海洋天然气水合物开采系统读书报告-苏凯-2

海洋天然气水合物开采系统读书报告之压裂置换联合开采海洋天然气水合物系统建工10级十班苏凯2014-02-27目录第一章选题依据 4第二章国内外研究现状 42.1日本 52.2中国 6第三章海洋天然气水合物基本性质 73.1海洋天然气水合物稳定区 73.2海洋天然气水合物的分布形式 83.3海洋天然气水合物地层性质 93.3.1海洋天然气水合物地层的孔隙度和水合物饱和度 93.3.2海洋天然气水合物地层的渗透性 93.3.3天然气水合物地层的有效导热系数 93.3.4天然气水合物地层的力学特性 93.3.5天然气水合物地层中的水合物相平衡特征 10第四章主要研究内容 114.1天然气水合物开采基本原理 114.2海洋天然气水合物开采难点 124.2.1对天然气水合物研究不够成熟 124.2.2自然环境和开采中水合物分解的限制 124.2.3开采成本过高 134.2.4海洋天然气开采的地质问题与环境问题 134.3常规开采方法介绍及评价 144.3.1热激发开采法 144.3.2减压开采法 144.3.3化学试剂注入开采法 154.3.4CO2置换法 164.3.5微波加热法[18] 174.3.6固体开采法（水力提升法） 174.4压裂置换联合开采法 184.4.1工艺系统组成及主要部件功能 184.4.2系统工作原理 194.4.3压裂置换联合开采海洋天然气水合物系统问题分析 20第五章总结 20六参考文献 21第一章选题依据天然气水合物是由水分子和烃类分子在低温、高压条件下形成的类冰状笼形化合物，主要蕴藏在世界大洋和内陆湖海的海底以及极地的永久冻土带中[1]。天然气水合物具有如下优点：储量大，世界天然气水合物的储量约为2×1016m3，目前普遍认为储存在天然气水合物中的碳至少有1×1013t，约是当前已探明的所有化石燃料中碳含量总和的2倍；能量密度大，天然气水合物是一种高密度的能源，在标准状态下，单位体积的水合物可以分解得到160～180体积甲烷气体，且单位体积的天然气水合物其燃烧热值约为煤的10倍，传统天然气的2～5倍[2]。海洋型天然气水合物常常以侵染状、层状或块状形式赋存于水深300～3000m深或更深的陆坡深水沉积物中。依据最新和较为保守的估算，全球海底的天然气水合物所蕴藏的甲烷气体约为2.8×1015m3（2800万亿m3），比全世界天然气的总储量（0.18×1015m3或180万亿m3）大得多[1]。图1世界范围内天然气水合物分布图天然气水合物被认为是21世纪最重要的替代能源，给人类带来了新的能源希望，但对其开采利用还存在一定的制约，尤其是海洋天然气水合物的开采,因其存在环境复杂、埋藏深等问题而得不到有效开发[3]。因此加强对海洋天然气水合物的开采系统研究对于世界的能源供给、能源安全等有着重大意义。第二章国内外研究现状由于海洋天然气水合物具有能量密度高、分布广、规模大、埋藏较浅、资源潜力大等优点，在传统油气资源日益枯竭的背景下，海洋天然气水合物被广泛认为是新世纪一种理想的替代能源。然而尽管美国、日本、印度、韩国、俄罗斯、德国、加拿大、英国和法国等对天然气水合物进行了大量调查研究，并取得了许多成果，但是在海洋天然气水合物开采方面的进展却不容乐观。截止目前，只有日本取得了一定的成绩，成功地从海洋中采取到了天然气。下面主要介绍日本和我国在海洋天然气水合物开采方面的研究历程和现状。2.1日本日本作为一个能源短缺的经济大国，对天然气水合物的研究也非常重视，每年在天然气水合物方面的研究投入都超过1亿美元。日本制定了两项水合物研发计划:甲烷水合物研究及开发推进初步计划(JNOC)和21世纪甲烷水合物勘探计划(MH21)。从2001年起，日本在其南海海槽进行了水合物ZD和3D地震调查与水合物井钻探，并进行了多次水合物开发试验。