TWI541429B - 測定底部樣品的甲烷含量 - Google Patents

Description

測定底部樣品的甲烷含量

本發明係關於一種測定底部樣品之甲烷含量的方法及系統。

該方法及系統已自美國專利6,659,204及以下論文獲知：-K.U.Heeschen等人公開之「In situ hydrocarbon concentrations from pressurized cores in surface sediments, Northern Gulf of Mexico」，雜誌Marine Chemistry，第107卷，第4期期刊，第498-515頁，2007年12月20日公開(XP002569753)；及-P.Shultheiss等人公開之「Wireline Coring and Analysis under Pressure, Recent Use and Future Developments of the Hyacinth System」, the Scientific Drilling Journal, 2009年3月7日頒佈，(XP002569762, ISSN: 1816-8957)，此文獻可自網際網路URL：http://www.iodp.org/iodpJoumals/7_Wireline_Coring_and_Ana lysis_SD7.pdf獲取。

自此等先前技術參考文獻中所知之岩心取樣方法及系統包含評估甲烷水合物資源之岩心取樣器，其中岩心樣品係在原地壓力及溫度下儲存以當岩心樣品提昇至水面時抑制因壓力下降及/或溫度升高所引起的水合物晶體分解。

此等已知加壓式岩心取樣器之缺點為其昂貴且不可靠，其中在低於原位壓力及/或高於原位溫度時經常不能回收樣品，引起所報導之水合物含量與合格岩心的系統偏差。

因此，自此等先前技術參考文獻中所知之岩心直接量測資料不可靠，此係因為水合物可解離，以致獲取岩心樣品之後不知可能損失多少水合物。

經濟上開發通常位於深水及/或北極區域之水合物資源之一個關鍵問題在於找到可發現及評估甲烷水合物淺礦床的低成本方法。

一個最大的問題為量測離岸鑽探期間所回收之岩心之實際水合物含量，因為當前技術不可靠且昂貴之故。

其他現用水合物取樣及水合物偵測技術之問題為：

-由於水合物之性質，故間接地球物理學方法(電磁(EM)、地震)不可靠。

-由於基線上孔隙水鹽度之不確定性，故基於水淡化估計水合物含量不可靠。

需要提供一種用於量測具有水合物之岩心之甲烷含量的經改良技術，期望其比現行方法及系統更便宜且更可靠。

本發明提供一種測定底部樣品之甲烷含量的方法，該方法包含：

-自水底沉積物獲取岩心樣品；

-將該岩心樣品儲存於儲存室中；

-將儲存室及岩心樣品提昇至處於周圍壓力下之預定水深，在此水深處，岩心樣品中之任何甲烷水合物晶體均會解離成水及甲烷；

-量測經提昇之岩心樣品所釋放之甲烷量；及

-根據經提昇岩心樣品所釋放之甲烷量測定沉積物之甲烷含量。

若底部沉積物位於甲烷水合物晶體保持穩定之深水區域，則儲存室及及岩心樣品可自水底提昇至周圍壓力低於岩心樣品中任何甲烷水合物晶體之甲烷水合物解離壓力之水深，從而誘導經提昇樣品中之任何甲烷水合物解離成甲烷及水。岩心樣品所釋放之甲烷量可用甲烷感測裝置量測，其藉由管道連接至位於水面浮動平台上之儲存室。

若底部樣品鑑別出在底部沉積物中有可收回量之甲烷水合物，則隨後可自底部沉積物挖掘甲烷水合物，隨之將所挖掘之甲烷水合物減壓及/或加熱以誘導甲烷水合物解離且釋放甲烷，隨後將甲烷輸出至市場或轉化為商品，諸如工業或民用管道天然氣、液化天然氣(LNG)及/或天然氣製合成油(GTL)產品。

