水合物藏開采方法綜述水合物藏的開采方法與傳統(tǒng)常規(guī)天然氣藏有很大的差異，天然氣水合物在埋藏條件下是固體，在開采過程中會(huì)發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變，從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的天然氣和液態(tài)的水。天然氣水合物的開采技術(shù)也聚焦于如何人為地破壞天然氣水合物穩(wěn)定存在的溫度和壓力條件，促使其在儲(chǔ)層內(nèi)失穩(wěn)分解，并建立井筒將分解產(chǎn)生的天然氣輸送到地面。目前，國內(nèi)外學(xué)者提出的天然氣水合物開采主要有降壓法、注熱法、注化學(xué)抑制劑法和二氧化碳置換法等。圖1各種開采方法所引起的水合物相平衡曲線變化示意圖Fig.1Schematicdiagramofhydratephaseequilibriumcurvechangesundervariousminingmethods如圖1所示，注熱法和降壓法分別通過改變溫度和壓力條件，使得局部穩(wěn)定溫壓條件轉(zhuǎn)移到天然氣水合物相平衡曲線不穩(wěn)定的一側(cè)；注化學(xué)抑制劑法改變了相平衡邊界，使局部的天然氣水合物在原位條件下發(fā)生分解。二氧化碳置換法是基于客體分子置換的原理，由于二氧化碳水合物相比于天然氣水合物所需要的相平衡壓力更低，向水合物藏注入二氧化碳?xì)怏w后可以置換出封存于天然氣水合物中的甲烷氣體。1.1 降壓法降壓法的基本原理是將水合物儲(chǔ)層壓力降低到水合物相平衡壓力之下，在儲(chǔ)層溫度不變的條件下破壞天然氣水合物的穩(wěn)定性。降壓法開采水合物藏的基本流程即通過一口鉆穿蓋層到達(dá)水合物層的生產(chǎn)井，通過降低井底壓力來使局部水合物的穩(wěn)定性發(fā)生破壞，誘使水合物發(fā)生分解，從而連續(xù)產(chǎn)出氣體。大量的研究結(jié)果表明，降壓法開采受降壓幅度、環(huán)境溫度、水合物初始飽和度和儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)特征的影響。其優(yōu)點(diǎn)是操作工藝簡單易行，經(jīng)濟(jì)環(huán)保優(yōu)勢(shì)明顯，可行性較高。該方法的缺點(diǎn)是單一的降壓法開采速率衰減較快，這是由于降壓法開采中沒有額外熱源補(bǔ)充，水合物分解所需要的熱量必須從周圍的環(huán)境中獲得，此時(shí)大量的分解熱會(huì)導(dǎo)致降壓過程中儲(chǔ)層溫度降低，釋放出來的水會(huì)變成固態(tài)冰堵塞流體流動(dòng)通道，阻礙了水合物的進(jìn)一步分解。因此，只有當(dāng)存在較大的傳熱和分解面積，或者水合物儲(chǔ)層具有合適的溫度條件時(shí)，降壓法才具有實(shí)際使用價(jià)值。1.2 注熱法注熱法的基本原理是將水合物儲(chǔ)層溫度提高到相平衡溫度以上，打破水合物藏的穩(wěn)定狀態(tài)，其技術(shù)手段主要是通過傳統(tǒng)的井口注熱方法，將熱水、蒸汽、熱鹽水等介質(zhì)注入天然氣水合物儲(chǔ)層。注熱法開采水合物藏的基本流程包括：熱流體從井口注入管柱，并從射孔孔眼進(jìn)入到水合物的目的層；通過熱傳導(dǎo)、對(duì)流等方式將熱量傳遞給天然氣水合物，而后分解產(chǎn)生的天然氣、水及注入的熱流體等形成的混合流體從井筒和管柱間的環(huán)形空間返回地面。注熱法的優(yōu)點(diǎn)是可以通過控制注熱速率來控制水合物的分解速率，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)氣體產(chǎn)率的目的。該方法的缺點(diǎn)是熱量損失巨大，注熱法注入的熱量不僅加熱了水合物，更多地用于了提高沉積物顆粒、黏土和下伏地層流體的溫度，而且在熱流體沿著管道從海平面輸送至海底的過程中存在較大的沿程熱耗散，因此能源利用效率極低。計(jì)算研究表明，這種方式所產(chǎn)生的熱損失最高可以達(dá)到75%。1.3 注化學(xué)抑制劑法注化學(xué)抑制劑法的基本原理是向地層中注入某種化學(xué)試劑，從而降低水分子活度，將天然氣水合物的相平衡曲線移動(dòng)向更高的壓力和更低的溫度方向，從而使得水合物藏發(fā)生分解。注化學(xué)抑制劑法的技術(shù)手段與注熱法類似，之前的研究結(jié)果表明注化學(xué)抑制劑法的開采效果與多種因素有關(guān)，包括抑制劑的種類和濃度、注入溫度、注入速率和系統(tǒng)壓力等。但是值得注意的是，即使注入化學(xué)抑制劑，吸熱相變依然存在，水合物分解時(shí)仍需要從周圍環(huán)境中吸收熱量，帶來水合物儲(chǔ)層溫度的降低。除非額外提供外部熱量，否則水合物的分解將是一個(gè)自限過程。注化學(xué)抑制劑法的優(yōu)點(diǎn)是可以降低初期能源輸入，能在很短的時(shí)間內(nèi)有效地提高水合物的分解速率。該方法最大的缺點(diǎn)是成本太高，并且常用抑制劑易污染環(huán)境。Collett和Kuskra進(jìn)行了水合物開采的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)表明，注化學(xué)抑制劑法法費(fèi)用要遠(yuǎn)高于注熱法和降壓法。Kvenvolden報(bào)道，注化學(xué)抑制劑法曾在西伯利亞的Messoyakha氣田試驗(yàn)過，但是實(shí)踐證明該方法費(fèi)用太高不適用于商業(yè)生產(chǎn)。1.4二氧化碳置換法二氧化碳置換法的基本原理是基于CO2和CH4水合物相平衡條件的差異，將CO2氣體注入水合物儲(chǔ)層后把水合物中的甲烷氣體置換出來。Nakano等總結(jié)了二氧化碳置換開采法的兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，一是新形成的二氧化碳水合物能夠保持儲(chǔ)層沉積物的力學(xué)穩(wěn)定性，保障水合物長期安全開采；二是該方法可以將溫室氣體二氧化碳封存起來，減弱溫室效應(yīng)。目前，已經(jīng)有大量的實(shí)驗(yàn)研究從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的角度驗(yàn)證了二氧化碳置換開采的可行性。但是，用二氧化碳置換法開采水合物也存在著一些技術(shù)難題，尚未很好的解決。首先，二氧化碳置換甲烷水合物的反應(yīng)速率很慢，難以滿足商業(yè)生產(chǎn)的需要；其次，二氧化碳只能置換水合物晶體中包裹于大籠子中的甲