【正文】 he relationship of natural gas hydrate in the permafrost areas condition. Speculating the microcosmic 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 production in hydraulic fracturing. Keywords： Gas hydrate。 而凍土帶水合物比海底水合物開發(fā)難度小的特點(diǎn)。 本文通過(guò) 分析凍土帶的地質(zhì)條件，闡述了凍土帶與水合物穩(wěn)定存在的關(guān)系，得到了天然氣水合物在凍土帶存在條件。permafrost areas。 天然氣體水合物廣泛分布于多年凍土區(qū)、大陸架邊緣的深海沉積物和深湖泊沉積物中，估計(jì)全球天然氣水合物中的碳儲(chǔ)量為 21016m3，相當(dāng)于全球已探明常規(guī)化石燃料總碳量的 2倍以上 [2]。 可見凍土帶水合物作為一種新的替代能源越來(lái)越受到人們的重視 ， 隨著我國(guó)青藏高原水合物勘探的進(jìn)步，凍土帶水合物的動(dòng)用必然 會(huì)對(duì)我國(guó)油氣資源做出巨大貢獻(xiàn)。這項(xiàng)世界上前言 2 第一個(gè)對(duì)陸地永久凍土區(qū)進(jìn)行天然氣水合物全面調(diào)查評(píng)價(jià)的科學(xué)研究工程引起了許多國(guó)家的興趣和關(guān)注 ， 先后由加拿大、日本、美國(guó)、德國(guó)、印度、國(guó)際大陸鉆探計(jì)劃 (ICDP)等國(guó)際和機(jī)構(gòu)參與。連續(xù) 6d(139h)的開發(fā) ， 天然氣產(chǎn)量達(dá)到 (20xxm3～4000m3)/d， 累計(jì)產(chǎn)量約為 13000m3。 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)也于 20xx年設(shè)立了 “ 青藏高原多年凍土區(qū)天然氣水合物形成條件探討 ” 的面上科研項(xiàng)目。由廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局、青島海洋地質(zhì)研究所、國(guó)家海洋局、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、南京大學(xué)等單位承擔(dān)。 1999年 1項(xiàng)。 20xx年 10項(xiàng)。中國(guó)科學(xué)院也大力重視天然氣水合物的研究工作。除上述四大部委外，三大油公司、教育部、中國(guó)工程院以及前述的中國(guó)大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會(huì)等也先后設(shè)立過(guò)與天然氣水 合物有關(guān)的科研項(xiàng)目 [7]。為以后凍土帶水合物開采提供依據(jù)。 天然氣水合物 ， 在一定地質(zhì)條件，存在于凍土帶。 圖 21 北半球多年凍 土帶水合物 中國(guó)多年凍土區(qū)面積到 21510km2，占國(guó)土總面積的 %，是僅次于凍土帶天然氣水合物形成以及 存在形式 5 俄羅斯、加拿大的世界第三凍土大國(guó)。 土體在融化層和凍結(jié)層相界面滿足能量守恒定律，在多年凍土地板的凍融相界面有： ???? 0Q tf （ 21） 式中 tQ fQ 分別是融化層和凍結(jié)層之間的相界面的熱流， 0Q 是單位土體的相變熱 ， ?? 是相界面移動(dòng)速率。如果地表溫度和地中熱流的變化足夠小，含水量不 大的土（巖）體能夠很快地融化和凍結(jié)，使得土（巖）體滿足穩(wěn)定狀態(tài)條件。 