本發明進一步提供一種測定底部樣品之甲烷含量的系統，該系統包含：

-用於自水底沉積物獲取岩心樣品之岩心取樣裝置；

-用於儲存岩心樣品之儲存室；

-用於將儲存室及岩心樣品提昇至處於周圍壓力下之預定水深之構件，在此水深處，岩心樣品中之任何甲烷水合物晶體均會解離成水及甲烷；

-用於量測藉由經提昇之岩心樣品所釋放之甲烷量的甲烷感測裝置；及

-用於根據經提昇岩心樣品所釋放之甲烷量測定底部沉積物之甲烷含量的構件。

岩心取樣裝置可包含：

-框架，其安裝於腿、輪及/或履帶機構上，該機構經組態可使框架沿任何預定方向橫越水體底部移動；及

-垂直岩心鑽探裝置，其經組態可將各岩心樣品移動至岩心樣品儲存室中，該儲存室經組態可使岩心樣品在實質上等於圍繞裝置之流體(諸如海水)之周圍壓力的壓力下儲存且形成岩心樣品儲存室集束之一部分，儲存室集束以可旋轉且可移出之迴轉料架組件形式安裝於框架上且連接至緊縛於自浮動平台懸吊之起重索之可撓性管束。

本發明之方法及系統之此等及其他特徵、具體實例及優點描述於隨附申請專利範圍、摘要及隨附圖式中所述之非限制性具體實例的以下詳細說明中，其中所用元件符號說明係指圖式中所述之相應元件符號。

本發明之方法及系統提供一種評估岩心樣品之總甲烷含量的新穎技術，該岩心樣品含有甲烷水合物且自位於天然氣水合物穩定帶底部內之水深處之海床所回收。歷史上由於常規技術係將岩心樣品回收至水面平台進行分析，因此難以評估岩心樣品之總甲烷含量。在移動至海面期間，岩心離開天然氣水合物穩定帶(視溫度而定，水深度淺於約400 m)且岩心內之甲烷水合物開始解離。當岩心到達平台時(典型地受取心裝置可捲拉至平台之速度限制)，會發生未知量之解離且所釋氣體將逸出，以致無法知道解離之前的初始水合物量。存在估計氣體釋出量之技術，諸如量測殘餘水鹽度及相對於本底初始水準計算已發生之淡化，但因為初始鹽度僅可猜測，所以以此方式獲得之水合物含量估計值難以信任。

為克服此情況，已使用如美國專利6,659,204所揭示之『壓力取心』技術在取樣點將岩心樣品密封於氣密式容器中，使得當岩心回收至水面平台時，容器內之壓力不會隨周圍水壓力降低而下降。壓縮岩心一旦回收至平台則可使用x射線或CAT掃描儀分析以觀測水合物沉積物，且氣體之存在量可藉由以控制方式降低內部壓力來量測，從而捕捉且量測所釋放之氣體體積。

由美國專利6,659,204所知之壓力取心技術之問題如下：

-高成本：高成本為昂貴的岩心容器。

-難以操縱：在用以獲得良好樣品之鑽探設備內需要相當特殊之操縱設施。

-低可靠性：其通常不能回收處於壓力下的岩心樣品。此通常係因為在使岩心進入岩心容器中之球閥中無法獲得氣密式密封。

低可靠性尤其成問題，因為無法獲得氣密式密封可能與取岩心之材料性質有關。砂質樣品很可能引起密封不良，且砂質樣品通常富有大部分水合物。因此，壓力岩心系統固有地傾向於優先回收水合物含量低之樣品。

本發明之方法及系統並非旨在將樣品以水合物完整無缺的方式回收至水面平台。相反，目的在於，在岩心仍處於水柱內之一定深度的同時，允許岩心樣品內之水合物完全解離。然而，當水合物解離時，收集且/或量測所釋出的全部氣體，以便獲知自岩心釋出之甲烷總體積，且因此獲知岩心之初始甲烷含量。由此資訊及瞭解一定深度水內之甲烷溶解度，可準確計算岩心之水合物含量。

圖1顯示本發明之岩心取樣裝置1，該裝置1包含安裝於可移動腿1B上之框架1A，該等可移動腿允許裝置1沿任何方向橫越水底3移動。框架1A具有由多根管組成之岩心取樣室4之集束，每根管大到足以輕易容納一個取自水底3之岩心樣品5。管可為典型地具有約10cm直徑及1m與2m之間長度的PVC管。

