天然氣水合物開發(fā)可能導(dǎo)致的風(fēng)險

王浩，王繼平

（1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶163318；2.大慶油田勘探開發(fā)研究院地質(zhì)試驗研究室，黑龍江大慶163712）

天然氣水合物開發(fā)可能導(dǎo)致的風(fēng)險

王浩，王繼平

（1.東北石油大學(xué)提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江大慶163318；2.大慶油田勘探開發(fā)研究院地質(zhì)試驗研究室，黑龍江大慶163712）

天然氣水合物，也被稱為“可燃冰”，具高能量密度，燃燒污染小，分布廣泛，儲量大，可成為傳統(tǒng)的化石能源代替能源。從對天然氣水合物的概述入手，論述了海域天然氣水合物開發(fā)對海洋石油工程,大氣環(huán)境和海洋生物產(chǎn)生的以及潛在的影響，陸域凍土帶天然氣水合物開發(fā)對環(huán)境可能產(chǎn)生的影響，以及天然氣水合物和環(huán)境的相互影響。

海洋工程災(zāi)害；天然氣水合物；地質(zhì)災(zāi)難；寰球氣候

天然氣水合物是在低溫高壓狀況下，由烴類氣體與水分子構(gòu)成的一種非化學(xué)計量型的、外觀似冰的籠形晶體[1]。因其外表特征似冰且可燃，故俗稱可燃冰。水合物晶體中水分子形成的構(gòu)形為立體點陣，氣體分子則補于點陣的空穴中，如圖1所示。由于空穴中氣體分子的無序分布，所以沒有固定化學(xué)式，其化學(xué)式表示為M·n H2O，M代表烴類氣體分子，n為水分子數(shù)。在標況（0℃，1 atm）下，1體積CH4·n H2O分解可產(chǎn)生164體積的CH4氣體。因此，天然氣水合物是一種能量密度高，綠色環(huán)保的潛在資源。

圖1 天然氣水合物立體點陣圖Fig.1 Three-dimensional lattice picture of natural gas hydrate

1 天然氣水合物概述

基于天然氣水合物相平衡理論，其形成和存留須具備4個條件：較低溫度、較高壓力、烴類氣體和豐富的水。從形成條件推理，形成天然氣水合物可能性最大的兩類地區(qū)是：①高緯度的陸地（永久凍土帶）和大陸架；②海底。

關(guān)于天然氣水合物資源量問題一直存在爭議，大體可分為三個時期[2]：20世紀70年代至80年代早（1017～1018m3），80年代晚期至90年代早期（1016m3），20世紀90年代晚期至今（1014～1015m3）。當(dāng)前各國科學(xué)家一致接受的資源儲量是2×1016m3，折算為有機碳資源，約為所有化石能源含碳量總和的2倍。

綜上，天然氣水合物能量密度高，燃燒后污染小，分布廣，儲量大，應(yīng)用前景好。

2 天然氣水合物可能導(dǎo)致的風(fēng)險

2.1 海域天然氣水合物開發(fā)對海洋石油的潛在風(fēng)險

隨著深水油氣田的開發(fā)，海域天然氣水合物在鉆采過程中可能引起諸多問題，如大規(guī)模海洋地質(zhì)災(zāi)、海洋工程災(zāi)害、環(huán)境災(zāi)難等[3]。在鉆采過程中引入溫度和壓力擾動，一方面可能使穩(wěn)定狀態(tài)的水合物分解產(chǎn)生氣體和水；另一方面，地層內(nèi)氣體也可能在管線和井筒內(nèi)形成水合物。

（1）天然氣水合物可引起井控事故

水合物可堵塞壓井管匯和節(jié)流管匯。Baker等人記錄了兩起由天然氣水合物造成的停鉆事例[4]：水深350 m，泥線溫度7℃的加利福尼亞州海疆事故；水深945 m，泥線溫度4℃的墨西哥灣海疆事故。

在鉆井過程中，閘板防噴器靠壓力關(guān)閉，未設(shè)密封墊片，氣體和水合物可進入腔內(nèi)，其中氣體可形成水合物。這些已有和形成的水合物將阻止閘板再次打開?，F(xiàn)在采用的防噴器設(shè)計不能避免水合物的影響[5]。

