Exploración y desarrollo de tecnología de hidratos de gas natural
Dado que los hidratos de gas natural se distribuyen principalmente en zonas de permafrost y zonas oceánicas profundas, el difícil entorno geográfico y las complejas condiciones geológicas en primer lugar arrojan una sombra de dificultad sobre el desarrollo de este recurso. La tecnología de exploración y desarrollo de hidratos de gas natural es una industria integral de hidratos de gas natural que integra tecnologías multidisciplinarias y de múltiples categorías, como la geología del gas natural, la geología de ingeniería del permafrost, la geología de aguas profundas y la tecnología de perforación en aguas profundas. temas de vanguardia.
Desde el descubrimiento del campo de gas de Mesoyaha por la Unión Soviética en la década de 1960, las ideas de desarrollo de los hidratos de gas natural han sido básicamente considerar primero cómo descomponer los hidratos de gas natural contenidos en los sedimentos, y luego Utilice el gas natural para extraerlo del suelo. En términos generales, romper artificialmente las condiciones de temperatura y presión para la existencia estable de los hidratos de gas natural y provocar su descomposición es actualmente el método principal para desarrollar los recursos de metano en los hidratos de gas natural. Los métodos propuestos en esta etapa se pueden clasificar en las siguientes categorías: método de calentamiento, método de reducción de presión, método de adición de agente químico (Figura 8.17), así como método de elevación con gas, método de extracción de reemplazo de CO2, etc.
Figura 8.17 Diagrama esquemático de tres métodos de extracción de hidratos de gas natural
(1) Método de calentamiento
Convertir vapor, agua caliente, salmuera caliente u otros fluidos térmicos de El suelo se bombea a la formación de hidratos, o se puede utilizar el método de inundación por fuego utilizado para extraer petróleo pesado. En resumen, cualquier método que pueda promover el aumento de la temperatura y lograr la descomposición del hidrato se puede llamar método de excitación térmica. La principal desventaja de la tecnología de minería térmica es que provoca una gran pérdida de calor y es muy ineficiente. Especialmente en áreas de permafrost, incluso si se utilizan tuberías aisladas, el permafrost reducirá el calor efectivo transferido al depósito. En el modelo de estimulación térmica, existen dos tecnologías de control de transferencia de calor para la generación de hidratos: ① Usar agua caliente o inyección de circulación de vapor. precalentando bien. Los experimentos de simulación numérica muestran que el depósito de hidrato debe tener una porosidad mínima del 15% y un espesor de 7,5 cm. Si la temperatura de la solución de inyección está entre 340 y 395 K, puede satisfacer las necesidades de viabilidad económica. ② Utilice calentamiento directo electromagnético o microondas. Para utilizar la energía térmica de manera más efectiva, se puede instalar un dispositivo de calentamiento bajo tierra. El equipo es más complicado. También se pueden introducir microondas en el fondo del pozo a través de una guía de ondas para calentar directamente hidratos o agua.
En los últimos años, cuando se utilizan métodos de calentamiento para extraer petróleo pesado, con el fin de mejorar la eficiencia del calentamiento, se utiliza la tecnología de calentamiento de dispositivos de fondo de pozo. La práctica ha demostrado que el método de calentamiento electromagnético. Es un método mejor que la tecnología minera convencional y es más efectiva. Este método consiste en colocar diferentes electrodos en las capas superior e inferior (o dentro de la capa de hidrato de gas) adyacentes a la zona de hidrato de gas natural en un pozo vertical (u horizontal) a lo largo de la dirección de extensión del pozo, y luego pasar corriente alterna directamente. al depósito. Aplique calor. El calor electromagnético también reduce eficazmente la viscosidad de los fluidos y promueve el flujo de gases. Los resultados de los cálculos de simulación muestran que es factible utilizar este método para descomponer hidratos.
(2) Método de reducción de presión
Al reducir la presión, se mueve la curva de equilibrio de fase estable del hidrato de gas natural, logrando así el propósito de promover la descomposición del hidrato. Generalmente, se "baja" la presión del gas natural o se forma una cavidad de gas natural en la capa de acumulación de gas libre debajo de la capa de hidrato (que puede formarse artificialmente mediante excitación térmica o reactivos químicos), provocando que los hidratos en contacto con el gas natural volverse inestable y descomponerse para el gas natural y el agua. La explotación del gas libre debajo de la capa de hidratos es un método eficaz para reducir la presión del yacimiento. Además, al ajustar la tasa de extracción de gas natural, se puede controlar la presión del yacimiento, controlando así la descomposición de los hidratos. La característica más importante del método de descompresión es que no requiere una costosa excitación continua, por lo que puede convertirse en uno de los métodos eficaces para la producción a gran escala de hidratos de gas natural en el futuro. Sin embargo, la extracción de gas natural únicamente mediante el método de reducción de presión es muy lenta y constituye una explotación pasiva debilitada.