圖1顯示岩心取樣室4以集束形式緊縛於可旋轉式安裝於框架1A上之迴轉料架組件8。

圖1進一步顯示框架1A具有習知海床鑽探裝置9，諸如自國際專利申請案WO2009/089528所知之Benthic Geotech PROD鑽探裝置，其自水底3收集許多含有水合物之岩心樣品5且將所收集之樣品插入由可旋轉式迴轉料架組件8支撐之岩心取樣室4中。

儘管岩心取樣裝置1仍處於水底3，但填滿岩心樣品5之岩心取樣室4之集束已自迴轉料架組件8移出。使用例如工作類ROV(遙控無人載具)時，此類操作任務應不困 難。可將敞底岩心取樣室4與迴轉料架組件8整合，以便完全避免此轉移步驟。

如圖2至圖4中更詳細所示，岩心取樣室4為底部敞開且頂部封閉之管且各管之封閉頂部4A包含通向可撓性氣密式管道6之孔9，該管道在其上端連接至位於浮動平台上之甲烷感測組件(圖中未示)。

圖2及圖3顯示岩心取樣室4之集束在自岩心取樣裝置1移出之後，諸如藉由連接至位於浮動平台上之絞車(圖中未示)之起重索10提昇至低於天然氣水合物穩定帶底部(BGHZ)之水深，諸如100m與400m之間的水深，其中各岩心取樣室4包含單個岩心樣品5。在變化的此等周圍條件下，岩心樣品5中之水合物將開始解離，釋出甲烷(CH₄)氣體11及淡水。所釋放之甲烷(CH₄)氣體11在岩心取樣室4內在浮力下上升且經由孔5逸出至可撓性管道6中。甲烷(CH₄)逸出腔室4後在管道6內上浮且如圖3中箭頭所示浮動至甲烷感測裝置(圖中未示)中供量測及分析。

圖4顯示在所有水合物自岩心樣品5中解離之後(可從敞底岩心取樣室4之頂部的甲烷收集停止而為顯而易見)，可將岩心取樣室4之集束回收至水面平台，在此水面平台處，可自腔室4移除岩心樣品且可獲取腔室4內之剩餘沉積物及水供隨後分析。

若本發明之方法及系統鑑別水底之可回收水合物礦床，則可將生產系統安裝於獲取岩心樣品之位置，該生產系統可自水底挖掘甲烷水合物、沉積物及海水之漿料且經 由上升管將所挖掘之漿料抽吸至位於水面之生產平台，在此生產平台處，可自漿料中分離出甲烷且輸向市場。圖5顯示視情況選用之水面平台上層設備，包含水氣分離槽20，其連接至圖3中所示之管道6之上端，且亦連接至排水管道21及排氣管道22。

排水管道21包含水泵23，其將所收集之水抽入水處理槽中或在視情況清潔之後抽入水體24中。

各別水分離槽20可連接至各可撓性氣體/水管道6，且因此連接至各敞底樣品儲存室4。在此情況下，各管道6均進入最初填滿水之各別氣液分離槽20。此槽20可具有有刻度之玻璃側窗或容易鑑別槽20內水位之一些其他構件。水泵23連接至槽20之底部，該水泵自儲槽逐漸抽出海水，從而經由可撓性氣體/水管道6抽吸樣品儲存室4中的水。可清潔通過水泵23之水且接著排入海中或儲存供隨後分析(例如分析鹽度以證明由於水合物解離而發生淡化)。

當水合物解離且氣體進入敞底樣品儲存室4之頂部時，氣體及水之混合物向上通過可撓性水/氣體管道6且進入水氣分離槽20。當進入槽20時，混合物之氣態部分上升至槽20之頂部且水部分與儲槽20中已存在之水混合。因此，自岩心樣品室4釋出的所有甲烷氣體(CH₄)收集於儲槽20中。氣體之體積可容易量測，且可自儲槽20之頂部抽出供各別儲存及/或分析(例如分析組成)。

