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海洋天然氣水合物開采出砂管控理論與技術

海洋天然氣水合物開采出砂管控理論與技術

出版社：科學出版社出版時間：2022-03-01
開本： 16開 頁數： 300
中 圖 價:¥168.8(6.3折) 定價  ¥268.0 登錄后可看到會員價
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海洋天然氣水合物開采出砂管控理論與技術 版權信息

海洋天然氣水合物開采出砂管控理論與技術 內容簡介

海洋天然氣水合物儲層具有埋藏淺、固結弱等特點，出砂問題是海洋天然氣水合物開采面臨的重要工程地質風險之一。 本書在梳理和總結海洋天然氣水合物開采面臨的出砂問題挑戰(zhàn)、國內外研究進展的基礎上，分析天然氣水合物開采過程中儲層力學性能的劣化產砂機理，利用實驗模擬和數值模擬相結合的手段刻畫不同生產工況下地層泥砂的運移產出規(guī)律，建立針對南海北部泥質粉砂型天然氣水合物儲層的井底控砂參數優(yōu)選方法和井底控砂介質綜合工況評價方法，提出以水平井為代表的復雜結構井宏觀出砂調控理念和方法，介紹基于地質-工程一體化理念的提產-控砂-降本一體化開采新思路與方法，為我國海洋天然氣水合物開發(fā)提供科學理論指導和技術參考。 本書是作者團隊近年來在海洋天然氣水合物開采出砂調控領域的近期新研究成果，既提供了大量翔實的實驗模擬與數值模擬結果，又結合我國海洋天然氣水合物試采實踐，形成了系列原創(chuàng)性基礎理論和技術成果，可供從事天然氣水合物勘探開發(fā)研究的科研人員和相關專業(yè)的研究生閱讀。

海洋天然氣水合物開采出砂管控理論與技術 目錄

目錄
叢書序一
叢書序二
叢書前言
前言
**章緒論1
**節(jié)天然氣水合物能源開發(fā)現狀1
第二節(jié)出砂對歷次天然氣水合物試采的影響6
第三節(jié)出砂管控體系的基本內涵12
第四節(jié)天然氣水合物開采出砂管控研究進展15
參考文獻21
第二章含水合物沉積物的力學性質25
**節(jié)實驗儀器與實驗原理25
第二節(jié)砂質含水合物沉積物的力學性質31
第三節(jié)砂質水合物儲層抗剪強度快速評價方法41
第四節(jié)水合物互層狀分布條件下的儲層破壞機制47
第五節(jié)泥質粉砂水合物儲層的力學性質55
參考文獻64
第三章水合物儲層泥砂運移產出特征實驗模擬66
**節(jié)砂質儲層水合物已分解區(qū)內的泥砂顆粒遷移特征66
第二節(jié)砂質儲層水合物分解過程中的泥砂遷移特征73
第三節(jié)泥質粉砂地層水合物已分解區(qū)泥砂運移產出特征94
第四節(jié)水力割縫工況下泥質粉砂地層的出砂特征105
參考文獻112
第四章水合物儲層出砂預測模型與數值分析方法114
**節(jié)水合物儲層出砂預測的理論基礎與基本假設114
第二節(jié)砂質沉積物中砂粒啟動運移臨界流速模型119
第三節(jié)基于連續(xù)-離散介質耦合的水合物儲層出砂數值模擬127
第四節(jié)顆粒級出砂模擬方法的建立與應用145
參考文獻156
第五章水合物開采井控砂參數設計方法158
**節(jié)水合物開采控砂方式優(yōu)選158
第二節(jié)常規(guī)機械控砂精度設計方法169
第三節(jié)水合物開采井“防粗疏細”控砂精度設計方法179
第四節(jié)基于“防粗疏細”理念的礫石尺寸優(yōu)選方法186
第五節(jié)水合物開采井新型控砂介質與控砂方法191
參考文獻194
第六章水合物開采井控砂介質工況模擬與分析196
**節(jié)控砂介質的基本失效形式與綜合模擬方法196
第二節(jié)篩管類控砂介質泥質堵塞特征200
第三節(jié)水合物二次形成誘發(fā)的控砂介質堵塞特征207
第四節(jié)機械篩管擋砂濾網介質的沖蝕失效218
第五節(jié)機械篩管的整體沖蝕失效228
第六節(jié)礫石填充層的沖蝕失效及影響因素233
參考文獻236
第七章水合物開采水平井出砂調控原理與方法238
**節(jié)水合物開采水平井出砂預測方法238
第二節(jié)水合物開采水平井礫石充填控砂參數設計方法240
第三節(jié)水平井筒中氣液兩相攜砂-沉砂動態(tài)分析253
第四節(jié)水合物泥質粉砂攜砂系統(tǒng)協(xié)調優(yōu)化方法260
參考文獻264
第八章水合物儲層出砂管控體系新技術與新方法267
**節(jié)水合物開采出砂室內模擬新方法267
第二節(jié)基于出砂調控理念的水合物開采新方法282
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海洋天然氣水合物開采出砂管控理論與技術 節(jié)選

