1、中国石油大学（华东）毕业设计（论文）冻土带水合物有效开采方法研究摘 要天然气水合物作为未来化石燃料的一种重要替代品，以其分布广泛、资源量巨大、能量密度高、清洁无污染等诸多优点为世界各国重视。而冻土带水合物比海底水合物开发难度小的特点。本文通过分析冻土带的地质条件，阐述了冻土带与水合物稳定存在的关系，得到了天然气水合物在冻土带存在条件。分析推测了常见几种冻土带水合物微观结构及其形成过程。以麦索亚哈气田开采实例，分析了注热降压开采的原理，同时对水力压裂开采水合物压裂的基本原理进行分析，在简化模型下分析了水力压裂增产效果。关键字：天然气水合物；冻土带；开采方法ABSTRACNatural gas h
2、ydrate is an important product as an alternative to fossil fuels in the future. With its advantages like widely distributed, a huge amount of resources, high energy density, and pollution-free, many countries in the world are highly concerned about it.Rather than undersea gas hydrate formation ,gas
3、hydrate in the permafrost area has small developing difficulty. Through analysis of the geological conditions of the permafrost areas, expounds its stability between hydrate and permafrost areas, obtained the relationship of natural gas hydrate in the permafrost areas condition. Speculating the micr
4、ocosmic structure of hydrate formation process of permafrost areas. Analyse MaiSuoahab in mining field, the principle of thermal injection and depressurization, at the same time, Analyse the basic principle of hydraulic fracturing, under the simplified model is analyzed effect on increasing producti
5、on in hydraulic fracturing.Keywords：Gas hydrate;permafrost areas;method of exploitation目 录第 1 章 前 言 .11.1 研究目的及意义 .11.2 研究现状 .11.3 主要研究内容 .3第 2 章 冻土带天然气水合物形成以及微观结构 .42.1 冻土带水合物的形成 .42.1.1 冻土带分布情况 .42.1.2 冻土带厚度 .62.2 冻土带天然气水合物的微观结构 .102.2.1 青藏高原地质运动分析 .102.2.2 几种常见成矿模式分析 .11第 3 章 冻土带天然气水合物注热降压开采 .163
6、.1 降压开采原理 .163.1.1 降压开采机理 .163.1.2 降压开采能量分析 .173.2 注热开采原理 .173.2.1 注热开采机理 .173.2.2 注热开采能量分析 .183.3 注热降压结合 .203.4 麦索亚哈气田水合物开采实例 .203.4.1 麦索亚哈气田地质特征 .213.4.2 麦索亚哈气田矿藏结构 .223.4.3 麦索亚哈气田水合物开发过程 .23第 4 章 冻土带天然气水合物水力压裂开采 .254.1 天然气水合物水力压裂基本原理 .254.2 冻土带水合物层水列压裂裂缝形态 .254.3 冻土带水合物层水力压裂前后气体渗流规律 .27第 5 章 结 论
7、.31致 谢 .32参考文献 .33前言1第 1 章 前 言1.1 研究目的及意义随着常规油气资源开发利用，人类将面临着巨大能源危机。目前已经发现的石油储备量还可用40年，天然气还可用70年，煤炭还可用190年，作为世界上最大的发展中大国，我国能源短缺十分突出。因此急需开发新能源以满足中国经济的高速发展，而天然气水合物作为新型有效能源，2000年开始，天然气水合物的研究与勘探进入高峰期，世界上至少有30多个国家和地区参与其中 1。天然气体水合物广泛分布于多年冻土区、大陆架边缘的深海沉积物和深湖泊沉积物中，估计全球天然气水合物中的碳储量为210 16m3，相当于全球已探明常规化石燃料总碳量的2倍
8、以上 2。与海洋相比，陆地开采天然气水合物的难度要小得多，同时陆地上开展天然气水合物开采试验无疑为海洋大规模开发天然气水合物提供良好的基础 3。2009年9月，我国在青海发现“可燃冰” ，使我国成为世界上第一次在中低纬度冻土区发现天然气水合物的国家，也是继加拿大1992年在北美麦肯齐三角洲、美国2007年在阿拉斯加北坡通过国家计划钻探发现天然气水合物之后，在陆域通过钻探获得天然气水合物样品的第三个国家。初略的估算，远景资源量至少有350亿吨油当量 4。可见冻土带水合物作为一种新的替代能源越来越受到人们的重视，随着我国青藏高原水合物勘探的进步，冻土带水合物的动用必然会对我国油气资源做出巨大贡献。