（2）天然氣水合物能改變鉆井液性質(zhì)

鉆井時，氣體能在水基鉆井液中形成水合物，消耗其中水分，降低其攜巖能力，造成重晶石沉淀堵塞環(huán)空形成卡鉆。泥漿中的水合物在上返時，所處壓力逐漸減小，會迅速分解，引起壓力的波動，較易引起井涌或甚是井噴。泥漿中高含量氣體可以降低環(huán)空壓力，進一步促進水合物分解，使井噴和井壁失穩(wěn)更加加劇。水合物的形成也會增大油基泥漿流變參數(shù)，從而改變泥漿整體性能。

（3）天然氣水合物可改變井壁穩(wěn)定性

一方面，在水合物分解區(qū)，流體的超壓流動和產(chǎn)生的氣體會使沉積物粘結(jié)強度變差。井眼的打開將改變其周圍溫度和壓力，導(dǎo)致水合物分解。當(dāng)起粘結(jié)或基質(zhì)支柱作用的固態(tài)水合物分解時，產(chǎn)生的水將增加井眼地層的含水率，降低儲層介質(zhì)的有效應(yīng)力，削弱顆粒粘結(jié)強度，致使井壁不穩(wěn)定乃至坍塌；產(chǎn)生的氣體會影響泥漿的流變性和相對密度，加劇井壁不穩(wěn)定。另一方面，水合物儲層和泥漿間存在傳質(zhì)和傳熱效應(yīng)，即泥漿向井周儲層滲透和水合物的分解，它們的復(fù)合作用將使井眼周圍基質(zhì)孔隙水壓力上升，有效應(yīng)力降低，造成井壁力學(xué)失穩(wěn)。井壁失穩(wěn)會損壞套管，擴大井徑，從而引起大量問題，如鉆桿柱彎曲、固井質(zhì)量更差、沖洗井眼難度增大、封隔器不易封牢、井下作業(yè)工具難下等。

（4）天然氣水合物可造成井周下降

天然氣水合物的分解會破壞海底和近地表的穩(wěn)定性，減弱區(qū)間和破壞面將沿天然氣通道產(chǎn)生，這將造成海底設(shè)施的不穩(wěn)定，從而影響環(huán)境。

若含水合物區(qū)域的水合物分解，地層將喪失承載力，海底地基將沉陷。若井徑擴大，該井段套管被壓扁或防噴器或井口裝置失去支撐發(fā)生傾斜，井內(nèi)壓將失控，可能引起井噴。

（5）天然氣水合物可導(dǎo)致固井問題

水合物分解引發(fā)的井徑擴大，會使井壁泥漿切面強度下降。在生產(chǎn)過程中，水合物可在環(huán)空中形成，其分解可能會損壞內(nèi)部套管。

北非深水區(qū)的經(jīng)驗表明，水泥的水化熱會引起水合物的分解。通常采用冷凍套管方法可部分解決此問題，此外還需考慮以下幾方面：

①套管程序。

②套管規(guī)格。

③固井方法。

④固井材料的選擇。

2.2 海域天然氣水合物開發(fā)對環(huán)境的影響

（1）海域天然氣水合物開發(fā)對大氣環(huán)境的影響

甲烷與二氧化碳一樣，也是溫室氣體，產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是同質(zhì)量氣態(tài)CO2的20多倍。圈閉在海洋和大陸水合物中的甲烷含量約是大氣中甲烷含量的三千倍，因此，水合物中的甲烷釋放將對大氣組分造成強烈影響，從而改變?nèi)驓夂颉＜淄榈臏厥倚?yīng)致使環(huán)球氣溫越來越高，儲層中天然氣水合物分解，如此往復(fù)形成惡性循環(huán)，強烈影響全球氣溫。

