世界首个海洋天然气水合物固态流化开采大型物理模拟实验系统
赵金洲1, 周守为1, 张烈辉1, 伍开松1, 郭平1, 李清平2, 付强3, 高杭4, 魏纳1
1. “油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学;
2. 中海油研究总院
3. 中国海洋石油总公司
4.宏华集团

作者简介:赵金洲,1962年生,教授,博士生导师,博士;现任西南石油大学校长,本刊第八届编委会委员、《Natural Gas Industry B》编委会委员;主要从事油气田开采、增产技术新理论及天然气水合物绿色钻采理论实验研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都区新都大道8号。ORCID: 0000-0003-1686-1828。E-mail:zhaojz@swpu.edu.cn

摘要

天然气水合物(以下简称水合物)分别蕴藏于海洋和陆地永冻土带中,但前者的储量约为后者的100倍。海洋环境中的大部分脉状、块状水合物以及细粒沉积物中的水合物都属于非成岩天然气水合物,一般没有像常规油气藏和砂岩水合物储层那样稳定的圈闭构造。针对海洋非成岩水合物的物理特征、成藏特点,依据水合物固态流化开采法的工艺流程,建立了世界首个海洋天然气水合物固态流化开采实验室。该实验室定位于“全自动化的白领型实验室”,实验系统共分为大样品快速制备及破碎、高效管输、高效分离、快速检测等模块单元。该实验室的主体功能包括:①高效破岩能力评级;②海洋天然气水合物层流化试采携岩能力评价;③水合物非平衡分解规律及流态动变规律评价;④不同机械开采速率条件下水合物安全输送;⑤井控安全规律模拟。该实验室的关键技术指标:工作压力12 MPa、水平管长度 65 m、立管长度 30 m 、管径3英寸。该实验室能模拟1 200 m水深的全过程水合物固态流化开采工艺过程,是西南石油大学联合中国海洋石油总公司、宏华集团原始创新自主设计、自主研发的标志性实验室。

关键词: 天然气水合物; 固态流化开采; 实验室; 全过程模拟; 制备系统; 破碎系统; 管输系统; 西南石油大学
The first global physical simulation experimental systems for the exploitation of marine natural gas hydrates through solid fluidization
Zhao Jinzhou1, Zhou Shouwei1, Zhang Liehui1, Wu Kaisong1, Guo Ping1, Li Qingping3, Fu Qiang2, Gao Hang4, Wei Na1
1. State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation //Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China;
2. CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China
3. China National Offshore Oil Corporation, Beijing 100010, China
4. Honghua Group Limited, Chengdu, Sichuan 610036, China
Abstract

Natural gas hydrates (NGHs) are restored in seas and terrestrial frozen soil on the earth. Marine NGH reserves are about 100 times that in land. In a marine environment, most of the veins-like or bulk hydrates and hydrates in fine-grained sediments belong to nondiagenetic NGHs, and there is no such a stable entrapment structure like a conventional hydrocarbon reservoir or sandstone hydrate reservoir. According to the physical characteristics and reservoir characteristics of marine NGHs, Southwest Petroleum University innovatively proposed a solid fluidization exploitation method, and established the first global laboratory for the solid fluidization exploitation of marine NGHs. This lab owns high-quality devices and equipment as well as automatic experimental systems, which consist of several modules including rapid preparation of large samples & fragmentation, efficient pipe transportation, efficient separation, rapid detection and so on. Its main functions are rating of efficient rock breaking capacity, evaluation of rock carrying capacity in marine NGH fluidization pilot exploitation, evaluation of hydrate non-equilibrium decomposition and flow patterns dynamic change laws, safe hydrate transportation under different mining rates, and simulation of well control safety. Its key technical indicators are as follows: 12 MPa working pressure , 65 m-long horizontal pipes, 30 m-long standpipes, and three-inch pipe diameter. In this lab the whole process of solid fluidization exploitation of NGHs 1 200 meters deep under water can be simulated, which is a landmark of this laboratory with original innovation, independent design, independent research and development. It was jointly built by the Southwest Petroleum University, CNOOC and the Honghua Group Limited.