(3) Agregar agentes químicos
Ciertos productos químicos, como salmuera, metanol, etanol, etilenglicol, glicerol, etc., pueden cambiar las condiciones de equilibrio de fases para la formación de hidratos, reduciendo la temperatura a la que los hidratos son estables. Cuando los productos químicos mencionados anteriormente se bombean desde el pozo, provocan la descomposición de los hidratos de gas natural. El método de adición de productos químicos es más lento que el método de calentamiento, pero tiene la ventaja de reducir el consumo de energía inicial. Su mayor desventaja es que el costo es demasiado alto. La Tabla 8.6 revisa varios métodos de producción de hidratos de gas.
Tabla 8.6 Comentario sobre los métodos de producción de hidratos de gas natural
(4) Método de elevación con gas
Figura 8.18 Diagrama esquemático del sistema de elevación con gas para la extracción de hidratos del fondo marino
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El principio es insertar una tubería en la capa que contiene hidratos en el fondo marino. El gas se inyecta desde el centro de la tubería. El ascenso del gas provoca una corriente ascendente en la tubería. El flujo de aire cuando se acerca a la superficie del mar, los hidratos en las tuberías se descomponen debido al aumento de temperatura y la disminución de presión (Figura 8.18). A través de experimentos y simulaciones sobre la relación de fluidos de dos fases en la tubería ascendente, la velocidad de descomposición de los hidratos y los parámetros de entrada de la tubería de elevación, se cree que es económicamente viable utilizar el método de elevación con gas para extraer hidratos del fondo marino.
Se realizó un análisis matemático del fluido trifásico gas-líquido-sólido y los resultados fueron consistentes con los resultados experimentales, lo que indica que es factible predecir la relación del fluido trifásico en el sistema real en el experimento, HCFC141; se utilizó hidrato para obtener la velocidad de descomposición y se obtuvo la determinación de la hidratación en el fluido. La relación entre el número de Reynolds y el número de Nusselt de la velocidad de descomposición de los hidratos. Análisis de simulación matemática de la descomposición de los hidratos en la tubería de elevación, los resultados muestran que; el efecto de autoelevación del gas se aprovecha en el sistema de elevación del gas. El hidrato es un método de extracción relativamente económico. Los resultados de la simulación matemática del movimiento del fluido en la entrada de la tubería son consistentes con los resultados experimentales. Se utilizó el método de elementos discretos (Método de elementos discretos, DEM) para simular el movimiento del bloque de hidrato y se obtuvo la forma de entrada ideal: forma de paraguas.
(5) Método de minería de reemplazo de CO2
Inyectar CO2 en la zona de hidrato de gas y reemplazar CH4 en el hidrato con CO2 (Figura 8.19). Tiene algunas características importantes: ① El CO2 reemplaza al CH4 en los hidratos, lo cual es termodinámicamente beneficioso. ② El calor requerido para formar el hidrato de CO2 es un 20% mayor que el calor requerido para descomponer el hidrato de metano, por lo tanto, la formación de hidrato de CO2 compensa la hidratación del CH4. enfriamiento causado por la descomposición de sustancias ③ Se espera que el espacio poroso rellenado por el hidrato de CO2 mantenga la estabilidad mecánica del generador de gas, garantizando así la seguridad de la extracción de gas ④ Este proceso es beneficioso para el clima porque el CO2 produce un efecto de hundimiento; y sale de la atmósfera, mientras produce gas natural de combustión limpia.
Los primeros estudios experimentales han discutido el método de reemplazo de CO2 para extraer hidratos. Estos estudios enfatizaron que la energía térmica promueve la reacción de reemplazo, pero todavía tienen ciertas limitaciones. La mayoría de los primeros experimentos colocaron hidrato de metano en un ambiente de CO2 líquido o gaseoso, lo que limitó el área de contacto efectiva para el desplazamiento. Algunos experimentos han demostrado que cuando las condiciones de temperatura y presión se acercan a las condiciones de equilibrio de hidratos o el contenido de CO2 alcanza la saturación, la tasa de producción de gas CH4 en la capa de sedimento se ralentiza.