長(zhǎng)期觀測(cè)所得數(shù)據(jù)顯示，青藏高原絕大部分位于盆地地區(qū)多年凍土，其凍土層年平均溫度 cpt 為℃ —3℃ 之間，多年凍土厚度介于 25200m之間。 物形成時(shí)的溫壓條件要比丙烷水合物形成條件苛刻得多。提出的甲烷氣水合物形成的相平衡條件統(tǒng)計(jì)方程來(lái)描述： )/ xp ( TP ?? （ 23） )25~0( CT ??? )/ xp( TP ?? （ 24） )25~0( CT ?? 式中： P為壓力， kPa； T為溫度。 凍土層及其下沉積層的壓力與深度的關(guān)系分別 與 靜巖壓力 fP 和靜水壓力 sP 計(jì)算 fff ghPP ?60 10 ??? （ 27） ssfs ghPP ?610 ??? （ 28） 式中 0P 為地表大氣壓力 ()， g為重力加速度常數(shù) (取 )， f?為凍土層密度，實(shí)驗(yàn)測(cè)定凍土密度為 1500～ 20xxkg/m3，計(jì)算時(shí)取 1750kg/m3，s? 為凍土層之下孔隙流體密度 (1000kg/m3)。由圖 25可知，多年凍土地溫梯度與多年凍土層下地?zé)崽荻扰c氣水合物的相平衡邊界共同構(gòu)成了天然氣水合物的穩(wěn)定帶，灰色區(qū)域內(nèi)為天然氣水合物的穩(wěn)定帶，理論上天然 氣水合物均可以在這一區(qū)域內(nèi)形成。 凍土帶 天然氣 水合物的 存在形式 水合物所賦存的沉積物多是新生代沉積。對(duì)水合物 氣藏形成，前人雖曾提出冷凍、滲流等模式，但對(duì)構(gòu)造動(dòng)力學(xué)、古氣候演化、熱史變異、氣體運(yùn)移、深部氣源等問(wèn)題研究不足，因而遠(yuǎn)落后于對(duì)常規(guī)油氣藏的認(rèn)識(shí) [15]。這種構(gòu)造破壞作用造成 的烴類氣體重新分配現(xiàn)象在上新世一更新世以來(lái)尤為明顯。 凍土帶天然氣水合物形成以及 存在形式 11 幾種常見成礦模式分析 凍土帶水合物形成之前，一般已經(jīng)有天然氣藏，隨著溫度的變化，達(dá)到水合物形成條件以下，就會(huì)形成水合物，并且由于陸地上的溫度的循環(huán)交 替變化，水合物也在不斷形成和分解，所以水合物礦藏也伴隨有天然氣藏 [17]。如圖所示： 圖 26 凍土帶水合物塊狀水合物形成 在地殼運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中伴隨著沉積，由于下部天然氣滲流到上部，和巖石進(jìn)入上部巖石的空隙中，如果上部隆升和沉積持續(xù)進(jìn)行， 且此時(shí)溫度壓力滿滿足 水合物形成溫度壓力條件時(shí)，形成片狀或?qū)訝钏衔铩? 圖 29 透鏡體天然氣水合物形成 近日在祁連山取 出水合物巖心結(jié)構(gòu)如圖 210 所示， 通過(guò)取心表明發(fā)現(xiàn)水合物賦存狀態(tài)復(fù)雜 ， 研究認(rèn)為祁連山天然氣水合物的產(chǎn)出方式可能有二種 ， 一是以薄層狀、片狀、團(tuán)塊狀賦存于粉砂巖、泥巖、油頁(yè)巖的裂隙面中 ,單層僅 僅數(shù)毫米厚 ， 肉眼能觀測(cè)到的均是這類水合物。其中注熱和降壓開采用于麥索亞哈氣田開采所取得較好的效果。 圖 31 天然氣水合物降壓開采原理 不需要昂貴的連續(xù)激發(fā) 是 降壓法的最大特點(diǎn)， 這也使得運(yùn)用該方法經(jīng)濟(jì)成本較低 ，簡(jiǎn)單易行 ，適合大面積開采，尤其適用于存在下伏游離氣層的天然氣水合物藏的開采 ， 因而其可能成為 未來(lái) 水合物 商業(yè) 開 發(fā) 的有效方法之一。 