天然氣水合物勘探和開(kāi)采方法研究進(jìn)展

劉 鑫，潘 振，王熒光，商麗艷，李 萍

（1. 遼寧石油化工大學(xué) 化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部， 遼寧 撫順 113001； 2. 遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001；3. 中油遼河工程有限公司， 遼寧 盤錦 124010）

天然氣水合物(Natural Gas Hydrate，簡(jiǎn)稱 Gas Hydrate)因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒，所以又被稱作“可燃冰”或者“固體瓦斯”和“氣冰”。它是在一定外界環(huán)境作用下，由水和天然氣在中高壓和低溫條件下混合時(shí)組成的類冰的、非化學(xué)計(jì)量的籠形結(jié)晶化合物(碳的電負(fù)性較大，在高壓下能吸引與之相近的氫原子形成氫鍵，構(gòu)成籠狀結(jié)構(gòu))。它可用mCH4·nH2O來(lái)表示，m代表水合物中的氣體分子，n為水合指數(shù)(也就是水分子數(shù))。組成天然氣的成分如 CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及 CO2、N2、H2S等可形成單種或多種天然氣水合物。形成天然氣水合物的主要?dú)怏w為甲烷，甲烷分子含量超過(guò) 99%的天然氣水合物通常稱為甲烷水合物[1](Methane Hydrate)。

天然氣水合物在自然界廣泛分布在大陸永久凍土、島嶼的斜坡地帶、活動(dòng)和被動(dòng)大陸邊緣的隆起處、極地大陸架以及海洋和一些內(nèi)陸湖的深水環(huán)境。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，天然氣水合物體積與其生成的甲烷氣體體積比為1∶164，是一種重要的潛在能源[2]。

1 天然氣水合物研究現(xiàn)狀

隨著國(guó)際形勢(shì)變化和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，中國(guó)對(duì)原油的需求急劇增加，據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，僅2012 年原油進(jìn)口量為 2.7 億 t以上，對(duì)外依存度55%以上，超過(guò)國(guó)家規(guī)定的紅線(50%)[3]。中國(guó)的油氣資源供需差距很大，為了滿足中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求，開(kāi)發(fā)新能源成了當(dāng)務(wù)之急。我國(guó)海底蘊(yùn)藏著豐富的天然氣水合物資源，其勘探開(kāi)采技術(shù)也逐漸得到了快速發(fā)展。

中國(guó)在南海西沙海槽等海區(qū)對(duì)海底天然氣水合物勘探取得了一定的效果，在相關(guān)海區(qū)發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物的地球物理標(biāo)志BSR，同時(shí)一些科研單位也建立了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究天然氣水合物的物化特性、成藏機(jī)理等方面。

2005年，中國(guó)宣布首次在南海北部陸坡發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的“冷泉”碳酸鹽巖分布區(qū)，其面積約為430 km2[4]。該分布區(qū)最有可能具有天然氣水合物，按照戰(zhàn)略規(guī)劃的安排，從發(fā)現(xiàn)開(kāi)始，需要經(jīng)過(guò)15 a左右的調(diào)查階段，然后是10 a左右的試生產(chǎn)開(kāi)發(fā)階段，最后是20 a的商業(yè)生產(chǎn)階段。

2009年，中國(guó)地質(zhì)部門在青藏高原也發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物，蘊(yùn)藏量巨大，至少350億t油當(dāng)量，預(yù)計(jì)經(jīng)過(guò)二十年左右試生產(chǎn)開(kāi)發(fā)階段就能夠投入使用[5]。

2 天然氣水合物勘探方法

天然氣水合物的成藏需具備四個(gè)基本條件[6]：

①原始物質(zhì)基礎(chǔ)-氣和水的足夠富集；

②足夠低的溫度；

③較高的壓力；

④一定的孔隙空間。

但是在自然界中，水合物常常作為其下游離氣體的蓋層，二者共同成藏。水合物圈閉成藏類型可分為兩種：簡(jiǎn)單圈閉和復(fù)合圈閉。簡(jiǎn)單圈閉完全發(fā)生在水合物層內(nèi)和地層之下；復(fù)合圈閉是有水合物和地質(zhì)構(gòu)造或地層相結(jié)合形成的。

