PDF《天然气水合物钻探的关键技术》

(4)分解后的气体部分以饱 和态溶于分解后的液态水中,分解的水始终处于液 态;

(5)水合物的分解是瞬态完成的.在假定基础 上,通过计算机模拟软件分别对甲烷水合物和二氧 化碳水合物进行了o℃以上的模拟分解实验.而事 实上水合物分解是吸热的过程,将会降低水合物分 解的 环境 温度,本次模拟中并没有考虑吸热对分解 的影响,而是假定了水合物在设定温度下分解,且将 分解的压力P视为温度T的函数.图l为甲烷水合 物和二氧化碳水合物分解模拟得到的P-T平衡相图. 圈l 甲烷水合物和二氯化碳水合物分解P呵平衡相图 图1中,曲线表征水合物分解的临界状态,即在 曲线下方区域所代表的条件下水合物便分解为水和 气体,而在其上方时,则不分解.由图1可以看出: (1)保持水合物样品不分解所需的压力随温度升高 而升高,而压力随温度升高更趋明显;

(2)与二氧化 碳水合物相比,保持甲烷水合物不分解的条件更苛 万方数据

32 姚彤宝:天然气水合物钻探的关键技术 第11卷第5期刻;

(3)在较低温度范围内(o~10℃),保持甲烷水合 物不分解所需的压力与温度呈现近线性趋势.同时,模拟数据显示,保持甲烷水合物不分解的平衡压 力在+O℃时不超过3MPa,6℃时约为5MPa.这也 与实际情况比较吻合.需要说明的是,上述认识是 假定天然气水合物在纯水条件下分解得到的,分解 过程不受其它介质(如泥浆、地下水)的影响,这与实 际情况并不完全相符. 由于海水盐度或矿化度(溶液中极性粒子的增 加)一定程度上能提高气体的溶解度,利于甲烷水合 物的分解,国内外学者们对天然气水合物在其它介 质中分解的研究也产生了广泛的关注,但目前仍未 有得到定量的结论.雷怀彦等在研究海水中甲烷水 合物的分解时认为,甲烷水合物的不稳定性决定了 其在海水中的溶解和分解,这两种方式也是维持海 底甲烷气动态存储与排泄平衡的主要途径.甲烷水 合物在稳定存在的温压条件下,当海水中甲烷溶解 不饱和时,就发生溶解,当海水中溶解的甲烷达到过 饱和时,就会沉淀聚集、凝结形成甲烷水合物;

而当 其所处的温压条件由稳态转变为非稳态时,就分解 生成甲烷气体和水. 然而,上述分析过程中甲烷水合物被置于完全 开放系统中,且没有指出溶解与分解的主次关系. 但可以肯定的是,无论水存在与否,水合物都会发生 分解,且分解过程要比溶解过程更快.可以设想,当 处于非稳态条件之下,甲烷水合物的溶解和分解开 始时都将存在,若被置于相对封闭系统中,由于气体 极低的溶解度,系统溶解将很快因达到饱和而中止, 但分解还将继续. 因此,无论甲烷水合物分解时处于何种条件,其 分解均可认为是一个气相、液相和水合物相同时存 在的复杂动力学过程.笔者基于甲烷天然气水合物 热物理特性模拟试验所得出的结论仍是适用的.只 有依据并利用好天然气水合物的热物理力学特性, 才能从根本上促进天然气水合物钻探技术的发展, 发挥出这项技术的最大功用. 4天然气水合物钻探技术关键探讨 简言之,天然气水合物的热物理特性表现为在 低温高压下存在,而在常温常压分解出大量气体和 液态水.鉴于当前尚未在区域上大范围地钻获天然 气水合物样品,也即存在还要从工作手段上提高资 源可靠性的客观现实,天然气水合物钻探技术所要 解决的问题主要包括:取心取样技术、循环介质、低 温钻进技术参数和工艺方法等. 理论上,天然气水合物晶体能够以较大尺寸在 自然环境中存在,但现有钻探成果表明,天然气水合 物晶体主要以客体形式充填于沉积层的孔隙之中, 天然气水合物粒度相对较小.天然气水合物钻探取 心取样技术的难点在于岩(样)心钻取后会发生分 解,若不采取一定措施,钻探取样后难于保存和直接 观测.当前国内研究天然气水合物钻探取心取样技 术时,保温保压取心取样钻具的研制思路多以保压 为主、保温为辅,取样器通常保压参数设计在 20MPa以上,甚至达到40MPa.这个压力几乎高于 常温下天然气水合物保持不分解的压力,也就增加 了功能实现的难度.而模拟结果表明,降低天然气 水合物钻探的工作温度,可以大幅降低取心取样钻 具的保压设计值.因此,依据天然气水合物的热物 理特性,设计出更为合理的取心取样钻具,这将是天 然气水合物取心取样技术的重点. 如上所述,天然气水合物的热物理力学性质表 明降低温度有利于保持其不分解,而天然气水合物 分解本身吸热制冷的过程,这种制冷效应就使得天 然气水合物具备自我保持稳定、不分解的特性.在 青藏高原高寒地区,天然气水合物赋存于永冻层下, 钻遇地层平均温度也低于冰点,并且由于分解吸热 作用,势必温度将降得更低.这就要求循环介质要 具有耐低温、抗蚀变性能之外,并具有能够抑制水合 物分解和环境友好的特性.常规耐低温泥浆的耐温 性在冰点之上,当温度低于冰点,泥浆的黏度、剪切 力等参数将大幅恶化,其润滑、排渣能力相应也急剧 降低.况且,青藏高原地区环境消融能力较差,一旦 发生泥浆污染地层或地下水,环境恢复将极其缓慢, 甚至可能导致灾难性事故.另外,由于泥浆中人为 添加的处理剂或地层中矿物质的溶解,可能增加了 泥浆中离子浓度从而促使天然气水合物的分解.因此,研制特殊的耐低温环保型泥浆是天然气水合物 钻探的技术核心. 低温钻进一般认为是循环介质在低于常温下的 钻探实践,对于水基泥浆往往在o℃以上,仅在冻土 区和海底天然气水合物钻探中被提及,但业内尚未 给出明确的界定.毋庸置疑的是,天然气水合物钻 探技术应被视为低温钻进技术,但其特殊之处在于 温度可以低至o℃以下.在低温条件下,设备的冷 脆性放大,机械力学性能也变差,尤其在青藏高原高 万方数据 2010年10月 地质装备