PDF《天然气水合物保真取样系统设计的理论基础》

2 温度和压力 假设适当地供给水和甲烷 ,温度和压力相位边 界图(图1) 表明 ,从共同存在的自由甲烷气体和水/ 冰系统向固体天然气水合物转变.当条件到达交叉 的边界线的左边 ,水合物会产生.当条件到达交叉

6 8 第40 卷第1期2004 年1月地质与勘探 GEOLOGY AND PROSPECTING Vol.

40 No.

1 January ,2004 边界线的右边 ,水合物会分解释放出自由的水和甲 烷 ,相当于融化.一般地 ,低的温度和高的压力同时 存在是水合物形成的必须条件. 图1天然气水合物相位图 1.

3 地球化学条件 不仅是温度和压力 ,当对气体水合物的稳定性 在特定的装置中做微微调整时 ,对水合物的影响非 常大.迄今收集到的实验数据已经包括淡水和海 水.然而 ,自然的地下环境表明了在形成水合物方 面的重要变化 ,这些转换改变了温度/ 压力相位边境 (高的盐分限制水合物的形成引起相位边境向左转 移) .同样的 ,少量的其它气体的存在 ,如像 CO2 , H2S 和大分子的碳氢化合物 ,例如 C2H6 ,将增加水合 物的稳定性 ,曲线将向右移动.

2 在自然状态下观察到水合物稳定的典型 曲线 一般地 ,在地质观察中发现 ,天然气水合物的相 位曲线随着深度压力的改变而改变.另外 ,自然地 热梯度表明随着深度的增加温度和压力也逐渐增 加.在温度梯度曲线左边的深度范围 ,相位边界表 明了天然气水合物的稳定区域 ( GHSZ) .这一区域 只是描绘了如果水合物形成则是稳定的.局部条 件 ,尤其是甲烷的供给量将决定了水合物在这一稳 定区域内是否出现. 相位图

2 说明了在北极永冻层(假设永冻层的深 度为

600 m) 的典型情形.相位边界和温度梯度的交 界表明 GHSZ应该从大约

200 m 深延伸到

1000 m. 图2北极永冻层水合物温度相位图 相位图

3 说明了在深大陆架水合物的典型情 图3海洋深水典型的水合物稳定区域 形.假定海底深度为

1200 m.温度稳定的随着水 深在递减 ,在海洋底部 ,温度达到最小值 ,大约为

7 8 第1期窦斌等 :天然气水合物保真取样系统设计的理论基础

0 ℃.在海水下部 ,温度稳定递增.在这个条件下 , GHSZ的上部发生在海水

400 m 的深度 , GHSZ 的底 部在

1500 m 深处.然而水合物将只在沉积层中积 聚 ,由于甲烷在海水中的浓度很低不足以形成水合 物 ,所以在海水中一般没有水合物存在. 从相位图

3 的海洋环境表明 ,在深度超过

400 m 的任何海洋底部的沉积物中将会产生水合物的积 聚.然而 ,非常深的沉积物中一般认为没有大量的 水合物产生.原因是在深海中缺乏高生物的生产力 (将有机物转换成甲烷) 和快速沉积速度 (埋藏一定 的有机物) 支持水合物在大陆架的形成.

4 保真取样器需要解决的问题 从相位图

1、

2、

3 可以看出 ,天然气水合物的稳 定区域一般在水深

200 m 以下、 且温度小于

15 ℃ 的 条件下 ,或永冻土层厚度超过

200 m、 随着深度的增 加 ,温度同样不得超过

15 ℃.所以要通过钻进获得 保真度极高的天然气样品 ,保真取样系统的设计必 须解决以下几个问题 : 1) 具有耐高压而且可以自动密封的取样系统 这种系统要求在正常钻进的过程中 ,取样器能 够自动打开 ,使天然气水合物的岩心进入到取样器 内.当钻具提升时 ,取样系统能够通过一定的阀门 自动关闭 ,将所获得的岩心密封在取样器内 ,而且要 求具有非常好的密封性能和耐高压的性能.这就要 求取样器的材料和密封材料具有足够的强度和气密 性.尽管国际大洋钻探组织已经研制并使用了保压 岩心取样系统(PCS 或PCB) 和恒温岩心取样器.但 是效果并不尽人意 ,而很大程度上受到地层条件、 成 藏环境、 钻进(井) 过程中各种动作的操作水平、 技术 人员对孔内稳定和压力的掌握程度等多种因素的影 响.且所获得的样品大都以收集到的分解后的甲烷 气体为主.目前将保压与调温相结合设计的取样系 统未见报道 ,它的设计生产和应用将对获得保真度 较高的岩心样品有重要意义. 2) 具有自动温度识别和降温系统 当取样器在孔内提升 ,取样器内的温度升高接 近或达到天然气水合物分解的临界值 (在取样器所 能承受的最大压力下 ,天然气水合物趋于分解的临 界温度) 时 ,取样系统的制冷系统自动开始工作 ,使 取样器内的温度维持在一定的范围内 ,从而不至于 破坏取样系统的正常工作状况. 3) 人工智能系统 通过设计 ,使取样系统具有自动识别功能.包 括取样器开启、 密封、 温度控制以及样品的自动转移 都能自动完成.而且可以通过一定的装置 ,使操作 人员能在地面清楚地知道取样系统的工作状况 ,减 少人为影响因素. 根据天然气水合物的形成条件知道 ,其形成且 稳定的条件是压力较大、 温度较低.当设计的取样 器的压力达到一定程度后 ,如果再要增加一个大气 压 ,其材料的性能和密封性能将需要做很大的改变 , 而且并不容易做到.所以在通常情况下 ,只要能维 持水合物的稳定 ,降低温度相对来说是比较容易做 到的.在一定的条件下 ,温度降低