室内实验和利用数值模拟软件进行的模拟表明对于有些水合物藏，仅用降压法就可以得到持续而强大的气流。为了证实这一点，日本和加拿大于2007和2008年在Mallik又进行了实地验证。在为期六天的试生产中，利用电潜泵进行水力举升实现降压，最终生产了13000立方米的气体。此试验成功表明简单降压法可作为未来商业化气体生产采用的一种有效的低成本方法。MH21计划的最终目标是建立一个技术平台，于2018年前在日本沿海开展利用甲烷水合物进行天然气的商业化生产。目前，其第一阶段(2001一2008)己成功完成了日本水域甲烷水合物资源量的评估，开发了一套水合物藏模拟程序，以及对气体生产技术的开发和实践验证。第二阶段(2009一2015)拟通过两次海上气体试生产试验为评价海洋水合物生产提供更多定量数据，以增进对天然水合物的了解，改善生产技术，评估南海海槽东部以外的水合物资源量，并同时研究水合物开发对环境的影响。日本经济产业省2013年3月12日宣布，日本运用“地球”号深海勘探船在爱知县东部深海成功从可燃冰层中提取出甲烷，成为世界上首个掌握海底可燃冰采掘技术的国家。图2为日本海洋天然气水合物开采方案[20]。图3为成功分离后的甲烷气体在“地球”号深海勘探船上被点燃。日本希望2018年开发出成熟技术，实现大规模商业化生产[23]。图2日本海洋天然气水合物开采方案图3分离后的甲烷气体被点燃此次开采使用的是降压法使水和甲烷分离。采掘试验由日本经济产业省属下的石油天然气金属矿物资源机构实施。该机构利用地球深处探测船“地球”号，从爱知县渥美半岛附近约1000米的海底挖入330米，到达可燃冰层后，通过把可燃冰中的水分抽出降低其压力，使水和甲烷分离，然后提取出甲烷，整个过程约用了4小时。该机构将继续在该海域进行为期两周左右的采掘试验，以进一步完善技术。此外，以美国为首多国共同参与的DSDP(深海钻探计划)，ODP(大洋钻探计划)和IODP(综合大洋钻探计划)等项目为了解海底天然气水合物提供了机遇，是研究海底天然气水合物的重要手段。ODP自1985年开始到2003年结束，期间共实施105个航次(legl00一204)，钻探站位达627个(site625一1252)，对天气水合物开展研究的航次主要有112，141，146，164，182和204航次。其中164和204两个航次对天然气水合物的研究取得了重大突破，ODP164航次致力于对海底天然气水合物进行取样，而204航次则对天然气水合物形成、赋存机制进行了深入研究。大洋钻探计划对推动天然气水合物的研究有重大贡献。就技术而言，天然气水合物科学钻探涉及保真取样，原位孔隙水采集及地球化学现场测试，取芯过程中岩芯温度、压力和导电率的测定，中子密度、测声、随钻测井、核磁共振等测井及井下地球物理实验技术。2.2中国我国自上世纪90年代初开始对海底天然气水合物研究进行学术追踪。1997年陈宗汉、周蒂初步探讨了我国海上存在天然气水合物的可能性。1998年姚伯初利用已有的地震资料首次根据BSR特征探讨了南海北部陆缘天然气水合物存在的可能性。2005年中国海洋石油天然气总公司准备在南海进行深水钻探，抓取天然气水合物岩样。2005年底在韩国举行的中、俄、韩、日四国联合会议上确定对鄂霍次克海域进行天然气水合物调查，2006年6月圆满完成海上调查任务，并成功采获天然气水合物样品，这是我国第一次采集到天然气水合物样品。2007年4月21日到6月12日，我国在南海北部神狐海域共完成了8个站位的钻探、测井，对5个站位进行了取芯，其中3个站位上获得天然气水合物样品，取芯发现水合物的成功率高达60%。