Keyword: Natural gas hydrate; Solid fluidization; Laboratory; Whole-process simulation; Physical simulation; Preparation system; Breaking-up system; Pipe transportation system; Southwest Petroleum University
0 引言

天然气水合物(以下简称水合物)是继页岩气、煤层气、致密气之后最有潜力的非常规接替能源之一, 它是甲烷等烃类气体或挥发性液体与水相互作用形成的结晶状“ 笼形化合物” , 俗称“ 可燃冰” [1, 2] , 单位体积的水合物分解可得到164 m3的甲烷气和0.8 m3的水[3]。水合物主要分布在陆地永久冻土区和海洋深水环境(美国地质勘探局United States Geological Survey, 简称USGS, 于2008年定义其水深大于1000 m), 总量达到7.6× 1018 m3, 碳含量相当于全球已探明化石能源(包括煤、石油和常规天然气等)含碳总量的2倍[4], 其中蕴藏于海洋中的水合物储量约为陆地永冻土区的100倍[5], 世界水合物资源分布情况如图1所示[6]。因此, 水合物特别是海洋深水水合物的安全、高效开发是当前世界的前沿创新技术领域[7, 8, 9, 10]。美国、加拿大、德国以及我国周边的日本、印度、韩国等国家都制定了水合物长期研究计划[11]。相关国家先后于2002、2008年在加拿大MARLIK冻土区, 2012年在美国阿拉斯加冻土区域进行了天然气水合物的短期测试生产; 日本于2013年3月在其近海成功实施海域水合物的试采; 我国于2017年在中国南海神狐海域试采水合物获得成功[12, 13, 14, 15, 16, 17]

自然界中水合物的存在形式主要有[18, 19, 20, 21]:①极地冻土带分布在岩石粒间孔隙中的砂岩储层; ②海底地层中分布在岩石粒间孔隙中的砂岩储层; ③填充在岩层裂隙中的非砂岩储层; ④伴随有少量沉积物的脉状、块状水合物; ⑤以球粒状分散于细粒沉积物中的水合物。图2所示的是根据已有的钻探取心资料及勘探地质资料获取到的不同附存形式的水合物。

海洋环境中大部分脉状、块状水合物和细粒沉积物中的水合物都属于非成岩水合物, 一般没有像常规油气藏和砂岩水合物储层那样的稳定圈闭构造, 并且其没有岩石构架作为储层骨架, 水合物本身即为储层骨架, 储层不稳定, 水合物层受到外界影响容易分解, 储层易垮塌溃散且水合物分解难以控制。与此同时, 海洋浅层水合物的分解还有可能导致海底结构物基础的失稳, 引发海底滑塌等潜在的工程地质灾害、温室效应等环境安全问题(图3)。深海浅层非成岩的弱胶结水合物如不合理开发则有可能造成灾难性事故, 潜在地质风险、生态破坏和环境温室效应及生产控制和装备风险、安全风险一直以来都是水合物开发中备受关注的热点, 因此必须采取安全有效的科技创新方法对此类水合物资源进行绿色开采。

图1 世界天然气水合物资源分布示意图

图2 不同附存形式的水合物照片

图3 水合物开采环境风险、装备风险、生产控制风险示意图

1 海洋非成岩天然气水合物固态流化开采的技术思路

目前, 世界上已经实施的水合物试采均在成岩水合物矿体中进行, 海洋非成岩水合物开采技术和方法还是空白, 固态流化开采是有望解决世界海洋浅层非成岩水合物合理开发科技创新前沿领域和革命性技术之一[22]。其技术思路是:利用水合物在海底温度和压力相对稳定的条件下, 采用采掘设备以固态形式开发水合物矿体, 将含有水合物的沉积物粉碎成细小颗粒后, 再与海水混合, 采用封闭管道输送至海洋平台, 尔后将其在海上平台进行后期处理和加工, 相关工艺流程如图4所示。该开采方式的优势包括:①由于整个采掘过程在海底水合物矿区域进行, 未改变天然气水合物的原始温度、压力条件, 类似于构建了一个由海底管道、泵送系统组成的人工封闭区域, 起到了常规油气藏盖层的封闭作用, 使海底浅层无封闭的天然气水合物矿体变成了封闭体系内分解可控的人工封闭矿体, 使得海底水合物不会大量分解, 从而实现了原位开发, 避免水合物分解可能带来工程地质灾害和温室效应; ②同时利用天然气水合物在传输过程中温度、压力的自然变化, 实现了在密闭输送管线范围内的可控有序分解。