天然氣水合物的勘探工作, 現(xiàn)在仍處于起步調(diào)查和摸索階段。僅有少量的幾口井被鉆成, 故難以形成有效、成熟的勘探方法, 亦未形成一支強(qiáng)有力的天然氣水合物技術(shù)專家隊(duì)伍?？梢哉f(shuō), 我們對(duì)于天然氣水合物的認(rèn)識(shí)仍處在初級(jí)階段。目前所提到的勘探方法中大部分借鑒的是傳統(tǒng)的石油天然氣勘探方法。

天然氣水合物勘探方法[7,8]主要包括：

① 鉆孔取心資料

鉆孔取心資料可以最直觀和最直接地證明天然氣水合物的存在。在布萊克海嶺和墨西哥灣等地，勘探人員已經(jīng)取到了含氣體水合物巖心的礦物質(zhì)。

②似海底反射層(BSR)

通過(guò)異常地震反射層也可以證明海底存在天然氣水合物，這種方法叫做海底反射層(BSR)。在布萊克海嶺地區(qū)，科研工作人員通過(guò)深海鉆探計(jì)劃發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。

③ 測(cè)井方法

測(cè)井方法也可以勘探地層中天然氣水合物的存在。測(cè)井方法鑒定天然氣水合物需要四個(gè)基本條件：一是必須在有兩口或多口鉆井區(qū)，二是天然氣水合物要具有較高的電阻率；三是在鉆探過(guò)程中天然氣水合物儲(chǔ)層要有明顯的甲烷氣體排放；四是天然氣水合物具有較短聲波傳播時(shí)間。

3 天然氣水合物開(kāi)采方法

天然氣水合物的開(kāi)采技術(shù)是最復(fù)雜艱巨且充滿危險(xiǎn)的任務(wù)，世界上天然氣水合物的儲(chǔ)量巨大，但從天然氣水合物中有效地開(kāi)采天然氣的方法目前仍在在探索和探討研究之中。

天然氣水合物開(kāi)采方法[9-15]主要有兩類：傳統(tǒng)開(kāi)采方法和新型開(kāi)采方法。

傳統(tǒng)開(kāi)采方法包括：

① 減壓開(kāi)采法，減壓開(kāi)采法是一種通過(guò)降低天然氣水合物儲(chǔ)層壓力促使其快速分解的開(kāi)采方法。減壓開(kāi)采法具有成本低，間斷激發(fā)優(yōu)點(diǎn)，適合天然氣水合物較大面積的開(kāi)采，尤其適用于下伏氣的天然氣水合物礦藏的開(kāi)采。但它也有一定的局限性，特殊要求是天然氣水合物礦藏必須處于溫度和壓力平衡邊界附近，減壓開(kāi)采法才能是一種具有經(jīng)濟(jì)可行性的開(kāi)采方法。

② 熱激開(kāi)采法，熱激開(kāi)采法是通過(guò)注熱水或蒸汽對(duì)天然氣水合物儲(chǔ)層進(jìn)行直接加熱，破壞儲(chǔ)層的溫度平衡，促使天然氣水合物受熱分解。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是作用方式較快，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)注熱；不足之處是注熱過(guò)程中熱損失嚴(yán)重，熱量利用效率較低，并且加熱面積較小，因此該方法需要在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中進(jìn)一步完善。

③化學(xué)試劑注入法，化學(xué)試劑注入法將某些化學(xué)試劑注入到天然氣水合物儲(chǔ)層中，破壞天然氣水合物礦藏的穩(wěn)定平衡條件，加速天然氣水合物的分解。這種方法在初期可以降低天然氣水合物開(kāi)采成本投入，不足之處會(huì)給當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境帶來(lái)較大破壞。所以，這種方法應(yīng)用的范圍也比較有限。

