海底天然气水合物取样器冷却技术研究现状

天然气水合物是一种潜力巨大的替代性能源,其可以稳定地存在于一定的低温高压条件之下。在天然气水合物钻探作业中,冷却保温技术是天然气水合物钻探的关键技术之一。低温可以抑制天然气水合物分解,这对获取水合物样品有着十分重要的作用。本文首先概述了海底天然气水合物取样器保温冷却技术研究现状,并对取样器冷却保温技术进行深入的调查研究和分析。然后对日本的PTCS取样器中的冷却保温技术和国内具有冷却保温功能的取样器进行了详细介绍,并对相关技术进行分析和总结,最后对海底天然气水合物取样器冷却保温技术的发展做了总结与展望。

深水海底天然气水合物取样设备与技术

在国家科技重大专项"深水工程勘察船及配套技术"课题的支持下,成功设计并研制了具有独立知识产权的深水海底水合物取样器,填补了国内空白,领先国际水平。介绍了海底表层水合物取样技术以及我国自行研制的海底保温保压水合物取样装置。实验表明课题研制的海底水合物取样系统可以保温、保压地获取3 000 m以上水深的深海海底表面以下23.5 m长的浅表层沉积物样品,且所取样品质量满足工程地质勘察技术要求。

海底泥浆举升钻井系统钻遇天然气水合物时的动态风险分析

海底泥浆举升钻井(Subsea Mud Lift Drilling,SMD)系统属于双梯度钻井系统。在钻井过程中遇到天然气水合物层(Natural Gas Hydrate,NGH)时,NGH的分解和二次生成造成了重大的风险。为了预测风险事故,对环境因素和设备因素进行了分析。首先,在建立蝴蝶结模型后,利用映射算法将其转化为贝叶斯网络(Bayesian Networks,BN);其次,考虑不确定性影响,在BN中进行不确定性建模;然后,考虑设备因素的动态不确定性,通过转移概率矩阵将建立的BN转化为不确定性动态贝叶斯网络(Uncertain Dynamic Bayesian Networks,UDBN)。此外,还利用模糊理论和专家判断来量化设备故障的先验概率。结果表明,钻遇NGH层时,钻井风险概率比正常工况下有所增加。由于有天然气水合物的影响,发生风险的概率也变得具有不确定性。

天然气水合物海底原位钻完井装置的设计

针对海洋天然气水合物赋存地质条件与特点,设计了天然气水合物海底原位钻完井装置。分析了装置中的关键系统,包括提升与旋转系统、钻柱自动排放与接卸系统、钻井循环系统、水下照明与摄像系统、电气与自动化控制系统,并给出了主要技术参数。

深海海底钻机海底天然气水合物钻进取芯建模与分析

针对深海海底钻机金刚石钻头在钻进海底天然气水合物过程中有明显弹塑性变形的特点,基于Hertz接触修正理论,提出了一种适用于深海海底钻机天然气水合物钻进取芯的建模方法。首先,分析钻进过程中海底天然气水合物从弹性变形到弹塑性变形破岩机理,求得金刚石钻头在钻进过程中单颗粒金刚石受到的钻进压力和切削力;其次,根据单颗粒金刚石受力情况,得到整个钻头上钻压和扭矩与钻进参数的理论关系,从而建立金刚石取芯钻头力学模型;最后,分析得到在钻进海底天然气水合物时海底天然气水合物的饱和度与扭矩和钻压的关系曲线。以该方法进行海上试验,成功获取了海底天然气水合物样品,验证了该方法的可行性。该研究成果可为深海取芯钻机钻头参数的设计和高效率钻进取芯提供理论依据。

新型天然气水合物保温保压取样器具研制

海域天然气水合物分布于深海沉积物中,受外界环境变化易分解。当利用常规取样设备将天然气水合物样品提取至地面(海面)过程中,由于压力或温度的变化会导致天然气水合物分解,这会使样品遭到破坏,无法提供有效的科学信息。为此研制天然气水合物保温保压取样器,突破快速打捞、低温保压技术、板阀密封、低扰动取样等关键技术,完成室内和海上试验,获取水合物储层原位样品,为我国海域天然气水合物资源勘查提供技术装备支撑。

