黄 坤1 孟 涛2 马国光3 王棠昱3
(1、西南石油学院油气储运研究所 2、中原石油勘探局勘察设计研究院
3、西南石油学院油气储运研究所)
摘 要
安全高效的天然气储存技术对实现天然气的合理并有效利用非常重要。目前,天然气储存新技术主要包括液化天然气、地下储气库、水合物储气、吸附天然气储气和近临界流体储气。分别对这些新技术的研究现状、存在问题与发展方向进行了述评,以期为天然气的储存工作提供参考。
主题词
天然气 储存 新技术 现状 展望
一、前 言
天然气是重要的化工原料和清洁能源。在能源结构中,我国天然气约占能源总量的3 %,而国外的比例达到20 %。从可持续发展的角度出发,有必要在我国加大开采和利用天然气的力度。安全高效的天然气储存技术对实现天然气合理有效利用非常重要。
目前,天然气储存新技术主要包括液化天然气(LN G) 储气、地下储气库( UN GS) 储气、水合物(N GH) 储气、吸附天然气(AN G) 储气和近临界流体(NCF) 储气。压缩天然气储气(储气井储气) 、管道和储罐储气的技术都比较成熟,这些技术在生产中已得到广泛应用。要进行的工作主要在运行效率的优化、管道事故的应急处理等方面。
二、天然气储气新技术
1 、液化天然气储气技术
液化天然气是以甲烷为主要组分的低温、液态混合物,其生产工艺过程是将含甲烷90 %以上的天然气,经过“三脱”(即脱水、脱烃、脱酸性气体等) 处理后,采用先进的制冷工艺,使甲烷在- 162 ℃变为液体,液化后其体积仅为原来气态的1/ 600。
虽然液化天然气在储存、运输与使用等方面都有显著的优势,但是,目前液化天然气仅占全球天然气消费量的6 %。要提高液化天然气在天然气消费中的比重,就必须解决液化天然气发展中存在的难题,即由于组分差异和温度差异造成的液化天然气分层而产生的涡旋,涡旋会引起液化天然气内部能量势的改变,从而导致液化天然气储存失稳,是重大安全隐患。
从20 世纪60～70 年代开始,国外学者就对液化天然气涡旋展开了研究,从不同的假设条件出发建立了涡旋的数学模型。特别是Bates 等人提出的Bates2Morrison 模型,克服了原有模型假设分层面静止的弊端,考虑了分层面的下降运动,采用较简单的数学方法对液化天然气涡旋进行了研究。我国对液化天然气储存非稳定性研究始于20 世纪80年代,经过试验模拟和数值模拟,在液化天然气储存的热流体力学、非平衡热力学等方面取得了一定的进展。
我国的液化天然气开发已取得了长足的进步,特别是以顾安忠教授为代表的上海交通大学的研究人员,在低温流体力学、制冷理论与技术、天然气液化设备与工艺等方面取得了丰硕的成果。在今后一段时期,运用热力学、传热学和流体力学来研究天然气储存的稳定性仍将是液化天然气应用基础研究的重要方面。除此以外,以下几方面也将成为液化天然气研究的热点。
(1) 天然气和制冷剂的热物性及迁移特性研究。
(2) 天然气液化流程和设备模拟研究。
(3) 天然气液化流程的系统模拟和优化研究。
(4) 小型天然气液化装置的开发与优化。
(5) 液化天然气冷量利用技术。
(6) 提高液化天然气设备效率技术。
2、地下储气库技术
地下储气库的储存通常有枯竭的油气田储气、含水多孔地层储气、盐矿层储气和利用废矿储气等。地下储气库技术开始于20 世纪初,1915 年加拿大在安达略省WELLLAND 气田进行的气田储气试验揭开了天然气储存的新篇章。截止到2002 年,全世界约有560 座地下储气库,储气库的总容积约为5 100 ×108m³,可以进行调峰的气量约为2 500×108m³。我国对地下储气库的研究始于20 世纪70 年代。