我国因此成为继美国、日本、印度之后第4个通过国家级研发计划采到水合物实物样品的国家[5]，是在南海海域首次获取天然气水合实物样品的国家，同时证明了理论上的分析和预测，标志着我国海域天然气水合物调查研究步入世界先进行列。第三章海洋天然气水合物基本性质3.1海洋天然气水合物稳定区海洋满足了自然界天然气水合物存在的以下几个主要条件：(1)低温、高压;(2)甲烷气体的持续供应;(3)水和(4)一定的圈闭条件。如下图所示，为典型的海洋天然气水合物的相平衡曲线示意图。图4海洋天然气水合物相平衡曲线图对于海洋中的水合物来说，其稳定区的厚度受地温梯度控制，两者大致成反比关系。如地温梯度不变，则水合物稳定区厚度直接与海水深度成正比。但海洋中水合物稳定带的深度是一个不断变化的过程，当新的沉积物沉积于水合物稳定带的顶部时，水合物稳定带的底部就发生分解，释放出大量天然气。如果是在可渗透的沉积物中，这些天然气会向表面运移并逸散。然而，由于水合物稳定带的存在，其在游离天然气上方形成一个密闭盖层，从而将这些气体圈闭于水合物稳定带之下，或者这些气体以甲烷形式向下部运移。因此，在水合物稳定带之下，往往有游离气藏。其原理示意图见图5.图5海洋水合物稳定区变化从整体上来说，海洋环境中所含的天然气水合物占所有天然产出水合物的绝大多数(超过99%)，大陆边缘的深水区由于拥有大量的有机碳供应和沉积速度较高，因此目前发现的绝大多数水合物都集中在这类地区。从这个角度来看，海洋天然气水合物开采是开发利用水合物资源的最终目标，对海洋地层钻井进行研究无疑更具有价值。3.2海洋天然气水合物的分布形式水合物在地层中的分布形态或分布模式对水合物赋存地层的有效导热系数、比热、波速、渗透性、饱和度、力学性质等都有很大影响。由于海底水合物实际分布复杂多变，因此为便于研究水合物沉积层物性以及估算水合物资源量，国内外不同学者从不同角度对其分布模式进行了假设和归纳。经过多年研究，研究人员提出了海洋水合物分布的4种形式，包括:(1)细分散型水合物。这种水合物分解速度很快，通常把其岩心取到钻井平台前就完全分解了，导致取心器内孔隙水盐度较低，岩心温度偏低(水合物分解吸热)。绝大多数海底水合物为这种类型。(2)脉状水合物。直径达到5cm，如在墨西哥湾的格林峡谷就发现了这种类型的水合物。(3)层状水合物，被薄层的沉积物所分割，如在布莱克巴哈马海台取到的水合物样品就是这种形式，这种水合物可能在近海和永冻区都存在。(4)块状水合物，如在DSDP84航次的570站点取得的样品，其厚度可达3-4m，水合物含量为95%以上。3.3海洋天然气水合物地层性质3.3.1海洋天然气水合物地层的孔隙度和水合物饱和度海洋天然气水合物沉积地层的孔隙度受地层埋藏深度、基质岩性以及水合物分布模式的影响很大。在沉积压实作用下，随着埋藏深度的增加，水合物赋存地层的孔隙度会逐渐减小。不过由于受地温梯度的影响，水合物赋存地层一般不厚，有时候也可不考虑沉积压实作用。国际上对已获取的水合物样品的研究表明，水合物沉积层的孔隙度基本在30-40%左右。天然气水合物的饱和度是指在其赋存的沉积地层孔隙中水合物所占的比例，其它孔隙空间由孔隙水和自由气体占据。如前所述，不同类型地层中水合物的饱和度变化非常大。根据对DSDP570站位240-255m含水合物层段的测井资料的解释，水合物饱和度最大值变化在100%-94.5%之间，水合物饱和度最小值变化在2%-27%之间。3.3.2海洋天然气水合物地层的渗透性海洋水合物地层的渗透性是指气体和水在地层中流动的能力，它是评价钻井液侵入程度和水合物开发设计的重要依据。水合物地层的渗透性与孔隙中水合物的饱和度有直接关系。当水合物饱和度较低时，气水渗透要容易一些，而当孔隙被水合物完全占据时，则孔道完全封闭，渗透系数为零。在钻探水合物地层时，由于水合物的分解，气、水、水合物饱和度以及孔隙水都会发生变化，进而导致地层的渗透性也随之发生变化。