海底天然气水合物储层复杂地层钻进取芯数值模拟

海底天然气水合物由于其特殊的成藏机理,其分布大多与海底构造地层相关,而天然气水合物的赋存状态同样影响着海底沉积物的性质,因此其储层往往是可预见性差、可钻性差及稳定性差的复杂地层.针对天然气水合物储层的软硬互层,利用有限元软件Abaqus/CAE,建立搭载在海底钻机上的金刚石钻头对天然气水合物储层钻进取芯的有限元仿真模型,对钻进过程进行模拟分析.通过在钻头上施加不同的钻进参数,获得金刚石钻头随钻进参数变化的运动规律,以及不同钻进参数下水合物储层不同位置的应力状态;通过对应力状态进行分析,得到岩芯受扰动的变化规律.结果表明:金刚石钻头在穿过不同地层时运动状态可分为3个阶段,钻头的平均钻速随着钻压与转速的增加而增加;不同地层的岩芯失效率大不相同,水合物层岩芯的失效率为10%~15%,其上覆土层岩芯的失效率为25%~45%,而且失效率受钻压的影响较为明显.

琼东南盆地天然气水合物发育区地质灾害发育特征与成因探讨

地质调查与钻探结果证实南海北部琼东南盆地赋存丰富的天然气水合物资源,天然气水合物赋存区往往地质构造复杂且发育一系列潜在的地质灾害,可能对海洋工程以及环境气候等产生一系列的威胁和挑战。本文基于公开文献成果以及琼东南盆地高分辨率二维和三维地震等资料,对琼东南盆地天然气水合物发育区相关地质灾害开展研究,梳理了地质灾害的类型以及不同类型灾害的发育特征和识别标志,总结了天然气水合物发育区海底地质灾害发育模式,并结合区域构造沉积背景等地质因素,对各类型地质灾害的成因机制进行了综合分析。研究表明,琼东南盆地充足的物源供给、普遍发育的高温超压、复杂的构造沉积背景以及丰富的有机质是天然气水合物成藏及相关海底地质灾害普遍发育的主要成因。琼东南盆地天然气水合物赋存区发育多类型地质灾害,各地质灾害因素彼此之间往往共同作用、相互影响,且与天然气水合物的关系复杂,其中海底滑坡与天然气水合物的关系最为密切,天然气水合物的形成分解与海底滑坡处于一个动态的发展过程中。最后,针对目前国内海底地质灾害在研究、监测、预警等方面的发展现状,指出了未来海底地质灾害研究中需要解决的主要问题,为琼东南盆地天然气水合物未来的商业化开采与灾害风险评估提供一定的参考。

重力活塞式天然气水合物保真取样器的研制

为了保真地获得沉积物样品,以有效识别天然气水合物存在与否,研制了天然气水合物勘探的一种新型设备———重力活塞式天然气水合物保真取样器.该取样器由重力活塞式取样机构、保真取样筒、附件与接口三部分组成,以自重作为动力源,自由落体插入沉积物中;通过回收主缆,转移样品到保真取样筒;通过对上下封口的密封,实现保压功能;通过对保真取样筒内外表面镀特殊材料层及有机玻璃衬筒实现保温功能.本取样器适用于3 km深海的表层保真取样,可以采集长达10 m的沉积物.样机试验表明,此取样器动作安全可靠,保真效果好.