本發明之方法可用於許多替代性具體實例中，諸如：

A)不需要可撓性管道6在解離期間獲取氣體至水面平 台，而改為簡單地使敞底岩心取樣室4足夠的大以儲存所有釋出氣體。敞底岩心取樣室4中氣體之量可藉由在回收之前觀測敞底管中之水位而準確估計，例如使用位於敞底管內之諸如回聲探測器之聲學裝置估計含氣體部分之高度。

B)使氣體自敞底岩心取樣室4之頂部經由計量裝置逸出，該計量裝置計量經由岩心取樣室4頂部之孔口所釋放之氣體的體積及組成。計量裝置可經由即時資料轉移電纜連接至平台，或其可裝備有無線量測資料傳輸系統或為日後擷取資料所附接之記錄裝置。在後一種情況下，記錄裝置需要針對壓力記錄所計量之體積，因為指定量氣體之體積與壓力相關。所計量之量的時間標記亦可用於此目的，因為在常規測量情況下，測量設備之水下深度為時間對數，且因此可將時間換算為水深且從而換算為壓力。

C)在水下操縱所填充之岩心管顯示有困難的情況下，則可使用氣密式密封之系統使岩心管在自鑽管組(drill string)移出時不漏氣。在鑽機升至高於BGHZ之後，氣體水合物開始解離且驅離之氣體經由氣體管線收集(輸送至平台或儲存於鑽機上)或如上所述計量。

儘管密封件之氣密性不需要按照與保存氣體水合物所需相同之高壓評級，如利用美國專利6,659,204所知之壓力取心技術中所達成，但岩心樣品可在實質上密封之樣品儲存室中儲存且減壓。

圖6至圖9顯示岩心樣品如何可在實質上密封之樣品 儲存室中儲存且減壓。

在圖6中，箭頭60顯示岩心樣品5如何自岩心取樣裝置1(如圖1中所示)之鑽管61中上升且接著插入鋼製岩心樣品固持管62中，該鋼製岩心樣品固持管在其下端裝備有岩心捕捉器63。

在圖7中箭頭64顯示岩心樣品固持管62如何移至迴轉料架組件8(如圖1中所示)之加壓密封設備之樞軸顎夾65、66。

圖8顯示顎夾65、66如何圍繞樞軸70、71轉動，以便按壓彈性密封件72、73與岩心樣品固持管62之上端及下端相抵。上顎夾65包含連接至可撓性氣體釋放管道76之開口75。

圖9顯示如何使岩心樣品5減壓，其係藉由將密封之岩心樣品管62提昇至低於BHGZ之水深處來達成，其中減壓係藉由氣體釋放管道76之可撓性壁來實現，其充當管道76之外部與內部之間的壓力均衡膜以便使岩心樣品5之孔隙中之流體壓力實質上等於周圍海水77之周圍壓力，該壓力為水深低於BHGZ處之壓力，使得岩心樣品5中之任何甲烷水合物解離成水及甲烷(CH₄)且任何甲烷將經由且隨著岩心樣品5一起上升且流入管道76中，如箭頭78所示。岩心樣品5所釋放之甲烷78的通量可藉由接近上顎夾65中之開口75所安裝之甲烷通量計79計量。可將所釋放之通量的甲烷78釋放至海水77中或儲存於圖5中所示之儲氣槽中供進一步分析。應瞭解，圖5至圖9中所示之密封 岩心樣品固持管組件優於圖1-圖4中所示之具有敞底之岩心取樣室4之處為岩心樣品5將保持良好完整性以供在岩心樣品研究實驗室中進一步分析，此係因為不會有底部沉積物岩心樣品5之崩解部分自由圖5至圖9中所示之密封岩心固持管62形成之岩心樣品固持室之敞口底部掉落。

總之，本發明之方法及系統提供一種估計岩心樣品之甲烷含量的構件，其係藉由當岩心樣品於水柱中自取樣深度提昇至高於天然氣水合物穩定帶底部(BGHZ)之水位時，量測含有氣體水合物之岩心樣品所釋出之氣體的體積來達成。