因此水合物赋存地层的气水渗透比一般油气储层要复杂的多。3.3.3天然气水合物地层的有效导热系数水合物沉积地层的导热系数与水合物分布模式、孔隙大小、骨架、孔隙中各相含量有关。由于海底沉积地层属各向异性非均质体，而且取样和测井都不容易，因此实验室内在对水合物地层热导率进行研究时，一般利用水合物合成装置人工合成纯甲烷水合物，然后把水合物样品与石英砂岩、水和甲烷气以不同比例混合，得到不同类型的模拟水合物地层，再进行热导率的测量。waite等应用探针法测量了四种石英砂岩和甲烷水合物混合物在不同温度、压力条件下的热传导率。测量结果表明，当水合物饱和度较低时，地层的热传导率随温度升高而降低，随压力升高而上升。当地层中水合物饱和度逐渐升高时，温度和压力的影响逐渐降低。3.3.4天然气水合物地层的力学特性由于海洋天然气水合物一般都位于海底浅表地层，沉积速度快，上部缺乏压实作用，因此本身的力学强度较低。Winters等在这方面做了大量的研究工作。他们通过实验证明地层中气体水合物的存在增加了地层的抗剪强度。地层的强度大小与孔隙中水合物的量以及水合物与地层之间的胶结特征有关。孔隙空间中自由气体的存在减弱了剪切时孔隙压力的响应，减小了气体水合物提高砂岩强度的作用。winters等还研究了颗粒尺寸和孔隙压力对水合物地层力学强度的影响。在进行三轴剪切时，粉土的孔隙压力会发生剧烈变化，土的收缩引起孔隙压力正响应(降低有效应力)，地层抗剪强度降低。而对于砂岩地层，剪切时则发生膨胀，孔隙压力降低(有效应力增大)，抗剪强度提高。因此，在海洋水合物地层中钻井时，如果水合物大量分解，将会降低井壁围岩力学参数，使地层抵抗破坏的能力下降，而容易引发井壁失稳垮塌，因此防止水合物分解以及由此导致的井壁失稳是钻井取得成功的关键因素之一。3.3.5天然气水合物地层中的水合物相平衡特征在对地层中天然气水合物资源进行勘探或开采利用前，需要确定其相平衡特征。自然产出的天然气水合物处在沉积地层孔隙内，其相平衡必然受到地层内孔隙压力、毛细管力、孔隙流体盐度等因素的影响，因此具有不同于纯水合物的相平衡特征。Llamedo等在实验室内利用不同粒径的硅砂得到不同孔隙直径的多孔介质，研究了在多孔介质中生成水合物时其相平衡偏移的特征，并建立了热力学模型，对相平衡偏移进行了准确的数值模拟。其结果如图6所示。从图中可以看出，当多孔介质的直径增大时，甲烷水合物的相平衡曲线在往不利于水合物生成的方向偏移，因此，在具有这种孔隙直径的地层中水合物生成所需的压力比纯水合物高。图6甲烷水合物在不同孔隙大小中的相平衡变化第四章主要研究内容4.1天然气水合物开采基本原理大部分水合物因储量及富集程度不高而开采难度非常大。水合物的开采与其形成互为逆过程,即要开采水合物,可以将其以固态型式运输到地面,然后分解成天然气输送给用户。但最直接的办法是在水合物开采储层中将其分解成气体,通过管道直接输送给用户。从水合物储层开采天然气必须具备以下条件:1、能够将水合物颗粒暴露在水合物温度压力相平衡条件以外；2、水合物分解属于吸热反应,其分解具有自“保护”性,因此需要有可持续的能量供应；3、在水合物生产井,能够将分解的气体转移出来,防止气体的大量聚集阻止水合物的继续分解[6]；图7天然气水合物开采原理图从天然气水合物的相平衡可以看出,要想满足以上条件,只有3种途径:1、升高水合物的环境温度；2、降低水合物所处的压力；3、通过化学方法改变相平衡曲线,使相平衡曲线向左平移[7]。4.2海洋天然气水合物开采难点4.2.1对天然气水合物研究不够成熟天然气水合物仅仅在低温和高压状态下才能稳定存在,同自然环境条件处于十分敏感的平衡之中。迄今为止,对天然气水合物在多孔介质中的形成和成藏机理认识不够深入,对极地地区和海洋区域天然气水合物中天然气的释放量和天然气水合物分解和释放的动力学过程了解不够清楚。