目前，難以確定天然氣水合物在氣候和環(huán)境變化方面所扮演的角色。

一方面，有學(xué)者認為天然氣水合物是氣候和環(huán)境變化的加速劑。以往研究表明，在近20萬年里大氣中甲烷量與地球氣溫是密切耦合的。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化，如溫度波動、海平面變化、壓力擾動、構(gòu)造活動、沉積盆地遷移等時，會影響天然氣水合物的穩(wěn)定，甚至破壞水合物層[6]。海洋水合物中甲烷的釋放（如圖2）,將會改變海水溶解碳組分或甲烷的大氣濃度,一旦規(guī)模變大,會給全球氣候帶來災(zāi)難性影響。

圖2 天然氣從海底天然氣水合物中的逸出Fig.2 The evolution of natural gas from natural gas hydrate in seabed

另一方面，有學(xué)者指出在氣候和環(huán)境變化過程中，天然氣水合物的角色是穩(wěn)定劑。研究表明，對甲烷逸出率的影響可不考慮海底壓力變化；溫度造成海底甲烷逸出率的最大變化不足10%，也許不會顯示在大量的大氣甲烷量波動數(shù)據(jù)中。另外，水合物分解產(chǎn)生的甲烷會被海水大量溶解，殘余甲烷經(jīng)歷氧化作用，在透光帶之下的深海底（水深大于200 m）和一定溫壓條件下會形成碳酸鹽巖沉積和自生生物系統(tǒng)。因此，與海洋沉積物中水合物分解有關(guān)的溫室氣體逸出對全球氣候變化的貢獻可能是有限的。

（2）海域天然氣水合物開發(fā)對海洋生物的影響

海底天然氣水合物分解所釋放的甲烷的向上運移過程分為兩部分：沉積物中的運移和海水中的運移。

①在沉積物中向上運移時，游離態(tài)及分解產(chǎn)生的甲烷若遇到適合的溫壓條件會重新生成水合物；剩余的甲烷氣體繼續(xù)上移，在與硫酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，一部分甲烷形成二氧化碳進入上部水體，另一部分沉淀出碳酸鹽礦物，在沉積物中形成固體或最終形成蛤床等自生生物群落。這一過程可消耗90%的甲烷，但如果沉積物中的硫酸鹽和氧氣含量較少或甲烷總量較多，仍會有甲烷上移進入水體。

②進入海水中的甲烷將向兩個方向發(fā)展：其一，在氧含量充足的水體中，大部分甲烷被氧化成二氧化碳，部分生成二氧化碳又可溶解碳酸鹽礦物。此過程的化學(xué)反應(yīng)式如下：

圖3 天然氣水合物多方面全方位環(huán)境效應(yīng)示意圖[6]Fig.3 Omnibearing environmental effect scheme of natural gas hydrate

研究表明，天然氣水合物分解是減少海水中氧含量的罪魁禍首，而海洋生物滅絕的直接原因是海洋缺氧[7-11]。其二，未被消耗的甲烷和二氧化碳繼續(xù)上移，部分二氧化碳在靠近表層水時，可被浮游植物轉(zhuǎn)化為氧氣；剩余甲烷和二氧化碳借助水柱抵達大氣圈。抵達大氣圈的二氧化碳和甲烷繼續(xù)被消耗，部分二氧化碳被陸地植物轉(zhuǎn)化成氧氣。綜上，當(dāng)水合物緩慢分解時，通過長時間的式（1）的反應(yīng)，大量甲烷在第一過程被消耗逸出量較少；當(dāng)水合物不可控地大規(guī)模分解時，會導(dǎo)致大量甲烷氣體進入大氣中。

綜上，以圖3概括天然氣水合物諸多方面全方位的環(huán)境效應(yīng)。

2.3 凍土天然氣水合物采出對環(huán)境的影響

陸域天然氣水合物形成于凍土帶，其上沒有巨厚的海水覆蓋，在分解釋放過程中沒有甲烷的溶解和生物化學(xué)氧化作用。當(dāng)分解釋放的甲烷泄露時，若運移通道具有良好連通，抵達大氣圈的甲烷量幾乎等于分解釋放的甲烷量。所以，不可低估永凍帶天然氣水合物排出甲烷的量及其氣候影響效應(yīng)。