**章緒論 **節(jié)天然氣水合物能源開發(fā)現狀 一、天然氣水合物試采概況 1810年，英國學者Davy首次在實驗室命名了氣體水合物。至21世紀初，先后發(fā)現40多種氣體分子(分子直徑0.4～0.9nm)能夠形成氣體水合物。1934年，Hammerschmidt（1934）在天然氣輸送管道中發(fā)現天然氣水合物堵塞，由此拉開了天然氣水合物研究的序幕。特別是Makogon（1965）報道了天然氣水合物在永久凍土帶和深海環(huán)境中大量存在后，掀起了全球天然氣水合物研究的熱潮。國際天然氣水合物研究隊伍從化工界擴展到地質界，研究目標由原來的工業(yè)災害防治轉變?yōu)榉浅Ｒ?guī)能源找礦甚至直指商業(yè)開采應用。近年來，盡管對天然氣水合物在環(huán)境氣候、海底災害方面的討論和爭議從未間斷(Ruppel and Kessler，2017)，但在全球能源結構轉型、實現“雙碳”目標的大背景下，天然氣水合物作為一種非常規(guī)戰(zhàn)略能源已成為國際共識。 縱觀世界各國及組織天然氣水合物勘探開發(fā)發(fā)展歷程，大致可歸納為三個階段。**階段（1965年至20世紀80年代）的主要目標是證實天然氣水合物在自然界中的存在，美國布萊克海臺、加拿大麥肯齊三角洲的天然氣水合物就是在這一時期發(fā)現的，該階段研究認為全球天然氣水合物蘊含的甲烷總量在1017～1018m3(標準狀況)量級(Makogon，2010)。這一驚人數據給全球天然氣水合物能源調查研究注入一針強心劑。隨后開展了以圈定天然氣水合物分布范圍、評估資源潛力、確定有利區(qū)和預測資源遠景為主要目的的水合物現場調查研究（第二階段，80年代至2002年）。隨著該階段調查程度的深入和資源量評估技術的進步，全球天然氣水合物所含的甲烷氣資源量預測結果降低至1014～1015m3量級(Boswell and Collett，2011)。2002年，加拿大等國在Mallik 5L-38井進行儲層降壓和加熱分解測試，證明天然氣水合物儲層具有一定的可流動性(Takahashi et al.，2003)，盡管單純依靠熱激發(fā)很難實現天然氣水合物的高效生產，但至少證明人類通過技術革新有實現天然氣水合物可控利用的可能性。由此，天然氣水合物高效開采方法的研究成為熱點，國際天然氣水合物研發(fā)態(tài)勢從勘查階段轉入勘查試采一體化階段（即第三階段，2002年至今）。目前，中國、美國、日本、印度、韓國是天然氣水合物勘查與試采領域*活躍的國家。 在各國天然氣水合物勘探開發(fā)國家計劃的支持下，迄今（截至2020年年底）已在加拿大北部麥肯齊三角洲外緣的Mallik(2002年、2007～2008年)(Dallimore et al.，2005；Kurihara et al.，2010)、美國阿拉斯加北坡的Ig nik Sikumi(2012年)(Boswell et al.，2017)、中國祁連山木里盆地(2011年、2016年)(王平康等，2019)等3個陸地凍土區(qū)和日本東南沿海的Nankai海槽(2013年、2017年)(Yamamoto et al.，2014，2019)、中國南海神狐海域(2017年、2020年)(Li et al.，2018；葉建良等，2020)2個海域成功實施了9次試采。 基于對天然氣水合物儲層孔滲特征、技術可采難度的認識，國際主流普遍認為賦存在砂層沉積物中的天然氣水合物應該是試采的優(yōu)選目標。因此，日本在2013年和2017年海域天然氣水合物試采中也都將試采站位鎖定在海底砂質沉積物中。前期印度、韓國的天然氣水合物鉆探航次也將尋找砂層型天然氣水合物作為重點目標，從而為后續(xù)的試采提供可選站位。我國在早期天然氣水合物鉆探航次和室內研究中，也大多瞄準賦存于砂層沉積物中的天然氣水合物。但據預測，全球天然氣水合物總量的90%以上賦存于海底黏土質粉砂或淤泥質沉積物中。進一步落實海底黏土質粉砂或淤泥質沉積物中的天然氣水合物資源量并突破其開采瓶頸對于改善全球能源結構意義重大(吳能友等，2020)。 