此外,对水合物的结构、稳定性、物理化学性质、形成与分解的热动力学规律缺乏可靠的基础实验数据。4.2.2自然环境和开采中水合物分解的限制开采海洋天然气水合物需用到大洋钻探船或钻探平台，其自身稳定性较陆地钻探差。此外当在含水合物地层中钻进时,储层井壁和井底附近地层应力会释放,地层压力会降低，钻头切削岩石、井底钻具与井壁及岩心的摩擦都会产生大量的热能,而且海底水合物地层原始温度很低,如果循环泥浆温度控制不当,就会与水合物地层发生热交换。这样,水合物稳定存在的温度压力条件被破坏,水合物的分解不可避免，这将会对钻井作业的安全顺利进行造成不利影响,如图8所示。图8海洋水合物地层钻井示意图由于水合物内甲烷的密度很大,当水合物分解时,释放出大量气体(1m3天然气水合物=0.8m3水+164m3气体),随着钻井液一起循环。当水合物地层处于海底附近时,由于无法下入表层套管而采用裸眼钻井,这时分解产生的气体会在海底产生泄漏,海底附近水合物的分解会造成海底坍塌,损坏钻井设施,包括管线,井下钻具组合,钻井平台底座,支撑海面设备的锚或桩等。在海水段内如遇到适当的条件时,还会生成水合物塞,给正常钻进和井控工作带来严重影响。分解产生的大量气体还可能在钻井平台处产生井喷,如果大量气体进入海水,在理论上会使海面的设备或钻探船失去浮力。若使用套管钻进,水合物分解产生的巨大压力可能会造成套管破坏,引起海底坍塌,造成严重的安全事故。甲烷气通过海水进入大气层对环境可能造成的不利影响是商业化开采水合物资源时必须考虑的问题,因为等量甲烷的温室气体效应是二氧化碳的20倍。此外分解逸出的气体进入钻井液后,会使钻井液性能降低,具体表现为粘度切力大幅上升,甚至还会发生胶凝现象,影响其携带岩屑、净化井眼的能力。气化后的钻井液密度下降,导致液柱静水压力减小,从而造成水合物进一步分解,形成一个恶性循环。4.2.3开采成本过高单纯采用减压开采法开采天然气水合物,虽然简单易行、成本低,但是开采速度慢,不能满足工业需求,一般不具有经济可行性。而不管是采用热激发法、化学试剂法,还是采用后面所提到的CO2置换、水力提升、微波加热等新方法开采天然气水合物,大多面临着仪器设备复杂、试剂价格昂贵等问题。因此,如何把天然气水合物作为能源使用,特别是如何解决天然气水合物的低成本开发技术问题,在目前阶段仍是主要克服的障碍之一。4.2.4海洋天然气开采的地质问题与环境问题天然气水合物藏的开采会改变天然气水合物赖以赋存的温压条件,引起天然气水合物的分解。在天然气水合物藏的开采过程中如果不能有效地实现对温压条件的控制,就可能产生一系列环境问题,如温室效应的加剧、海洋生态的变化以及海底滑塌事件等[8][9]。(1)甲烷作为强温室气体,它对大气辐射平衡的贡献仅次于二氧化碳。一方面,全球天然气水合物中蕴含的甲烷量约是大气圈中甲烷量的3000倍;另一方面,天然气水合物分解产生的甲烷进入大气的量即使只有大气甲烷总量的0.5%,也会明显加速全球变暖的进程。因此,天然气水合物开采过程中如果不能很好地对甲烷气体进行控制,就必然会加剧全球温室效应。除温室效应之外,海洋环境中的天然气水合物开采还会带来更多问题。进入海水中的甲烷会影响海洋生态。甲烷进入海水中后会发生较快的微生物氧化作用,影响海水的化学性质。甲烷气体如果大量排入海水中,其氧化作用会消耗海水中大量的氧气,使海洋形成缺氧环境,从而对海洋微生物的生长发育带来危害[20]。进入海水中的甲烷量如果特别大,则还可能造成海水汽化和海啸,甚至会产生海水动荡和气流负压卷吸作用,严重危害海面作业甚至海域航空作业。(2)开采过程中天然气水合物的分解还会产生大量的水,释放岩层孔隙空间,使天然气水合物赋存区地层的固结性变差,引发地质灾变。