物 商业 开 发 的有效方法之一。 降压法的缺陷在于， 由于没有额外的热量注入 ， 水合物分解 只能从 周围冻土带天然气水合物注热降压开采 16 环境 中吸收热量 ， 当 吸收的热量达到一定程度， 周围环境温度的降低会抑制水合物的进一步分解。 因此， 它对天然气水合物藏的性质有 一定 要求，只有当天然气水合物藏 的原始温度、压力条件 位于温压平衡边界附近时，降压 开采法才具有 较好的 经济可行性。 降压 开采 能量分析 水合物开采的主要能量驱动有以下几种： 天然气的膨胀能，对于底部有天然气藏的水合物层，开发前期，底部的天然气膨胀能实现天然气的能量驱动。 水合物分解后的天然气驱动， 当储层压力或温度不满住水合物稳定存在条件时候，水合物开始分解，此时分解的天然气继续 为地层 提供能量。 其他方式的能量，在降压开采过程中往往可以结合其他的方式，使得水合物不断分解。 往往很多开发方式都是伴随着降压过程进行。 注热开采原理 注热开采机理 注热开采是利用钻探技术在天然 气水合物储层中安装管道，对天然气水合物的地层进行加热，提高局部储集层温度，打破天然气水合物稳定存在的条件，从而造成天然气水合物的分解。 注热开采通常采用的蒸汽注入、热水注入、热盐水注入、火驱及电磁加热等方法。 图 32 注热 开采水合物示意图 冻土带天然气水合物注热降压开采 17 不同的注热开采方式也有不同的优缺点， 蒸汽注入和火驱技术方法在开采比较薄的水合物储层时的热量损失很大，只有在储层厚度大于 15m时进行开采的热量利用率才比较高。 注入热水的热损失较蒸汽和火驱小，但水合物储层内的水对于注入率又限制了该方法的应用。 热水注入法与蒸汽注入法相比 ，前者由于比后者消耗能量少，也不需要考虑稀释问题，从而可能有效的降低开发费用。 同时多井注热比单井注热效果在促进水合物分解上效果又更好。 注热开采法的主要不足是会造成大量的热损失，效率很低，特别是在永久冻土区，即使利用绝热管道，永冻层也会降低传递给储集层的有效热量。 图 33 水合物层单井注热与多井注热 开采 效果比较 [20] 注热开采 能量分析 水合物分解所需要的能量主要分为五部分：水合物分解能量、岩石骨架升温所需能量、水合物升温所需要的能量、地层中束缚水升温所需要的能量和水合物分解后分解水和天然 气升温所需要的能量。 不同的水合物藏的物性参数不同，上述各部分能量所占的比例有所不同。 在理想状态下，假设岩石孔隙度为 30%；水合物为甲烷水合物，水合系数为 6且饱和度为 80%；原始地层温度为 4℃ ，水合物开始分解温度为 12℃ ，地层最终温度为 1。