聚焦國內，我國自20世紀末期啟動天然氣水合物調查研究以來，經過20余年的不懈努力，初步評價我國海域天然氣水合物資源量約800億噸油當量(中國礦產資源報告，2019年)，并在南海北部陸坡評價圈定了11個天然氣水合物成礦遠景區(qū)，25個有利區(qū)塊，鎖定了24個鉆探目標區(qū)，取得了一系列重大找礦突破(中國礦產資源報告，2018年)。我國天然氣水合物研究歷程主要可劃分如下三個階段：①1999～2001年，原地礦部啟動天然氣水合物調查預研究，2001年11月3日，青島海洋地質研究所業(yè)渝光研究員牽頭，在國內首次人工合成天然氣水合物樣品并實現點火成功，央視集中報道了這一歷史性時刻，這一事件極大地鼓舞了國內科研人員和相關政府組織機構，隨即拉開了天然氣水合物大調查序幕。②2002～2015年，由中國地質調查局牽頭開展水合物調查，先后在我國祁連山凍土帶、南海北部東沙海槽和神狐海域鉆獲了天然氣水合物實物樣品，經2007年以來多輪鉆探取樣和調查，我國海域天然氣水合物勘查研究提升到了一個新高度。2014年，由中國地質調查局和中國科學院聯合主辦第八屆國際天然氣水合物大會，宣布我國將開展海域天然氣水合物試采。③2015年年底，中國地質調查局啟動首輪海域天然氣水合物試采工程，由吳能友研究員擔任首席專家，盧海龍教授擔任首席科學家。由此，我國海域天然氣水合物研究由資源家底普查轉入勘查試采一體化階段。目前，南海北部陸坡已經成為我國主要的天然氣水合物調查、試采研究區(qū)，目前已經在陸坡中部神狐海域和西部瓊東南海域啟動建設兩個試采先導區(qū)。 特別值得一提的是，2017年我國在南海北部陸坡開展泥質粉砂型天然氣水合物試采并獲得成功，在全球首次證明賦存于海底黏土質粉砂中的天然氣水合物具備技術可采性，從而扭轉了國際天然氣水合物研究界的常規(guī)認識。因此，我國首次海域天然氣水合物試采成功也被外界認為是我國天然氣水合物能源研究從跟跑到領跑的重要標志。2020年，我國采用水平井實現第二輪海域天然氣水合物試采，2月17日至3月18日累計產氣86.14萬m3，一方面進一步證實泥質粉砂天然氣水合物開采的可行性，另一方面充分說明水平井等新技術新工藝的應用是實現天然氣水合物開發(fā)提質增效的有效途徑。 然而，無論是我國主導的兩輪試采，還是國外歷次試采，均處于科學試驗階段，離產業(yè)化開采還有很多關鍵技術需要解決。我國已經將天然氣水合物產業(yè)化作為階段目標予以推進。在國家戰(zhàn)略的刺激和牽引下，近年來國內天然氣水合物研究隊伍在不斷擴張，部分能源研究高校在短期內迅速轉型并投入了大量的人力物力攻關天然氣水合物開發(fā)相關的技術，在天然氣水合物開采方法與技術室內實驗模擬、數值模擬、現場試采等方面都取得了一定的進展，也為后續(xù)學科建設和人才培養(yǎng)奠定了基礎。 二、天然氣水合物試采的產能制約 按照天然氣水合物分解驅動力的差異，目前普遍認為天然氣水合物開采的基本方法有降壓法、熱激發(fā)法、CO2置換法、化學抑制劑法及上述單一方法的聯合(Chong et al.，2016)（圖1.1）。但實際上，上述方法僅僅是“水合物分解方法”，與實際工程需求的“開采”仍然有一定的差距。鑒于目前天然氣水合物開采方法都是在常規(guī)油氣開采方法基礎上的改良，因此天然氣水合物的開采基本原理可以歸納為：通過一定的物理化學手段促使天然氣水合物在原地分解為氣-水兩相，然后應用類似于油氣開采的手段將天然氣產出到地面。但常規(guī)石油、天然氣開采過程中沒有相變，天然氣水合物在開采過程中會發(fā)生相變。因此，開采過程中含天然氣水合物沉積層處于動態(tài)體系中，其化學物理性質受水合物飽和度及其微觀分布模式的影響，傳質傳熱、分解擴散能力和地層力學強度也隨天然氣水合物聚散過程而動態(tài)調整。 圖1.1天然氣水合物分解的基本原理 除了現場試采，國內外學者基于室內數值模擬、實驗模擬開展了大量的針對天然氣水合物開采方法評價方面的研究工作，也暴露出了現有技術開采中存在的一些問題。例如，降壓法在開采海域天然氣水合物過程中面臨著地層失穩(wěn)、大面積出砂等潛在工程地質風險，也會造成地層物質、能量的雙重虧空。