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国际天然气水合物20年四次成功试采简要回顾(上)

发布于: 2017-04-05 17:04:05

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世界上首次试采天然气水合物的国家是苏联。1970年代,苏联在西伯利亚麦索雅哈(Messoyakha)运用降压法和抑制剂注入法试采水合物一段时间,但是鲜见具体技术资料报道,而且这个开采活动后来没有继续进行。

本文重奌对近20年来,国际上天然气水合物的四次试采及取得的重要成果作一简要回顾。

 

一、加拿大天然气水合物试采序幕

——1998年加拿大麦肯齐(Mackenzei)三角洲Mallik 2L-38井钻探试采工程项目

    

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(一)项目实施国家与机构

1998年加拿大麦肯齐 (Mackenzei) 三角洲 Mallik 2L-38 井 水合物钻探试采项目由日本、加拿大的三机构联合实施:加拿大地质调查局 (GSC,负责科学研究)、日本国家石油公司(JNOC)、日本石油资源开发公司加拿大勘探公司 (JAPEX,负责钻采工程施工)。

 

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加拿大 美国北极圈内陆地永冻带天然气水合物

成功试采位置图

 


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 日本委托刚研发出的PTCS保温保压取样器第一次下孔钻进从886-889m,采取水合物岩样1.05m;第二次钻进从889-890m,采取岩样0.1m。两次水合物取样均因取样器  球阀未能关闭,没有获得保压的样品。

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(二)加拿大1998年Mallik 2L-38 井

水合物钻探试采工程摘要

日本石油资源开发公司、日本国家石油公司及加拿大地质调查局合作完成的Mallik 2L-38号天然气水合物研究探井位于加拿大西北的马更些三角洲,该井于1998年3月30日竣工,历时39天,孔深达1150m。这次钻探施工是根据日本国家石油公司及加拿大地质调查局的合作协议进行的。钻探研究的目的就是对用于含有天然气水合物的地层钻探取心钻具及工艺方法进行验证和评价。在从地表到687m的孔段当中,从0-640m永冻层范围内共进行了8个取心回次。在孔深钻到687m之后,下入外径为340mm的技术套管,然后将主孔钻进到1150m终孔,期间共取心16次。钻探施工中采用经过冷却处理的KCI聚合物泥浆和商标名为Drilltreat的泥浆添加剂,成功地抑制住了岩心内天然气水合物分解和岩粉沉淀的产生。钻进施工中没有发生严重的孔内事故或其他钻进事故。不过,由于恶劣的天气和一些机械故障而造成了一定的延期,使得原计划的试开采被迫取消。在主孔的取心还算成功,使得4种不同的取心管都得以评价和验证。从896-952m孔段的不同沉积层中取出了含有天然气水合物的岩心。

 

 

 

(三评论

 

 

1、日本能源奇缺,依靠进口。而其周围海域却富藏水合物,但海域开发难度大,风险极高,应采取"先陆后海"试采策略。然而其国内又无永冻层水合物,只能借助外国条件。

加拿大不缺油气,还向美国出口大量油砂。但是该国北部陆地与近海水合物量大面广,迟早要开发;而且其西北高寒地区的社会和居民所需取暖与照明燃料还是当地解决为好。日本愿提供工程技术和资金,岂不互利双赢。这次两国的合作,并延伸到2002和2008年,奠定了陆地水合物两次成功试采的基础,并提高国际开发水合物的热情和信心。

    

2、1998年Mallik 钻采项目虽因气候变暖和机械设备故障未能实施水合物试采,但仍然取得以下重要成果和收获:

(1)通过钻探取心和测井,进一步搞清地质和水合物赋存情况,为以后成功试采打下基础;

(2)为日本保温保压取样器 PTCS 下步改进提供依据,使之形成现在的 CDEX Hybrid PCS,成为当今世界四种水合物保压取样体系(其它为美国PCS 、欧洲HRC和FPC、中国TKP-1,北京探矿工程研究所) 之一。