海洋天然气水合物的分解则可能导致海底滑塌事件。近年的研究发现,因海底天然气水合物分解而导致陆坡区稳定性降低是海底滑塌事件产生的重要原因。钻井过程中如果引起天然气水合物大量分解,还可能导致钻井变形,加大海上钻井平台的风险。(3)如何在天然气水合物开采中对天然气水合物分解所产生的水进行处理,也是一个应该引起重视的问题。4.3常规开采方法介绍及评价4.3.1热激发开采法热激发开采法是直接对天然气水合物层进行加热,使天然气水合物层的温度超过其平衡温度,从而促使天然气水合物分解为水与天然气的开采方法。这种方法经历了直接向天然气水合物层中注入热流体加热、火驱法加热、井下电磁加热以及微波加热等发展历程[10][11]。热激发开采法可实现循环注热,且作用方式较快。加热方式的不断改进,促进了热激发开采法的发展。但这种方法至今尚未很好地解决热利用效率较低的问题,而且只能进行局部加热,因此该方法尚有待进一步完善。图9热激发开采法原理图4.3.2减压开采法减压开采法是一种通过降低压力促使天然气水合物分解的开采方法。减压途径主要有两种:1、采用低密度泥浆钻井达到减压目的;2、当天然气水合物层下方存在游离气或其他流体时,通过泵出天然气水合物层下方的游离气或其他流体来降低天然气水合物层的压力[10-12]。减压开采法不需要连续激发,成本较低,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,是天然气水合物传统开采方法中最有前景的一种技术。但它对天然气水合物藏的性质有特殊的要求,只有当天然气水合物藏位于温压平衡边界附近时,减压开采法才具有经济可行性。图10减压法开采法原理图4.3.3化学试剂注入开采法化学试剂注入开采法通过向天然气水合物层中注入某些化学试剂,如盐水、甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等,破坏天然气水合物藏的相平衡条件,促使天然气水合物分解[10-12]。这种方法虽然可降低初期能量输入,但缺陷却很明显,它所需的化学试剂费用昂贵,对天然气水合物层的作用缓慢,而且还会带来一些环境问题,所以,目前对这种方法投入的研究相对较少。图11化学试剂注入开采法原理图4.3.4CO2置换法CO2置换开采法是近期比较热门的研究对象。这种方法首先由日本研究者提出,其依据仍然是天然气水合物稳定带的压力条件。在一定的温度条件下,天然气水合物保持稳定需要的压力比二氧化碳水合物更高。因此在某一特定的压力范围内,天然气水合物会分解,而二氧化碳水合物则易于形成并保持稳定。如果此时向天然气水合物藏内注入二氧化碳气体,其可能与天然气水合物分解出的水生成二氧化碳水合物。这种作用释放出的热量可使天然气水合物的分解反应得以持续地进行下去[2][13-14]。图12CO2置换法开采法原理图CO2置换法开采天然气水合物的研究具有非常重要的意义。一方面,把空气中或者工业生产产生的二氧化碳气体注入到天然气水合物储层中,可以把二氧化碳以水合物的形式储存在海底,这样可以有效减缓二氧化碳的温室效应;另一方面,CO2置换CH4过程中可以完整地保存水合物沉积层,避免因为水合物的开采而引起的海洋地质灾害。但是CO2置换法开采水合物也存在着各种技术难关,尚未得到很好的解决。首先CO2置换CH4水合物过程中的反应速率很慢且随着反应的进行迅速降低,MasakiOta提出以CO2乳化液的形式注入水合物沉积层强化置换反应,但由于CO2分子的直径介于CH4水合物小晶穴和中晶穴之间,CH4水合物小晶穴的分解速率远低于中晶穴,即使置换反应完全,仍有1/4的CH4残留在水合物晶体中[15-17]。其次,一定的压力条件下CH4水合物的分解温度比液态CO2形成水合物的温度高,如果CO2不能转化为CO2水合物,而是以液态形式储存起来,那么海底水合物就会失去稳定性。