新型開(kāi)采方法包括：

①置換開(kāi)采法，通過(guò)注入 CO2，破壞天然氣水合物礦藏的相穩(wěn)定平衡條件，加速天然氣水合物的分解。在一定的溫度條件下，天然氣水合物必須保持一定的壓力才能夠穩(wěn)定存在，如果此時(shí)向天然氣水合物礦藏內(nèi)注入CO2氣體，就會(huì)改變天然氣水合物的存在條件，使其分解成天然氣和水，CO2和水作用生成CO2水合物進(jìn)而把天然氣置換出去。

② 固體開(kāi)采法，固體開(kāi)采法通過(guò)礦場(chǎng)開(kāi)采裝置，直接采集固態(tài)天然氣水合物，然后將采集到的固態(tài)天然氣水合物集合到某一地區(qū)進(jìn)行下一步分解。該方法首先通過(guò)礦場(chǎng)開(kāi)采裝置將天然氣水合物原地粉碎分解為氣液固三相混合物，形成混合泥漿，然后將這種混合泥漿通過(guò)豎直管道輸送到分解單元進(jìn)行處理，獲取天然氣水合物中的天然氣。

4 開(kāi)采天然氣水合物對(duì)生態(tài)環(huán)境影響

開(kāi)采天然氣水合物的實(shí)質(zhì)是破壞天然氣水合物的相平衡條件，即溫度壓力壓條件，使其分解。在天然氣水合物藏的開(kāi)采過(guò)程中如果采取了不當(dāng)?shù)目刂茰貕簵l件的方法和措施，就會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生一系列的不良影響，如溫室效應(yīng)、海洋生態(tài)惡化以及海底坍塌等事故[16]。

①天然氣水合物中分解的天然氣如果出現(xiàn)泄露，就會(huì)加大大氣輻射強(qiáng)度，必然會(huì)加劇全球溫室效應(yīng)，造成全球溫度升高，冰川融化，海平面上升，對(duì)人類居住條件產(chǎn)生不利影響。

②進(jìn)入海水中的天然氣會(huì)影響海洋生態(tài)平衡。天然氣促進(jìn)海水中微生物氧化作用，其氧化作用會(huì)消耗掉大量的氧氣，使海水處于缺氧狀態(tài)，這樣會(huì)危害海洋微生物的生長(zhǎng)發(fā)育。

③海洋中固態(tài)天然氣水合物的分解，會(huì)使海底缺乏支撐，可能導(dǎo)致海底滑塌事件，更嚴(yán)重的會(huì)造成地震和海嘯等嚴(yán)重自然危害。

5 結(jié)束語(yǔ)

天然氣水合物是水和天然氣在低溫和高壓條件作用下形成的一種固態(tài)可燃物質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)為清潔無(wú)污染、燃燒熱值高、使用便捷，被公認(rèn)為是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要后備能源。因此，其勘探和開(kāi)采技術(shù)已經(jīng)成為石油石化行業(yè)的研究熱點(diǎn)。但是由于天然氣水合物物理特性、成藏條件等增加了其開(kāi)采的難度，本論文主要從勘探和開(kāi)采方法對(duì)天然氣水合物的開(kāi)發(fā)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。隨著科技的發(fā)展，勘探方法也應(yīng)采用先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)，通過(guò)多學(xué)科綜合技術(shù)，進(jìn)行多方面全方位的勘察，從而可以準(zhǔn)確得知其儲(chǔ)存信息；在開(kāi)采方面，根據(jù)當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境的條件，可以優(yōu)選一種或幾種開(kāi)采方法組合。天然氣水合物成藏條件復(fù)雜，開(kāi)采時(shí)必須保護(hù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。天然氣水合物的勘探和開(kāi)采發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的工作，建立清潔安全的天然氣水合物勘探、開(kāi)采工藝是最具前景的開(kāi)發(fā)方式。

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