地面分解法开采海底天然气水合物

在海底和永久冻土地带天然气水合物的储量巨大,很多国家加大了对海底天然气水合物的勘探和研究力度。由于受物理化学特性的影响,天然气水合物在压力、温度改变的情况下会发生分解,海底天然气水合物的开采难度大。热溶法、抑制剂刺激法等理论方法都不适合于海底表层天然气水合物的开采。介绍了地面分解法这一天然气水合物开采的新方法,该方法利用海底采矿技术,将水合物通过管道输送到海上平台,加以分解利用。该方法在理论上克服了海底天然气水合物在海底分解时吸收热量使周围环境温度降低而无法继续进行的困难,也克服了不能用传统的减压法开采等缺点,具有简单、经济适用,能长期工作等特点。但在实际生产中,需要对工作参数的合理确定、沉渣排放对海洋环境的影响等问题进行深入研究。

天然气水合物取样装置的研究现状及进展

天然气水合物是一种潜在的巨大能源,发展天然气水合物勘探技术,准确确定天然气水合物的分布与蕴藏量,对我国天然气水合物产业的建立具有至关重要的作用。在调研国内外相关资料的基础上,介绍了目前国内外天然气水合物取样装置的研究现状,包括深海潜水观测取样装置、深海浅孔取样装置和深海深孔取样装置。并建议开展海洋钻井船的研制工作,可优先考虑将石油勘探钻井船改装成天然气水合物勘探钻井船;同时还要保证其取样位置的稳定性,可采取动平衡原理,通过涡轮旋转来抵消海流的作用。与深海深孔取样技术配套的海洋钻井船,可实现对深海的天然气水合物的钻探取样工作。

利用地热开采海底天然气水合物

天然气水合物在资源、环境和全球气候变化中具有重要意义,因而引起各国的高度重视,已成为当代地球科学和能源工业研究的一大热点。近年来,能源短缺日益严重,油气价格居高不下,使得很多国家都更加关注具有能量密度高、储量大和分布广等特点的天然气水合物,纷纷加大天然气水合物勘探和开发研究的力度。海域中发现的水合物数量占绝大多数,因此开采海底天然气水合物是未来研究的重心。现有的多种天然气水合物开采方案,如热激法、减压法、化学抑制剂法、置换法和混合开采法等,都不同程度地存在一些问题。文章在对这些开采方法优缺点进行分析的基础上,提出了利用干岩地热开采海底天然气水合物的设想,并给出了相应的简单生产模型。只要解决好漏失、循环通道和换热面等人工地热储构建问题,利用地热开采海底天然气水合物将是未来商业生产的一个不错选择。

含天然气水合物沉积物的岩石物性模型与似海底反射层的AVA特征

研究含天然气水合物沉积物的岩石物性模型与似海底反射层的振幅随入射角变化 (AVA)特征 .基于时间平均 -Wood加权方程、三相介质波传播理论模型和弹性模量模型 ,计算并阐述含天然气水合物岩石弹性参数与水合物饱和度、含游离气岩石弹性参数与游离气饱和度的关系 ;给出不同模型AVA特征 .结果表明 ,不同天然气水合物饱和度、不同游离气饱和度的各种组合呈现形态相似但反射系数值不同的AVA特征 .

论天然气水合物与海底地质灾害、气象灾害和生物灾害的关系

论述了天然气水合物与海底滑坡、全球变暖和海底生物灭绝等地质、气象、生物灾害的关系。海底天然气水合物的分解能够减小沉积物的胶结强度,并导致沉积层孔隙压力的过剩,进而诱发海底滑坡的发生。天然气水合物与全球变暖关系密切。从天然气水合物释放出来的甲烷可使地球温度升高4℃至8℃,升温的结果一方面可能中和全球变冷的趋势,另一方面也可能加剧全球变暖的趋势。全球天然气水合物大规模的分解,导致了海底单细胞生物大量灭亡,对海底生物多样性的保持构成巨大危害。在天然气水合物开发利用的设计阶段和实施阶段,必须有足够的防范意识和技术措施,防止或尽可能减少天然气水合物开发利用造成的各种环境灾害。