(3)此次钻采用的 KCI 聚合物泥浆体系,有效的抑制了水合物分解及防止岩粉沉淀,为以后2002、2008、2013年钻采所借鉴应用。

(4)2008年水合物试采工程是重返此次的 2L-38 试验井,对其扩孔并延深加以再利用,节约了大量资金、缩短了施工时间,并减少了环境污染。

   总之,1998年加拿大 Mallk 2L-38 井的水合物钻采工程为当代国际天然气水合物试采揭开了序幕。

 

 

  

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二、2002年初加拿大 Mallik 5L-38 井运用热注入法水合物试采成功

   

 

(一)目标任务

通过钻井实施水合物试采工程作为主要目标,同时开展水合物地质、地震、测井、地热、地球化学、微生物,以及工程地质等研究。

 

 

 

(二)项目实施国家与机构

主要是五个国家10个国际机构:加拿大地调局 (GSC)、日本国家石油公司(JNOC)、日本石油资源开发公司加拿大勘探有限公司(JAPEX, 施工单位)、美国地调局(USGS)、美国能源部(US DOE)、德国地学中心(GFZ)、印度石油部(MOPNG of India)、印度天然气和气体管理局、BP-Chevron-Burlington联合风险投资集团,以及国际大陆钻探计划(ICDP)等。

 

 

(三)5L-38 水合物试采工程的钻探、取样、测井与样品分析测试

 

 

 

(四)运用热注入法天然气水合物成功试采

 

1、组合式地层动态测试仪(MDT, Modular Dynamic Formation Tester);

2、运用热注入法实施水合物成功试采。5.5 天共产出甲烷天然气470m3,  平均日产量85m3。所产气体在夜空燃烧,发出明亮火焰。

 

 

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从885m井深首次取心 保压封存的水合物岩心准备运送依努维克研究中心

 

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2002年3月12日夜晚,Mallik 5L-38井上空燃烧着水合物试采出甲烷天然气的火焰

 

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庆祝会议仪式台上的贵宾  

自左至右:

艾默尔曼(德国GFZ、ICDP执委会主席)、

姆鲁兹(美国NETL)、

沙萨(印度GAIL/ONGC)、

Tsuji(日本JNOC)、

科勒特(美国USGS)、

 

达利摩尔(加拿大GSC)。

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众贵宾(参加2002年Mallik水合物试采项目主要机构负责人)用木锤敲开日本清酒酒桶,以便取酒,饮酒庆祝。

 

 

 

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(五)评论:

1、2002年 加拿大 Mallik 5L-38 试验井通过 79天的野外艰苦工作,在世界上首次试采水合物获得巨大的成功。这是水合物研发历史上的里程碑,给许多国家呈现出开发利用这种新型、丰富、高效和洁净能源的新曙光。

2、这次水合物试采成功,既是继承借鉴了 4年前 2L-38 试验井的钻探经验 (如KCI泥浆体系、PTCS 保压取样钻具等)、又运用了若干新技术,如随钻测井(LWD)、组合动力测试仪(MDT),及岩样分析新技术等,保证了各项作业顺利有效进行。

虽然工程中出现一些故障,如试验井中钻头掉落井底,MDT 电缆在下套管时破损,但这些不足以影响试采工程的圆满成功。

3、此次 5L-38 井 采用热注入法试采水合物,证明这种方法是成功有效的。同时运用 MDT 在井内水合物层段进行了压降试验,在原理和实践上证实降压法不仅实际可行,而且可能更为简单、经济。这为2008年在 Mallik 试采水合物提供了宝贵经验。

4、5L-38 井 的水合物试采项目采取更为广泛的国际合作。除前述五国10家国际机构外,还有更多的权威学术机构 (如美国国家实验室中的能源技术实验室NETL、劳伦斯—伯克利实验室LBNL等)。这种广泛的专业合作,为这次水合物试采成功奠定了重要基础。

 

 

 

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 三、2007-2008年加拿大Mallik重返 2L-38 井运用减压法水合物试采成功 

(一)领导部门

加拿大自然资源部(NRCan) 地球科学和能源政策司(Earth Sciences and Energy Policy sectors)。

 