9、但要对其进行有效地开采，需要对冻土带地质特征，水合物形成条件，成藏模式进行认识。同时借助于冻土带水合物开采成功典型例子，麦索雅哈气田的开发，对其开采方式进行分析，以求一种新的开采方法。1.2 研究现状前苏联二十世纪60年在卖索亚哈油田发现了陆地永久冻土带发现了天然气水合物，1998年，加拿大在北极附近的西北部马更些三角洲(Mackenzie Delta)的Mallik 地区实施了世界上第一个专门进行陆地永久冻土区天然气水合物调查研究的钻探工程，曾先后完成了5口天然气水合物调查前言2研究探井(Mallik-L38，2L-38，3L-38，3L-3，5L-38)，并进行了试开采。这项世界上第一个对
10、陆地永久冻土区进行天然气水合物全面调查评价的科学研究工程引起了许多国家的兴趣和关注，先后由加拿大、日本、美国、德国、印度、国际大陆钻探计划(ICDP)等国际和机构参与。除了进行了钻探资源调查评价外，还进行了试开采研究 5。2008年3月1016日，日本和加拿大科学家再次对Mallik 2L238井进行了水合物开发测试。此次开发试验由于安装了防沙装置，开发试验进展顺利，在井底和井口分别采集到了压力、温度、气体和液体流量等数据。连续6d(139h)的开发，天然气产量达到(2000m34000m 3)/d，累计产量约为13000m 3。初步数据显示，该区采用水合物降压开采是一种正确的开发方式。另外，
11、日本国家石油、天然气及金属公司FujiiK 女士介绍日本在 20092011年进行水合物海上开发试验，20122016年进行水合物商业开发准备的有观计划 6。中国地质调查局于2002年开始先后设立了4个调查研究项目，即“青藏高原多年冻土区天然气水合物地球化学勘查预研究” 、 “青藏铁路沿线天然气水合物遥感识别标志研究” 、 “我国陆域永久冻土带天然气水合物资源远景调查” 、 “我国陆域永久冻土带天然气水合物钻探技术研究” 。国家自然科学基金委员会也于2005年设立了“青藏高原多年冻土区天然气水合物形成条件探讨”的面上科研项目。国土资源部的科研项目以资源类为主。目前最重要的当属我国海域天然气水合
12、物资源调查与评价专项中的3个配套科研项目。每年都投入不少资金开展技术方法、环境效应和资源战略评价等方面的研究。由广州海洋地质调查局、青岛海洋地质研究所、国家海洋局、中国地质科学院、中国科学院、中国地质大学、南京大学等单位承担。国家自然科学基金委员会自1998年开始设立“气体水合物生成过程机理及其分形理论的研究”(中国科学院广州能源研究所舒碧芬承担)以来。至2006年共设立了与天然气水合物有关的项目43个。其中1998年1项。1999年1项。2000年4项，2001年6项。2002年4项，2003年8项。2004年1项。2005年10项。2006年8项。除2004年外基本上呈逐年增加的趋势。内容
13、涉及到水合物的物性、资源、抑制、储运、开采、环境等方面的基础研究和应用基础研究。中国科学院也大力重视天然气水合物的研究工作。于2004年组织了跨研究所、跨学科的优势研究力量组建了“中国科学院广州天然气水合前言3物研究中心” 。并先后设立了“天然气水合物勘探开采模拟研究” 、 “天然气水合物开采中若干关键问题的研究” 、 “大陆坡天然气水合物形成的地质条件与成藏机理研究” 、 “海底天然气渗漏系统水合物成藏机制及识别方法”等知识创新重要方向项目4个、百人项目3个以及其他项目多个。研究内容涉及到天然气水合物合成、物性测试、开采模拟、成藏机理、资源评价等领域。除上述四大部委外，三大油公司、教育部、中
14、国工程院以及前述的中国大洋矿产资源研究开发协会等也先后设立过与天然气水合物有关的科研项目 7。最近，有关专家在西宁对中国科学院广州天然气水合物研究中心完成的“青海省天然气水合物勘探开发方案研究报告”进行了审查，指出青海省多年冻土区具备较好的“可燃冰”找矿前景，并建议在青海建立一个陆地冻土区天然气水合物勘探开发技术方法试验基地，以引领带动我国对天然气水合物的勘探开发 8。1.3 主要研究内容本课题旨在搞清冻土带地质特点，冻土带厚度，天然气水合物在冻土带形成条件，以及常见的冻土带天然气水合物矿藏模式。对比常见冻土带天然气水合物开采方法，分析麦索亚哈水合物开采方法，以及找出一种新的适合冻土带水合物开
15、采方法的。为以后冻土带水合物开采提供依据。研究内容包括以下几个方面：通过分析给出冻土带地质特点；研究冻土带厚度；天然气水合物在冻土带稳定存在的条件；分析麦索亚哈气田水合物开采的具体方法；提出一种新的水合物开采方法，以及分析其可行性。冻土带天然气水合物形成以及存在形式4第 2 章 冻土带天然气水合物形成以及存在形式冻土带在地质学是指 0以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土（数小时、数日以至半月）、季节冻土（半月至数月）以及多年冻土（数年至数万年以上）。天然气水合物，在一定地质条件，存在于冻土带。2.1 冻土带水合物的形成2.1.1 冻土带分布情况世界冻土带分布冻土分布于高纬地带和高
16、山垂直带上部，其中冰沼土广泛分布于北极圈以北的北冰洋沿岸地区，包括欧亚大陆和北美大陆的极北部分和北冰洋的许多岛屿，在这些地区的冰沼土东西延展呈带状分布，在南美洲无冰盖处亦有一些分布。据估计，冰沼土的总面积约 590 万平方公里，占陆地总面积的 5.5%。其中北半球 20%为冻土面积 9，如图 2-1 所示北半球冻土带分布。图 2-1 北半球多年冻土带水合物中国多年冻土区面积到 21510km2，占国土总面积的 22.4%，是仅次冻土带天然气水合物形成以及存在形式5于俄罗斯、加拿大的世界第三冻土大国。冻土区主要分布在青藏高原、大兴安岭以及其他高山地区。如图 2-2 所示为我国冻土地带分布和找矿前景图。图 2-2 中国冻土区和天然水合物找矿远景图 10图 2-3 我国青藏高原冻土带分布 11