近年来,由于能源需求形式日趋严峻,国内外关于地下储气库的应用基础研究和工艺技术研究也越来越活跃。Heat h 等人利用试验模拟和数值模拟的方法,研究了无垫气岩穴储注气过程中,气体在循环注入压力下的封存和气泡在有水裂缝中的运移问题。利用二维网格有限差分方法,首次建立了预测气泡运移速度的数学模型。Tureyen 等人从经验和理论的产能方程出发,研究了在利用枯竭气田储气时,完井特征对储气能力的影响。研究发现,气体储存能力随着表皮系数的增加而下降,对水平井而言,水平井段的长度减少,气体储存能力下降更加明显。Johnson 等人为解决地下储气库的运行计划问题,引进了人工神经网络法,进行油藏的模拟与优化。
中国科学研究院渗流所赵志成对盐岩储气库水溶建腔过程中的流体输运和溶腔形态变化规律进行了研究,建立了流体输运和溶腔数学模型,并给出了相应的差分求解方法,应用物理模拟的实例对数学模型和数值模拟模型进行了验证,提出了“自顶向下”的水溶建腔优化设计方法。总之,国内外关于地下储气库的研究正朝着数值化、自动化的方向发展,研究覆盖了地质、钻井、开发、储运、化工、环保、测控仪表等诸多学科领域,已经取得了显著成果。
由于天然气需求量的时变性,以及地下储气库建设的复杂性,所以地下储气库的研究还有许多问题需要解决。根据目前的研究状况,可以预见,在今后一段时期内,以下几个方面将成为地下储气库研究的重点。
(1) 地下储气库地层伤害潜在因素评价与分析。储层保护技术在油气田开发中已经得到广泛的应用,但是,专门针对地下储气库地层的伤害与保护研究还相当缺乏。根据地下储气库工作压力高、注采频繁、多相流动的特点,应重点对地层应力敏感性(应力敏感性、速度敏感性) 、相圈闭损害分析和地层微粒运移规律进行研究,为地下储气库的地层保护提供理论依据。
(2) 水平井建井技术的推广。定向井技术已经广泛应用于油气勘探开发的钻井中。特别是水平井,不仅能够解决特殊地质构造条件下的建井问题,而且能显著提高流体渗流面积,增加储气库的储存效率。
(3) 地层多相渗流与岩石力学的研究。国外对天然气地下储存时的地层多相渗流进行专门研究,然而国内在这方面只有少量的研究。天然气在储存过程中的多相渗流行为与开采过程中渗流行为存在差异,对天然气储存能力有直接影响。地层岩石的应力分布和力学稳定性对储气库的储存能力也有显著影响。有必要对地下多相渗流与岩石力学行为做深入研究,为准确确定天然气储存能力提供依据。
(4) 监测系统的优化配置。地下储气库的检测包括地下腔室形态检测、密闭行检测、运行压力检测以及环保和安全检测。这些检测技术应该能够实时准确地实现信息传输与应急处理。网络化、数字化和自动化是地下储气库检测系统未来发展的方向。
3、天然气水合物储气技术
天然气水合物具有独特的结晶笼状结构,在标准状况下的１m³气体水合物可储存150～200m³的天然气。以水合物形式存在的天然气资源量是地球上其余所有烃类资源量总和的两倍。用水合物储存天然气,对天然气的预处理要求低,并且安全可靠、费用低,还能够为天然气水合物的勘探开发提供理论基础。
目前,对天然气水合物的研究主要是从水合物的制备、储存、再分解三个技术点展开。其中,高效的水合物生产制备工艺尤为关键,通常将含气率作为评价反应进行程度的指标。针对水合物的制备,目前国内外研究的主要技术路线是,在溶液(一般为冰水混合物) 中制备;直接由冰转化为水合物;用含水天然气采用节流膨胀工艺形成水合物。
对溶液中水合物生成的研究相对较多,目前提出的工业化流程主要都是在溶液中生产水合物。BG集团公司〔12〕研究的浆化处理技术是将天然气与水发生反应转化为水合物,再将天然气、水合物、水这三相混合物在气2浆分离器内闪蒸,产生水合物浆,该项技术可能在2006 年应用于商业化生产。对于采用含水天然气节流膨胀工艺形成水合物,陈思维〔13〕等提出以喷管节流为核心,含水高压天然气从一组专门设计的喷嘴中喷出发生节流膨胀,过冷气流在反应器中高速旋转,形成的固体水合物颗粒随气流通过旋风式分离器实现高效的气固分离,整个生产过程在气态背景下进行。