二氧化碳置換法能在一定程度上解決天然氣產出造成的物質虧空，但生產效率低是該方法的*大缺陷，也存在產出氣體分離困擾。向儲層中注熱水的方法能夠補充地層能量并在很大程度上避免工程地質風險的發(fā)生，但是受能量傳遞及熱利用效率的影響，注熱法在深遠海天然氣水合物開采中作為主要方法的前景不容樂觀，但其作為一種輔助增產提效措施的作用仍然不可忽視。 從技術層面考慮，實現單井產能的量級提升是實現天然氣水合物產業(yè)化的關鍵。考慮到市場因素，天然氣水合物產業(yè)化開采產能門檻值應不是一個確定的數值，隨著低成本開發(fā)技術的發(fā)展而能夠有所降低。國內外研究文獻普遍采用的凍土區(qū)天然氣水合物產業(yè)化開采的產能門檻值是3.0×105m3/d；對于海域天然氣水合物儲層而言，日產氣量的門檻值通常認為是5.0×105m3/d。盡管上述產業(yè)化門檻產能標準數據的準確值有待進一步考證，但在沒有考慮天然氣價格、沒有確切行業(yè)標準的情況下，采用固定的產能數據來衡量目前試采所處的技術水平，刪繁就簡、直觀可行，也有其優(yōu)勢所在。 當前已有天然氣水合物試采日均產能結果與產業(yè)化開采門檻產能之間的對比關系如圖1.2所示。由圖1.2可知，當前陸域天然氣水合物試采*高日均產能約為產業(yè)化開采日均產能門檻值的1/138，海域天然氣水合物試采*高日均產能約為產業(yè)化開采日均產能門檻的1/17？傊，目前天然氣水合物開采產能距離產業(yè)化開采產能門檻仍然有2～3個數量級的差距，海洋天然氣水合物試采日均產能普遍高于陸地永久凍土帶試采日均產能1～2個數量級。 圖1.2已有天然氣水合物試采日均產能結果與產業(yè)化門檻產能之間的對比關系(吳能友等，2020) 綜合現場試采、數值模擬、實驗模擬結果，降壓法及基于降壓法的改良方案可能是實現海域天然氣水合物產業(yè)化試采的*佳途徑，而其他方法則主要作為降壓法的輔助增產措施或產氣穩(wěn)定措施使用。為了提高天然氣水合物的單井日產量，大量的研究人員從數值模擬和實驗模擬兩個方面開展了研究，也提出了很多新的增產手段，如以水平井或多分支井為代表的復雜結構井、以多井簇群井開采為代表的井網開采模式、以降壓輔助熱激發(fā)為主的開采新方法、以水力造縫為代表的儲層改造技術的聯合應用方法等。這些方法的根本作用機理無外乎擴大天然氣水合物分解陣面、提高天然氣水合物分解速率和改善儲層滲流條件。 另外，為了降低現有基于常規(guī)深水油氣改良技術進行天然氣水合物開采過程中的高成本問題，研究人員也提出了五花八門的“非常規(guī)”天然氣水合物開采技術，如可再生能源（地熱、太陽能）熱開采法、可再生能源（風力、太陽能）電熱泵開采法、原位熱源（催化氧化、原位燃燒、自生熱液/固體熱化學法）開采法等。目前這些方法基本停留在概念模型的階段。雖然研究人員在公開發(fā)表的學術論文中對這些方法都持樂觀態(tài)度，但從根本上看，這些技術本身的成本在短期內也很難降低到能夠滿足產業(yè)化開采的需求，不同“非常規(guī)”方法的實際可用性仍然值得探討。 三、天然氣水合物試采的工程地質風險制約 針對海域天然氣水合物安全有效開采相關工程地質風險的研究，應包含以下三個層次(吳能友等，2017)： （1）明確海域天然氣水合物開采活動可能造成的工程地質風險類型及其誘發(fā)因素（即知其然）； （2）研究不同類型的工程地質風險對安全有效開采海域天然氣水合物的影響程度、影響機制（即知其所以然）； （3）探索針對不同的工程地質風險的防控措施，使工程地質風險處于可控范圍內，保證天然氣水合物的長效安全開采（即調控對策）。 從海域天然氣水合物開發(fā)的整個生命周期分析，海域天然氣水合物開發(fā)相關的工程地質風險主要可以分為鉆完井階段的工程地質風險、開采產氣階段的工程地質風險及天然氣水合物儲層產出物輸送階段可能面臨的工程地質風險。 其中，在天然氣水合

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