在海外，1976-2006年間，北極地區(qū)平均氣溫上升了4℃；1985-2006年間，阿拉斯加育空河地區(qū)氣溫約上升3.2℃。專家警告：整個北極地區(qū)和格陵蘭島的冰層正在退縮。這將極大轉(zhuǎn)變極地生態(tài)系統(tǒng)的各方面，如海洋運輸、礦產(chǎn)資源開發(fā)、多年凍土層以及人類和動植物生存環(huán)境等。據(jù)報告，甲烷異常區(qū)從2003年起越來越多。其中，西伯利亞陸上凍土帶融化的河水和海底永凍層下水合物層的融化，導(dǎo)致了海水中的甲烷異常。

在國內(nèi)，我國是中低緯度國家中高原冰川最多樣豐富的。表1給出了我國多年凍土分布下限的海拔高度和西部現(xiàn)代冰川雪線。

表1 我國多年凍土分布下限的海拔高度和西部現(xiàn)代冰川雪線Table1 The atitude of permafrost lower limit in china and westen modern snowline

對青藏高原冰川的研究，主要認識歸納如下：20世紀60年代以前，大多數(shù)冰川處于退縮狀況；60年代至70年代初，大半冰川呈穩(wěn)定或前進狀況；20世紀70年代，三分之二的冰川處在退縮狀況；從70年代起，大部分冰川以退縮為主。青藏高原水合物找礦遠景區(qū)在廣大凍土區(qū)內(nèi)，其發(fā)育和完整保留是保持高原生態(tài)平衡的基礎(chǔ)。但開發(fā)過程中的人類工程活動，如廠房建設(shè)、公路修建、管道鋪設(shè)等，將使得多年凍土逐漸退化，促進沙漠化的發(fā)展，植物種類減少，小型嚙齒類動物潛入。

此外，水合物凍土層融化，將釋放巨量CO2,加速全球氣候變暖。起支撐作用的水合物被開發(fā)，將引起地層壓力虧空，引發(fā)地陷等地質(zhì)災(zāi)害，進一步造成凍土退化，加速環(huán)境破壞。

3 總結(jié)

毋庸置疑，天然氣水合物資源對人類有著十分重要的能源意義，但對其進行的開發(fā)利用具有兩面性。一方面，從能源方面考慮，天然物水合物資源儲量巨大，主要成分是甲烷，燃燒后污染小，分布范圍廣，可能成為傳統(tǒng)化石能源的一種替代能源。另一方面，從環(huán)境方面考慮，當(dāng)賦存條件因各類因素發(fā)生變化時，天然氣水合物也許會失穩(wěn)和無序、不可控釋放，這有可能引發(fā)深水地質(zhì)災(zāi)難或更變寰球氣溫，致使劇烈的環(huán)境效應(yīng)。故而，開發(fā)天然氣水合物時，態(tài)度須極度審慎，盡全力減少并消除天然氣水合物開發(fā)利用對環(huán)境造成的影響。

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Possible Risks in Development of Natural Gas Hydrate

WANG Hao，WANG Ji-ping
（1.EOR Key Laboratory of Ministry of Education,Northeast Petroleum University,Heilongjiang Daqing 163318，China；2.Daqing Oilfield Company E﹠D Research Institute,Heilongjiang Daqing 163712，China）

Natural gas hydrate,also called flammable ice,has high energy density,low combustion pollution,extensive distribution and large reserves,so it may become a substitute for conventional fossil energy.In this paper,starting with the summary of natural gas hydrate,existing and potential effects of marine gas hydrate development on offshore oil engineering,atmosphere environment and halobios were discussed as well as possible effect of land permafrost gas hydrate development on environment and the interaction between gas hydrate and environment.

Oceaneering disaster;Natural gas hydrate;Geological disaster;Global climate

TE 624

A

1671-0460（2017）03-0485-04

2016-11-12

王浩（1989-），男，黑龍江省大慶市人，在讀碩士研究生，現(xiàn)就讀于東北石油大學(xué)油氣田開發(fā)工程專業(yè)，研究方向：提高采收率原理與技術(shù)。E-mail：wanghaolaojiang@163.com。