本發明系統中所用之岩心樣品儲存室較佳包含敞底管以容納岩心樣品及自岩心樣品釋出之氣體。

由此釋出之氣體可自敞底管提昇至水面平台，在此水面平台處量測所釋氣體之釋放體積。

或者，可使釋出氣體自敞底管之頂部經由氣體計量系統逸出，藉此量測所釋氣體之體積。

或者，可將釋出氣體捕捉於敞底管之頂部且可量測氣柱之高度，藉此量測所釋氣體之體積。

氣體收集裝置可為海床鑽探及取心裝置之整體部分，從而避免將岩心自岩心匣轉移至氣體收集裝置之需要，其中在海床鑽機之儲存回轉料架內圍繞岩心管產生氣密式密封，從而避免將岩心轉移至回轉料架內之敞底管的需要。

應瞭解，本發明之方法可應用於諸如大洋、海洋、海灣、湖或河之任何水體之任何深水區域，且提及深海及/或 海床應認為適用於任何水體及/或任何水體之底部。

總之，水下含有甲烷水合物之底部沉積物(3)之甲烷含量可如下根據本發明來測定：-自底部沉積物(3)獲取岩心樣品(5)；-將該岩心樣品(5)儲存於儲存室(4)中；-將該儲存室(4)提昇至預定水深(稱為BGHZ=天然氣水合物穩定帶底部)，在此水深處，該岩心樣品(5)中之任何甲烷水合物晶體均會解離成水及甲烷；及-量測經提昇之岩心樣品(5)所釋放之甲烷量。

1‧‧‧岩心取樣裝置

1A‧‧‧框架

1B‧‧‧可移動腿

3‧‧‧水底或底部沉積物

4‧‧‧敞底岩心取樣室或敞底樣品儲存室

4a‧‧‧封閉頂部

5‧‧‧岩心樣品或孔

6‧‧‧可撓性氣密式管道或可撓性氣體/水管道

8‧‧‧迴轉料架組件

9‧‧‧習知海床鑽探裝置或孔

10‧‧‧起重索

11‧‧‧甲烷(CH₄)氣體

20‧‧‧水氣分離槽或儲槽

21‧‧‧排水管道

22‧‧‧排氣管道

23‧‧‧水泵

24‧‧‧水體

60‧‧‧箭頭

61‧‧‧鑽管

62‧‧‧岩心樣品固持管

63‧‧‧岩心捕捉器

64‧‧‧箭頭

65‧‧‧樞軸顎夾或上顎夾

66‧‧‧樞軸顎夾

70‧‧‧樞軸

71‧‧‧樞軸

72‧‧‧彈性密封件

73‧‧‧彈性密封件

75‧‧‧開口

76‧‧‧可撓性氣體釋放管道

77‧‧‧海水

78‧‧‧甲烷

圖1顯示具有岩心取樣室集束之水下岩心取樣裝置；圖2顯示岩心取樣室集束自水下岩心取樣裝置移出之後如何填滿岩心樣品；圖3顯示岩心取樣室集束如何提昇至天然氣水合物穩定帶底部(BGHZ)以上之水深；圖4顯示所含甲烷及水合物已減少之岩心樣品之岩心取樣室集束隨後如何可提昇至船或其他浮動平台上以於離岸或陸上實驗室中進一步分析；圖5顯示安裝於船或其他浮動平台上之氣水分離槽，所收集之甲烷自槽中排放至氣體計量及分析裝置中；圖6顯示可密封岩心取樣室之替代性組態；圖7顯示迴轉料架組件之上顎夾及下顎夾如何繞樞軸旋轉以密封圖6之岩心取樣室；圖8顯示上顎夾及下顎夾所密封之圖6之岩心取樣 室；及圖9顯示在將岩心樣品室提昇至BGHZ(天然氣水合物穩定帶底部)以上之水深之後，在減壓岩心樣品中如何藉由水合物解離來釋放甲烷氣體(CH₄)。

1‧‧‧岩心取樣裝置

1A‧‧‧框架

1B‧‧‧可移動腿

3‧‧‧水底或底部沉積物

4‧‧‧敞底岩心取樣室或敞底樣品儲存室

5‧‧‧岩心樣品或孔

8‧‧‧迴轉料架組件

9‧‧‧習知海床鑽探裝置或孔

Claims (12)