对水合物的储存, Gudmundsson 、Ershov 和Yakushev等人进行了研究,试验证明在低温下( - 5～ - 18 ℃) ,水合物储存效果非常好。分解水合物主要是通过改变水合物相平衡的条件,如采取在一定温度下降低压力,或在一定压力下升温,或加入电解质等方法,使气体从水合物中分离出来。
总之,天然气水合物技术的储存与再分解技术已经过大量的研究并不存在较大的难度,且天然气水合物的运输也比较经济。目前制约天然气水合物技术的瓶颈问题是如何在工业化生产中提出经济合理的工艺流程,从而实现水合物储存天然气具有高密度、高储能的特性。
可以预见,关于天然气水合物的热力学性质及形成与分解动力学的研究将进一步深入。在制备工艺技术方面,将以制备出高效生产天然气水合物为目标,从热力学和动力学角度分析出发,加强反应速率、提高产品含气率,减少产品附加水量等方面的攻关,为实现天然气水合物生产工业化奠定了技术基础。
4、吸附天然气储存技术
天然气吸附储存是指高比表面、富微孔的吸附剂在中低压下吸附储存天然气,实现在高压下压缩天然气的储气密度。与压缩储存相比,吸附储存具有工作压力低,设备体积小,成本低等优点。近年来制约天然气吸附储存的两个关键问题就是高性能吸附剂的开发和吸脱附过程热效应分析。
表征其吸附性能的三个基本参数是表面积、孔分布和微孔数量。高性能的吸附剂应满足以下四个基本要求,即较大的比表面积和适宜的微孔结构;高比体积储存容量;使用寿命长,能再生使用;满足工业化和环境保护的需要。
为了使吸附天然气能够真正走向市场,下列问题值得关注。
(1) 考虑含杂质的实际天然气(CO2 、H2O 和硫化物以及高碳碳氢化合物) 对吸附剂吸附性能的影响。
(2) 在充放气过程中存在吸附热效应的影响,以及在低压条件下,天然气的有效释放和利用效率。
(3) 天然气吸附储存相关设备,特别是吸附天然气汽车的研究与开发。
5、近临界流体储存技术
利用近临界流体储存天然气,是近年来兴起的一项新的天然气储存技术。该技术的基本原理是,利用近临界流体特有的高溶解力、低粘度、易扩散的性质,实现对天然气和临界流体之间的有效传质,进而将天然气溶解其中。
目前对天然气的临界流体储存主要集中在两个方面,一是寻找高吸附能力的溶剂;二是探索降低吸附压力和温度条件限制的途径。俄克拉荷马大学天然气利用技术研究所开发的一种被称为“超级气体”燃料,采用近临界流体储存技术,将天然气与丙烷和丁烷混合,在室温条件下形成压力为13.79 MPa (表压) 的液体燃料, 该燃料具有等量汽油70 %的能量。由北京理工大学王利生等人提出的以凝析油戊烷为溶剂储存天然气技术,其储存条件为室温,压力约为15 MPa ,50 L 容器中所释放的可燃性气体量约为21 kg。
虽然近临界流体储存天然气原理简单,操作方便,但是仍然未能实现工业化,在技术方面,关键问题在于如何找到和优化储气压力、温度,选择何种溶剂以及溶剂的用量。其中,对临界参数的测量是否准确尤其重要,要使这项技术得到推广,必须对近临界流体的特征和相变参数进行准确的描述。
三、结论与建议
(1) 液化天然气储存技术的关键问题是由“涡旋”现象导致的非稳定性。运用热力学、传热学和流体力学来研究天然气储存的稳定性仍将是液化天然气研究的重要内容。
(2) 应加强对地下储气库地层伤害评价与保护、水平井建井技术、地层多相渗流和岩石力学性质的研究。
(3) 开展天然气水合物工业化生产工艺流程优化设计的研究与推广。
(4) 高性能吸附剂的开发和吸脱附过程热效应分析,是天然气吸附存储必须解决的两项技术难题。
(5) 天然气近临界流体储存要实现工业化,必须解决储气压力、温度和储气溶剂优选等问题。
（来源：《 油 气 储 运》）
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