图4 海洋非成岩水合物固态流化开采流程示意图

2 海洋非成岩天然气水合物固态流化开采实验室的建设

为了对海洋非成岩天然气水合物固态流化开采法工艺技术思路进行验证和开展基础理论研究, 西南石油大学于2015年4月28日成立了世界首个“ 海洋非成岩天然气水合物固态流化开采实验室” [23](图5)。该实验室定位于“ 全自动化的白领型实验室” , 实验系统共分为[24]:大样品快速制备及破碎、高效管输、高效分离、快速检测等模块单元。该实验室的主体功能包括:①高效破岩能力评级; ②海洋水合物层流化试采携岩能力评价; ③水合物非平衡分解规律及流态动变规律评价; ④不同机械开采速率条件下的水合物安全输送实验; ⑤井控安全规律模拟。该实验室的关键技术指标:工作压力12 MPa、水平管长度65 m、立管长度30 m 、管径3英寸(1英寸=2.54 cm, 下同)。该实验室能模拟1 200 m水深的全过程固态流化开采工艺过程, 是西南石油大学联合中国海洋石油总公司、宏华集团原始创新自主设计、自主研发的标志性实验室。

图5 世界首个“ 海洋非成岩天然气水合物固态流化开采实验室”

2.1 实验室主体功能

根据海洋非成岩天然气水合物固态流化开采的技术思路, 所建立的实验室具有以下主体功能:

1)1 m3大样品快速制备、高效破岩能力评级。

2)海洋水合物层流化试采携岩能力评价。

3)不同机械开采速率条件下的水合物安全输送实验。

4)水合物非平衡分解及流态动变规律评价。

5)井控安全规律模拟。

2.2 实验系统流程

结合海洋非成岩天然气水合物固态流化开采的技术思路及实验室的主体功能, 实验室的设计思路如下:

1)相似原型:水合物藏水深1 200 m, 管路长径比太大, 现有条件下一次相似实验室不可能完成。因此, 通过多次循环、多次调压(高压至低压)、多次换热升温, 综合每组实验数据来完成全过程管流模拟, 在满足井控安全的前提条件下尽量放大实验流动参数以保证安全高效输送。

2)根据海洋水合物的组分, 模拟预制水合物(含砂)样品, 然后破碎样品时加入预先配制的海水, 形成水合物浆体。

3)将浆体转移至管路循环系统, 模拟实际开采环节的水合物浆体气、液、固多相管道输送流动状况。

4)水平段、垂直段井筒能够分别独立完成实验:水平管段着力解决固相运移问题, 垂直管段着力解决水合物相变条件下的多相流动特征参数预测、测量、压力演变规律及调控技术。

5)管输结束之后, 分离系统对水合物分解及其产物进行处理和计量。

6)实现多相输送过程中的运行控制和测试数据及图像采集, 并能进行实时监控、处理、分析、显示和存储。

7)通过实验室研究, 形成、完善和丰富多相流动在固态流化采掘模式下的理论模型。

依据实验设计思路及理念, 将海洋水合物固态流化开采实验系统流程分为以下5个功能模块(图6):①海洋水合物样品制备模块; ②海洋水合物破碎及保真运移模块; ③海洋水合物浆体管输特性实验模块; ④海洋水合物产出分离模块; ⑤动态图像捕捉、数据采集及安全控制模块。

图6 海洋水合物固态流化开采实验系统

2.3 实验系统关键设备

2.3.1 水合物制备及破碎系统

该设备主要用于模拟1 200 m水深以内, 不同温度、压力条件下水合物沉积物。该系统通过鼓泡、喷淋、搅拌等环节能在24 h以内快速生成1.062 m3天然气水合物, 并按照实验需求破碎成指定粒度大小的水合物碎屑并输出, 以满足固态流化开采管输及分离实验的需要(图7)。其主要性能指标如下:

1)设计压力:16 MPa。

2)设计温度:– 10~60 ℃。

3)釜体尺寸:Ø ٩٥٠ mm× ١ ٥٠٠ mm。

4)腔体总容积:1 062 L。

5)介质:石英砂、海水、甲烷、化学试剂等。

图7 水合物制备及破碎系统

2.3.2 浆体循环泵

水合物固态流化开采的工艺流程中复杂介质流体流动的动力单元是要求能够适应气液固(天然气、海砂、水合物固相、海水)多相管输要求的关键设备。西南石油大学通过自行设计、研发并委托加工出一套单螺杆浆体循环泵(图8)。该装置是实现水合物保真转移和管输特性实验必不可少的动力设备, 主要性能指标如下:

1)排量:24 L/s。

2)设计压力:16 MPa。

3)固相体积含量:小于30%。

4)进出口管内径:3英寸。

5)扬程:大于等于100 m。

图8 浆体循环泵

2.3.3 压力动态调节器

水合物固态流化开采工艺的思路是将1 200 m水深的固体矿流化输送至平台, 其管输压力是从12 MPa至常压, 而“ 海洋天然气水合物固态流化开采实验系统” 管输回路是闭式循环系统, 其流体压力在封闭环境无法实现压力降低或动态调节。基于此客观物理实际, 西南石油大学的研究团队创造性设计和研发了压力动态调节器。该设备可在物质平衡条件下根据每次循环30 m水深的气液固混相流体压力降低幅度动态调节管流压力(由12 MPa至1 MPa), 如图9所示。压力动态调节器的主要性能指标如下:

1)工作压力:12 MPa。

2)设计压力:16 MPa。

3)工作温度:– 10~60 ℃。

4)设计温度:60 ℃。

5)工作腔尺寸:1.15 m3

6)工作介质:海水、甲烷。

图9 压力动态调节器

2.3.4 高效三相分离器

高效三相分离器主要由三相分离器、储砂罐、储水罐、甲烷气罐、气体流量计、球阀等组成(图10)。其主要功能是在循环实验结束后, 分离并计量固相、气体和海水分相物质的量。该分离器的主要性能指标如下:

1)排量:0~24 L/s。

2)设计压力:16 MPa。

3)设计温度:– 10~60 ℃。

4)进出口管内径:76.2 mm。

5)固相粒度:小于等于10 mm。

图10 高效三相分离器

2.3.5 实时相含量监测、取样器

“ 海洋水合物固态流化开采实验系统” 管输回路是在闭式循环系统中通过不断降压、升温以实现其物理过程。因此, 管道里的水合物固相在降压、升温过程中不断气化成自由气从而造成管输系统里的气液固分相比例关系动态变化。所以, 取样器可以利用气液固密度差通过物理沉降方式在线定量取样分析并计量气液固分相比例。通过该设备分析每30 m循环过程中的浆体瞬时组分比例, 以评价水合物固相分解效率以及海砂运移效率。“ 实时相含量监测取样器” 主要由取样检测计量装置、质量流量计和快速启合开关组成(图11)。其主要性能指标如下:

1)设计压力:16 MPa。

2)工作压力:12 MPa。

3)设计温度:– 10~60 ℃。

4)釜体长度:200 mm。

5)通径:Ø ٢٥ mm。

6)可视窗宽度:14 mm。

7)可视窗长度:100 mm。

图11 实时相含量监测、取样器

2.3.6 管输温度调控系统

管输温度调控系统主要用于模拟水合物浆体在每30 m海管上升流动过程中的温度上升状态。因此, 采用电加热人工强迫换热方式对立管进行热补偿, 以模拟海洋环境对海管的热交换情况(图12)。该设备的主要性能指标如下:

1)加热长度:30 m。

2)最大加热功率:4 kW。

3)最高加热温度:60 ℃。

4)工作温度:0~40 ℃。

5)加热方式:电加热控温。

2.3.7 自动化监控系统

自动化监控系统能实现整个实验系统关键参数的自动采集和控制(图13)。该设备的主要性能指标如下:

1)自动阀门开闭和监测。

2)温度补偿控制和监测。

3)压力动态调节控制和监测。

4)制备釜温度及压力控制及监测。

5)破碎装置转速及行程控制及监测。

6)管道压力、温度监测。

7)高速管输复杂介质多相流动图像监测。

图12 管输温度调控系统

图13 自动化室内监控系统

3 结论

1)“ 水合物固态流化开采” 是采用机械破碎而后进行管输, 利用水合物自动解析、举升, 顺势开发, 变不可控为可控, 最终实现安全、绿色钻采。目前非成岩水合物的试采及开发尚属于技术空白, 固态流化开采法是有望解决世界海洋浅层非成岩天然气水合物合理开发的科技创新前沿领域和革命性技术之一。

2)海洋天然气水合物固态流化开采实验室定位于“ 全自动化的白领型实验室” 。该实验室能模拟1200 m水深的全过程固态流化开采工艺过程。

3)世界首个海洋水合物固态流化开采实验系统的建立, 是西南石油大学积极响应习总书记“ 向地球深部进军” 和“ 创新驱动发展战略” 重要指示的生动体现, 也是响应党中央、国务院号召, 落实新发展理念、推动科技兴校、实施创新驱动发展战略的重要成果, 对推动西南石油大学“ 双一流” 建设目标的实现具有积极而深远的意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

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