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青島海洋地質研究所提出破解可燃冰開采難題方案

2019-09-05 09:41:53 來源: 中國海洋報 作者: 趙寧 王晶
摘要:天然氣水合物主要分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中。因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒,所以又被稱作可燃冰。

  原標題:青島海洋地質研究所提出破解可燃冰開采難題的中國方案

  天然氣水合物主要分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中。因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒,所以又被稱作可燃冰。

  日前,自然資源部中國地質調查局青島海洋地質研究所自主研發的關于天然氣水合物(可燃冰)開采方法的兩項國家發明專利技術和兩項國際發明專利技術獲得授權,為可燃冰開發提供了新思路。可燃冰如何開采、開采難在何處?記者近日探訪了青島海地所,揭開可燃冰開采的神秘面紗。

  “三多”的創新團隊

  早在20世紀90年代,我國就開始關注可燃冰,從勘探到人工合成,再到試采,至今已走過近30年。

  2001年,我國第一個從事海洋天然氣水合物實驗模擬研究的實驗室在青島海洋地質研究所建成。當年11月3日,該實驗室成功合成天然氣水合物并點燃。2012年,青島所被正式批準建設自然資源部(原國土資源部)天然氣水合物重點實驗室。

  經過多年發展,青島海地所天然氣水合物研究團隊已發展成為我國天然氣水合物科技領域重要力量。記者走進青島海地所,對這里的“三多”感觸頗深。

  “三多”指的是專利多、設備多、年輕人多。“目前我們已取得了100余項可燃冰的國家專利授權、5項國際專利。”該研究所天然氣水合物地質室主任劉昌嶺介紹說,近年來,該研究所與可燃冰相關的專利數量呈井噴式增長,僅去年就獲得了3項國際專利、17項國家發明專利、25項國家實用新型專利。

  在實驗室內,記者看到了該團隊自主研發的數十種可燃冰的實驗設備與裝置。“由于研究目的與實驗測試的參數不同,可燃冰模擬實驗需要各種類型的實驗裝置與設備。由于許多研究都沒有現成儀器,我們會根據研究需要,每年研發出兩三套新裝置。”劉昌嶺說。

  記者了解到,目前該團隊已累計研發了20多套可燃冰實驗裝置與設備,形成了30多項可燃冰實驗專利技術。該團隊共有34人,包括7名博士后。這個以“80后”為主體的年輕團隊,為我國可燃冰研究技術發展做出了重要貢獻。

  1989年出生的李彥龍雖然在這里工作僅有4年時間,但已成功申請了20余項國家專利。該研究所最新獲得的2項可燃冰開采技術的發明專利,正是萌發自李彥龍的想法。

  開采技術有待優化

  據介紹,在一定溫度和壓力環境條件下,可燃冰是以固態形式存在于地層之中,并在沒有外界干擾條件下保持相對穩定。那么,可燃冰開采是否可像挖煤那樣進行直接挖掘呢?

  “直接挖掘是行不通的。”劉昌嶺說,“可燃冰分布在沉積物的孔隙中,含量較低,如果大面積挖掘沉積物,會對海底環境造成嚴重破壞,并帶來工程和地質風險。”

  據了解,目前國際公認的可燃冰開采方法是原位分解法,通過外力改變可燃冰穩定存在條件而使其在地層原位分解,生成可流動的氣體和水,再采用如同石油、天然氣的開采方法,將這些流體采集到地面上。

  可燃冰外表上看起來像冰,從微觀上看,可燃冰由主體水分子和客體氣體分子組成,水分子通過氫鍵作用形成大小不同的“籠子”,氣體分子占據著這些“籠子”,形成穩定的晶體。

  “我們要做的就是打破這些‘籠子’。”劉昌嶺告訴記者,科研人員主要采用降低壓力、升高溫度或添加化學物質的方式,從而破壞可燃冰相對平衡的條件,使可燃冰分解,再進行開采。

  “試采實踐表明,降壓法是最具應用前景的可燃冰開采方法”。劉昌嶺說,“但降壓法的最大難題就是,提產困難,強行提產可能導致地層失穩、大面積出砂,難以實現可燃冰的長期、高效開采,需要對其進行改進優化。”

  新技術破解開采難題

  2017年5月,李彥龍隨“藍鯨一號”半潛式鉆井平臺赴南海開展可燃冰試采,負責監測可燃冰、泥砂的粒度分布、濃度、氣體成分等,為試采工程提供技術支持。這次海上工作經歷,讓李彥龍對我國南海海域可燃冰儲層結構和試采面臨的關鍵技術難題有了更加清晰的認識。

  李彥龍介紹,我國管轄海域分布著大面積粉砂質水合物儲層,這類儲層沉積物粒徑小、黏土含量高,屬于極弱固結的低滲或超低滲儲層,難以使用常規油氣儲層的防砂思路。“擋砂精度高了,會影響產能。反之,細顆粒、泥質顆粒容易流入井筒,造成地層虧空。”

  2013年,日本首次進行可燃冰試采,并利用降壓法成功開采出甲烷氣。但由于水合物分解過程中,管外地層空間逐漸變大,礫石充填層發生蠕動和虧空,導致產出流體直接沖擊篩網,防砂失效,開采活動被迫終止。

  能不能在降壓開采中向儲層中注入其他的高滲透物質,以此置換水合物及近井的泥質、細粉砂呢?李彥龍為此查閱了大量常規石油天然氣行業中關于稠油和油砂開采的相關材料,并進行了建模分析。

  最終,“一種海洋天然氣水合物砂漿置換開采方法及開采裝置”“粉砂質海洋天然氣水合物礫石吞吐開采方法及開采裝置”兩項技術專利應運而生。這兩項技術集成了稠油蒸汽吞吐開采的基本理念和疏松砂巖儲層適度防砂技術的優點,巧妙利用了水合物開采過程中管外充填層可能發生的礫石翻轉沉降過程。

  李彥龍介紹,這兩項技術為礫石-水合物連續置換開采和間歇式吞吐置換開采提出了新的解決方案,可在長期開采中對地層虧空量進行及時填充或置換。不僅有效緩解常規一次防砂完井作業過度防砂造成的提產困境,還可填補井周外圍虧空,為水合物產能釋放和地層物質虧空彌補提供新的技術思路。

  “目前這些技術還處于理論驗證階段,我們已經著手開展相關的理論計算、實驗模擬驗證。下一步,我們將繼續圍繞泥質粉砂型天然氣水合物的高效、安全、低成本開發開展大量的研究工作,努力為破解天然氣水合物可持續開發提出‘中國方案’。”李彥龍說。

  縱觀世界各國可燃冰試采,均處于科學實驗階段。我國距實現產業化開采還有多遠?

  “可燃冰開采離產業化生產還有很長的路要走,需要有顛覆式的技術革命,降低開采成本,產生合理的經濟價值。”劉昌嶺表示,可燃冰的快速生成、安全儲運、環境保護等技術問題也是急需解決的瓶頸。因此,針對不同類型的可燃冰儲層,研發高效、安全、環保的開采技術工藝,是可燃冰產業化開采的必經之路。

 


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