水合物分解后的天然氣驅(qū)動(dòng)， 當(dāng)儲(chǔ)層壓力或溫度不滿住水合物穩(wěn)定存在條件時(shí)候，水合物開始分解，此時(shí)分解的天然氣繼續(xù) 為地層 提供能量。注熱開采通常采用的蒸汽注入、熱水注入、熱鹽水注入、火驅(qū)及電磁加熱等方法 。 同時(shí)多井注熱比單井注熱效果在促進(jìn)水合物分解上效果又更好。在理想狀態(tài)下，假設(shè)巖石孔隙度為 30%；水合物為甲烷水合物，水合系數(shù)為 6且飽和度為 80%；原始地層溫度為 4℃ ，水合物開始分解溫度為 12℃ ，地層最終溫度為 15℃ ；整個(gè)過(guò)程保持地層壓力不變。但對(duì)于水合物的分解來(lái)講，只有水合物原始賦存狀態(tài)下溫度上升，才能夠使水合物完全分解，并能夠防止水合物的二次生成。 要使得水合物分解就需要 打破天然氣水合物穩(wěn)定存在的條件，使其發(fā)生式 (31)的分解過(guò) 程，從而使天然氣水合物在多孔介質(zhì)中轉(zhuǎn)變?yōu)闅?、水兩相進(jìn)行開發(fā)利用 。這樣可以抑制水合物重新結(jié)晶。 這種完全的固態(tài)水合物一直存在至 20xx年前， 20xx前之后，由于溫度升高，部分水合物分解，形成下部分的游離氣藏 [17]。含氣層厚度為 77m。在地層條件下自有氣體的組成為：甲烷 %，乙烷 %，丙烷及更重要組分 %，%， %。初始地層壓力 。根據(jù)在麥索雅哈氣田鉆井中進(jìn)行的大量地球物理、熱動(dòng)力學(xué)和地球化學(xué)的研究結(jié)果 ， 確定該氣田是由兩個(gè)礦體 (天然氣水合物礦體和天然氣礦體 )結(jié)合而成的 ， 二者之間沒有連續(xù)的地質(zhì)屏隔。礦體含氣層的溫度在 8(頂板 )～ 12℃ (氣 水接觸處 )間變化。第 Ⅱ 階段是氣田繼續(xù)采氣階段。在第 Ⅲ 階段 ， 氣田的年采氣量繼續(xù)下降 ,但地層壓力是穩(wěn)定的。封存階段的地層壓力增大 ， 但當(dāng)達(dá)到當(dāng)時(shí)地層溫度下的平衡壓力值之后 ， 地層壓力穩(wěn)定下來(lái)。該氣田的儲(chǔ)量估計(jì)為 (317 ～4010)1010m3， 最可能的儲(chǔ)量為 8101010m3。當(dāng)初以游離態(tài)形式存在的天然氣已被采空 ， 現(xiàn)在的所有產(chǎn)量都來(lái)自水合物。 圖 41 水力壓裂法開采水合物示意圖 凍土帶水合物層水列壓裂裂縫形態(tài) 地層應(yīng)力 情況是判斷水力壓裂產(chǎn)生裂縫形態(tài)的主要原因，以巖石力學(xué)應(yīng)力分析對(duì)凍土帶水合物地層應(yīng)力分析。 當(dāng)?shù)貙悠骄?，無(wú)明顯構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)， X=Y=0， Z=0，有： ?? H sz gdz0 ρσ （ 44） HYHXH ??? ?? 若考慮上覆地層密度 ρ 隨地層深度 z 變化不大，可視為常數(shù)，則積 分式凍土帶天然氣水合物水力壓裂開采 26 （ 44） 得： gzz ?? ? （ 45） gzH ???? ?? 1 （ 46） 將垂直地應(yīng)力 z? 與 巖 石垂向抗張強(qiáng)度 vt? 相加，水平地應(yīng)力 H? 與巖石的水平抗張強(qiáng)度 ht? 相加，分別構(gòu)成垂直擠聚力 zP 和水平擠聚 hP ： vtvtzz gzP ???? ???? （ 47） gzP htHH ????? ???? 1 （ 48） 壓裂產(chǎn)生水平裂縫 還是垂直裂縫的判據(jù)，就是比較 zP 、 HP 何者大， HP大的產(chǎn)生水平裂縫，反之產(chǎn)生垂直裂縫。 裂縫區(qū)內(nèi)平均滲透率隨裂縫寬度變化曲線00 1 裂縫寬度 ω /