Figura 8.19 Diagrama esquemático del método de minería por desplazamiento de CO2
Las imágenes por RMN son un método eficaz para estudiar la formación y descomposición de hidratos en medios porosos porque pueden detectar agua libre y gas metano. Sin embargo, el hidrógeno sólido no se puede detectar. El debilitamiento y el aumento de la intensidad de la señal pueden reflejar el proceso de formación y descomposición de los hidratos. Los resultados de la investigación experimental de Stevens & Howard y Huseba et al. muestran que cuando se libera CH4 en el hidrato del núcleo, la agregación de CH4 en los espacios puede provocar la mejora de las señales de imágenes de resonancia magnética nuclear cuando la reacción de reemplazo alcanza el equilibrio. , la cantidad de CO2 seguirá aumentando, lo que favorecerá la liberación de gas CH4 de los hidratos. La estructura del hidrato se puede mantener durante el proceso de reemplazo de CO2 por CH4, lo que indica que casi no se descarga agua líquida durante el proceso de extracción de hidratos, es decir, la capa de sedimento que contiene hidratos puede permanecer intacta durante el proceso de extracción. El método de minería de reemplazo de CO2 es factible. Utilizando tecnología de imágenes por resonancia magnética nuclear para monitorear el proceso de reacción del método de minería de reemplazo de CO2, se concluyó que la estructura del hidrato se puede mantener durante el proceso de minería, casi sin descargar agua líquida, de modo que la capa de sedimento que contiene hidratos puede permanecer intacto, por lo que es un enfoque potencial. Los primeros estudios piloto son alentadores, pero se necesita más trabajo para confirmar el proceso, particularmente el tamaño de las reservas, con el fin de evaluar todo el potencial económico. La vertiente norte de Alaska es un área ideal para este experimento porque se han descubierto depósitos de hidratos de gas, hay fuentes potenciales de gas CO2 cercanas y existe la infraestructura para llevar el gas al mercado.
(6) Tecnología de minería de gas flúor + microondas
La tecnología de minería de gas flúor + microondas es un nuevo método de extracción de hidratos que utiliza una antena de microondas que se coloca en el pozo, conectada por cables. , puede emitir microondas con una frecuencia de hasta 2450 MHz. A una energía tan alta, puede derretir hidratos y convertirlos en agua y sustancias a base de metano (una sustancia similar al hielo), que pueden alterar el equilibrio termodinámico de los hidratos. Estado, y luego inyecta gas flúor para hacer que la sustancia a base de metano reaccione con el gas flúor inyectado (reacción de halogenación). Esta es una fuerte reacción exotérmica. El calor liberado promueve aún más la reacción de halogenación. es metano. La solubilidad del fluoruro de metilo en agua es muy grande, alcanzando 166 cm3/100 ml de agua, formando una solución concentrada con un alto contenido de fluoruro de metilo. La solución concentrada se bombea al suelo a través del pozo de producción y luego se somete a la reacción de Wirtz. , electrólisis y craqueo. Espere una serie de pasos para obtener gas metano. La principal ventaja de utilizar esta tecnología es que la acción de las microondas es selectiva, siendo más fuerte para algunos materiales y más débil para otros. La absorción de energía depende principalmente de varios factores como la frecuencia de las microondas, la composición de la muestra y la temperatura. Además, el gas flúor es abundante en la naturaleza (0,00054) y el fluoruro de metilo es relativamente respetuoso con el medio ambiente. En esta tecnología, la presión del fluido y del hidrato se reduce y el hidrato está por debajo del punto de equilibrio de fases, lo que puede lograr el propósito de descomposición.
Desde la perspectiva del uso de métodos, no es económico utilizar un solo método para extraer hidratos de gas natural. Sólo combinando las ventajas de diferentes métodos podemos lograr una extracción eficaz de hidratos de gas. Por ejemplo, combinar el método de despresurización con la tecnología de recuperación térmica, es decir, usar primero el método de excitación térmica para descomponer el hidrato de gas natural y luego usar el método de despresurización para extraer el gas libre, puede lograr mejores resultados.
Recientemente, la reducción de presión, la excitación térmica y combinaciones de estos métodos se han evaluado como posibles métodos para producir gas natural a partir de hidratos en el pozo de investigación -38 de Mallik SL. Se utiliza para producir pequeñas cantidades de gas. Sin embargo, el valor económico de estos métodos para la extracción comercial de petróleo y gas aún es incierto. La minería conjunta con múltiples principios y métodos es la tendencia de desarrollo futura y seguramente mostrará perspectivas atractivas.