1. 一種測定底部樣品之甲烷含量的方法，該方法包含：自水底沉積物獲取岩心樣品；將該岩心樣品儲存於儲存室中；將該儲存室及岩心樣品提昇至處於周圍壓力下之預定水深，在該水深處，該岩心樣品中之任何甲烷水合物晶體均會解離成水及甲烷；量測該經提昇之岩心樣品所釋放之甲烷量；及根據該經提昇之岩心樣品所釋放之甲烷量測定該底部沉積物之甲烷含量，其中該岩心樣品係用水下岩心鑽機獲取，其中該水下岩心鑽機本身能夠橫越底部移動。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該底部沉積物位於甲烷水合物晶體保持穩定之深水區域且該儲存室自該水底提昇至周圍壓力低於該岩心樣品中任何甲烷水合物晶體之甲烷水合物解離壓力之水深，從而誘導該經提昇之岩心樣品中之任何甲烷水合物解離成甲烷及水。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該岩心樣品所釋放之甲烷量係用甲烷感測裝置量測，該甲烷感測裝置係藉由管道連接至位於水面浮動平台上之該儲存室。
4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該儲存室為具有敞口底部及密封頂部(其由該管道穿入)之管，以便誘導所釋放之甲烷經由該管道滲入該甲烷感測裝置中。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該水下岩心鑽機 包含安裝於腿、輪及/或履帶機構上之框架、經組態可將各岩心樣品移入岩心樣品儲存室中之垂直岩心鑽探裝置，該岩心樣品儲存室形成岩心樣品儲存室集束的一部分，該集束以可旋轉且可移出之迴轉料架組件形式安裝於該框架上。
6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該岩心樣品儲存室集束係連接至可撓性管道之集束，該等可撓性管道緊縛於自該浮動平台懸吊之起重索。
7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該水深大於400公尺且該岩心樣品室集束係藉由該起重索提昇至該水合物穩定帶以上之水深，在該水深處，該周圍水壓低於該岩心樣品中任何甲烷水合物晶體之甲烷水合物解離壓力，該穩定帶位於水深小於400公尺處。
8. 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項之方法，其中若該底部樣品鑑別出在該底部沉積物中有可回收量之甲烷水合物，則隨後自該底部沉積物挖掘該等甲烷水合物，隨之將該等所挖掘之甲烷水合物減壓及/或加熱以誘導該等甲烷水合物解離且釋放甲烷。
9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中將該產生之甲烷轉化為商品，諸如管道天然氣、液化天然氣(LNG)及/或天然氣製合成油(GTL)產品。
10. 一種測定底部樣品之甲烷含量的系統，該系統包含：用於自水底沉積物獲取岩心樣品之岩心取樣裝置；用於儲存該岩心樣品之儲存室； 用於將該儲存室及岩心樣品提昇至處於周圍壓力下之預定水深的構件，在此水深處，該岩心樣品中之任何甲烷水合物晶體均會解離成水及甲烷；用於量測該經提昇之岩心樣品所釋放之甲烷量的甲烷感測裝置；及用於根據該經提昇之岩心樣品所釋放之甲烷量測定該底部沉積物之甲烷含量的構件。
11. 如申請專利範圍第10項之系統，其中該岩心取樣裝置包含：框架，其安裝於腿、輪及/或履帶機構上，該機構經組態可使框架沿任何所需方向橫越水體底部移動；及垂直岩心鑽探裝置，其經組態可將各岩心樣品移入岩心樣品儲存室中，該儲存室經組態可在實質上等於圍繞該裝置之流體之周圍壓力的壓力下儲存該岩心樣品且形成岩心樣品儲存室集束之一部分，該集束係以可旋轉且可移出之迴轉料架組件形式安裝於框架上。
12. 如申請專利範圍第11項之系統，其中該岩心樣品儲存室集束係連接至可撓性管道之集束，該等可撓性管道係緊縛於自浮動平台懸吊之起重索。