海底天然气渗漏系统水合物成藏过程及控制因素

在海底天然气渗漏系统沉淀水合物的动力学基础上,建立了水合物沉淀与分解的化学动力学模型。应用该模型分析了美国墨西哥湾布什山天然气渗漏系统水合物的成藏过程,探讨了水合物沉淀、稳定性影响因素。在渗漏通量为每年400kg·m-2的单个通道中,约需425a才能导致水合物稳定带沉积层约30%孔隙完全被水合物充填,渗漏通道被堵塞,沉淀的水合物在剖面上从稳定带底部向海底趋于富C3+C4。在渗漏通道天然气流量由弱到强再到弱的演化过程中,渗漏速度增大过程中形成的水合物在渗漏速度减小过程中将分解,总量约10%的水合物将被分解。如果分解产生的天然气可快速迁移出渗漏系统,海底温度的升高可引起约40%的水合物在20d内分解,并导致海底渗漏速度的急剧增大。

海底峡谷侵蚀-沉积作用与天然气水合物成藏

近年来海底峡谷和海域天然气水合物的调查和研究表明,二者在空间分布上具有一定的相似性,同时海底峡谷强烈的侵蚀作用和良好的内部建造,与海域天然气水合物的聚集、分布和成藏具有直接或间接的关联。通过对目前海底峡谷和海域天然气水合物的资料调研和系统分析,指出海底峡谷和海域天然气水合物的相关性主要表现在3个方面:侵蚀-沉积作用与有利沉积体的分布、侵蚀-沉积作用与含烃流体渗漏的相互作用、侵蚀-沉积作用与海域天然气水合物的动态成藏。将海底峡谷和水合物的关联性应用到珠江口盆地海底峡谷群,初步分析了二者的关联。研究认为该区域的海底峡谷将会对有利沉积体进行破坏和改造,使其表现为"斑状/补丁状"的平面分布特征,影响了水合物的分布和实际产出;此外,峡谷侵蚀-沉积作用导致了先前形成的水合物的分解,一部分的甲烷等气体将会进入到海水之中,而受有利沉积体上部细粒均质层的遮挡,大部分的含气流体将被"继续"限制在有利沉积体之中而形成新的水合物,这可能是该区域内细粒沉积物中水合物饱和度较高的原因。

海洋天然气水合物的地球物理研究(III):似海底反射

对天然气水合物研究中与似海底反射有关的一些观点进行讨论 ,以推动天然气水合物地震研究的认识 .30年的似海底反射研究表明 ,似海底反射仍然是指示天然气水合物沉积存在的最好手段之一 .有似海底反射 ,是可以认为存在天然气水合物的 .虽然存在“游离气带速度模型”与“水合物楔速度模型” ,但似海底反射主要由天然气水合物稳定带底界下方的游离气引起 .BSR上方的天然气水合物、下方的游离气与天然气再循环和含甲烷的流体流有关 .由于天然气水合物稳定带计算控制因素难以准确确定等因素 ,似海底反射与天然气水合物稳定带底界只是近似的对应关系 .需从动态的观点考虑天然气水合物 天然气体系及其与似海底反射的关系 .

海底天然气水合物赋存的间接识别标志

天然气水合物是近十多年来发现的一种新型超级洁净能源 ,因其在能源勘探、海底灾害环境和全球气候变化研究中的重要性而日益引起世界各国的高度重视 .尽管此种化合物通常分布于大陆边缘沉积物和极地永冻层内 ,但前者的水合物赋存量占据全球天然气水合物总量的 90 %以上 .鉴于此 ,拟就该种化合物在海底沉积物中赋存的简接标志进行详细讨论 ,以使人们在不进行沉积物取样或没有采集到水合物样品的情况下 ,也能快速准确地确定此种化合物的分布 .

海底可视技术在天然气水合物勘查中的应用

海底可视技术是一种可以直观地对海底地形地貌、表层沉积物类型、生物群落等进行实时观察的调查手段。本文介绍了海底摄像、电视抓斗、深拖系统和ROV四种海底可视技术,并对海底可视技术在南海北部陆坡天然气水合物勘查中的应用进行阐述。利用海底可视技术,在南海北部陆坡发现了天然气水合物气体“冷泉”喷溢形成的自生碳酸盐岩和活动于天然气水合物冷喷溢口或渗流口周围的菌席、双壳类、管状蠕虫等化能自养生物群,圈定出该陆坡由天然气水合物气体“冷泉”喷溢形成的巨型碳酸盐岩面积达430km2。