因此,对于CO2置换法开采水合物的储层温度和压力条件,多孔介质的特性必须经过严格的选择。4.3.5微波加热法[18]微波作为一种特殊形式的能量,在油气开发中的应用研究已引起人们的重视。微波加热技术可以看作是热激发法开采天然气水合物的一种,但是又与传统的热激发法不同。微波加热技术开采天然气水合物主要有加热、造缝和非热效应三大作用。微波对物质的介电热效应是通过离子迁移和极性分子的旋转使分子运动来实现的。由于天然气水合物是一种极性分子,它对微波有一定的吸收作用(天然气水合物的介电常数大约为58,比冰略小)。天然气水合物接受能量后,能量将以热的形式耗散在水合物气藏中,从而促使天然气水合物的分解。微波开采天然气水合物气藏技术是利用大功率微波源对地层辐射。由于不同的物质组分在微波作用下的温度变化和膨胀系数差异极大,造成膨胀收缩不均匀,产生很大的热应力,致使地层岩石产生很多微裂缝,提高了地层的渗透率。同时,天然气水合物是一种极性物质,当微波频率接近天然气水合物分子的固有频率时,极易引起强烈的共振,导致天然气水合物中天然气分子与水分子的结合键发生断裂,进一步促进了水合物的分解,从而提高采收率。微波加热技术作用具有速度快、设备简单灵活性高、不对储层造成任何污染等优点,是电磁加热技术中最有效的方法。但是微波加热技术开采水合物仍处于起步阶段,大功率微波装置的研制,提高微波穿透深度等技术还需要进一步研究。图13微波加热法原理图4.3.6固体开采法（水力提升法）水力提升法的原理是在海底利用采矿机把天然气水合物以固体的形式采出,再利用海底集矿总系统对浅层的水合物进行初步的分离,然后利用水力提升系统将水合物提升到海平面,水合物在提升的过程中由于压力和温度的变化,将会发生部分分解[19]。因此,必须采用固、液、气三相混输技术输送固态水合物及分解出的气体。采出的固体水合物在研磨机充分磨碎后进入分离器,利用水泵向水合物分离器中加入适量海水,利用高温海水(海水的温度基本在20℃左右)对天然气水合物进行充分分解。水力提升法开采海底浅层天然气水合物克服了海底分解水合物效率低、无法持续进行的缺点,并充分利用了海平面海水温度的能量。但由于对固体水合物的采出和提升需要消耗大量能量,且提升水合物的过程涉及复杂的三相流动。因此水力提升法开采水合物应用于实际生产,仍有许多技术瓶颈需要攻关。图14固体开采法原理图4.4压裂置换联合开采法由于天然气水合物自身的特性和海洋天然气水合物开采条件具有特殊要求，常规的开采方法不适用，结合实际情况，笔者研发了一种海洋天然气水合物开采的新工艺，即压裂置换联合开采海洋天然气水合物工艺。4.4.1工艺系统组成及主要部件功能压裂置换联合法开采海洋天然气水合物系统结构如图10所示。该系统主要由高压压裂注入系统、压裂液生产系统、CO2储气罐、分离器、压缩机、放喷阀、单向阀和存储器等几部分组成。各主要部件功能如下：图15压裂置换联合法开采海洋天然气水合物系统结构图（1）压裂液生产系统：由水泵、管线和混合器组成。水泵将海洋表面温度较高的海水（约为20℃）通过管线抽取并注入到混合器中，海水在混合器中与其他添加剂（减阻剂、凝胶、支撑剂等）混合后形成水力压裂系统的压裂液。（2）高压压裂注入系统：由高压泵、注入管线和喷射器组成。高压泵将水泵抽吸送入的“高温”海水压裂液通过注入管线注入到喷射器，经喷射器上的特殊喷嘴向海底天然气水合物矿藏喷射。一方面，水合物沉积岩层在高压喷射流的作用下产生新裂缝或使得旧裂缝扩张伸展，提高岩层的孔隙率；另一方面，温度较高的海水压裂液与天然气水合物接触，发生热交换，改变了水合物的相平衡，使得部分水合物分解，进一步扩大孔隙。