 

 

(二)资助和领导

日本国家石油、天然气和金属公司(JOGMEC),NRCan。

 

 

 

(三)野外施工单位

曙光(Aurora)学院/曙光研究所(位于依努维克)、加拿大西北疆域 史密斯要塞(Fort Smith)。

注:Aurora 为希腊神话曙光女神之意,也可译为 曙光。北极圈内一年中好几个月处于黑暗之中,取名Aurora 表达了当地人民对曙光、黎明的期盼。

根据上述参加单位名称,此次2007-2008年水合物试采项目也可称作:“JOGMEC/NRCan/AURORA 水合物试采项目”。

 

 

 

(四)2007-2008年重返2L-38试验井运用减压法试采成功

1、2007年4月短时间水合物试采

(1)延伸、扩孔后 2L-38 井 井身结构与井下设备安置;

(2)实施短时试采。12.5h 内采取 830m3 气量,与 20m3 的水。

2、2008年3月进行长时间持续试采

(1)6.8天(3月10-16日)试采中,成功采取 13000 m天然气气量;

(2)加拿大与日本两国项目领导人握手庆祝试采成功。 

 

 

  

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2007年Mallik2L-38试验井试采井身结构与井下设备安置图

 

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2007年Mallik 2L-38井短时试采水合物获取气量

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2008年2L-38生产试验井减压法的试采系统

 

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加拿大Mallik 永冻带天然气水合物三次试采效果

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(五)评论

1、2007-2008年加拿大 Mallik 重返 2L-38 井水合物成功试采,在6.8天内获得持续稳定甲烷天然气量。这是天然气水合物开发利用史上的又一里程碑,它向世界展示,商业性开发水合物已不再遥不可及。

2008年7月在温哥华召开的第六届国际水合物大会上,日本和加拿大的专家介绍了这两次水合物的成果,并透露有些关键技术。实际表明,日本已在水合物开发领域走在世界前列。此次会上,印度、韩国和中国也展示了各自在水合物勘查方靣的成果。

2、2007-2008年 Mallik 水合物的成功试采,是与加、日两国,特别是日本制订了详尽周密的中长期水合物勘查开发计划有关,并在实施中执行穏扎稳打、循序渐进的方针策略。1998年因故未能试采,准备四年于2002年,在运用热注法试采的同时,运用组合式地层动态测试仪MDT 对储层作降压试验,为下一步运用减压法试采提供数据;2007-2008年的减压法试采,先作短时试采,第2年再作长时持续性试采。这两次试采为五年后2013年在更为艰险的海域水合物试采奠定了坚实的技术基础。

3、2007-2008年 试采证明了运用减压法比热注法更加简单、经济,且具有高得多的产气生产效率。仅2007年的短时(12.5h, 半日)试采的 830m3就为2002年热注法5.5天试采470m3的1.77倍;2008年长时持续试采的日产气量1912m3/d 则为2002年 85m3/d 的 22.5倍。这证明了运用减压法并辅以井底加热是有效、实用、高产的水合物开采方法。

4、2008年已是加拿大和日本连续合作开发水合物的第十年,双方都有巨大收获,尤其是日本。2008年6月,日本通产省大臣与美国能源部部长签署了关于合作开发水合物的意向书。日本将参加此后美国阿拉斯加永冻层的开发。在那里,美国苦心研究,另辟徯径的二氧化碳-甲烷置换法(CO2-CH4 Exchange ) 水合物开采法日本可与之共同分享。

5、2007-2008年试采中存在的主要问题是砂质沉积物堵塞潜水泵和管道,影响生产气体和水的流动。这需要进一步深入研究。相信今后会得到园满解决的。

总之,加拿大 Mallik 2007-2008年水合物试采的成功,到现在已经十年了,但其在陆域永冻层天燃气水合物试采的技术工艺,与产气效果至今仍处于世界领先地位。

 

 

(待续)

左汝强 编着,赵国隆、张林霞 汇总整理。

 

 

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第十九届全国探矿工程(岩土钻掘工程)

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