待水合物矿藏的孔隙率达到要求后，停止压裂注水，打开CO2储气罐阀门，向高压泵注入高压CO2气体，进行CO2置换开采海底天然气水合物。（3）分离器：包括收集管线和分离器。利用收集管线将置换反应中形成的气体收集到分离器中，利用分离器将未进行置换反应的CO2从CH4水合物分解得到的CH4中分离出来。（4）压缩机：将经过分离的纯净的CH4气体压缩体积。（5）放喷阀：如果压力过大,在发生失控之前,通过放喷阀释放气体并点火。（6）单向阀：防止由于分离器及高压泵中的压力过大,出现气体和海水倒流而引起事故。（7）压力表：根据压力大小控制置换开采的开采量。（8）存储器：将经过压缩的CH4储存起来，便于运输。4.4.2系统工作原理对已有的天然气水合物开采方案分析比较可知，CO2置换开采法具有独特优势。作为一种集温室气体C02长期储存和天然气水合物开采于一体的方法,该方法不仅可以避免常规开采方法的一些诸如降压法热量来源无法解决、加热分解法热量利用率低、化学抑制剂法成本高且易对环境产生污染等缺点；还提供了一种长期封存温室气体C02的方法,为减轻地球表面的温室效应提供了一条有效的途径；更可以在天然气水合物开采过程中稳定海底地层,增加开采过程的安全性。然而通过实验研究证明,C02置换开采天然气水合物存在着置换速率慢,置换效率低等缺点[2,8,11,20-21]。然而此缺点主要是由于高压CO2气体与Ch4水合物接触面积小所致。因此，为解决置换效率和速率的问题，必须增大置换反应的接触面积。笔者提出用清水水力压裂技术增大水合物矿藏孔隙率的办法。利用水泵将海洋表面较高温度的海水抽取到混合器中，向混合器中加入相应添加剂配制形成压裂液。高压泵将压裂液经特殊喷嘴喷射到水合物沉积层，利用储层的天然裂缝注入压裂液,使地层产生诱导裂缝,在压裂过程中,岩石碎屑脱落并沉降在裂缝中,起到支撑作用,使裂缝在压裂液退去之后仍保持张开，以达到提高储层孔隙率的目的，此外，“高温”压裂液与水合物接触发生热交换，使得部分水合物的相平衡被打破，水合物分解释放出CH4气体，进一步提升了储层的孔隙率。天然气水合物孔隙率的增加有利于后期CO2在水合物沉积层的渗透，为后期置换法开采天然气水合物打下基础。待水合物储层孔隙率达到要求后，停止水力压裂，打开CO2储气罐阀门，利用高压泵将CO2气体注入到水合物沉积层，渗透到孔隙中，与CH4水合物充分接触，发生置换反应，从而产出CH4气体。将产出的气体经收集管线收集并分离提纯，最后经过压缩机压缩存储在存储器中，便于运输。4.4.3压裂置换联合开采海洋天然气水合物系统问题分析尽管理论上，压裂置换联合开采系统具有诸多优点，然而仍存在着相应的问题。（1）水力压裂过程中，水合物沉积层在水力冲击及挤压的条件下，孔隙伸展，岩层压裂，使得储层的稳定性降低；此外，孔隙边界的水合物因与压裂液发生热交换而分解，使得孔隙进一步增大，水合物储层的失稳风险增加。因此，压裂过程对水合物储层的稳定性造成的损害的影响程度以及如何将这种影响控制在合理范围之内可以作为以及压裂置换联合开采法的一个主要研究方向。（2）为提高水力压裂的效果，压裂液当中添加了部分添加剂，循环后的压裂液含有化学浓聚物和自然产生的浓盐水，有时候有少量的放射物质，比如镭[22]。压裂液泄露到海洋中对海洋水质产生污染，对海洋生物的生存造成威胁。第五章总结海洋天然气水合物具有储量巨大，清洁绿色等特点，然而传统的开采天然气水合物的方法单纯应用于海洋天然气水合物的开采有一定的缺陷，因此需要将不同方法的优势叠加，消除各自的缺陷。本文提出的压裂置换联合开采海洋天然气水合物的方法在理论上具有安全、有效、经济和绿色等优点，具有绝对的优势。然而此方法的实际应用效果需要通过模拟实验甚至是现场应用开采来确定。此外，该方法本身中也存在着失稳和污染的隐患。这一切都需要我们继续相应的研究工作